Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства
РАЗДЕЛ 2. ПОМЕХИ РАДИОПРИЕМУ
ЛЕКЦИЯ 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОМЕХ
Помехой является любое воздействие, искажающее факт приема. Электромагнитной помехой является постороннее электромагнитное колебание. Радиопомеха - электромагнитная помеха в диапазоне радиочастот.
2.1 Классификация радиопомех
1.По месту происхождения различают помехи:
-атмосферные;
-индустриальные;
-излучение сторонних станций;
-космические;
-внутренние.
Атмосферные помехи обусловлены электрическими разрядами в атмосфере. Неслучайно первое радиоприемное устройство А.С. Попова называлось грозоотметчиком. Ежесекундно в атмосфере нашей планеты происходит до 100 грозовых разрядов. Спектральная плотность атмосферных помех может быть рассчитана по формуле
S(ω) = Eп /(πω) ,
где Eп - напряженность поля помехи.
Индустриальные или промышленные помехи излучаются при работе различного рода электроустановок: электродвигателей, пусковых механизмов, электросварочных аппаратов и т.д.
Излучение сторонних станций – излучение всех радиопередающих устройств, которые способны помешать приему полезного сигнала.
Космические помехи связаны с излучениями небесных тел: солнца, луны, звезд, комет и т.д.
Внутренние помехи связаны с наличием внутренних собственных шумов пассивных и активных (усилительных) элементов, фона от источника питания и наводок.
На рис.2.1 представлены примерные частотные зависимости напряженностей полей внешних помех. Графики пересчитаны к полосе пропускания 1 кГц. На рисунке обозначено: 1 - средний уровень атмосферных помех днем; 2 - ночью; 3 - средний уровень промышленных помех в городе; 4 - уровень космических помех; 5 – собственные шумы РПрУ.
2.По характеру действия на прием помехи делятся на:
-пассивные;
-активные.
Пассивные помехи обусловлены особенностями распространения радиоволн в атмосфере: замирания, радиоэхо и т.д.
Активные помехи создают появление э.д.с. на входе и элементах РПрУ. 3. По характеру воздействия на тракт различают помехи:
-мультипликативные;
-аддитивные.
28
Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства |
Рис. 2.1 |
Мультипликативные помехи изменяют коэффициент передачи тракта для полезного сигнала и при отсутствии полезного сигнала не проявляются. Действие мультипликативных помех основано на перемножении с полезным сигналом, в результате чего изменяется уровень полезного сигнала в точке приема.
Эффект перемножения характерен и для более сложных нелинейные эффектов в атмосфере. Например, для сигналов не очень большой мощности две радиоволны распространяются через одну и ту же область ионосферы независимо друг от друга, ионосфера является линейной средой. Для мощных радиоволн диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы начинают зависеть от напряжённости поля распространяющейся волны. Нарушается линейная связь между электрическим током и полем Е. Нелинейность ионосферы может проявляться в виде перекрёстной модуляции сигналов и в изменении глубины модуляции сигнала, отражённого от ионосферы.
Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 2.2), сложение которых приводит к замираниям – хаотическим изменениям сигнала.
Все сказанное можно характеризовать как изменение коэффициента передачи канала связи к входу РПрУ.
Действие аддитивных помех заключается в простом суммировании с полезным сигналом и проявляется также и при его отсутствии. К ним можно отнести шумы, импульсные помехи.
4.По структуре различают помехи:
-квазигармонические или сосредоточенные по спектру;
-квазиимпульсные или сосредоточенные по времени;
-гладкие.
29
Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства
Рис. 2.2 - Рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы.
Если напряжение на выходе РПрУ от предыдущего импульса не успело исчезнуть к моменту прихода следующего импульса, то помеха считается гладкой. Если к тому же это некоторая хаотическая последовательность (невозможно выделить период повторения импульсов), то помеха называется флуктуационной. Импульсная помеха отличается большим временным интервалом между соседними импульсами. У гладких помех интервалы между импульсами не выделяются.
2.2 Способы описания внутренних шумов
Внутренние шумы связаны с тепловым движением электронов, среднее время между столкновениями которых t = 10−13 сек. Спектр каждого такого элементарного импульса содержит составляющие с равной амплитудой до частоты f = 1/t =1013 Гц, т.е. охватывает практически весь радиочастотный диапазон.
Мощность шумового сигнала может быть рассчитана по формуле
Pш = S f ,
где S - спектральная плотность мощности шума; f - анализируемая полоса частот.
Существует два основных способа описания внутренних шумов, различающиеся по методике расчета спектральной плотности шума:
1.Метод спектральных функций (характеристик).
2.Статистический вероятностный метод.
В методе спектральных функций распределение энергии сигнала по частоте или спектральная плотность энергии равна
Ns = dЭ . dω
В соответствии с теоремой Парсеваля энергия сигнала
∞
Э = 1 ∫G2 (ω)dω ,
π 0
30
Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства
тогда спектральная плотность мощности колебания при длительности колебания T = ∞
S = lim Ns
T→∞ T
или
S = lim G 2 (ω) ,
T→∞ 2πT
где
∞
G(ω) = ∫ U(t)e− jωt dt .
−∞
Здесь G(ω) - спектральная функция, представляющая собой огибающую амплитуд составляющих спектра шума; U(t) - исходный шумовой сигнал
(рис.2.3).
Спектральная плотность мощности колебания характеризует распределение мощности по частоте и часто называется энергетическим спектром.
|
Рис.2.3 |
Недостатком |
метода спектральных функций является отсутствие |
аналитического выражения для U(t) .
Статистический вероятностный метод основан на том, что наиболее распространенными являются случайные процессы с нормальным законом распределения плотности вероятности (законом Гаусса):
|
|
|
|
|
|
|
|
(U − |
|
|
|
|
|
p = |
|
|
1 |
exp(− |
U)2 |
) , |
|||
|
|
|
|
|
2σ2 |
||||||
|
|
|
|
|
2πσ2 |
|
|||||
где U - математическое ожидание (среднее арифметическое) случайной |
|||||||||||
величины U; σ2 - дисперсия или среднее значение квадрата центрированной |
|||||||||||
|
|
|
|
||||||||
случайной величины [U(t)- U ], |
представляет собой мощность отклонения |
||||||||||
шумового процесса от среднего значения на сопротивлении 1 Ом.
В нашем случае среднее значение шума равно нулю, а это означает, что дисперсия представляет собой мощность шумового процесса: σ2 = Uш2 .
31
Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства
В соответствии с распределением Рэлея для амплитуды огибающей шумового процесса
|
|
w = |
|
U |
|
exp(− |
|
U2 |
|
) |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uш |
|
2Uш |
|
|
|||||||
наиболее |
вероятными |
являются |
значения |
огибающей, |
равные |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
среднеквадратическому значению |
|
Uш2 |
, т.е. σ (рис.2.4). |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.2.4
Энергетический спектр связан с дисперсией соотношением
∞
σ2 = ∫Sdω .
−∞
На основании всего сказанного можно определить спектральную плотность как
S = dUш2 . df
Как известно, случайное колебание с энергетическим спектром, не зависящим от частоты в полосе от нуля до бесконечности, принято называть “белым” шумом. Спектральная плотность “белого” шума равна минимально возможной мощности шума в полосе 1 Гц
S = kT ,
где k = 1,38−23 дж / K - постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура по шкале Кельвина.
Так как полоса пропускания любого реального РПУ ограничена, то шумы на входе РПУ можно с большой степенью точности считать “белыми”.
32