Conceptul de interferență
Cursul 3. Canal zgomotos discret
Scopul prelegerii: cunoașterea conceptului de interferență
a) conceptul de interferență;
b) tipuri de interferenţe;
c) denaturare;
d) lupta împotriva amestecului.
Împiedicare- acesta este orice efect care se suprapune semnalului util și îngreunează recepția acestuia. Interferența este foarte diversă atât ca origine, cât și ca proprietăți fizice.
În canalele de comunicare prin cablu, principalul tip de interferență este zgomotul de impuls și comunicarea discontinuă. Zgomotul de impuls este adesea asociat cu comutarea automată și diafonia. Întreruperea comunicării este un fenomen în care semnalul din linie este atenuat brusc sau dispare complet.
În aproape orice interval de frecvență, există un zgomot intern al echipamentului cauzat de mișcarea haotică a purtătorilor de sarcină în dispozitivele de amplificare, rezistențe și alte elemente ale echipamentului. Acest tip de interferență este vizibil în special în domeniul VHF. În acest interval, interferența cosmică asociată cu procesele electromagnetice care au loc pe Soare, stele și alte obiecte extraterestre este, de asemenea, semnificativă.
Interferența poate fi clasificată după următoarele criterii:
După origine (locul de origine);
După proprietăți fizice;
După natura impactului asupra semnalului.
Pentru a interfera prin origine includ în primul rând zgomot interior al echipamentului (zgomot termic) cauzate de mișcarea haotică a purtătorilor de sarcină în dispozitivele de amplificare, rezistențe și alte elemente ale echipamentelor. Mișcarea termică aleatorie a purtătorilor de sarcină în orice conductor provoacă o diferență de potențial aleatorie la capetele acestuia. Valoarea medie a tensiunii este zero, iar componenta AC apare ca zgomot. Pătratul tensiunii de zgomot termic efectiv este dat de binecunoscuta formulă Nyquist
Unde T- temperatura absolută pe care o are rezistența R;
F- banda de frecventa; k= 1,37 * 10 (-23) W.sec/grad - constanta Boltzmann.
Pentru a interfera prin origine,în al doilea rând, interferența din surse străine situate în afara canalelor de comunicare include:
Perturbații atmosferice (trăsnet, lumini polare etc.) cauzate de procesele electrice din atmosferă;
Interferențe industriale apărute în circuitele electrice ale instalațiilor electrice (vehicule electrice, motoare electrice, sisteme de aprindere a motoarelor, instalații medicale etc.);
Interferențe de la stații și canale străine care decurg din diferite încălcări ale modului de funcționare și ale proprietăților canalului;
Interferența cosmică asociată cu procesele electromagnetice din Soare, stele, galaxii și alte obiecte extraterestre.
De proprietăți fizice interferența se distinge:
Zgomot de fluctuație;
Interferență concentrată.
Zgomot de fluctuație... Printre zgomotul aditiv, un loc special îl ocupă zgomotul de fluctuație, care este un proces aleatoriu cu o distribuție normală (proces gauss). Acest tip de interferență apare practic pe toate canalele reale.
Structura electrică a zgomotului de fluctuație poate fi gândită ca o secvență de impulsuri infinit scurte cu amplitudine aleatorie și care urmează unul după altul la intervale aleatorii. În acest caz, impulsurile apar una după alta atât de des încât fenomenele tranzitorii din receptor de la impulsuri individuale se suprapun, formând un proces continuu aleatoriu.
Deci, sursa de zgomot în circuitele electrice poate fi fluctuațiile de curent datorită naturii discrete a purtătorilor de sarcină (electroni, ioni). Natura discretă a curentului electric se manifestă în tuburi vid și dispozitive semiconductoare sub forma unui efect de lovitură.
Cea mai frecventă cauză a zgomotului este fluctuația din cauza mișcării termice.
Durata impulsurilor care alcătuiesc zgomotul de fluctuație este foarte scurtă, prin urmare densitatea spectrală a zgomotului este constantă până la frecvențe foarte înalte.
La tulburări (de impulsuri) concentrate în timp interferența sub formă de impulsuri unice, care urmează unul după altul la intervale de timp atât de mari, este atribuită că fenomenele tranzitorii din receptorul radio de la un impuls au timp să se atenueze practic până la momentul sosirii următorului impuls.
