3.1. Помехи в АСП
Под помехой в каналах многоканальных систем связи принято понимать посторонние сигналы, не коррелированные с полезным сигналом, спектр которых полностью или частично совпадает со спектром полезных сигналов. Помехи могут существовать в каналах как при отсутствии, так и при наличии в них сигнала.
В особую группу можно выделить помехи, характер которых совпадает с характером полезного сигнала. К таким помехам относятся внятный переходный разговор при передаче по каналам связи разговорных сигналов, дополнительное изображение при передачи телевизионной или факсимильной информации и др. Помехи такого рода в каналах связи особенно нежелательны, поэтому их либо снижают до допустимого минимума, либо преобразуют в несовпадающую по характеру с полезным сигналом помеху допустимой величины.
Помехи в каналах связи могут возникать под влиянием различных факторов как внутренних, так и внешних. К первым относятся тепловые шумы линии и аппаратуры, собственные шумы усилительных элементов и помехи за счет нелинейности группового тракта; ко вторым – помехи за счет переходных влияний между параллельными цепями и отдельными устройствами многоканальной системы; атмосферные помехи; помехи от радиостанций, источников питания, механических воздействий на аппаратуру; помехи за счет индукции от линий электропередач и др. Помехи, обусловленные внутренними причинами, характерны для всех каналов, организованных по кабельным линиям. Кроме того, в каналах аппаратуры уплотнения симметричного кабеля возникают и внешние помехи (главным образом, из-за переходных влияний). В каналах аппаратуры уплотнения воздушных линий связи преобладают внешние помехи.
Мешающее действие помех в зависимости от их вида и характера передаваемого сигнала проявляется по-разному. Они могут сделать полезную информацию неразборчивой, создать ложные сигналы и т.д.
3.1.1. Собственные помехи
Собственные шумы в каналах связи обусловливаются тепловыми шумами линии и активных сопротивлений узлов аппаратуры и шумами усилительных элементов. Наличие хаотического теплового движения электронов внутри любого проводника приводит к появлению в нем разностей потенциалов и выравнивающих токов, которые в каждый момент времени создают некоторое случайно меняющееся напряжение помех. Действующее значение этого напряжения определяется выражением [1].
(1.17.)
где k—постоянная Больцмана, равная 1,38-10-23 Дж/1К; Т—абсолютная температура в градусах Кельвина; R—активное сопротивление, создающее напряжение тепловой помехи, Ом; 
—полоса частот, в .которой определяется тепловая помеха, Гц.
Так как колебания абсолютной температуры устройств связи незначительны, можно сказать, что напряжение теплового шума определяется только шириной полосы частот не зависит от той области шкалы частот, в которой она выбрана. Тепловой шум относится к флуктуационным помехам, представляющим собой нормальный стационарный случайный процесс с практически неизменной спектральной плотностью 
на всех частотах. Это утверждение справедливо до частот порядка 6 x1012 Гц. Тепловой шум целесообразно оценивать величиной его номинальной мощности, т. е. мощности, которую источник теплового шума с ЭДС, равной 
(1.17), и внутренним сопротивлением R .выделяет в согласованном с ним нешумящем сопротивлении R:
(1.18)
Для канала с шириной полосы =3,1 кГц при абсолютной температуре 293К Рт.ш.=1,25*
— Вт, что соответствует абсолютному уровню теплового шума
(1.19)
Шумы транзисторов возникают вследствие дробового эффекта, теплового шума и полупроводникового шума. Дробовой эффект транзисторов обусловливается флуктуацией эмиссии носителей и является статистическим свойством эмиттирующей области, содержащей большое количество носителей и испускающей их неравномерно. Кроме того, он возникает вследствие случайности перераспределения тока между коллектором и базой. Спектр шума от дробового эффекта можно считать равномерным во всей области рабочих частот транзистора. Источникам теплового шума в транзисторе является распределенное сопротивление базы. Спектр шума этого вида равномерен до частот порядка 10 13Гц. Полупроводниковые шумы возникают в транзисторе вследствие нарушения регулярности потока, происходящего из-за возбуждения носителей электрического заряда под действием температуры и приложенного электрического поля в толще р-n-перехода, а также в результате столкновения нейтральных атомов полупроводника или примесей с управляемым потоком поступивших из эмиттера дырок. Мощность шумов этого вида уменьшается с ростом частоты, и этой составляющей шума для применяемых в аппаратуре многоканальной связи транзисторов обычно пренебрегают.
Поскольку величину собственных шумов, создаваемых транзисторами, определить сложно, а отдельно измерить тепловой и собственный шумы усилительного элемента в схеме усилителя невозможно, то для оценки суммарных собственных шумов -пользуются понятием коэффициент шума, выражаемым как
ИЛИ 
(1.20)
где 
и 
— мощности полезного сигнала на входе и выходе усилителя; Рт.ш — мощность теплового шума, определяемая выражением (1.18.); — результирующая мощность собственных шумов на выходе усилителя.
