13. Помехи, типы помех, методы борьбы с помехами
Помеха – это любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.
В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывная связь. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и с перекрестными наводками. Прерывание связи есть явление, при котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает.
Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Этот вид помех особенно сказывается в диапазоне ультракоротких волн. В этом диапазоне имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.
Классификацию помех можно провести по следующим признакам:
— по происхождению (месту возникновения);
— по физическим свойствам;
— по характеру воздействия на сигнал.
К помехам по происхождению в первую очередь относятся внутренние шумы аппаратуры (тепловые шумы)обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Среднее значение напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Квадрат эффективного напряжения теплового шума определяется известной формулой Найквиста
где Т- абсолютная температура, которую имеет сопротивление R;
F— полоса частот; k=1,37*10 (-23) Вт.сек/град- постоянная Больцмана.
К помехам по происхождению, во вторую очередь, относятся помехи от посторонних источников, находящихся вне каналов связи:
— атмосферные помехи (громовые разряды, полярное сияние, и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;
— индустриальные помехи, возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, системы зажигания двигателей, медицинские установки и другие.);
— помехи от посторонних станций и каналов, возникающих от различных нарушений режима их работы и свойств каналов;
— космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах, галактиках и других внеземных объектах.
По физическим свойствам помех различают:
Флуктуационные помехи. Среди аддитивных помех особое место занимает флуктационная помеха, которая является случайным процессом с нормальным распределением (гауссов процесс). Этот вид помех практически имеет место во всех реальных каналах.
Электрическую структуру флуктуационной помехи можно представить себе как последовательность бесконечно коротких импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через случайные промежутки времени. При этом импульсы появляются один за другим настолько часто, что переходные явления в приемнике от отдельных импульсов накладываются, образуя случайный непрерывный процесс.
Так, источником шума в электрических цепях могут быть флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда (электронов, ионов). Дискретная природа электрического тока проявляется в электронных лампах и полупроводниковых приборах в виде дробового эффекта.
Наиболее распространенной причиной шума являются флуктуации, обусловленные тепловым движением.
Длительность импульсов, составляющих флуктуационную помеху, очень мала, поэтому спектральная плотность помехи постоянна вплоть до очень высоких частот.
К сосредоточенным по времени (импульсным) помехам относят помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за другим через такие большие промежутки времени, что переходные явления в радиоприемнике от одного импульса успевают практически затухнуть к моменту прихода следующего импульса.
Сосредоточенные по спектру помехи. К этому виду помех принято относить сигналы посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты различного назначения и т. п. В отличие от флуктационных и импульсных помех, спектр которых заполняет полосу частот приёмника, ширина спектра сосредоточенной помехи в большинстве случаев меньше полосы пропускания приёмника. В диапазоне коротких волн этот вид помех является основным, определяющим помехоустойчивость связи.
По характеру воздействияна сигнал различают:
Аддитивной называется помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействует на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.
Мультипликативнойназывается помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. В реальных каналах электросвязи обычно имеют место не одна, а совокупность помех.
Под искажениямипонимают такие изменения форм сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала – переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные и нелинейныевозникающие в соответствующих линейных и нелинейных цепях. В общем случае искажения отрицательно сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм).
При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. Дальнейшие изменения формы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при последующей обработке в приемнике. Это уже дело техники.
ДРУГОЕ ДЕЛО ПОМЕХИ — ОНИ заранее не известны и поэтому не могут быть устранены полностью.
Борьба с помехами — основная задача теории и техники связи. Любые теоретические и технические решения, о выполнении кодера или декодера, передатчика и приемника системы связи должны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются помехи. При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем направлениям:
— подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективное и широко применяемое мероприятие, но не всегда приемлемо. Ведь существуют источники помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.);
— уменьшение помех на путях проникновения в приемник;
— ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Именно это направление для нас является предметом изучения.