Interferență centrată pe spectru... Se obișnuiește să se facă referire la acest tip de interferență ca semnale de la stațiile radio exterioare, radiații de la generatoarele de înaltă frecvență în diverse scopuri etc. Spre deosebire de fluctuația și interferența de impuls, al căror spectru umple banda de frecvență a receptorului, lățimea spectrului de interferență concentrată este în majoritatea cazurilor mai mică decât lățimea de bandă a receptorului. În domeniul undelor scurte, acest tip de interferență este principalul care determină imunitatea la zgomot în comunicare.
De natura impactului semnalul se distinge:
Interferență aditivă;
Interferență multiplicativă.
Aditiv se numește interferență, ale cărei valori instantanee se adaugă la valorile instantanee ale semnalului. Efectul de interferență al zgomotului aditiv este determinat prin însumarea semnalului util. Interferența aditivă afectează dispozitivul receptor independent de semnal și apare chiar și atunci când nu există semnal la intrarea receptorului.
Multiplicativ se numește interferență, ale cărei valori instantanee sunt înmulțite cu valorile instantanee ale semnalului. Efectul interferente al interferenței multiplicative se manifestă sub forma unei modificări a parametrilor semnalului util, în principal a amplitudinii. În canalele reale de telecomunicații, de obicei nu există una, ci un set de interferențe.
Sub distorsiuneînțelegeți astfel de modificări ale formelor de undă care se datorează proprietăților cunoscute ale circuitelor și dispozitivelor prin care trece semnalul. Cauza principală a distorsiunii semnalului sunt tranzitorii în linia de comunicație, circuitele emițătorului și receptorului. În același timp, se disting distorsiunile: liniarși neliniară apărute în circuitele liniare şi neliniare corespunzătoare. În cazul general, distorsiunile afectează negativ calitatea reproducerii mesajului și nu trebuie să depășească valorile (normele) stabilite.
Cu caracteristicile cunoscute ale canalului de comunicație, forma semnalului la ieșire poate fi întotdeauna calculată prin metoda descrisă în teoria circuitelor liniare și neliniare. Modificările ulterioare ale formei de undă pot fi compensate prin circuite de corecție sau pur și simplu luate în considerare în timpul procesării ulterioare în receptor. Aceasta este deja o chestiune de tehnologie.
ALT CAZ DE INTERFERENȚĂ - ELE nu sunt cunoscute dinainte și, prin urmare, nu pot fi eliminate complet.
Anti-interferență- sarcina principală a teoriei și tehnologiei comunicării. Orice decizie teoretică și tehnică privind implementarea codificatorului sau decodorului, emițătorului și receptorului sistemului de comunicații trebuie luate ținând cont de faptul că există interferențe în linia de comunicație. Cu toată varietatea de metode de tratare a interferențelor, acestea pot fi reduse la trei domenii:
Suprimați zgomotul de unde provine. Aceasta este o măsură destul de eficientă și utilizată pe scară largă, dar nu întotdeauna acceptabilă. Până la urmă, există surse de interferență care nu pot fi influențate (descărcări de fulgere, zgomot de la Soare etc.);
Reducerea interferențelor pe calea de penetrare în receptor;
Slăbirea influenței interferenței asupra mesajului primit în receptor, demodulator, decodor. Această direcție este subiectul de studiu pentru noi.
În dispozitivele microelectronice, liniile de comunicație sunt cel mai adesea linii deschise electric fără pierderi. Impedanța de intrare a unor astfel de linii este de natură capacitivă și poate fi reprezentată ca un condensator CUn11 , conectat în paralel cu receptorul de semnal și având o impedanță de intrare Z in1 (fig.2.55). Interferența apar în linia de comunicație, a cărei sursă este zgomotul termic al elementelor de linie, EMF-ul perechilor galvanice și termocuplurilor care apar în punctele de contact ale metalelor diferite. Tensiune de interferență U vn1 de acest tip este inclus în serie cu Zîn 1. Interferența de acest fel depinde doar de parametrii intrinseci ai canalului de comunicare, așa că îi vom numi interni.
