Помехи и шумы в радиотехнике и связи

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Радиотехнические сигналы всегда присутствуют в электрических цепях совместно с помехами. В любом канале связи полезный сигнал искажается при передаче и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются как искажения, вносимые самим каналом, так и различного вида помехи, воздействующие на сигнал. С искажениями, вносимыми каналом связи, можно бороться. Помехи же заранее не известны и поэтому практически не могут быть полностью устранены. Борьба с помехами (шумами) является одной из главных проблем радиотехники.

В общем случае под радиотехнической помехой понимают случайный сигнал, однородный с полезным и действующий одновременно с ним. Для систем радиосвязи помеха – это любое случайное воздействие на полезный сигнал, ухудшающее верность воспроизведения передаваемых сообщений.

Классификация радиотехнических помех возможна по ряду признаков. Помехи разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.

По месту возникновенияпомехи делят на внешние и внутренние. Причиной возникновения внешнихпомех являются природные и космические процессы (например, атмосферные помехи, связанные, прежде всего, с грозовыми разрядами, космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах), работа различных технических устройств (промышленных установок, электротранспорта, порождающих так называемые индустриальные помехи).

Распространенным видом внешних помех являются помехи от посторонних радио- и телевизионных станций, каналов и систем военного назначения.

Внутренниепомехи обусловлены процессами, происходящими при работе самого радиотехнического устройства. Практически в любом диапазоне частот всегда имеют место внутренние шумы радиотехнических устройств, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, резисторах и других элементах аппаратуры. Эти помехи особенно сказываются при радиосвязи в диапазонах дециметровых и менее волн (ультракоротких волн), где другие помехи невелики.

Помехи естественного происхождения часто называют шумом.

Возможны два сочетания полезного сигнала и шума. Если шум просто накладывается на сигнал (суммируется с сигналом), то помеха называется аддитивной. Если же шум нелинейным образом входит в структуру сигнала, то помеха называется мультипликативной (от англ. multiplication ‘умножение’).

В реальных каналах обычно имеют место и аддитивные, и мультипликативные помехи.

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

Сосредоточенными по спектру называют помехи, основная часть мощности которых находится на отдельных участках диапазона частот, меньших полосы пропускания радиотехнической системы. Помехи, наводимые в радиотехнических цепях от промышленной силовой сети частотой 50 Гц, являются сосредоточенными.

Импульсной помехой называется регулярная, или хаотическая последовательность импульсных сигналов, однородных с полезным сигналом. Источниками таких помех являются цифровые и коммутирующие элементы радиотехнических цепей или работающего рядом с ними устройства. Импульсные и сосредоточенные помехи часто называют наводками.

Флуктуационная помеха (флуктуационный шум) представляет собой случайный процесс с нормальным распределением — гауссовский процесс.

Между сигналом и помехой отсутствует принципиальное различие. Более того, они существуют в единстве, хотя и противоположны по своему действию. Так, излучение радиопередатчика является полезным сигналом для приемника, которому предназначено это излучение, и помехой для всех других приемников.

Электромагнитное излучение звезд является одной из причин космического шума в диапазоне сверхвысоких частот и поэтому является помехой для систем радиосвязи. С другой стороны, это излучение является полезным сигналом, по которому определяют некоторые физико-химические свойства звезд.

5.Вероятностное описание шумов

Шумы и ряд реальных радиотехнических сигналов носят случайный характер. Их описание производится статистическими (вероятностными) законами.

Рассмотрим случайный сигнал (процесс), описываемый некоторой случайной функцией Х (t). Конкретный вид этой функции х₁(t), х₂(t), …, х_i(t), наблюдаемый в конкретном эксперименте, называется реализацией случайного сигнала.

Конкретная реализация сигнала является детерминированной и может быть представлена графически в виде некоторой функциональной зависимости.

Совокупность всех возможных реализаций случайного сигнала называется ансамблем.

Выберем некоторый отсчет времени t₁ (рис. 82). Совокупность мгновенных значений всех реализаций в момент времени t₁ также будет некоторой случайной величиной Х (t₁), называемой сечением случайного сигнала. У случайного сигнала можно взять бесконечное множество сечений. Случайный сигнал в сечении может принимать любые значения из области допустимых значений.

Рис. 82. Реализация случайного сигнала

и закон распределения ансамбля реализаций в сечении

Одной из важнейших характеристик случайной величины Х (t₁) является одномерная плотность распределения вероятности, или, проще, плотности вероятности, обозначаемая р (х, t₁)(рис. 82).

Сама плотность вероятности р (х, t₁) физического смысла не имеет, но ее произведение на элементарный интервал Δх (х_i, х_i + +Δх) имеет смысл того, что в данном сечении t₁ вероятность прохождения любой из реализаций внутри интервала Δх равна некоторому значению Р_i . Иначе говоря, в рассматриваемом сечении значение случайного сигнала будет принадлежать заданному элементарному интервалу

р(х,t₁) · Δх = Р_i.

Для вероятностного описания случайных сигналов кроме одномерной плотности вероятности часто используются двухмерные (совместно рассматриваются два сечения случайного сигнала) и реже - многомерные плотности вероятности.

С использованием плотностей вероятности случайного сигнала в сечении (сечениях) определяются его основные числовые характеристики:

- математическое ожидание (среднее статистическое по ансамблю реализаций значение), равное для стационарных сигналов постоянной составляющей

;

- дисперсия, характеризующая среднюю удельную мощность флуктуаций переменной составляющей случайного сигнала вокруг статистического среднего (степень разброса значений случайного сигнала относительно статистического среднего). Величина σ_х(t) = называется среднеквадратическим отклонением случайного сигнала и имеет смысл действующего значения случайного сигнала на единичном сопротивлении:

;

- корреляционная функция, определяющая меру линейной связи между сечениями t₁иt₂, а при t₁=t₂ численно равная дисперсии:

Корреляционная функция, в свою очередь, однозначно определяет спектральную плотность случайного сигнала. Последняя равна результату преобразования Фурье от корреляционной функции.

Спектральная плотность случайного сигнала характеризует распределение средней удельной мощности флуктуаций случайного сигнала по частотной оси (показывает, какая часть дисперсии приходится на единицу полосы частот).

Наиболее простой случай, рассматриваемый в радиотехнике – стационарный случайный сигнал. Один из вариантов определения стационарности сигнала – отсутствие зависимости математического ожидания и дисперсии случайного сигнала от времени, а корреляционной функции – от расстояния между сечениями:

;

; .

Внутри класса стационарных случайных сигналов существует подкласс эргодических случайных сигналов, для которых числовые характеристики могут быть определены путем усреднения по времени одной бесконечно длинной реализации. При этом характеристики равны результатам, полученным путем усреднения по ансамблю реализаций:

;

В качестве основной модели шумов в радиотехнике применяется гауссовский белый шум (белый по аналогии с белым цветом), что вполне обоснованно. Сразу следует заметить, что белый шум на практике не может быть реализован, так как для его создания требуется источник, способный обеспечить бесконечное значение дисперсии шума. Поэтому гауссовский белый шум является удобной математически абстрактной моделью шума. Вместе с тем большинство действующих в радиотехнических цепях шумов хорошо согласуются с этой моделью.

По определению белый шум является стационарным случайным процессом (но никогда не сигналом) с нулевым средним, спектральная плотность которого равномерна на всей частотной оси (корреляционная функция имеет вид дельта-функции и существует только в точке τ = t₂ – t₁ = 0, так что белый шум является абсолютно некоррелированным случайным процессом; иначе говоря, между любыми двумя сечениями белого шума отсутствует линейная связь) (рис. 83).

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 4162; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!