Классификация помех в линиях связи
Помехами
называются посторонние электромагнитные возмущения
n(t)
, накладывающиеся на передаваемые сигналы
S(t)
и препятствующие приему сигналов.
Помехи по своей форме
делятся на:
1) синусоидальные
– помехи от промышленной сети с частотой 50 Гц, от медицинских установок и различных аппаратов;
2) импульсные
– в виде отдельных импульсов или групп импульсов, например, помехи от систем зажигания двигателей внутреннего сгорания;
3) хаотические
– например, тепловой шум (броуновское движение).
По характеру мешающего воздействия
помехи делятся на:
1) аддитивные
– если в канале связи помеха
n(t)
складывается с полезным сигналом
S(t)
, т.е.
Z(t)
=
S(t)+ n(t)
;
2) мультипликативные
– если воздействие помехи
n(t)
эквивалентно изменению коэффициента передачи канала связи
Z(t)
=
S(t)∙n(t)
.
Аддитивные помехи
имеют следующие основные виды:
1) помехи соседних радиоканалов
, возникающие, например, из-за перекрытия спектров соседних каналов по несущей частоте.
Рисунок 5.8 – Перекрытие соседних каналов связи с несущими
частотами f01 и f02
Меры борьбы – раздвигание несущих частот соседних каналов не менее чем на две полуширины спектров сигналов;
2) промышленные помехи
. К ним относят электромагнитное излучение, вызванное возникновение затухающих колебаний при искрообразовании в различных электрических устройствах. Они проявляются в беспорядочном треске и щелчках в телефонах.
Меры борьбы – предотвращение или уменьшение искрообразования, использование фильтров для замыкания ВЧ колебаний в устройствах, экранирование радиоаппаратуры;
3) атмосферные помехи
. Причина возникновения – электромагнитное излучение при грозовых разрядах, проявляются на длинных и средних волнах в виде сильного нерегулярного треска в телефонах.
Меры борьбы – удаление в ультракоротковолновый диапазон, свободный от этого вида помех;
флюктуационные помехи
– эти помехи являются внутренними шумами, под ними подразумеваются случайные колебания токов и напряжений в элементах радиоаппаратуры. Такие помехи представляют собой последовательность коротких импульсов, имеющих случайный момент появления.
Помехи в линиях связи
Помехи в виде электрического шума
можно определить как нежелательную энергию, которая сопровождает сигнал в электронной системе. В любой системе кроме сигнала всегда присутствуют шумы. Примером шумов могут служить
перекрестные помехи
, когда во время телефонного звонка происходит коммутация двух различных телефонных линий, в результате чего можно в трубке слышать, то что говорят другие люди. Другим примером являются
внутриканальные помехи
, которые иногда возникают в телевизионных системах под воздействием атмосферных явлений. При этом телевизионный сигнал начинает распространяться на расстояния, превышающие обычные. Это приводит к возникновению взаимных помех с локальными радиостанциями, ведущими вещание на тех же частотах.
В системах связи различают два типа помех: промышленные или искусственные
и
естественные
.
Искусственные
возникают в результате воздействия на систему разнообразных источников электромагнитных излучений, например, промышленное оборудование, некоторые типы ламп накаливания и др.
Естественные
помехи проявляются в результате природных явлений, например характерное потрескивание в радиоприемнике, вызванное разрядами молнии в атмосфере. Это пример
атмосферных
помех. Другим источником шума является космическое излучение, он называется
космической
помехой. Он вызван излучением звезд в результате протекающих в них процессов преобразования энергии. Кроме того часть помех в систему вносят
электронные компоненты
. В этом случае говорят о шумах. К ним относят:
1) тепловой шум
– шум, возникающий в процессе теплового возбуждения атомов проводника или резистора, в результате чего возникают свободные электроны. Эти электроны хаотически движутся в различных направлениях с различными скоростями. Их движение приводит к появлению случайной разности потенциалов на концах проводника или резистора. Таким образом возникает тепловой процесс.;
2) дробовой шум
возникает везде, где через какое-либо активное устройство течет постоянный или переменный ток и происходят случайные колебания величины этого тока, которые накладываются на сигнал и искажают его. Название дробового шума происходит от специфического потрескивания, которое можно услышать в наушниках если усилить сигнал с помощью усилителя низкой частоты;
3) фликер-шум
возникает в полупроводниковых, вакуумных и др. устройствах вследствие дефектов кристаллической структуры материала, которые приводят к флуктуациям проводимости. Происхождение шумов до сих пор до конца не выяснено. Фликер-шумы нельзя смоделировать поскольку они изменяются от устройства к устройству. В большинстве практических применений на частотах свыше 10кГц фликер-шумом можно пренебречь. Условно считают, что фликер-шум занимает полосу 0,1…103Гц.
