Помехами называются напряжения или токи постороннего происхождения, появляющиеся в каналах связи и ограничивающие дальность передачи полезных сигналов. Помехи, частоты которых лежат в полосе звуковых частот, создают слышимый в телефоне или громкоговорителе шум, снижающий качество связи или вещания. Высокочастотные помехи, проходя через аппаратуру канала связи, также могут проявляться в виде шумов. Помехи в полосе видеочастот ухудшают изображение на экране кинескопа телевизора.

В зависимости от источника возникновения и от характера их воздействия помехи делятся на собственные помехи канала связи, взаимные, создаваемые влиянием каналов связи друг на друга, и внешние от посторонних электромагнитных полей.

Собственные помехи или шумы возникают от источников, находящихся в данном канале связи. Они существуют независимо от передачи информации по другим каналам связи и в основном определяются следующими причинами: пульсация выпрямленного напряжения источников питания, недоброкачественными контактами в аппаратуре и на линиях, кратковременными короткими замыканиями, тресками, создаваемыми токами разряда конденсатора, микрофонными шумами, нелинейными искажениями в аппаратуре тракта передачи и т.д.

Взаимные помехи, возникающие при передачи информации по соседним каналам, появляются в результате недостаточного переходного затухания между данным каналом и влияющими каналами, различные повреждения в аппаратуре влияющих каналов.

Внешние помехи делятся на промышленные, радиопомехи, атмосферные и космические. Промышленные помехи создаются в результате влияния электромагнитных полей различных электронных устройств: линии электропередачи, электрооборудование промышленных предприятий, контактных сетей электрифицированного транспорта (трамвая, троллейбуса). Радиопомехи возникают от излучения радиостанций различного назначения.

К атмосферным относятся помехи, вызванные различными атмосферными явлениями: магнитными бурями, грозовыми разрядами и т.д. К космическим - электромагнитные помехи, создаваемые излучением Солнца.

Мешающее действие шумов в проводных каналах определяется отношением напряжения шумов к напряжению полезного сигнала. Это отношение оценивается разностью уровней полезного сигнала и шумов, называемой защищенностью канала от шума. Исследования показали, что при воспроизведении речи и музыки необходимо иметь определенное соотношение сигнал-шум. Нормальный прием речевого сигнала обеспечивается при 20дБ в телефонном канале. Хорошее воспроизведение радиовещания возможно при 40дБ. В телефонных и вещательных каналов мешающее действие шумов определяется наличием в их частотном спектре составляющих, которые наиболее сильно действуют на слух человека. Известно, что не все частоты одинаково воспроизводятся телефоном и громкоговорителем и воспринимаются ухом. Доказано, что наибольшая чувствительность системы телефон-ухо лежит в области 800 Гц, а громкоговоритель-ухо в области 1000 Гц.

Помехи измеряются с учетом избирательности органов восприятия и неравномерности АЧХ. Для этого при измерении помех в телефонных и вещательных каналах определяют не общее напряжение помех, а так называемое псофометрическое.

Псофометрическим напряжением называется напряжение помех, существующее на нагрузочном резисторе сопротивлением 600 Ом, согласованным с выходным сопротивлением питающей цепи.

Псофометр

Псофометром называется электронный измерительный прибор для измерения помех в каналах связи и вещания. Он представляет собой электронный вольтметр с избирательностью, определяемой псофометрическими характеристиками. На рисунке 1 приведена структурная схема псофометра.

Рисунок 1 – Структурная схема псофометра

Входное устройство обеспечивает значительное входное сопротивление 200 кОм на средних частотах и не менее 6 кОм на краях диапазона. Предусмотрено низкоомное входное сопротивление 600 Ом для согласования входа псофометра с измеряемой цепью.

Основными узлами псофометра являются полосовые фильтры: один с телефонной псофометрической характеристикой и второй с вещательной. Чтобы псофометр можно было использовать как обычный квадратичный вольтметр, предусмотрен эквивалент затухания.

Помехи в каналах связи

В микроэлектронных устройствах линии связи чаще всего являются электрически разомкнутыми линиями без потерь. Входное сопротивление таких линий носит емкостной характер, и его можно представить в виде конденсатора , включенного параллельно приемнику сигнала и имеющего входной импеданс (рис. 4.29). В линии связи возникают помехи, источником которых являются тепловые шумы элементов линии, ЭДС гальванических пар и термопар, возникающих в местах контакта разнородных металлов. Напряжение помех такого вида включено последовательно с . Помехи такого вида зависят только от собственных параметров канала связи, поэтому будем называть их внутренними.