În prezența mai multor canale de comunicație, firul de retur se face de obicei comun pentru toate sau pentru mai multe linii de comunicație din motive de economisire a firelor sau pentru că este imposibilă izolarea bornelor comune ale mai multor surse și receptoare de semnal. Acest fapt este remarcat prin introducerea în circuitul echivalent Z total
Perturbații externe curente (seriale), a căror tensiune este conectată în serie cu; - tensiunea interferenţei induse de la al doilea canal de comunicaţie către primul; - tensiunea interferenţei induse de la primul canal de comunicaţie în cel de-al doilea;
Perturbații externe potențiale (paralele) și, în consecință, a căror tensiune este conectată în paralel cu Zin al canalului corespunzător: Zin1 și Zin2. Această separare a tipului de interferență vă permite să obțineți formule generalizate pentru calcularea valorii interferenței la intrarea receptorului de semnal.
Pentru o interferență externă paralelă, egalitatea este adevărată
unde este imaginea curentului din al doilea canal (canalul care creează zgomot). Conform schemei
Când un semnal este transmis pe o linie de comunicație, acesta este distorsionat și reprodus cu o anumită eroare. Astfel de erori sunt cauzate de distorsiunile semnalului în canalul de comunicație și interferența care afectează semnalul.
Distorsiunea se datorează adesea caracteristicilor cunoscute ale legăturii și poate fi apoi corectată cu o corecție adecvată.
Interferența nu este cunoscută dinainte și, prin urmare, nu poate fi eliminată complet. Sunt foarte diverse atât ca origine, cât și ca proprietăți fizice. Puteți da următoarea clasificare a perturbărilor în funcție de locul apariției lor:
atmosfere;
interferență industrială (interferență industrială);
interferență spațială;
interferențe electrizante;
interferențe din canalele de comunicare străine;
zgomote interne.
Interferența atmosferică este cauzată de procesele electrice din atmosferă și, mai ales, de descărcări de fulgere. Energia acestor interferențe este concentrată în principal în regiunile LW și MW.
Interferența industrială apare din cauza schimbărilor bruște de curent în circuitele electrice ale tuturor tipurilor de instalații electrice. Acestea includ interferența de la vehicule electrice, motoare electrice, dispozitive medicale, sisteme de aprindere a motorului etc.
Interferența cosmică este creată de emisia radio din surse extraterestre. Ele creează un zgomot general de fond și sunt cel mai pronunțate la undele ultrascurte.
Zgomotul electric, des întâlnit în timpul unui viscol sau al unei furtuni de nisip, este creat de particulele de zăpadă electrificate sau de grăunte de nisip. Această interferență apare la viteze ale vântului de peste 5,5 m/s și se observă la frecvențe sub 15 MHz.
Interferențe din canalele de comunicare străine - cauzate de funcționarea posturilor de radio străine. Ținând cont de sursa de origine, se mai numesc și staționari. Acest tip de interferență este cel mai tipic pentru gama HF.
În funcție de natura schimbării în timp, se disting interferența cu fluctuația, impulsul (concentrat în timp) și interferența în bandă îngustă (concentrată în spectru).
Zgomotul de fluctuație este o oscilație continuă care se modifică aleatoriu. Este adesea descris de legea distribuției normale. Schimbarea rapidă a timpului face posibilă înlocuirea zgomotului real de fluctuație cu așa-numitul zgomot alb - un proces cu un spectru constant.
Zgomotul de impuls este o secvență aleatorie de semnale scurte, de obicei urmând rar, că răspunsul receptorului la impulsul curent are timp să scadă la zero până când apare următorul impuls. Exemple tipice de astfel de interferențe sunt semnalele generate de loviturile de trăsnet sau arcurile de contact în motoarele electrice.
Interferența concentrată de-a lungul spectrului ocupă o bandă de frecvență relativ îngustă, care este mult mai mică decât banda de frecvență a semnalului. Cel mai adesea, ele sunt cauzate de semnale provenite de la posturile radio exterioare sau de radiațiile de la generatoare industriale sau medicale de înaltă frecvență în diverse scopuri.
În funcție de natura impactului, se distinge o interferență aditivă, care se adaugă la semnalul util, și o interferență multiplicativă.
|
|
,unde este semnalul transmis, este zgomotul aditiv;
Împiedicare- orice efect străin asupra unui semnal util care interferează cu recepția acestuia și se manifestă prin schimbarea formei acestuia.
