Текст лекції № 8
з дисципліни: «Теорія електричного зв'язку»
У реальному каналі зв'язку сигнал при передачі спотворюється і повідомлення відтворюється з деякою помилкою. Причиною таких помилок є спотворення, що вносяться самим каналом, і перешкоди, які впливають на сигнал.
Частотні і тимчасові характеристики каналу визначають так звані лінійні спотворення. Крім того, канал може вносити і нелінійні спотворення, обумовлені нелінійністю тих чи інших його ланок. Як лінійні, так і нелінійні спотворення обумовлені відомими характеристиками каналу і можуть бути усунені шляхом корекції. Перешкоди заздалегідь не відомі, тому не можуть бути усунені.
Вивчення фізичних властивостей перешкод необхідно для грамотної побудови всіх елементів каналу зв'язку.
На заваді будемо називати будь-яке випадкове вплив на сигнал, що погіршує вірність відтворення переданих повідомлень. Перешкоди вельми різноманітні як за своїм походженням, так і за фізичними властивостями.
Найбільш груба характеристика перешкоди полягає у вказівці її спектральної щільності. З цієї точки зору перешкоди поділяються на широкосмугові. спектр яких значно ширше спектра сигналу, і вузькосмугові або зосереджені, ширина спектра яких порівнянна з шириною спектра сигналу.
За своєю тимчасовій структурі перешкоди поділяються на гладкі і імпульсні. Для гладких перешкод характерно те, що їх огинає з великою ймовірністю знаходиться в деякому невеликому інтервалі близько свого середнього значення. Що огинає імпульсних перешкод з великою ймовірністю знаходиться поза цим інтервалом. Різкої межі між гладкими і імпульсними перешкодами немає.
Мал. 1. Зосереджена перешкода.
Мал. 2. Імпульсна перешкода.
Н а рис. 1, 2 показаний приклад огинають А (t) і спектральних густин потужності G (f) типових реалізацій зосередженої і імпульсної завад.
У радіоканалах часто зустрічаються атмосферні перешкоди, обумовлені електричними процесами в атмосфері, і, перш за все грозовими розрядами. Енергія цих перешкод зосереджена головним чином в області довгих і середніх хвиль.
Сильні перешкоди створюються також промисловими установками. Це так звані індустріальні перешкоди, що виникають із-за різких змін струму в електричних ланцюгах електроустановок. Сюди відносяться перешкоди від електротранспорту, електричних двигунів, систем запалювання двигунів.
Поширеним видом перешкод є перешкоди від сторонніх радіостанцій і каналів.
Вони обумовлені порушенням регламенту розподілу робочих частот, недостатньою стабільністю частот і поганий фільтрацією гармонік сигналу, а також нелінійними процесами в каналах.
У провідних каналах зв'язку основним видом перешкод є імпульсні шуми і переривання зв'язку. Поява імпульсних перешкод часто пов'язано з автоматичною комутацією і перехресними наводки. Переривання зв'язку є явище, при якому сигнал в лінії різко згасає або зникає.
Практично в будь-якому діапазоні частот мають місце внутрішні шуми апаратури, обумовлені хаотичним рухом носіїв заряду в підсилюючих приладах, резисторах і інших елементах апаратури.
Ці перешкоди особливо позначаються при радіозв'язку в УКХ діапазоні. У цьому діапазоні мають місце і космічні перешкоди. пов'язані з електромагнітними процесами, що відбуваються на сонці, зірках і інших позаземних об'єктах.
1. Слід зауважити, що між сигналом і перешкодою відсутня принципова відмінність. Більш того, вони існують в єдності, хоча і протилежні за своєю дією. Так, випромінювання радіопередавача є корисним сигналом для приймача, якому призначено це випромінювання, і перешкодою для іншого приймача. Електромагнітне випромінювання зірок є однією з причин космічного шуму в діапазоні СВЧ і тому є перешкодою для систем зв'язку. З іншого боку, це випромінювання є сигналом, за яким визначають деякі фізико-хімічні параметри.
Адитивні та мультиплікативні завади
У всіх системах зв'язку спостережуваний сигнал надходить з виходу каналу на вхід приймача (демодулятора) може бути представлений у вигляді суми:
випадкова адитивна перешкода в безперервному каналі.
Адитивні (природні) перешкоди за своїм походженням поділяються на внутрішні, що виникають в самому каналі, головним чином в апаратурі і зовнішні надходять в канал від сторонніх джерел.
У системах електрозв'язку внутрішні перешкоди обумовлені тепловими шумами (випадковими рухами електронів у провідниках), дробовими шумами (флуктуаціями числа носіїв струму, що долають потенційний бар'єр в електронних пристроях). Теплові шуми в принципі не підлягають ремонту. Їх можна зменшувати шляхом зниження температури тих частин каналу, де рівень сигналу низький (вхідні кола і УВЧ приймача). Дробові шуми можна знижувати шляхом раціонального побудови апаратури. Повністю усунути їх не можна.
