Шумы и помехи в системах связи

Полезные сигналы редко присутствуют в электрических цепях в чистом виде. Практически всегда на них накладываются шумы и помехи. При этом полезный сигнал искажается при передаче, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной ошибок являются как искажения, вносимые самим каналом, так и различного вида помехи, воздействующие на сигнал при передаче. В собственно устройствах канала передачи информации имеются два основных источника шумов: дискретная структура тока в усилительных элементах (транзисторах, микросхемах и т. д.) и тепловое движение свободных электронов в проводниках электрической цепи. При этом временные и частотные характеристики канала определяют линейные искажения. Кроме того, радиоканал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных его звеньев, цепей или устройств.

В общем случае под помехой понимают случайный сигнал, однородный с полезным и действующий одновременно с ним. Для систем передачи информации помеха — любое случайное воздействие на полезный сигнал, ухудшающее верность приема и воспроизведения передаваемых по линии связи сообщений.

По месту возникновения помехи делят на внешние и внутренние. Причинами внешних помех являются природные процессы и работа различных технических устройств. В диапазонах дециметровых и менее волн имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах. В диапазоне оптических частот имеется квантовый шум, вызванный дискретной природой сигнала.

В радиоканалах встречаются атмосферные помехи, обусловленные электрическими процессами в атмосфере, прежде всего грозовыми разрядами.

Сильные помехи создают промышленные установки. Это так называемые индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в мощных электрических цепях всевозможных электротехнических устройств. Распространенным видом внешних помех являются помехи от посторонних радиои телестанций, систем военного назначения. Они обусловлены нарушением регламента распределения частот, недостаточной стабильностью частот генераторов и плохой фильтрацией гармоник сигнала, а также нелинейными процессами в каналах, ведущими к так называемым перекрестным искажениям (проявляются в переносе модуляции с мешающего внеполосного сигнала на полезный).

Основными видами внешних помех в проводных каналах связи являются импульсные шумы и прерывание связи.

Внутренние помехи обусловлены процессами, происходящими при работе самого устройства. В любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы устройств, связанные с хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, резисторах и других элементах.

Аналитически влияние помехи r (t) на полезный сигнал u (t) в общем виде можно выразить оператором Y:

где функция s (u (t)) отражает искаженный полезный сигнал.

Возможны два сочетания полезного сигнала и шума. Если оператор У в формуле (2.1) вырождается в линейную сумму сигнальной составляющей и помехи, т. е.

то помеху называют аддитивной (от англ, addition — сложение).

Если же оператор У может быть представлен в виде произведения некоторого коэффициента k (t) (здесь k (t) — случайный процесс) и сигнала u (t), т. е.

то помеху называют мультипликативной (от англ, multiplication — умножение).

Мультипликативные помехи обусловлены случайными изменениями параметров радиоканала. Они проявляются в изменении уровня сигнала. В реальных каналах передачи информации обычно имеют место и аддитивные, и мультипликативные помехи, и поэтому.

По основным свойствам аддитивные помехи делят на три класса: сосредоточенные, но спектру (узкополосные помехи), импульсные (сосредоточенные во времени) и флуктуационные (распределенные по частоте и во времени) помехи, не ограниченные ни во времени, ни, но спектру.

Сосредоточенными по спектру называют помехи, основная часть мощности которых приходится на отдельные участки диапазона частот, меньших полосы пропускания системы связи.

Импульсной (сосредоточенной во времени) помехой называют регулярную или хаотическую последовательность импульсных сигналов, однородных с полезным сигналом. Источниками таких помех являются цифровые и коммутирующие элементы цепей или работающего рядом с ними устройства. В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная на приемник с широкой полосой пропускания и как флуктуациопная па приемник с относительной узкой полосой пропускания.

Флуктуационная помеха (флуктуационный шум) представляет случайный процесс с нормальным распределением — гауссовский процесс (закон Гаусса). Эти помехи имеют место практически во всех реальных каналах связи, и их называют шумами. С физической точки зрения аддитивные флуктуационные помехи порождаются в системах связи различного рода флуктуациями, т. е. случайными отклонениями тех или иных физических величин (параметров) от их средних значений. Среди таких шумов можно прежде всего назвать внутренние шумы электронных усилителей. Различают следующие виды флуктуационных шумов:

• • тепловой (шум Джонсона);
• • фликкер-шум (иногда — розовый шум);
• • дробовый (квантовый).

