4.1. Переходные шумы, обусловленные паразитной фазовой модуляцией

4.2. Переходные шумы, вызываемые нелинейными передаточными характеристиками

4.3. Тепловые шумы в телефонных каналах

4.1. Переходные шумы, обусловленные паразитной ФМ

Технические параметры аппаратуры РРС выбирают таким образом, чтобы искажения сигнала у потребителя не превышали допустимых значений. При передаче МТС по РРЛ с ЧМ искажения сигнала проявляются в виде шумов в ТФ канале. Шумы определяют на выходе ЧД. Различают тепловые шумы (ТШ) в канале и переходные (нелинейные) шумы. При этом, если ТШ в канале существуют независимо от наличия модуляции в передатчике, то переходные шумы исчезнут, если выключить модулирующий сигнал. Переходные шумы (ПШ) возникают, когда часть энергии сигнала из одного ТФ канала переходит в другие.

Риунок 4.1. Передаточные амплитудные характеристики идеальные (1) и реальные (2) устройств группового тракта: частотного модулятора (а), частотного детектора (б) и группового усилителя (в)

Допустим, что в АРРС установлены идеальные модемы с соответствующими передаточными характеристиками (ПХ) - модуляционной ЧМД, демодуляционной ЧД и амплитудной характеристикой ГУ (прямые 1 на рис. 4.1), где u_вх — напряжение модулирующего сигнала на входе ЧМД; D w - отклонение частоты сигнала на выходе ЧМД на стороне передачи и на входе ЧД на стороне приема; и_Д - выходное напряжение ЧД; и₁и u₂— напряжения на входе и выходе ГУ.

В соответствии с процессом ЧМ и частотного детектирования запишем

(4.1)
и
(4.2)

где k_М и k_Д - крутизна характеристик ЧМД и ЧД.

Положим, что в идеальной РРЛ, в которой не возникает шумов, на передающей ОРС на вход ЧМД поступает МТС с максимальным уровнем, т.е. u_ВХ(t)=u(t)=1. Он создает на выходе ЧМД девиацию , которая на выходе ЧД приемной ОРС дает напряжение u_Д=и(t)=1. Подставляя эти значения в (4.2), получаем

(4.3)

Подставив в (4.1) значение k_М

(4.4)

Напомним, что МТС и фаза ЧМ сигнала связаны линейным соотношением, а частота любого сигнала

, (4.5)

где j (t) - фаза сигнала.

Предположим, что ЧМ сигнал проходя по реальной РРЛ, приобрел паразитный фазовый сдвиг, нелинейно зависящий от частоты, либо подвергся паразитной ФМ. Его фаза изменилась на величину D Ф и стала

Тогда, в соответствии с (4.5) изменение частоты на входе ЧД

Подставив (4.3) и (4.6) в (4.2), получаем

,

где

Видим, что на выходе идеального ЧД, кроме переданного МТС, появилась составляющая e f (t). Поскольку D Ф нелинейно зависит от D w (t) и, значит, согласно (3.5) и от u(t), то e f (t) содержит продукты нелинейного преобразования u(t) и создает напряжение переходных шумов, появляющихся из-за паразитной ФМ.

Рисунок 4.2. Идеальные (1) и реальные (2) фазо-частотные характеристики ГВЗ (б) для УПЧ

Рисунок 4.3. К объяснению возникновения переходных шумов из-за отражений в АФТ; к пояснению образования запаздывающего сигнала (в) и векторная диаграмма сигналов на входе приёмника (г)

Можно указать несколько источников паразитной ФМ. Паразитный фазовый сдвиг D Ф могут вносить те устройства АРРС, имеющие нелинейную ФЧХ, через которые проходит ЧМ сигнал. Эти устройства образуют высокочастотный тракт (ВЧТ) РРЛ. На практике для устройств ВЧТ измеряют не ФЧХ, а характеристику ГВЗ, определяемую следующим образом:

(4.7)

В пределах радиорелейного участка к ВЧТ относятся: аппаратура, установленная после ЧМД на передающей ОРС, аппаратура ПРС и устройства, установленные до ЧД на приемном конце УРС. В ВЧТ входят РФ, ПФ, УПЧ и другие цепи с нелинейной ФЧХ (рис. 4.2).