До внутрішніх перешкод можна також віднести «фон» змінного струму, всілякі наведення і т. Д.
Зовнішні перешкоди по їх походженню діляться на:
взаємні перешкоди - ослаблені сигнали інших каналів зв'язку;
індустріальні перешкоди - створюються різної електричною апаратурою;
атмосферні перешкоди - викликаються близькими і далекими грозовими розрядами
До взаємних перешкод відносяться також перешкоди, що виникають при проходженні сторонніх сигналів разом з корисним сигналом через нелінійні ланцюги РПУ. До них можна віднести і контактні перешкоди, характерні для рухливих радіозасобів.
Загальні фізичні характеристики перешкод.
Внутрішні перешкоди є широкосмуговими і гладкими. При цьому теплові і дробові шуми мають постійну спектральну щільність потужності в дуже широкій смузі частот.
Одностороння спектральна щільність потужності теплового шуму, створювана флуктуацией електронів в провіднику, не залежить від його опору і від проходить через нього струму і дорівнює:
Характер дробових шумів залежить від типу електронного приладу, в якому вони виникають. Основним їх відмінністю від теплових шумів є залежність інтенсивності шуму від струму, що проходить через прилад. Спектральна щільність дробового шуму пропорційна постійної складової цього струму і практично однакова на всіх частотах робочого діапазону приладу.
Взаємні перешкоди найчастіше вузькосмугові і можуть бути як гладкими, так і імпульсними. Індустріальні та атмосферні перешкоди широкосмугові і складаються з імпульсною і гладкою складової.
Адитивні перешкоди добре апроксимуються гауссовским випадковим процесом. Це пояснюється тим, що перешкоди утворюються підсумовуванням дуже великого числа окремих впливів, незалежних один від одного або слабо залежних і мають значення приблизно одного порядку. У цих умовах справедлива центральна гранична теорема та сума цих впливів мало відрізняється від гауссовского процесу.
Мультиплікативні (штучна) перешкоди - це перешкоди, які обумовлені випадковими змінами параметрів каналу зв'язку (перемножується з сигналом):
1. Аддитивна перешкода - це природна перешкода, а мультиплікативна перешкода - це штучна перешкода.
2. У реальних каналах зв'язку зазвичай мають місце адитивні і мультиплікативні перешкоди.
Флуктуаційні і зосереджені перешкоди
Флуктуаційні перешкоди носять характер шуму. Термін «шум» позначає небажані електричні сигнали, які завжди присутні в електричних системах. Наявність шуму, накладеного на сигнал, «затінює», або маскує сигнал; це обмежує здатність приймача приймати точні рішення про значення символів, а отже, обмежує швидкість передачі інформації. Природа шумів різна і включає як природні, так і штучні джерела. Штучні шуми - це шуми іскрового запалювання, комутаційні імпульсні перешкоди і шуми від інших джерел електромагнітного випромінювання. Природні шуми виходять від атмосфери, сонця та інших галактичних джерел.
Особливістю теплового шуму є те, що його спектральна щільність потужності (СПМ) однакова для всіх частот (від одиниць Гц до 10 12 Гц).
Мал. 3. Спектральна щільність потужності білого шуму
Шум з постійною СПМ у всьому діапазоні частот називається білим.
Автокореляційна функція (АКФ) білого шуму дається зворотним перетворенням Фур'є СПМ:
Слід підкреслити, що
Середня потужність РШ білого шуму нескінченна, так як нескінченна ширина смуги БШ. У природі БШ немає. Але він є гарною моделлю для дослідження шуму. Дельта-функція в рівнянні для БШ означає, що БШ абсолютно не корелює з власної зміщеною версією для будь-якого τ> 0.
До зосереджених по спектру перешкод прийнято відносити сигнали сторонніх радіостанцій, навмисні перешкоди, випромінювання генераторів високої частоти різного призначення (промислових, медичних) і т. П. В одних випадках ці коливання є безперервними (наприклад, сигнали мовних і телевізійних радіостанцій), в інших - вони носять імпульсний характер (сигнали радіотелеграфних станцій і систем передачі даних). На відміну від флуктуаційних ширина спектра зосередженої завади в більшості випадків не перевищує смуги пропускання приймача, а в деяких випадках вона набагато вже цієї смуги. У діапазоні коротких хвиль зосереджені по спектру перешкоди є основними, визначальними якість зв'язку, і вважаються випадковими коливаннями з флуктуаціями фаз і амплітуд (завмираннями), розподіл яких таке ж, як у корисних сигналів. особистого призначення (промислових, медичних) і т. ий, навмисні перешкоди, випромінювання уявленням.
1. Вплив каналу з адитивним білим гауссовским шумом (АБГШ) на процес виявлення полягає в тому, що шум незалежно впливає на кожен переданий символ. Такий канал називається каналом без пам'яті.
2. Зосереджені перешкоди - це перешкоди у яких ширина спектра порівнянна з шириною спектра сигналу або вже його.