Тепловые шумы резисторов. Одной из главных причин возникновения шума являются флуктуации объемной плотности электрического заряда в резистивных элементах из-за хаотического теплового движения носителей. В любом резисторе всегда имеются свободные электроны, находящиеся в хаотическом тепловом движении. При этом может оказаться, что в определенный момент времени в одном направлении проходит больше электронов, чем в другом. Значит, даже в отсутствие внешней ЭДС мгновенное значение тока, текущего через резистор, отлично от нуля. Эти мгновенные изменения тока вызывают на выводах резистора шумовую разность потенциалов. Среднее значение такого напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум.

Важное значение для систем связи имеет спектр мощности шумового напряжения на концах резистора. Его определяют по формуле Найквиста:

где R — сопротивление резистора, Ом; к = 1,38- 10~²³ Дж/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура резистора в градусах Кельвина. Часто удобнее пользоваться односторонним энергетическим спектром, который задают в области положительных частот | В²/Гц |:

Спектральную плотность мощности теплового шума оценим из такого примера: при Г= 300 К и R = 20 кОм значение N₀ = 4 -1,38 -10 ²³-300−20 000 = = 3,31 10 ^1(> В²/Гц, откуда среднее квадратическое значение напряжения f/_m = 3,3M0 ¹⁶ В/Гц ².

Спектральная плотность мощности теплового шума одинакова для всех частот, представляющих интерес для большинства систем связи; другими словами, источник теплового шума на всех частотах излучает с равной мощностью на единицу ширины полосы — от постоянной составляющей до частоты порядка 10¹² Гц. Следовательно, простая модель теплового шума предполагает, что спектральная плотность его мощности равномерна и достаточно точно соответствует модели белого шума (см. далее).

Фликкер-шум — шум, спектральная плотность которого изменяется с частотой по закону 1// (с примерно постоянной спектральной мощностью на декаду — изменение в 10 раз). Часто фликкер-шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты. Обычно на частотах выше 10 кГц фликкер-шумами пренебрегают.

Дробовой шум обусловлен неравномерным движением дискретных носителей электрического тока в электронных приборах — диодах, транзисторах, микросхемах и лампах; он имеет равномерный спектр, т. е. является белым; в отличие от резисторов флуктуации возникают не за счет хаотического теплового движения электронов, а вследствие статистической независимости их упорядоченного перемещения.

Поскольку тепловой шум присутствует во всех системах связи и является заметным источником помех, характеристики теплового шума (аддитивный, белый и гауссов) часто применяются для моделирования шума в системах связи. Гауссов шум с нулевым средним полностью характеризуется дисперсией, поэтому эту модель особенно просто использовать и при детектировании сигналов, и при проектировании оптимальных приемников.

По виду частотного спектра помехи делят на стационарный (белый) и нестационарный шумы. Белый шум содержит гармонические составляющие с одинаковой амплитудой и случайной начальной фазой, которые равномерно распределены практически по всему частотному радиодиапазону — от постоянной составляющей до частоты порядка 10¹² Гц. В теории оптимальной фильтрации часто вводят понятие квазибелого шума (от лат. quasi — якобы; почти), параметры и характеристики которого близки к показателям белого шума.

Нестационарный шум — шум, длящийся короткие промежутки времени (меньшие, чем время усреднения в измерителях).

В зависимости от спектра помехи могут быть сплошными или селективными. Сигнал сплошной помехи характеризуется распределением его мощности по широкому спектру частот. Селективная помеха характеризуется тем, что ее мощность сосредоточена либо на одной частоте, либо в узкой полосе частот.

Хорошее техническое проектирование может устранить большинство шумов путем экранирования, фильтрации, выбора модуляции и оптимального местоположения приемника.

С математической точки зрения информационные случайные сигналы (сигналы случайного характера, несущие передаваемую информацию) и шумы подчиняются одним вероятностным законам, поэтому они получили обобщенное название случайные колебания или случайные процессы.

Для анализа случайных сигналов применяют методы статистической теории связи, базирующейся на математическом аппарате теории вероятностей и теории случайных процессов. С целью упрощения и наглядности анализа работу электрических цепей часто рассматривают при воздействии детерминированных сигналов. Для учета же случайного характера реального сигнала в качестве его математической модели используют не отдельную детерминированную функцию u (t), а совокупность подобных функций {u_k(t)} = u_{(t), u₂(t),…, образующих случайный процесс, в котором будет заключена полезная информация.