2.1.4. Влияние шумов

В любой системе передачи всегда присутствуют шумы разной природы, которые накладываются на передаваемый сигнал, поэтому принятый сигнал всегда отличается от переданного сигнала. Шумы условно можно разделить на следующие категории: тепловые, природные, преднамеренные и интерференционные. Различные помехи (преднамеренные или естественные) можно также считать шумом, искажающим принимаемый сигнал. Тепловой шум вызван тепловым движением молекул и атомов как в канале связи, так и в цепях аппаратуры. Статистические характеристики теплового шума достаточно хорошо изучены. Поскольку мгновенные значения шума носят случайный характер, то шум с сигналом сравнивают не по мгновенным значениям, а по их мощностям.

В электрических цепях тепловое движение молекул и атомов вызывает разброс скоростей движущихся носителей зарядов (например, электронов). Поэтому электрический ток всегда имеет помимо детерминированной составляющей шумовую составляющую. Тепловой шум имеет равномерный спектр в весьма широком диапазоне частот, т.е. его энергия равномерно распределена по всему диапазону частот, поэтому его еще называют "белым шумом". На каждый герц полосы частот приходится плотность мощности

, (Вт/Гц),

где 1,3803 Дж/К — постоянная Больцмана; — температура в градусах Кельвина.

Мощность шума на выходе пассивной цепи, имеющей полосу пропускания , пропорциональна полосе пропускания:

или в децибелах:

.

Белый шум аддитивно смешивается с полезным сигналом, поэтому на выходе линейного усилителя шум и сигнал усиливаются одинаково. При этом к входному шуму добавляются собственные шумы усилителя. Собственные шумы усилителя учитывают введением коэффициента шума усилителя . Энергия шума на выходе усилителя . При каскадном усилении (например, в приемниках) чтобы уменьшить шум на выходе, наиболее важно иметь первый каскад усиления с возможно меньшим значением коэффициента шума. На практике удается создавать усилители, имеющие коэффициент шума 2—3 дБ для приемников базовых станций, и 4—6 дБ — для приемников мобильных станций. Тепловые шумы от различных источников считаются независимыми, поэтому их энергии складываются.

Для уверенного приема полезного сигнала мощность сигнала должна превышать мощность шумов в несколько раз. Удобно пользоваться отношением сигнал/шум (signal-to-noise ratio — SNR).

Сигнал/шум .

Или в децибелах:

.

Требуемое отношение сигнал/шум различно для разных систем связи и разных видов модуляции. Для цифровых систем передачи Шенноном была получена формула определения верхней границы возможной скорости передачи:

,

где — пропускная способность канала (бит/с); — ширина полосы канала (Гц). Это теоретически достижимый предел. На практике достигаются заметно меньшие скорости передачи, так как формула учитывает только белый шум, а в реальности всегда присутствуют и иные виды шумов. Из формулы видно, что при фиксированном уровне шумов скорость передачи можно увеличить за счет повышения мощности сигнала и расширения полосы частот, занимаемых каналом. Однако это не совсем так, ибо с увеличением мощности сигнала возрастает риск перегрузить усилительные каскады, возникают нелинейные эффекты. Это порождает комбинационные частоты, что, в свою очередь, приводит к интермодуляционным помехам. С увеличением полосы пропускаемых каналом частот возрастает и мощность белого шума на входе приемника, в результате чего отношение сигнал/шум может ухудшиться.

В цифровых системах передачи для определения скорости передачи и уровня ошибок обычно используют отношение энергии сигнала, приходящейся на 1 бит () к плотности мощности () шумов на 1 Гц.


,

где , , бит/с — скорость передачи битов.

Или в децибелах:

дБВт.

Для разных методов кодирования допустимый коэффициент ошибок (КОШ) (в англоязычной литературе BER — Bit Error Ratio) достигается при разной величине отношения . Зная требуемое отношение , можно определить требуемую мощность сигнала для обеспечения необходимой скорости передачи . Например, в некоторой системе передачи для обеспечения скорости передачи 9600 бит/с принято допустимым значение КОШ , которое выполнимо при дБ. При комнатной температуре К (комнатная температура) такие параметры передачи можно обеспечить при мощности сигнала дБВт (Вт).

Параметры и связаны между собой. Учитывая, что и , можно записать:

.

