1.7. Помехи в каналах связи

В реальных каналах связи сигналы при передаче искажаются, что приводит к воспроизведению сообщения на приемном конце с некоторой ошибкой. В общем случае это ведет к понижению верности и скорости передачи. Причиной этому являются искажения, вносимые caмим каналом, случайные помехи, воздействующие на сигнал в линии связи, а также случайные изменения параметров самого ка­нала.

Искажения, вносимые каналом, могут быть линейными и нелинейными. Они устраняются путем соответствующей коррекции харак­теристик канала.

В отличие от искажений помехи носят случайный характер. Они заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Помехи в канале связи подразделяются на внут­ренние и внешние. Источником внутренних помех яв­ляется тепловое хаотическое движение электронов в лампах, полу­проводниковых приборах, электрических цепях и т.д.

К внешним помехам относятся атмосферные, станционные, ин­дустриальные, космические и другие помехи. В радиоканалах наиболее рас­пространенными являются атмосферные помехи. Энергия этих помех в основном сосредоточена в области средних и длинных волн. Стан­ционные помехи обусловлены нарушениями распределения рабочих ча­стот, плохой фильтрацией гармоник сигнала, нелинейными процессами в аппаратуре, ведущими к перекрестным искажениям и т.д. Ин­дустриальные помехи создаются линиями электропередачи, генерато­рами, системами зажигания двигателей и др. Космические помехи созда­ются электромагнитными процессами, происходящими в Галактике, на Солнце и других внеземных объектах. Эти помехи особенно сказыва­ются в диапазоне УКВ до нескольких ГГц, после чего их интенсив­ность резко убывает.

Огромное разнообразие источников приводит к тому, что струк­тура и вероятностные характеристики помех существенно отличаются. Тем не менее, по характеру спектра все помехи в каналах связи мож­но разделить на флуктуационные, сосредоточенные и импульсные.

Флуктуационная помеха является случайным процессом, обладающим практически равномерным энергетическим спектром. Эта помеха имеет место во всех реальных каналах связи. Примером флуктуационной помехи являются внутренние шумы элементов аппаратуры связи, космические шумы и некоторые виды атмосферных и индустриальных помех. Ширина спектра флуктуационных помех много больше спектра передаваемого сигнала.

Сосредоточенная помеха имеет энергетический спектр более узкий или такой же, как у сигнала. Она может создаваться посторонними средствами связи и другими промышленными объектами. Как правило, сосредоточенные помехи представляют собой модулированные колебания. Этот вид помех особенно сильно проявляется в каналах радиосвязи.

Импульсная помеха представляет собой случайные или регулярные последовательности импульсов большой скважности. Длительность таких импульсов меньше длительности элементарного сигнала. Переходные явления от воздействия импульсов в приемной аппаратуре обычно успевают затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К импульсным помехам относятся многие виды атмосферных и индустриальных помех. В зависимости от частоты следования импульсов они могут воздействовать на приемник с широкой полосой - как импульсная помеха, а на приемник с узкой полосой - как флуктуационная помеха.

Еще одним видом помех является флуктуация параметров радиокана-ла. Случайные изменения его параметров приводят к непостоянству коэф-фициента передачи и времени прохождения сигналов по каналу связи, а также к явлению многолучевого распространения радиоволн.

Все перечисленные выше возмущения обязательно проявляются в виде помехи в той или иной мере при передаче сигналов.

Независимо от вида возмущений в канале связи, его воздействие на сигнал можно представить в виде оператора .

Если возмущение, действующее в канале связи, складывается с сигналом, то это аддитивная помеха. К ней относятся тепловые шумы, атмосферные, космические, промышленные и станционные помехи.

Аддитивная помеха воздействует на вход приемника независимо от сигнала и проявляется также при отсутствии сигнала. В этом случае оператор преобразуется в сумму . Аддитивную помеху в инженерной практике часто называют шумом.

Если же возмущение непосредственно связано с прохождением сигнала в канале связи, то оно называется мультипликативной помехой. Эта помеха перемножается с сигналом, а при его отсутствии никак не проявляется на входе приемника. При этом оператор преобразуется в произведение , где - коэффициент передачи канала связи, изменяющийся случай­ным образом во времени.