При наличии нескольких каналов связи обычно обратный провод делают общим для всех или для нескольких линий связи из соображений экономии проводов или из-за невозможности изолирования общих выводов нескольких источников и приемников сигналов. Этот факт отмечен введением в эквивалентную схему .

· токовые (последовательные) внешние помехи, напряжение которых включено последовательно с ; - напряжение помехи, наводимой из второго канала связи в первый; - напряжение помехи, наводимой из первого канала связи во второй;

· потенциальные (параллельные) внешние помехи и соответственно, напряжение которых включено параллельно соответствующего канала: и . Такое разделение вида помех позволяет получить обобщенные формулы для расчета значения помех на входе приемника сигнала.

Для параллельной внешней помехи

где - изображение напряжения помехи, наводимой из второго канала в первый;

Изображение сигнала второго канала связи;

р - комплексная переменная;

Из рис. 4.29 следует, что

Помеха — всякое постороннее воздействие на полезный сигнал, оказывающее мешающее действие при его приеме и проявляющее себя изменением его формы.

Классификация помех приведена на рисунке 1.

Аддитивной является сумма полезного сигнала Sм(t) и помехи N 0 (t):

Z(t)=Sм(t)+N 0 (t) (6)

Мультипликативной является произведение полезного сигнала и помехи:

Z(t)=Sм(t)?N 0 (t) (7)

Рисунок 1 - Классификация помех

Внешними являются помехи, возникающие вне канала, к ним относятся:

• атмосферные возникают в атмосфере земли и могут быть вызваны грозовыми разрядами, осадками, пылевыми бурями, северным сиянием;
• космические возникают в космическом пространстве и могут быть вызваны солнечной активностью, космическими телами;
• промышленные могут быть вызваны промышленными установками: высокочастотными генераторами, высоковольтными линиями электропередачи, электрифицированным транспортом;
• от других систем связи обуславливаются воздействием на полезный сигнал одной системы связи сигналов других систем, например, прослушивание радиопередач или другого разговора в телефонной трубке, прием на одной частоте срезу нескольких радиопередач.

Внутренними являются помехи, возникающие внутри канала, к ним относятся собственные шумы , которые, в свою очередь, подразделяются на:

• тепловые — обусловлены хаотическим движением электрических зарядов в проводниках;

• дробовые — обусловлены неоднородной плотностью носителей заряда в проводниках.

Собственные шумы не могут быть устранены, т. к. они вызваны физикой процесса передачи электрической энергии.

Импульсными помехами являются сконцентрированные по времени скачки тока или напряжения (рисунок 2а).

Флуктуационные помехи вызваны флуктуациями (отклонением от среднего значения) тока и напряжения (рисунок 2б).

Периодические помехами являются периодические скачки тока или напряжения (рисунок 2в).

Рисунок 2 - Виды помех по форме: а) импульсные, б) флуктуационные, в) периодические

Собственные шумы канала являются флуктуационными помехами и имеют спектральную плотность мощности равномерно распределенную во всех диапазонах частот используемых для электросвязи (0…10 14 Гц). По аналогии с белым светом, имеющем в своем спектре составляющие на всех частотах, данные шумы называются белым шумом.

При прохождении сигнала через систему связи и при воздействии на него помехи его форма изменяется. Изменение формы сигнала называется искажением.

Различают нелинейные и линейные искажения.

Нелинейными являются искажения, при которых в спектре сигнала появляются новые составляющие. Такие искажения вызваны нелинейностью характеристик элементов и блоков, входящих в аппаратуру системы связи.

Линейными являются искажения, при которых в спектре сигнала не появляются новые составляющие. Такие искажения возникают из –за изменения соотношения между составляющими спектра сигнала. Линейные искажения бывают амплитудно-частотными (АЧИ), при которых изменяются амплитуды составляющих спектра сигнала и фазо-частотные (ФЧИ), при которых изменяются фазы составляющих спектра. На рисунке 3а приведен сигнал являющийся результатом сложения двух гармонических сигналов с одинаковыми амплитудами и фазами и отличающимися друг от друга частотами (обозначен толстой линией). Соответственно в спектре данного сигнала присутствует две гармонических составляющих на частотах w с и 2w с. На рисунке 3б уменьшилась амплитуда второй гармоники, в результате чего изменилась форма сигнала, т. е. произошли амплитудно-частотные искажения. На рисунке 3в изменилась фаза второй гармоники на 90°, в результате чего, опять произошло изменение формы сигнала, т. е. произошли фазо-частотные искажения. Как видно из диаграмм в спектре сигнала и в первом и во втором случае новые составляющие не появились, хотя форма сигнала изменилась.