Коэффициент шума позволяет оценить величину снижения защищенности от собственного шума при включении в тракт «шумящего» усилителя. Мощность собственного шума на выходе усилителя будет равна
где k =Рс.вых/Pс.вх — коэффициент усиления усилителя; Рт.ш—номинальная мощность теплового шума на входе усилителя.
Уровень мощности собственного шума на выходе усилителя будет равен
Обычно нормируется уровень собственного шума не на выходе усилителя, а приведенный (пересчитанный) к его входу, т. е.
Учитывая выражение (1.18), можно записать
Подставив значение
из (1.19), получим окончательно
(1.21)
Мешающее действие собственных шумов оценивается величиной мощности шума на выходе канала, отнесенной к точке нулевого относительного уровня. Уровень мощности собственного шума, поступающего от одного i-го усилителя на выход канала, отнесенный к точке нулевого относительного уровня, определяется как
(1.22)
где 
— относительный уровень полезного сигнала на входе i-го усилителя; 
— уровень собственного шума, приведенный ко входу этого же усилителя.
Величина мощности собственных шумов (в мВт) от одного усилительного участка в точке нулевого относительного уровня будет равна
(1.23.)
Если магистраль содержит значительное количество усилителей, являющихся источниками собственных шумов, то происходит накопление шумов вдоль магистрали, что приводит к значительной результирующей мощности собственных шумов на выходе канала. Поскольку напряжения шумов от различных усилителей имеют случайные фазы, то результирующая мощность собственных шумов (в мВт) определяется по закону сложения мощностей, т. е. при числе усилительных участков, равном n:
(1.24)
При равномерном распределении усилителей вдоль магистрали относительные уровни полезного сигнала на входах всех усилителей будут одинаковыми, мощности собственных шумов всех усилителей, определяющиеся из (1.23.), будут равными и, следовательно, результирующая собственная мощность шума (в мВт) будет равна
(1.25.)
Из выражений (1.24.) и (1.25.) видно, что для уменьшения результирующей мощности собственных шумов на выходе канала необходимо уменьшать мощность шумов, поступающих от каждого усилителя 
т. е. снижать уровень 
. Из выражения (1.22.) видно, что при заданном уровне собственных шумов 
характеризующем усилитель, снизить уровень
можно, повышая уровень полезного сигнала. Таким образом, для уменьшения мощности собственных шумов целесообразно передавать полезные сигналы с высокими уровнями.
Для повышения помехозащищенности верхних по спектру каналов применяется предыскажение или перекос уровней передачи. При этом на выходе передающей станции уровни передачи в каналах, занимающих более высокие частоты в линейном спектре, повышаются, а в каналах, занимающих более низкие частоты, понижаются по отношению к уровням при работе без предыскажения. Такой перекос уровней осуществляется специальным предыскажающим контуром, включаемым на входе или в цепи обратной связи усилителя передачи. Перекос уровней передачи должен быть таким, чтобы мощность многоканального сигнала была равна мощности при работе с равными уровнями передачи. Для устранения вносимых на передающем конце предыскажающим контуром амплитудно-частотных искажений на приемном конце группового тракта включается восстанавливающий контур с частотной характеристикой затухания, обратной характеристике предыскажающего контура.
Сущность выигрыша в помехозащищённости от применения предыскажения уровней заключается в следующем. При равномерном распределении помехи по спектру, что справедливо в отношении собственных помех, помехозащищенность каналов верхних по спектру частот значительно меньше защищенности каналов нижних по спектру, так как затухание сигнала в верхних по спектру каналах значительно больше, чем в нижних (рис. 1.23а).
Рис 1.23
а) График помехозащищенности при равномерном распределении помехи
б) График помехозащищенности при введении предыскажения
При введении предыскажения (рис. 1.23б) помехозащищенность составляющих полезного сигнала на верхних частотах возрастает, а на нижних — снижается. Последнее допустимо, так как при работе без предыскажения нижних по частоте в каналах имеется некоторый запас по помехозащищенности. Увеличение защищенности от собственных шумов в верхних по частоте каналах позволяет выполнить нормы на собственные шумы при более низких уровнях 
(на рис.
) на входе усилителей, т.е. при большей длине усилительных участков.
В современных многоканальных системах В основном применяют так называемое линейное предыскажение, при котором уровень передачи линейно зависит от частоты.
3.1.2. Нелинейные помехи
Нелинейные помехи возникают в нелинейных групповых устройствах, в которых паразитные нелинейные продукты могут попадать из одних каналов в другие. При правильном расчете загрузки групповых устройств паразитная нелинейность их невелика. При большом числе таких устройств в групповом тракте на выходе каждого канала происходит накопление нелинейных помех, мощность которых может достигать значительной величины. В этом смысле особенно опасны нелинейные помехи, возникающие в групповых усилителях, число которых в линейном тракте может быть очень большим.