Мультипликативные помехи характерны для каналов радиосвязи. Они возникают в результате многолучевого распространения радио­волн, их интерференции в точке приема, а также в результате нере­гулярных изменений параметров среды распространения радиоволн (высоты и толщины слоев тропосферы, электронной концентрации и т.п.).

В результате многолучевости распространения радиоволн ампли­туда и фаза сигнала медленно, по сравнению с собственными коле­баниями, изменяется. Это изменение можно представить как процесс модуляции в виде произведения модулируемой и модулирующей функций.

Мультипликативная помеха может быть также результатом прояв­ления нелинейных свойств отдельных элементов тракта радиосвязи, в которых одновременно действуют сигнал и помеха.

В каналах радиосвязи имеют место как аддитивные, так и муль­типликативные помехи. Поэтому сигнал в канале связи может быть представлен в виде

(1.20)

где - коэффициент передачи канала радиосвязи;

- передаваемый сигнал;

- время запаздывания сигнала - го луча;

- аддитивная помеха;

к - число лучей.

Канал связи, параметры и которого неизменны во времени, называется каналом с постоянными параметрами. Таких каналов крайне мало. К ним относят­ся проводные каналы связи и каналы радиосвязи УКВ прямой види­мости .

Во всех же других каналах параметры и непрерыв­но меняются случайным образом. Такие каналы радиосвязи называются кaнaлaми с пере-менными параметрами.

Случайные изменения параметров и приводят к непрерывному изменению уровня принимаемого сигнала, которое называется замираниями или федингами. Замирания обусловлены интерференцией в точке приема многих лучей, прошедших различные пути в результате многократного отражения радиоволн от различных слоев атмосферы.

Нерегулярный характер изменения высоты и толщины этих слоев, а также их электронной концентрации приводит к случайным изменениям амплитуд и фаз отдельных лучей на входе приемника. В итоге, результирую-щий сигнал подвержен замираниям по случайному закону.

Кроме интерференционных замираний наблюдаются поляризационные замирания, обусловленные вращением плоскости поляризации волны под действием магнитного поля Земли.

В зависимости от ширины спектра сигнала и свойств среды распростра-нения различают гладкие и селективные замирания. В свою очередь зами-рания могут быть медленными и быстрыми.

Когда взаимное запаздывание приходящих лучей соизмеримо с длительностью элемента сигнала, явление многолучевого распространения вызывает не только замирания сигнала, но и наложение соседних элементов сигнала друг на друга. Это явление называется радиоэхо, а запаздывающий луч - эхо-с и г н а л о м.

Медленные изменения параметра , приводящие к медленным замираниям, вызываются суточными и сезонными изменениями состояния тропосферы и ионосферы.

Быстрые замирания обусловлены, главным образом, многолучевым распространением радиоволн.

Типичными представителями каналов с переменными параметрами являются коротковолновые каналы радиосвязи, а также УКВ-каналы тропосферной, ионосферной и метеорной радиосвязи.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличают канал и система связи?

2. Какими показателями характеризуется любая система передачи информации?

3. Назовите физические характеристики сигнала и канала связи.

4. Чем отличаются непрерывные и дискретные сообщения?

5. Что такое первичный электрический сигнал?

6. Назовите основные характеристики речи и слуха.

7. Поясните термин «канал тональной частоты».

8. Дайте характеристику дискретным сигналам.

9. Какие виды модуляции применяются в непрерывных системах связи?

10. Какие виды манипуляции применяются в дискретных системах связи?

11. Что такое шумоподобные сигналы и где они применяются?

12. Поясните теорему В.А. Котельникова.

13. Какие виды аддитивных помех вы знаете?

14. Что такое мультипликативная помеха?

ЛИТЕРАТУРА: Основная: [ЭП], [1,2], доп. [3].

Задачи

Задача 1.

Даны параметры сигнала: ширина спектра , динамический диапазон и время действия сигнала. Параметры канала и совпадают по величине с параметрами сигнала, но полоса пропускания канала в два раза шире сигнала . Как эффективно передать такой сигнал по каналу связи?

Задача 2.

Покажите на примере речевого сигнала с верхней частотой =3,4 кГц, что его можно передать конечным множеством его значений на интервале Т=5 с. Воспользуйтесь теоремой В.А. Котельникова и вычислите интервал дискретизации и число отсчетов на заданном интервале времени.

Литература:[ЭП], [1,3].