Для оценки качества системы используется параметр отношение сигнал/шум
– это отношение максимального значения напряжения сигнала к эффективному значению напряжения шума в соответствии с (3.24):
(5.46)
Отношение сигнал/шум часто определяют в децибелах:
, дБ. (5.47)
Иногда в качестве отношения сигнал/шум берут отношение мощности сигнала Ps
и средней мощности помехи
Pп ,
также выраженное в децибелах:
, дБ. (5.48)
Типичные значения приемлемого отношения сигнал/шум составляют около 50-60дБ для высококачественного радиовещания музыкальных программ, 16дБ – для передачи речи с низким качеством и до 30 дБ – для коммерческих телефонных систем, 60 дБ – для телевизионного вещания с хорошим качеством. Общее отношение сигнал/шум всех цепей системы определяется произведением, а при выражении в децибелах суммированием.
Задачи по разделу 5
Пример 1.
В дискретном канале без помех для передачи сообщений используется алфавит с четырьмя различными символами. Длительность всех символов одинакова и равна 1 мс. Определить пропускную способность канала передачи информации.
Решение.
Запишем выражение для пропускной способности дискретного канала без помех:
,
n
– общее количество сообщений из алфавита с четырьмя символами.
n=44=64; мс. дв.ед/с.
Пример 2.
Источник вырабатывает символы с вероятностями
р
1=0,2;
р
2=0,7;
р
3=0,1. Передача информации осуществляется двоичным кодом, длительность всех символов которого равна 1 мс. Определить скорость передачи информации по каналу без помех при использовании равномерного кода.
Решение.
Запишем выражение для скорости передачи информации:
,
дв.ед/с.
Пример 3.
Источник, вырабатывающий четыре символа с априорными вероятностями
р
1=0,4;
р
2=0,3;
р
3=0,2;
р
4=0,1, подключен к каналу передачи информации, обладающим пропускной способностью С=1000 бит/сек. Передача информации осуществляется равномерным двоичным кодом. Определить скорость передачи информации.
Решение.
Выражение для скорости передачи информации имеет вид:
,
Выразим UY
из выражения пропускной способности канала связи:
; бит/с.
бит.
бит/с.
Пример 4.
Сколько в среднем можно передать букв русского текста за 1 сек по каналу передачи информации, обладающего пропускной способностью С=1000бит/с, при условии, что средняя энтропия русского языка на одну букву – 2бит. Определить количество информации.
Решение.
;
Выразим UY
из выражения пропускной способности канала связи:
, поскольку n
=32 (количество букв в русском алфавите), то
бит/с, Н
(
Х
)=2 бит, бит/с.
Пример 5.
Определить пропускную способность двоичного симметричного канала с помехами при вероятностях искажения элементарного символа q=0,001 и q=0,01.
Решение.
1) q=0,001, р=1-q=1-0,001=0,999;
бит/с.
2) q=0,01, р=1-q=1-0,01=0,99;
бит/с.
Пример 6.
Определить энтропию системы, которая описывается дискретной случайной величиной
х
со следующим рядом распределения:
р
(
х
1)=
р
(
х
2)=
р
(
х
3)=
р
(
х
4)=0,01,
р
(
х
5)=0,96.
Решение.
Запишем выражение для энтропии дискретной случайной величины:
бит.
Пример 7.
Определить энтропию системы, которая описывается дискретной случайной величиной
хi
со следующим рядом распределения
р
(
х
1)=
р
(
х
2)=
р
(
х
3)=
р
(
х
4)=
р
(
х
5)=0,2.
Решение.
бит.
Пример 8.
Определить отношение С/Ш на выходе системы, показанной на рисунке 5.9 с коэффициентами усиления
G
1 ,
G
2 и
G
3, записать в числовом виде и выразить в децибелах. Мощность входного сигнала равна 2мВт, уровень шумов – 5мкВт. Предполагается, что звенья схемы не вносят собственных шумов.
Рисунок 5.9
Решение.
Определим С/Ш на входе системы : .
Определим С/Ш на выходе системы : .
Выразим отношение С/Ш в децибелах на входе системы: .
Выразим в децибелах коэффициенты усиления каждого звена схемы:
Отсюда общий коэффициент усиления системы будет равен:
G
1 +
G
2 +
G
3=16,02+10+9,03=35,05дБ.
Отношение С/Ш в децибелах на выходе системы будет равен:
.
5.9 Задачи для самостоятельного решения
Задача 5.1.
Определить пропускную способность двоичного симметричного канала с помехами при вероятностях искажения элементарного символа q=0,1 и q=0,0001.
Задача 5.2.
Определить энтропию системы, которая описывается дискретной случайной величиной
х
со следующим рядом распределения:
р
(
х
1)=0,1
р
(
х
2)=0,2
р
(
х
3)=0,5
р
(
х
4)=0,1,
р
(
х
5)=0,1.
Задача 5.3.
Определить энтропию системы, которая описывается дискретной случайной величиной
хi
со следующим рядом распределения
р
(
х
1)=
р
(
х
2)=0,1
р
(
х
3)=
р
(
х
4)=
р
(
х
5)=0,3.