Шумы появляются на выходе ЧД каждого радиорелейного участка. Их называют переходными шумами ВЧ тракта. Эти шумы можно снижать, для чего в схему УПЧ включают корректоры ГВЗ (КГВЗ).

Другим источником паразитной ФМ является АФТ. Механизм возникновения шумов иллюстрирует рис. 4.3. Поскольку практически в местах подключения АФТ к антенне и аппаратуре (точки а и и на рис. 4.3,а) всегда имеет место рассогласование, то часть энергии ЧМ сигнала там отражается. На входе приемника одновременно действуют два сигнала: основной 1 и запаздывающий 2. Причем, если в момент времени t₁ основной сигнал промодулирован МТС u(t₁), то запаздывающий — МТС u(t₁ — 2t _ф), где t _ф — время распространения СВЧ колебаний в АФТ. Значит фазы сигналов 1 и 2 различны. Передают сигнал u_чм, а на входе приемника вместо него получают результирующее колебание U_p (рис. 4.3, г) с другими амплитудой и фазой. Поскольку МТС — случайный процесс, то фазы основного и запаздывающего сигналов меняются случайным образом, следовательно, и ДФ изменяется по случайному закону и нелинейно связан с u(t). Возникающие вследствие этого в ТФ канале шумы называют переходными шумами из-за отражений в АФТ. Заметим, что результирующий сигнал приобрел также и паразитную AM.

Еще один источник возникновения паразитной ФМ - преобразование паразитной AM в ФМ. Это явление называют амплитудно-фазовой конверсией (АФК). Наблюдается АФК в устройствах ВЧТ: УМ на ЛБВ и в амплитудных ограничителях (АО). Поэтому УМ и АО вносят дополнительные нелинейные шумы на выходе ЧД. Их называют переходными шумами из-за АФК или из-за АМ-ФМ преобразования.

4.2. Переходные шумы, вызываемые нелинейными передаточными характеристиками и АХ

Реальные модемы, в отличие от идеальных, имеют нелинейные ПХ и АХ устройств (см. рис. 4.1). Кроме того, крутизна ПХ ЧД зависит от амплитуды ВЧ сигнала на его входе. Влияние этих факторов рассмотрим раздельно.
Нелинейную характеристику можно представить в виде полинома по степеням входного воздействия. Для нелинейной ПХ ЧД вместо (3.6) можно записать

, (4.8)

где a_Д, b_Д, c_Д –коэффициенты аппроксимации, причём a_Д=k_Д. Подставляя в (3.12) k_Д из (3.7) и D w (t) из (3.8), получаем

или
, (4.9)

где .

Видим, что на выходе ЧД кроме u(t) появились продукты его нелинейного преобразования e _Г(t) - напряжение переходных шумов. Аналогичным образом можно пояснить воздействие нелинейности ПХ модуляторов и АХ ГУ. Устройства, через которые в РРЛ проходит сигнал на частотах линейного (группового) спектра, образуют групповой тракт РРЛ (Гр. Т). Шумы, возникающие в ТФ канале из-за нелинейности передаточных характеристик. ЧМД, ЧД и АХ ГУ, называют переходными шумами группового тракта.

Переходные шумы из-за паразитной AM. Положим, что ПХ ЧД идеальна, но огибающая ЧМ сигнала на входе ЧД меняется из-за паразитной AM. Последняя всегда имеет место в АРРС. Источники паразитной AM; неравномерность АЧХ ВЧТ, несогласованность АФТ с антенной и аппаратурой (см. рис. 4.3,г), тепловые шумы на входе приемника и др.

Полагая, что паразитная AM происходит по закону u(t), представим огибающую ЧМ сигнала на выходе УПЧ в виде:

где m_ам - индекс паразитной AM, Для подавления паразитной AM между УПЧ и ЧД ставят АО, который уменьшает глубину паразитной AM. Качество АО оценивают с помощью коэффициента подавления

или (4.10)

где m_вх и m_вых - индексы паразитной AM на входе и выходе АО, причем m_вх=m_АМ. Поэтому огибающая сигнала на входе ЧД

, где

Крутизна передаточной характеристики реального ЧД пропорциональна амплитуде ВЧ сигнала на его входе. Поэтому вместо (4.3) запишем для реального ЧД крутизну его передаточной характеристики в виде

(3.15)

Находим напряжение на выходе реального ЧД

, где

Откуда следует, что появилось напряжение нелинейных шумов e _АМ(t). Такие шумы называют переходными шумами из-за паразитной AM и неидеальности АО. Для идеального АО g =0 e _АМ(t)=0.