Clasificarea interferențelor este prezentată în Figura 1.
Aditiv este suma semnalului util Sм (t) și interferența N 0 (t):
Z (t) = Sм (t) + N 0 (t) (6)
Multiplicativ este produsul semnalului util și interferenței:
Z (t) = Sm (t) N 0 (t) (7)
Figura 1 - Clasificarea interferenței
Extern sunt interferențe care apar în afara canalului, acestea includ:
- atmosferice iau naștere în atmosfera pământului și pot fi cauzate de descărcări de fulgere, precipitații, furtuni de praf, aurore boreale;
- spaţiu apar în spațiul cosmic și pot fi cauzate de activitatea solară, corpuri spațiale;
- industrial poate fi cauzata de instalatii industriale: generatoare de inalta frecventa, linii electrice de inalta tensiune, vehicule electrificate;
- din alte sisteme de comunicare sunt cauzate de efectul asupra semnalului util al unui sistem de comunicații al semnalelor de la alte sisteme, de exemplu, ascultarea de emisiuni radio sau o altă conversație în receptorul telefonic, primirea mai multor emisiuni radio la o frecvență.
Intern sunt interferența care apar în interiorul canalului, acestea includ propriile zgomote, care, la rândul lor, se împart în:
- termica - cauzate de mișcarea haotică a sarcinilor electrice în conductori;
- lovitură— datorită densităţii neomogene a purtătorilor de sarcină în conductoare.
Zgomotele intrinseci nu pot fi eliminate, deoarece sunt cauzate de fizica procesului de transfer al energiei electrice.
Zgomot de impuls sunt supratensiuni concentrate în timp de curent sau tensiune (Figura 2a).
Zgomot de fluctuație cauzate de fluctuațiile (abaterea de la valoarea medie) curentului și tensiunii (Figura 2b).
Interferență intermitentă sunt supratensiuni periodice de curent sau tensiune (Figura 2c).
Figura 2 - Tipuri de zgomot sub formă: a) impuls, b) fluctuație, c) periodic
Zgomotul intrinsec al canalului este o interferență de fluctuație și are o densitate spectrală de putere distribuită uniform în toate gamele de frecvență utilizate pentru telecomunicații (0 ... 10 14 Hz). Prin analogie cu lumina albă, care are componente la toate frecvențele din spectrul său, aceste zgomote sunt numite zgomot alb.
Când semnalul trece prin sistemul de comunicație și când este expus la interferențe, forma acestuia se schimbă. Modificarea formei de undă se numește și zicală.
Distingeți între distorsiunea neliniară și liniară.
Neliniar sunt distorsiuni în care apar noi componente în spectrul semnalului. Astfel de distorsiuni sunt cauzate de neliniaritatea caracteristicilor elementelor și blocurilor incluse în echipamentul sistemului de comunicații.
Liniar sunt distorsiuni în care componente noi nu apar în spectrul semnalului. Astfel de distorsiuni apar dintr-o modificare a raportului dintre componentele spectrului semnalului. Distorsiunile liniare sunt amplitudine-frecvență (AFI), la care se modifică amplitudinile componentelor spectrului semnalului şi frecvența de fază (FPI), la care se modifică fazele componentelor spectrului. Figura 3a prezintă semnalul rezultat din adăugarea a două semnale armonice cu aceleași amplitudini și faze și frecvențe diferite unul de celălalt (indicat de linia groasă). În consecință, spectrul acestui semnal conține două componente armonice la frecvențele wc și 2wc. În figura 3b, amplitudinea celei de-a doua armonice a scăzut, drept urmare forma semnalului s-a schimbat, adică au apărut distorsiuni amplitudine-frecvență. În figura 3c, faza celei de-a doua armonice s-a schimbat cu 90 °, în urma căreia forma semnalului s-a schimbat din nou, adică au apărut distorsiuni de fază-frecvență. După cum se poate observa din diagrame, componente noi nu au apărut în spectrul semnalului atât în primul cât și în cel de-al doilea caz, deși forma semnalului s-a schimbat.