При использовании квазилинейного участка амплитудной характеристики усилителя с глубокой отрицательной обратной связью эта характеристика может быть аппроксимирована полиномом третьей степени [1]:
(1.26)
где 
Если на вход такого усилителя подать гармоническое напряжение
,то выражение для напряжения на его выходе после проведенных преобразований примет вид
или, поскольку, 
где 
— амплитуда полезного сигнала на выходе; 
и 
— соответственно амплитуды второй и третьей гармоник сигнала на выходе. Поскольку
, то 
и 
В технике многоканальной связи для оценки нелинейных искажений пользуются понятием затухания нелинейности по гармоникам (в децибелах). Затухание нелинейности по второй гармонике равно
(1.27.)
Затухание нелинейности по третьей гармонике равно
(1.28.)
где 
— уровень колебания основной частоты на выходе усилителя; 
и 
— соответственно уровни второй и третьей гармоник основной частоты.
Подставив значения амплитуд напряжений 
и 
в выражения (1.27) и (1.28), получим
и 
Из полученных выражений видно, что затухания нелинейности по гармоникам зависят от напряжения (или уровня) колебаний основной частоты на выходе усилителя. Преобразуем выражения для 
:
(1.27′)
При
, т. е.
, получим, что 
. Величина 
определяется только характеристикой усилителя и является одним из его параметров.
Аналогично преобразуем выражение для 
:
(1.28′)
Величина 
также определяется только характеристикой усилителя. Отрицательный знак в этих выражениях показывает, что при увеличении уровня входного сигнала, а следовательно, и уровня выходного сигнала затухание нелинейности по гармоникам уменьшается на соответствующую величину.
Выражения (1.27), (1.27′), (1.28) и (1.28′) справедливы только при малой нелинейности усилителей. За порогом перегрузки усилителей перестает выполняться условие 
, выведенные соотношения нарушаются и затухания нелинейности резко уменьшаются. На рис. 1.24 показана зависимость затухания нелинейности по гармоникам от изменения уровня полезного сигнала на выходе усилителя.
В реальных условиях на вход групповых усилителей поступает групповой сигнал, который можно рассматривать как нормальный стационарный случайный процесс. Энергетический спектр группового сигнала на входе группового усилителя в простейшем случае (если в аппаратуре не предусмотрено предыскажения уровней передачи и если (корректировка амплитудно-частотных искажений производится выравнивателем на входе усилителя)
Рис. 1.24. График зависимости затухания нелинейности от изменения уровня полезного сигнала
Поскольку групповой сигнал на выходе безынерционного группового усилителя G(f)вых также является нормальным стационарным случайным процессом, то его энергетический спектр можно найти из зависимостей, связывающих энергетический спектр (спектральную плотность) случайного процесса и его корреляционную функцию. Для нахождения корреляционной функции случайного процесса на выходе усилителя используется математический аппарат теории случайных процессов.
Обычно при расчете нелинейных помех пользуются следующими упрощающими предположениями: групповые усилители обладают слабой нелинейностью и поэтому определению подлежат только мощности нелинейных продуктов второго и третьего порядков; энергетический спектр сигнала на входе усилителя имеет равномерный характер.
Представим напряжение сигнала, воздействующего на групповой усилитель — четырехполюсник со слабой нелинейностью, в виде
(1.29)
где 
— амплитуда напряжения одной из составляющих сложного колебания. В этом случае напряжение полезного сигнала на выходе нелинейного четырехполюсника с амплитудной характеристикой, аппроксимируемой полиномом N-й степени, может быть определено как
(1.30.)
Паразитные составляющие напряжения на выходе нелинейного четырехполюсника представляют собой как гармоники частотных составляющих входного сигнала, так и различные комбинационные составляющие. В общем виде выражение для частоты любого нелинейного продукта 
можно записать следующим образом:
, где 
— положительные целые числа или нули. Порядок продукта нелинейности определяется суммой абсолютных значений коэффициентов 
и не может быть выше степени аппроксимирующего полинома. ЕСЛИ алгебраическая сумма коэффициентов
, то соответствующий продукт нелинейности относят к продуктам первого рода, если же 
, то его относят к продуктам второго рода.
Для групповых усилителей продукты нелинейности являются продуктами второго и третьего порядков. В общем виде их можно зависать следующим образом: 
— продукты второго порядка; 
— продукты третьего порядка. Как следует из определения, к продуктам первого рода из всех перечисленных продуктов относятся только продукты третьего порядка вида 
и 
. Таким образом, можно написать что
Произведя необходимые преобразования, получим выражения для определения напряжений всех частотных составляющих полезного сигнала и паразитных продуктов нелинейности на выходе четырехполюсника. Амплитуды напряжений этих составляющих приведены в табл. 1.1
Количество составляющих напряжения каждого вида определяется в соответствии с формулами теории соединений. Например, число вторых или третьих гармоник основных составляющих (исходных колебаний) равно числу колебаний m; число комбинаций второго порядка определяется выражением 
и т. д.
Мощность основных составляющих сигнала, выделяемых на активном сопротивлении нагрузки усилителя R, может быть выражена как
, а их уровень в дБ:
Используя выражения (1.27′) и (1.28/), можно написать выражения для уровней вторых и третьих гармоник основных составляющих:
; 
Таблица 1.1. Амплитуды напряжений частотных составляющих
|
Составляющие вида
To top
|