Рисунок 3 - Линейные искажения: а) сигнал; б) амплитудно-частотные искажения; в) фазо-частотные искажения

АЧИ объясняются не равномерностью коэффициента передачи для различных составляющих спектра сигнала. При идеальной АЧХ коэффициент передачи одинаков для всех составляющих спектра сигнала и АЧИ отсутствуют. Реальная АЧХ четырехполюсника с увеличением частоты имеет спад (рисунок 4а), что приводит к уменьшению амплитуды высокочастотных составляющих спектра сигнала и соответственно к АЧИ.

ФЧИ вызваны неодинаковым временем задержки tз=j/w для составляющих различных частот.. При идеальной ФЧХ время задержки для всех составляющих одинаковое и ФЧИ отсутствуют. Реальная ФЧХ имеет подъем на высоких частотах, поэтому время задержки для высокочастотных составляющих меньше чем для никочастотных и появляются ФЧИ (рисунок 4б).

Рисунок 4 - Характеристики четырехполюсника: а) АЧХ; б) ФЧХ

Компенсация АЧИ и ФЧИ осуществляется специальными устройствами — корректорами.

В реальном канале сигнал при передаче искажается, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения ,вносимые самим кана­лом, и помехи, воздействующие на сигнал.

Частотные и временные характеристики канала опреде­ляют так называемые линейные искажения . Кроме того, канал может вносить и нелинейные искажения , обусловленные нелинейностью тех или иных его звеньев. Как линейные, так и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала и поэтому, в принципе, могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Следует четко отделять искажения от помех, имеющих случайный характер. Помехи заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Под помехами понимаются любые возмущения в канале передачи информации, вызывающие случайные отклонения принятого сообщения от переданного и затрудняющие его прием.

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 помехи, например, 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 Найквиста:

где Т – абсолютная температура сопротивления R ;

F – полоса частот;

R =1,37*10 -23 В×с/град – постоянная Больцмана.

Как следует из (9.1), эти шумы принципиально устранимы только при абсолютном нуле (T = 0 К).

Среди внешних помех, то есть 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 флукту­ациями тех или иных физических величин. Название происходит от физического понятия флуктуации (от лат. fluctuation – колеба­ние) – случайные отклонения физических величин от среднего значения.

Для такой помехи ха­рактерно 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 поток 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 волн, 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 измерение 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, но не всегда приемлемо. Ведь существуют источник 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.

3. Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Это возможно за счет применения специальных методов преобразования сигнала на передающей стороне и анализа принимаемого сигнала. Для цифровых систем передачи основным способом ослабления воздействия помех является помехоустойчивое кодирование.

Помехами называются посторонние электромагнитные возмущения n(t), накладывающиеся на передаваемые сигналы S(t) и препятствующие приему сигналов.

По форме помехи делятся на несколько видов:

• синусоидальные - от промышленной сети с частотой 50 Гц, от медицинских установок и различных аппаратов;
• импульсные - в виде отдельных импульсов или групп импульсов (например, помехи от систем зажигания двигателей внутреннего сгорания);
• хаотические - типа теплового шума (например, броуновское движение заряженных частиц).

По характеру мешающего воздействия помехи также делятся на несколько видов:

• аддитивные - когда в канале связи помеха u(t) складывается с полезным сигналом S{t), т.е. Z(t) = S(t ) + u(t);
• мультипликативные - когда воздействие помехи n(t) эквивалентно изменению коэффициента передачи канала связи, т.е. Z{t) = S(t) n(t).

Аддитивные помехи, в свою очередь, подразделяются на помехи соседних радиоканалов, промышленные, естественные, флюктуаци- онные и помехи в виде случайного процесса.

Помехи соседних радиоканалов (перекрестные помехи) возникают, например, из-за перекрытия спектров соседних каналов связи (рис. 5.12). Мера борьбы - раздвигание несущих частот соседних каналов не менее чем на две полуширины спектров сигналов.

