Помехи и искажения

Помеха — любое мешающее внешнее или внутреннее воздей­ствие на сигнал, вызывающее случайные отклонения принятого сигнала от передаваемого.

Откуда же берутся помехи и как они попадают в приемник? Приведем всем известный пример. В комнате прослушивается магнитофонная запись. Но слушатель воспринимает не только записанную музыку (полезное сообщение), но и разговоры сосе­дей, и шум транспорта с улицы, и звуки из соседней комнаты и т. д. Это все помехи. Точно так же и в любом канале электросвя­зи. Современный мир полон не только звуков, но и электромаг­нитных колебаний естественного и искусственного происхожде­ния. Они везде и всюду. Часть из них, конечно, теми или други­ми путями проникает на вход приемника, хотя мы и пытаемся этому препятствовать.

Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. Иногда помехи резко отличаются от сигнала, иногда даже трудно определить, где сигнал, а где помеха. Вдруг в телефоне слышно два разговора..Надо время, чтобы различить, где полезный сигнал, а где случайно подклю­чившаяся «помеха». В то же время эта «помеха» —полезный сиг­нал для другого абонента.

Классификацию помех можно провести по следующим приз­накам: по происхождению (месту возникновения); по физическим свойствам; по характеру воздействия на сигнал.

По происхождению в первую очередь надо отметить внутрен­ние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных прибо­рах, сопротивлениях и других элементах. Это так называемые тепловые шумы. Квадрат эффективного напряжения теплового шума на сопротивлении R определяется известной формулой Най-квиста

U²_ш=4kTRF, (1.3)

где Т — абсолютная температура сопротивления R; F — полоса частот; k=1.37*10^-23 Вт*с/град —постоянная Больцмана. Как следует из формулы (1.3), зти.шумы принципиально устранимы только при абсолютном нуле (Т=0 К).

Среди помех от посторонних источников, находящихся вне канала связи, можно назвать:

атмосферные помехи (грозовые разряды, полярные сияния и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

индустриальные помехи, возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, медицинские установки, системы зажигания двигателей и др.);

помехи от посторонних станций и каналов, возникающие от различных нарушений режима их работы и свойств каналов;

космические помехи, связанные с электромагнитными процес­сами, происходящими на Солнце, звездах, галактиках и других внеземных объектах.

По физическим свойствам различают флуктуационные и со­средоточенные помехи.

Флуктуационными называют помехи, обусловленные флукту-ациями тех или иных физических величин. Название происходит от физического понятия флуктуации (лат. fluctuation — колеба­ние) —случайные отклонения физических величин от среднего.

Флуктуационная помеха представляет собой непрерывные коле­бания, меняющиеся случайным образом. Для такой помехи ха-рактерно очень малое число выбросов, превышающее средний уровень более чем в 3—4 раза. Но большие (в принципе, беско­нечные) выбросы всегда имеются. Спектр помехи весьма широ­кий. Флуктуационные помехи проникают в систему связи не толь­ко извне, они зарождаются также внутри самой системы в раз­личных ее звеньях.

Причинами внутренних флуктуационных помех являются в ос­новном тепловой шум в проводниках и дробовый эффект в элек­тронных приборах. К внешним флуктуационным помехам приня­то относить помехи космического происхождения, помехи, выз­ванные взаимными влияниями цепей в линиях связи (линейные и нелинейные переходы, попутный поток¹ и некоторые другие). Хо­тя эти помехи по своему происхождению и не являются строго флуктуационными, но они обладают схожими признаками.

Мешающее воздействие флуктуационных помех зависит от ха­рактера передаваемого сообщения. В телефоне при речевом сиг­нале эта помеха прослушивается как звуковой шум, поэтому ча­сто флуктуационную помеху называют флуктуационным шумом. На экране телевизора флуктуационные помехи вызывают размы­тость контуров и понижение контраста изображения, при теле­графной передаче — ошибочное принятие знаков. Характерной особенностью флуктуационных помех является то, что явления, порождающие эти помехи, лежат в физической природе вещей (дискретное строение вещества, дискретная природа электромаг­нитного поля) и принципиально не могут быть устранены.

К сосредоточенным по времени (импульсным) помехам отно­сятся помехи в виде одиночных коротких импульсов различной интенсивности и длительности, следующих один за другим через случайные достаточно большие промежутки времени. Причина­ми импульсных помех являются: грозовые разряды; радиостан­ции, работающие в импульсном режиме; линии электропередачи и другие энергоустановки; система зажигания и энергообеспече­ния транспорта; перегрузки усилителей; плохие контакты в обо­рудовании и питании; недостатки разработки и изготовления оборудования; эксплуатационные работы (реконструкция, про­филактика, подключение к действующему каналу измерительных приборов, ошибочная коммутация и т. п.).

К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи по­сторонних радиостанций, генераторов высокой частоты различно­го назначения (медицинские, промышленные, бытовые и др.), пе­реходные помехи от соседних каналов многоканальных систем. Обычно это гармонические или модулированные колебания с ши­риной спектра меньшей или соизмеримой с шириной спектра по­лезного сигнала. В диапазоне декаметровых еолн, например, они являются основными видами помех.

По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи.

Аддитивной является помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействуют на прием­ное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.

Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Ме­шающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. Мультипликативные помехи непосредственно связаны с процес­сом прохождения сигнала в среде распространения и поэтому ощущаются только при наличии сигнала в системе связи. Про­стейший пример — телефонная или радиотрансляционная линия с плохими контактами. Другим примером мультипликативной по­мехи являются интерференционные замирания сигнала при при­еме на декаметровых волнах.

В реальных каналах электросвязи обычно имеет место не од­на, а совокупность помех. Но все же основными можно считать флуктуационные помехи, воздействующие на сигнал как адди­тивные.

Под искажениями понимают такие изменения формы сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигна­ла — переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные, возника­ющие в линейных цепях; нелинейные, возникающие в нелиней­ных цепях. В общем случае искажения отрицательно сказывают­ся на качестве воспроизведения сообщений и не должны превы­шать установленных значений (норм).

При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. А дальше изменение фор­мы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при дальнейшей обработке в приемнике. Это уже дело техники. Другое дело помехи — они заранее неизвестны и поэтому не могут быть устранены полностью.

Борьба с помехами — основная задача теории и техники свя­зи. Любые теоретические и технические решения о выполнении кодера и декодера, передатчика и приемника системы связи дол­жны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются по­мехи.

При всем многообразии методов борьбы с помехами их мож­но свести к трем направлениям:

1. Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточ­но эффективное и широко применяемое мероприятие (см. гл. 19), но не всегда приемлемо. Ведь существуют источники помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солн­ца и др.).

2. Уменьшение помех на путях их проникновения в приемник. Следует отметить, что помехи обычно воздействуют на сигнал в среде распространения. Поэтому как проводные, так и радиолинии строятся так, чтобы обеспечить заданный уровень помех (см. ч. 3).

3. Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Именно это направление борьбы с помехами является предметом изучения в теории элек­ тросвязи и изложено в ч. 4.5 настоящего учебника.