Лекция 19. Преобразование сигналов в каналах связи. Аддитивные помехи в канале

Содержание лекции:

- прохождение сигналов через случайные каналы связи. Флуктуационные помехи.Сосредоточенные по спектру помехи. Импульсные помехи. Шумы приемных антенн.

Цель лекции:

- рассмотреть в общих чертах характерные преобразования сигнала в случайных линейных каналах (цепях). Познакомиться с физическими явлениями, которые порождают флуктуации напряжения и тока в радиотехнических цепях.

В простейшем случае случайное преобразование сигнала сводится к суммированию сигнала с независимым от него случайным процессом, называемым аддитивной помехой или аддитивным шумом. В более сложных каналах к этому добавляются случайные изменения параметров канала, в результате которых даже в отсутствие аддитивных помех принимаемый сигнал не определяется однозначно передаваемым.

В самом общем виде линейную систему (или линейный канал) можно описать случайной ИХ G ( t , ), представляющей случайную функцию двух аргументов: t(момента наблюдения реакции) и t(времени, прошедшего с момента подачи d-импульса на вход цепи). Такова, например, ИХ любой линейной системы, параметры которой подвергаются воздействию случайных внешних влияний, например, температуры, давления, влажности и т.д. Случайный линейный канал можно характеризовать также случайной передаточной функцией переменных и t

. (19.1)

Функция корреляции процесса Y ( t ) на выходе случайного канала с характеристикой (4.41) при подаче на вход стационарного процесса X ( t )определяется выражением

, (19.2)

где - системная характеристика случайного канала.

Остановимся подробнее на моделях, с которыми чаще всего приходится встречаться. Модель для случайного входного воздействия X ( t )

, (19.3)

где параметры t и (или) gфлуктуируют. Обычно такие флуктуации в проводных линиях связи вызываются изменениями внешних условий и происходят чрезвычайно медленно и в очень не больших относительных пределах. В радиоканалах при многолучевом распространении волн, в гидроакустических каналах и других флуктуации выражены более заметно.

Более сложный случай имеет место, когда сигнал проходит по параллельным путям от входа канала к его выходу (рисунок 19.1), так что на выходе каждого пути сигнал имеет вид

где фазовый сдвиг в канале, a ( t ) —процесс, сопряжённый с X ( t ) по Гильберту, но значения и для разных путей различны и к тому же в небольших пределах флуктуируют. Такого рода многопутевое распространение сигнала характерно для большинства радио-, гидроакустических и некоторых других каналов (в том числе проводных).

Энергия волны распространяется обычно в неоднородной среде и испытывает отражение от различных неоднородностей. Эти неоднородности могут быть распределены внутри относительно небольшого отражающего (рассеивающего) объёма. В этом случае разности хода (разности значений ) для отдельных путей невелики. Если по такому каналу направить очень короткий импульс, то и на его выходе импульс будет довольно коротким. Такой канал принято называть однолучевым.Наличие разных путей ("подлучей") не вызывает в этом случае существенного рассеяния (растяжения) сигнала во времени, но приводит к возникновению явления замираний, которое заключается в более или менее быстрых случайных изменениях передаточной функции канала (мультипликативная помеха).

Если по однолучевому каналу с замираниями передаётся относительно узкополосный сигнал, а среднеквадратическое отклонение запаздывания в отдельных подлучах удовлетворяет условию

, (19.4)

где F_c - ширина спектра сигнала, то изменения начальных фаз на разных частотах в спектре сигнала, равные , почти одинаковы. При этом все составляющие спектра сигнала замирают "дружно", т.е. их амплитуды и фазы изменяются одинаково. Такие замиранияназываются общими или гладкими. Если же условие (19.4) не выполнено, то в разных областях спектра сигнала процессы замираний не совпадают (селективные по частоте замирания). При этом наблюдаются существенные изменения формы сигнала, что характерно для многолучевых каналов радиосвязи (приходящие в точку приёма сигналы образованы отражением от сильно разнесённых в пространстве рассеивающих объёмов).