Figura 3 - Distorsiuni liniare: a) semnal; b) distorsiunea amplitudine-frecventa; c) distorsiunea fază-frecvență
AHI se explică prin neuniformitatea coeficientului de transmisie pentru diferite componente ale spectrului de semnal. Cu un răspuns de frecvență ideal, coeficientul de transmisie este același pentru toate componentele spectrului de semnal și nu există AFC. Răspunsul real în frecvență al unei rețele cu patru terminale cu o creștere a frecvenței are o scădere (Figura 4a), ceea ce duce la o scădere a amplitudinii componentelor de înaltă frecvență ale spectrului de semnal și, în consecință, a răspunsului în frecvență.
PFC-urile sunt cauzate de timpii de întârziere inegale ts = j / w pentru componente de frecvențe diferite.Cu un PFC ideal, timpul de întârziere pentru toate componentele este același și nu există PFC. Caracteristica reală de fază-frecvență are o creștere la frecvențe înalte, prin urmare timpul de întârziere pentru componentele de înaltă frecvență este mai mic decât pentru cele non-frecvență și apar caracteristicile de fază-frecvență (Figura 4b).
Figura 4 - Caracteristicile unei rețele cu patru porturi: a) AFC; b) PFC
Compensarea pentru AHI și FCHI este efectuată de dispozitive speciale - corectoare.
Împiedicare- acesta este orice efect care se suprapune semnalului util și îngreunează recepția acestuia. Interferența este foarte diversă atât ca origine, cât și ca proprietăți fizice.
În canalele de comunicare prin cablu, principalul tip de interferență este zgomotul de impuls și comunicarea discontinuă. Zgomotul de impuls este adesea asociat cu comutarea automată și diafonia. Întreruperea comunicării este un fenomen în care semnalul din linie este atenuat brusc sau dispare complet.
În aproape orice interval de frecvență, există un zgomot intern al echipamentului cauzat de mișcarea haotică a purtătorilor de sarcină în dispozitivele de amplificare, rezistențe și alte elemente ale echipamentului. Acest tip de interferență este vizibil în special în domeniul VHF. În acest interval, interferența cosmică asociată cu procesele electromagnetice care au loc pe Soare, stele și alte obiecte extraterestre este, de asemenea, semnificativă.
Interferența poate fi clasificată după următoarele criterii:
- după origine (locul de origine);
- prin proprietăți fizice;
- prin natura impactului asupra semnalului.
Pentru a interfera prin origine includ în primul rând zgomot interior al echipamentului (zgomot termic) cauzate de mișcarea haotică a purtătorilor de sarcină în dispozitivele de amplificare, rezistențe și alte elemente ale echipamentelor. Mișcarea termică aleatorie a purtătorilor de sarcină în orice conductor provoacă o diferență de potențial aleatorie la capetele acestuia. Valoarea medie a tensiunii este zero, iar componenta AC apare ca zgomot. Pătratul tensiunii de zgomot termic efectiv este dat de binecunoscuta formulă Nyquist
Unde T- temperatura absolută pe care o are rezistența R;
F- banda de frecventa; k= 1,37 * 10 (-23) W.sec/grad - constanta Boltzmann.
Pentru a interfera prin origine,în al doilea rând, interferența din surse străine situate în afara canalelor de comunicare include:
- perturbaţii atmosferice (trăsnet, lumini polare etc.) cauzate de procesele electrice din atmosferă;
- interferențe industriale apărute în circuitele electrice ale instalațiilor electrice (vehicule electrice, motoare electrice, sisteme de aprindere a motoarelor, instalații medicale etc.);
- interferențe de la stațiile și canalele exterioare care decurg din diferite încălcări ale modului lor de funcționare și ale proprietăților canalului;
- interferența spațială asociată cu procesele electromagnetice asupra Soarelui, stelelor, galaxiilor și altor obiecte extraterestre.
De proprietăți fizice interferența se distinge:
- Zgomot de fluctuație;
- Interferență concentrată.
Zgomot de fluctuație... Printre zgomotul aditiv, un loc special îl ocupă zgomotul de fluctuație, care este un proces aleatoriu cu o distribuție normală (proces gauss). Acest tip de interferență apare practic pe toate canalele reale.
Structura electrică a zgomotului de fluctuație poate fi gândită ca o secvență de impulsuri infinit scurte cu amplitudine aleatorie și care urmează unul după altul la intervale aleatorii. În acest caz, impulsurile apar una după alta atât de des încât fenomenele tranzitorii din receptor de la impulsuri individuale se suprapun, formând un proces continuu aleatoriu.