В заключение отметим, что ПШ в ТФ канале классифицируют в зависимости от источников искажений сигналов (источников помех). С этих позиций РРЛ разделяют на АФТ, ВЧТ и ГрТ (рис.4.4). В кружках показаны устройства, применяемые для снижения влияния искажений. Различают два основных механизма воздействия помехи на ЧМ сигнал: возникновение паразитной ФМ (ПФМ) и паразитной AM (ПАМ). При этом искажения сигнала возникают до ЧД. Устройства Гр Т искажают непосредственно ГС (после ЧД). Все искажения проявляются в виде ПШ на выходе ЧД.

4.3. Тепловые шумы в ТФ канале

Их порождают собственные ТШ, существующие во всех устройствах РРЛ. Основной вклад вносят ТШ, возникающие в первых каскадах приемника, потому что сигнал на входе приемника обычно имеет малый уровень и отношение сигнал-шум в этих каскадах оказывается достаточно невысоким. Тепловые шумы приемника и АФТ принято пересчитывать ко входу приемника. Взаимодействие сигнала и собственного ТШ на входе приемника иллюстрирует рис. 3.19, где U_ЧM -вектор ЧМ сигнала, U_ш - вектор ТШ, U_Р - вектор результирующего колебания на входе приемника. Получается, что передают сигнал U_ЧM, а принимают - U_Р. Между ними возникает фазовый сдвиг D Ф_Ш. Известно, что собственный ТШ — случайный процесс, т.е. амплитуда и фаза вектора U_Ш случайным образом изменяются во времени, поэтому D Ф_Ш тоже случайная функция времени. Итак, собственный ТШ создает на входе приемника, а значит, и на входе ЧД, паразитную ФМ по случайному закону. Заметим, что результирующий сигнал приобрел также паразитную AM. Как показано выше, паразитная ФМ на входе ЧД приводит к появлению шумов на его выходе. В данном случае в ТФ канале появляются тепловые шумы, которые называют ТШ приемника.

Рисунок 4.4. К объяснению возникновения переходных шумов в ТФ канале

Другая причина появления ТШ в ТФ канале - собственные ТШ гетеродинного тракта, главным образом, его автогенератора. Собственные ТШ автогенератора ГТ создают паразитную ФМ его колебаний. Из-за этого сигналы на выходах смесителей приемника и передатчика СВЧ (см. рис. 3.1) также приобретают паразитную ФМ. Следовательно, сигнал, поступающий на вход ЧД на УРС (ОРС), имеет паразитную ФМ, которая в свою очередь приводит к появлению ТШ в каналах. Такие шумы называются ТШ гетеродинов в ТФ канале. Для подавления таких шумов в гетеродинных трактах устанавливают узкополосные фильтры (часто два таких фильтра — ФУМ и ФУП). Фильтры ограничивают паразитную шумовую девиацию частоты сигнала на выходе смесителя D w _Ш. Таким образом будет снижено напряжение (мощность) ТШ в канале, которое можно определить по (3.6) при D w (t)= D w _Ш.

Рисунок 4.5. Векторная диаграмма сигнала и теплового шума на входе приёмника

Рисунок 4.6. К объяснению возникновения тепловых шумов в ТФ канале

В ТФ канале учитывают также ТШ, вносимые устройствами группового тракта непосредственно в ТФ канал. Такие шумы называют ТШ модемов.

Возникновение ТШ в ТФ канале иллюстрирует рис. 4.6.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите виды шумов в телефонных каналах.
2. Поясните механизм возникновения шумов из-за паразитной фазовой модуляции
3. Какие устройства на РРЛ образуют высокочастотный тракт?
4. Назовите причины и поясните механизм возникновения переходных шумов в высокочастотном тракте.
5. Поясните механизм и назовите причины появления шумов в антенно фидерном тракте РРЛ
6. Объясните возникновение тепловых шумов в телефонном канале аналоговой РРЛ.