Рис. 5.12. Перекрытие спектров соседних каналов связи с несущими частотами f x и/ 2

Промыииенные помехи (искусственные помехи) возникают вследствие затухающих колебаний при искрообразовании в различных электрических устройствах (например, электромагнитное излучение промышленного оборудования, ламп накаливания). Эти помехи проявляются, например, в беспорядочном треске и щелчках в телефонах. Мера борьбы - предотвращение или уменьшение искрообразования, использование фильтров для замыкания ВЧ-колебаний в устройствах, экранирование радиоаппаратуры.

Естественные помехи могут быть атмосферными (внутриканаль- ными) и космическими. Атмосферные помехи возникают из-за электромагнитного излучения при грозовых разрядах и проявляются на длинных и средних волнах в виде сильного нерегулярного треска в телефонах и радиоприемниках. Космические помехи вызваны излучением звезд в результате протекающих в них процессов преобразования энергии. Меры борьбы - переход в ультракоротковолновый диапазон, свободный от этого вида помех.

Флюктуационные помехи, источником которых являются внутренние шумы, представляют собой случайные колебания токов и напряжений в элементах радиоаппаратуры - последовательность коротких импульсов, имеющих случайный момент появления.

Помехи в виде случайного процесса можно определить как нежелательный процесс, который сопровождает передачу сигналов в линиях связи. Примером могут служить перекрестные помехи, когда во время телефонной связи происходит ложная коммутация двух телефонных линий, в результате чего в трубке можно слышать разговор по другой линии. Другим примером являются внутриканальные помехи, которые иногда возникают в телевизионных системах под воздействием атмосферных явлений. При этом телевизионный сигнал начинает распространяться на расстояния, превышающие обычные, и возникают взаимные помехи с локальными радиостанциями, ведущими вещание на тех же частотах.

Часть помех в линии связи вносят электронные компоненты - различные шумы: тепловой, дробовой, фликер-шум.

Тепловой шум возникает в процессе теплового возбуждения атомов проводника или резистора. В результате появляются свободные электроны, которые хаотически движутся в различных направлениях с различными скоростями. Их движение приводит к появлению случайной разности потенциалов на концах проводника или резистора.

Дробовой шум присутствует везде, где через какое-либо активное устройство течет постоянный или переменный ток и происходят случайные колебания величины этого тока, которые накладываются на сигнал и искажают его. Название «дробовой шум» происходит от специфического потрескивания, которое можно услышать в наушниках, если усилить сигнал с помощью усилителя низкой частоты.

Фликер-шум возникает в полупроводниковых вакуумных устройствах вследствие дефектов кристаллической структуры материала, которые приводят к флюктуациям проводимости. Происхождение этих шумов до конца не выяснено. Фликер-шумы нельзя смоделировать, поскольку они изменяются от устройства к устройству. В большинстве случаев на частотах свыше 10 кГц фликер-шумом можно пренебречь. Условно считают, что фликер-шум занимает полосу 0,1... 10 3 Гц.

В качестве параметра для оценки качества системы используется отношение сигнал/шум - отношение максимального значения напряжения сигнала к эффективному значению напряжения шума:

Отношение сигнал/шум часто определяют в децибелах:

Иногда в качестве отношения сигнал/шум берут отношение мощности сигнала P s и средней мощности помехи Р„, также выраженное в децибелах:

Типичные значения приемлемого отношения сигнал/шум составляют около 50...60 дБ - для высококачественного радиовещания музыкальных программ, 16 дБ - для низкокачественной передачи речи, до 30 дБ - для коммерческих телефонных систем, 60 дБ - для телевизионного вещания с хорошим качеством.

Отношение сигнал/шум уменьшается при прохождении сигнала через каскады усиления или преобразования в приемных устройствах систем связи, так как каждый каскад добавляет собственный шум. Если рассматривать многокаскадный усилитель, то общий коэффициент усиления определяется произведением коэффициентов усиления каждого каскада:

В идеальном случае, когда каскады не вносят собственных шумов, на выходе отношение сигнал/шум не изменится, так как

Реально каждый /-каскад вносит шумы и помехи:

Тогда отношение сигнал/шум на выходе /-каскада будет составлять

При расчете общего отношения сигнал/шум всех каскадов системы необходимо раздельно вычислить полезный сигнал 5 отах ВЬ1Х и уровень шума л вых (/) с учетом коэффициентов передачи каскадов G, и уровня шумов «,(/), внесенных в каждый каскад.