Задача 5.4.
Сколько в среднем можно передать букв русского текста за 1 сек по каналу передачи информации, обладающего пропускной способностью С=500 бит/с, при условии, что средняя энтропия русского языка на одну букву – 2бит. Определить количество информации.
Задача 5.5.
Источник, вырабатывающий четыре символа с априорными вероятностями
р
1=0,01;
р
2=0,2;
р
3=0,5;
р
4=0,29, подключен к каналу передачи информации, обладающим пропускной способностью С=1000 бит/сек. Передача информации осуществляется равномерным двоичным кодом. Определить скорость передачи информации.
Задача 5.6.
Определить отношение сигнал/шум (С/Ш) на выходе системы, показанной на рисунке 5.10 с коэффициентами усиления
G
1 ,
G
2 и
G
3, записать в числовом виде и выразить в децибелах. Мощность входного сигнала равна 2мВт, уровень шумов – 5мкВт. Предполагается, что звенья схемы не вносят собственных шумов.
Рисунок 5.10
Задача 5.7.
Источник вырабатывает символы с вероятностями
р
1=0,25;
р
2=0,7;
р
3=0,01,
р
4=0,01
р
5=0,01
р
6=0,01
р
7=0,01. Передача информации осуществляется двоичным кодом, длительность всех символов которого равна 2 мс. Определить скорость передачи информации по каналу без помех при использовании равномерного кода.
Задача 5.8.
В дискретном канале без помех для передачи сообщений используется алфавит с шестью различными символами. Длительность всех символов одинакова и равна 2,5 мс. Определить пропускную способность канала передачи информации.
Задача 5.9.
Определить отношение сигнал/шум (С/Ш) на выходе системы, показанной на рисунке 5.11 с коэффициентами усиления
G
1 ,
G
2 и
G
3, записать в числовом виде и выразить в децибелах. Мощность входного сигнала равна 2мВт, уровень шумов – 5мкВт. Предполагается, что звенья схемы не вносят собственных шумов.
Рисунок 5.11
Задача 5.10.
Сколько в среднем можно передать букв русского текста за 2 сек по каналу передачи информации, обладающего пропускной способностью С=5000бит/с, при условии, что средняя энтропия русского языка на одну букву – 3 бит. Определить количество информации.
Значение слова помехи
помехи
в проводной связи, внешние электромагнитные воздействия на проводные (воздушные, кабельные) линии, а также электрические процессы в них, вызывающие искажение передаваемой информации. В зависимости от вида информации П. проявляются: в виде ошибок при передаче телеграмм и передаче данных ; в виде шорохов, тресков, в плохой разборчивости речи абонентов и слышимости разговоров, ведущихся по соседним каналам, при телефонной связи; в недостаточной чёткости штрихов и появлении ненужных штрихов при передаче фототелеграмм и газетных полос; в искажении команд в системах телемеханики и телесигнализации и т.д. Действие П. зависит от множества причин и, как правило, носит случайный характер. Поэтому проблема помехоустойчивости в проводной связи решается с помощью методов теории вероятностей и математической статистики. П. можно разделить на 2 группы: аддитивные и неаддитивные. К аддитивным относят П., которые складываются с сигналом линейно. Они содержат 3 различных по своим статистическим свойствам составляющих: флуктуационные, гармонические и импульсные П. Искажения сигнала, вносимые каждой составляющей, определяются многими факторами, например соотношением мощностей или амплитуд сигнала и П., методом передачи и приёма, составом частотных спектров сигнала и П. Наиболее характерны флуктуационные П., которые вызываются тепловыми шумами (см. Флуктуации электрические ) электронных ламп и полупроводниковых приборов, влиянием соседних каналов связи (в многоканальной аппаратуре) и т.п. Гармонические П. в системах, использующих кабели связи , встречаются сравнительно редко; их появление свидетельствует о повреждении в кабеле. В каналах связи, использующих воздушные линии, они появляются достаточно часто — это главным образом излучение длинноволновых радиовещательных станций. Импульсные П. не приводят к существенному снижению качества телефонной связи, но служат основной причиной ошибок при передаче цифровой и др. видов дискретной информации. Источники импульсных П. — недоброкачественные электрические контакты, переключения в аппаратуре проводной связи, грозовые разряды, близлежащие радиостанции, электрифицированные железные дороги, линии электропередачи и т.д. К неаддитивным относят П., вызывающие паразитную модуляцию сигнала. Они возникают из-за нелинейной зависимости характеристик канала связи от параметров сигнала и от времени и существенно влияют на передачу сигналов в основном в каналах проводной связи большой протяжённости.Лит.: Основы передачи данных по проводным каналам связи, М., 1964; Каналы передачи данных, под ред. В. О. Шварцмана, М., 1970; Дальняя связь, под ред. А. М. Зингеренко, М.,1970. А. И. Кобленц.
Большая советская энциклопедия, БСЭ