Deci, sursa de zgomot în circuitele electrice poate fi fluctuațiile de curent datorită naturii discrete a purtătorilor de sarcină (electroni, ioni). Natura discretă a curentului electric se manifestă în tuburi vid și dispozitive semiconductoare sub forma unui efect de lovitură.
Cea mai frecventă cauză a zgomotului este fluctuația din cauza mișcării termice.
Durata impulsurilor care alcătuiesc zgomotul de fluctuație este foarte scurtă, prin urmare densitatea spectrală a zgomotului este constantă până la frecvențe foarte înalte.
La tulburări (de impulsuri) concentrate în timp interferența sub formă de impulsuri unice, care urmează unul după altul la intervale de timp atât de mari, este atribuită că fenomenele tranzitorii din receptorul radio de la un impuls au timp să se atenueze practic până la momentul sosirii următorului impuls.
Interferență centrată pe spectru... Se obișnuiește să se facă referire la acest tip de interferență ca semnale de la stațiile radio exterioare, radiații de la generatoarele de înaltă frecvență în diverse scopuri etc. Spre deosebire de fluctuația și interferența de impuls, al căror spectru umple banda de frecvență a receptorului, lățimea spectrului de interferență concentrată este în majoritatea cazurilor mai mică decât lățimea de bandă a receptorului. În domeniul undelor scurte, acest tip de interferență este principalul care determină imunitatea la zgomot în comunicare.
De natura impactului semnalul se distinge:
- interferenta aditiva;
- interferenta multiplicativa.
Aditiv se numește interferență, ale cărei valori instantanee se adaugă la valorile instantanee ale semnalului. Efectul de interferență al zgomotului aditiv este determinat prin însumarea semnalului util. Interferența aditivă afectează dispozitivul receptor independent de semnal și apare chiar și atunci când nu există semnal la intrarea receptorului.
Multiplicativ se numește interferență, ale cărei valori instantanee sunt înmulțite cu valorile instantanee ale semnalului. Efectul interferente al interferenței multiplicative se manifestă sub forma unei modificări a parametrilor semnalului util, în principal a amplitudinii. În canalele reale de telecomunicații, de obicei nu există una, ci un set de interferențe.
Sub distorsiuneînțelegeți astfel de modificări ale formelor de undă care se datorează proprietăților cunoscute ale circuitelor și dispozitivelor prin care trece semnalul. Cauza principală a distorsiunii semnalului sunt tranzitorii în linia de comunicație, circuitele emițătorului și receptorului. În același timp, se disting distorsiunile: liniarși neliniară apărute în circuitele liniare şi neliniare corespunzătoare. În cazul general, distorsiunile afectează negativ calitatea reproducerii mesajului și nu trebuie să depășească valorile (normele) stabilite.
Cu caracteristicile cunoscute ale canalului de comunicație, forma semnalului la ieșire poate fi întotdeauna calculată prin metoda descrisă în teoria circuitelor liniare și neliniare. Modificările ulterioare ale formei de undă pot fi compensate prin circuite de corecție sau pur și simplu luate în considerare în timpul procesării ulterioare în receptor. Aceasta este deja o chestiune de tehnologie.
ALT CAZ DE INTERFERENȚĂ - ELE nu sunt cunoscute dinainte și, prin urmare, nu pot fi eliminate complet.
Anti-interferență- sarcina principală a teoriei și tehnologiei comunicării. Orice decizie teoretică și tehnică privind implementarea codificatorului sau decodorului, emițătorului și receptorului sistemului de comunicații trebuie luate ținând cont de faptul că există interferențe în linia de comunicație. Cu toată varietatea de metode de tratare a interferențelor, acestea pot fi reduse la trei domenii:
- suprimarea interferenței la locul de origine a acestora. Aceasta este o măsură destul de eficientă și utilizată pe scară largă, dar nu întotdeauna acceptabilă. Până la urmă, există surse de interferență care nu pot fi influențate (descărcări de fulgere, zgomot de la Soare etc.);
- reducerea interferenţelor pe calea de pătrundere în receptor;
- slăbirea influenţei interferenţei asupra mesajului recepţionat în receptor, demodulator, decodor. Această direcție este subiectul de studiu pentru noi.