Кроме тепловых шумов в системах связи значительное мешающее воздействие имеют импульсные помехи. Они могут быть вызваны молниями, работой электросварочного оборудования, искрением электрооборудования, неисправностями в самой аппаратуре связи или даже могут быть искусственно созданы для злонамеренной постановки помех. Импульсные помехи имеют значительную амплитуду и широкий спектр частот. При передаче голосового сигнала влияние импульсных помех довольно незначительно. Оно проявляется в появлении щелчков и потрескиваний. При передаче цифровых данных этот вид помех может стать определяющим. За время длительности импульсной помехи могут быть потеряны все биты, преданные за это время. Борьба с импульсными помехами представляет весьма сложную задачу. В основном решение заключается в отфильтровывании во входных цепях приемника всех частотных составляющих вне используемой полосы частот канала. При этом отфильтровывается часть мощности импульсной помехи и ослабляется действие помехи на сигнал. В противном случае необходимо снижать скорость передачи и увеличивать длительность передаваемых символов, чтобы за время длительности импульсной помехи оказалась пораженной незначительная часть символа.

Другим источником помех являются интермодулягцюпные шумы. Действие таких помех проявляется в том, при взаимодействии на нелинейных элементах двух (или более) сигналов, например, на частотах и , появляются паразитные сигналы на частотах . Если полезный сигнал окажется равен также , то полезный и паразитный сигналы будут интерферировать, а принимаемый сигнал станет искаженным. Подобный эффект интермодуляции возникает и на частоте зеркального канала, когда паразитный сигнал создает при демодуляции сигнал на промежуточной частоте приемника. Интермодуляционные шумы могут возникать из-за нелинейных элементов в цепях передатчика (возможно постороннего) и приемника или неисправности в приемном оборудовании. При больших уровнях принимаемого сигнала в усилителях, работающих при нормальном уровне сигнала в линейном режиме, могут возникать перегрузки, при которых усилитель может перейти в нелинейный режим. Паразитные сигналы в результате нелинейного преобразования могут оказаться в полосе полезного сигнала. Допустимый уровень сигнала (точка насыщения) на входе современных высокочувствительных приемников составляет приблизительно минус 55 дБм (~ 1,8 мкВ). При более высоком уровне входной усилитель начинает работать в нелинейном режиме. В серийном оборудовании систем подвижной связи чувствительность приемников несколько ниже. Для систем подвижной связи типичным является ситуация, когда одна мобильная станция находится вблизи границы зоны покрытия, а другая — вблизи базовой станции. При одинаковой мощности передатчиков мобильных станций передатчик второй станции может перегрузить входной усилитель приемника базовой станции, обслуживающий удаленного абонента. Продукты нелинейного преобразования могут попасть в полосу пропускания соседнего канала и создадут там помехи. Таким образом, высокая мощность ближнего передатчика может вызвать помехи сразу в нескольких приемниках базовой станции. На практике проблему дальнего и ближнего пользователя решают адаптивным регулированием мощности передатчиков. Чем ближе подвижная станция подходит к базовой, тем автоматически уменьшается взаимная мощность их передатчиков. Разумеется, система автоматического контроля и регулирования взаимной мощности является сложной и дорогостоящей. Для систем с фиксированным расположением базовых и пользовательских станций (WiMAX-2004) взаимные мощности можно просчитать заранее и установить нужные уровни в процессе инсталляции оборудования. Влияние интермодуляционных помех удается заметно ослабить с помощью фильтров во входных цепях приемника. Использование входных фильтров с крутыми скатами частотных характеристик позволяет ослабить и паразитные сигналы по соседним каналам.

В радиосвязи, как и в проводной, могут возникать перекрестные помехи, если на частотах приема будут работать "чужие" передатчики. В этом случае их сигналы не могут быть отфильтрованы входными цепями приемника, и принимаемый полезный сигнал окажется также искаженным. Если уровень паразитного сигнала окажется соизмерим или будет больше полезного, то прием может оказаться невозможным. Для устранения таких событий существуют органы контроля и распределения рабочих частот. Для каждой системы радиосвязи выделяются свои полосы частот, не пересекающиеся с частотами других систем, и выдается лицензия на выделяемые частоты. При этом уровень возможных перекрестных помех обычно не превышает уровень теплового шума. Однако исторически сложилось, что во многих странах (в том числе и в России) на многих диапазонах частот могут работать организации и службы, развернувшие свое оборудование значительно раньше. Поэтому в некоторых регионах (в зависимости от создавшейся электромагнитной обстановки) могут разрешить работу и в нелицензированных диапазонах. В этом случае перекрестные помехи могут стать доминирующими.

В большинстве случаев интермодуляционные и перекрестные помехи являются предсказуемыми и их можно учесть при проектировании и развертывании новых систем связи.

Основы теории мобильной и беспроводной связи


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.