В каналах связи аддитивные помехи вызываются различными причинами и могут принимать различные формы, индивидуальные реализации которых трудно учесть. Именно эти помехи чаще вызывают необратимые преобразования передаваемых сигналов. Аддитивные помехи по их электрической и статистической структуре разделяют на три основных класса: флуктуационные (распределённые по частоте и времени), сосредоточенные по частоте (квазигармонические) и сосредоточенные во времени (импульсные). 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. Так, источником шума в электрических цепях могут быть флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда (электронов, ионов). Дискретная природа электрического тока проявляется в полупроводниковых приборах в виде дробового эффекта (при заданном режиме питания схем случайно меняется число создаваемых носителей заряда). Если учесть, что , то удельная дисперсия флуктуационного тока (А²/Гц), приходящаяся на полосу частот в 1 Гц,

N ₀ =2 eI ₀. (19.5)

Это соотношение получило в радиотехнике название формулы Шотки. Согласно ей, эквивалентная шумовая схема электронного прибора содержит в себе источник тока, создающий белый шум со спектральной плотностьюN₀.

Дробовой шум электронных приборов имеет постоянный спектр мощности вплоть до частот в несколько сотен мегагерц, а затем начинает уменьшаться с ростом частоты.

Наиболее распространённой причиной шума в аппаратуре связи являются флуктуации, обусловленные тепловым движением. Одной из главных причин возникновения шума являются флуктуации объемной плотности электрического заряда в проводящих телах (резисторах) из-за хаотического теплового движения носителей заряда. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов (напряжения) на его концах. Среднее значение такого напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Тепловой шум на входе приёмника представляет собой случайный гауссовский процесс с нулевым средним и спектральной плотностью мощности - Формула Найквиста

No = 2 Wo = 4 kTR . (19.6)

Специфическим для полупроводниковых приборов является шум, называемый фликер-шумом, который возникает в результате разного рода поверхностных явлений. Его спектральная плотность в широком диапазоне частот подчиняется гиперболическому закону (она пропорциональна 1/ f ). Обычно на частотах выше 10 кГц фликер-шумами пренебрегают. Космические помехи в системах радиосвязи, вызванные радиоизлучением солнца и других космических объектов – это флуктуационные шумы. Источником шума в радиотехническом устройстве может быть приемная антенна, на выходе которой возникает случайное напряжение под воздействием хаотических флуктуации электромагнитного поля. Поскольку на выходе антенны, малой по сравнению с длиной волны, возникает напряжение и = El . У естественных помех земного происхождения подавляющая часть мощности этого шума сосредоточена на частотах ниже 30 МГц.

К сосредоточенным по спектру аддитивным помехампринято относить сигналы посторонних радиостанций, преднамеренные помехи, излучения генераторов высокой частоты различного назначения (промышленных, медицинских) и т.п. В общем случае это модулированные колебания, т.е. квазигармонические колебания с изменяющимися параметрами. В одних случаях эти колебания являются непрерывными (например, сигналы вещательных и телевизионных радиостанций), в других - они носят импульсный характер (сигналы радиотелеграфных станций и систем передачи данных). Ширина спектра сосредоточенной помехи в большинстве случаев не превышает полосы пропускания приёмника, а в некоторых случаях она намного уже этой полосы. В диапазоне коротких волн сосредоточенные по спектру помехи являются основными, определяющими качество связи, и считаются случайными колебаниями с флуктуациями фаз и амплитуд (замираниями), распределение которых такое же, как у полезных сигналов.

К импульсным (сосредоточенным во времени) аддитивным помехампринято относить помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за другим через такие большие промежутки времени, что переходные явления в приёмнике от одного импульса успевают практически затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К таким помехам относят многие виды атмосферных и индустриальных помех. Заметим, что "флуктуационная помеха" и "импульсная помеха" являются понятиями относительными. В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная на приёмник с широкой полосой пропускания и как флуктуационная на приёмник с относительной узкой полосой пропускания. На практике импульсные помехи приходится рассматривать как случайный, относительно широкополосный (тем шире, чем короче импульсы помехи) процесс, состоящий из отдельных редких, случайно распределённых во времени и по амплитуде импульсов. Вероятностные свойства таких помех описываются распределением вероятностей амплитуд импульсов и распределением временных интервалов между этими импульсами с помощью модели Пуассона (11.8). Обозначим символом vсреднее число электронов, прибывающих на анод за 1 с. Вероятность прибытия на анод ровно пэлектронов

. (19.7)

Для этого закона характерно наличие существенных значений в области больших амплитуд, что соответствует реальной модели импульсной помехи. Это медленные (суточные, сезонные) флуктуации амплитуд радиосигналов, обусловленные поглощениями сигнала в среде распространения.

Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 817; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 14 15 16 171819 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!