Повышение помехоустойчивости коротковолновых радиоприемных устройств посредством адаптивной регулировки чувствительности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Дулькейт, Игорь Владимирович
Оглавление диссертации кандидат технических наук Дулькейт, Игорь Владимирович
1 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РАДИОПРИЕМНЫМ УСТРОЙСТВАМ КВ ДИАПАЗОНА, И МЕТОДЫ ИХ АДАПТАЦИИ К УСЛОВИЯМ СВЯЗИ
1.1 Основные направления развития современных отечественных и зарубежных систем и средств связи в декаметровом диапазоне радиоволн
1.2 Требования, предъявляемые к РПУ и трансиверам КВ диапазона радиоволн
1.3 Алгоритмы адаптации радиоприемных устройств к условиям связи
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГТП НА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПУ ПОСРЕДСТВОМ ИМИТАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ И ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛЕЙ КВ КАНАЛА СВЯЗИ
2.1 Методы статистического моделирования КВ каналов связи
2.2 Исследования влияния характеристик избирательности входных цепей РПУ на надежность связи с помощью имитационно-аналитической модели КВ канала
2.3 Имитационная модель КВ канала для исследования влияния среды распространения и характеристик РПУ на надежность связи
3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
3.1 Методы оценки помехоустойчивости радиоприемных устройств при воздействии внеполосных мешающих сигналов
3.2 Помехоустойчивость радиоприемных устройств при воздействии доминирующего по уровню внеполосного мешающего сигнала
3.3 Влияние на помехоустойчивость радиоприемных устройств спектральных характеристик внеполосных мешающих сигналов
3.3 Анализ различных методов автоматической регулировки чувствительности
4 ВОПРОСЫ АППАРАТУРНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
4.1 Регулируемый элемент в системах автоматической регулировки чувствительности радиоприемных устройств
4.2 Коммутационные помехи при дискретной автоматической регулировке чувствительности радиоприемных устройств
4.3 Адаптивная система автоматической регулировки чувствительности радиоприемного устройства по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», 05.12.04 шифр ВАК
Методы и средства проектирования каналов декаметровой радиосвязи 2007 год, доктор технических наук Хазан, Виталий Львович
Исследование и разработка алгоритмов приема сигнала с контролем качества нестационарного канала 2002 год, кандидат технических наук Марков, Михаил Михайлович
Амплитудно-фазовая компенсация воздействия мощной внеполосной помехи на радиоприемное устройство 2012 год, кандидат физико-математических наук Калинин, Владимир Андреевич
Исследование и разработка универсального радиочастотного тракта приемника сотовой связи 2010 год, кандидат технических наук Макаров, Евгений Валерьевич
Прием и обработка сигналов от мобильных систем при воздействии мощных помех и множественных отражений 2006 год, кандидат физико-математических наук Ивлев, Дмитрий Николаевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение помехоустойчивости коротковолновых радиоприемных устройств посредством адаптивной регулировки чувствительности»
Несмотря на все более широкое распространение спутниковых, транкинговых и сотовых систем связи и глобализацию их применения, магистральная радиосвязь в коротковолновом (КВ) диапазоне не только не утратила свою актуальность, но и привлекает внимание все большего круга потребителей. Это обусловлено тем, что наряду с очевидными достоинствами КВ радиосвязи, такими как уникальная дальность радиосвязи в этом диапазоне без ретрансляций, простота использования, независимость от каких-либо факторов в мировой экономической и политической обстановке, дешевизна и доступность аппаратуры, новые компьютерные технологии позволили значительно повысить надежность передачи сообщений и фактически вдохнули "второе дыхание" в развитие систем КВ радиосвязи [20, 28, 31, 32].
Радиосвязь продолжает оставаться важнейшим средством управления войсками в ходе ведения боевых действий в условиях маневренного скоротечного современного боя с резкой сменой обстановки и при отсутствии сплошной линии соприкосновения войск [107]. В этих условиях надежная качественная радиосвязь является гарантией устойчивого и гибкого управления войсками, а с учетом быстрого развития автоматизированных систем управления (АСУ) войсками и информационных систем, строящихся на основе сетей радиосвязи, — необходимым условием достижения информационного превосходства над противником. Основным преимуществом радиосвязи в этих условиях является ее мобильность, способность передавать информацию различного характера в движении, не ограничивая свободу действий платформы (автомобиля, боевой машины, вертолета или самолета), на которой установлена радиостанция.
Поэтому потребность в средствах связи для оперативно-тактического звена управления вооруженных сил таких стран, как США, Великобритания, ФРГ, Франция, Италия и других, особенно для сухопутных войск и морской пехоты, в последние годы постоянно возрастает. Специалисты управления перспективных исследований министерства обороны Соединенных Штатов утверждают, что к 2005 году потребности американских вооруженных сил в средствах мобильной связи по сравнению с 2002-м возрастут на 92 %. Руководство ВС других ведущих стран с высокой долей вероятности также будет учитывать эту тенденцию [107].
Применение современных методов модуляции и кодирования сообщений позволяет на практике вплотную приблизиться к достижению пропускной способности канала связи, определяемой формулой Шеннона [2, 92, 109, 145]. Продолжают развиваться методы передачи информации по параллельным каналам (методы разнесения передачи — приема по частоте, по времени, в пространстве и т.п.).
Кроме известных преимуществ, КВ радиосвязь, использующая дальнее распространение радиоволн за счет их отражения от ионосферы, имеет ряд недостатков. Наиболее существенными недостатками радиосвязи, вытекающими из физической природы среды распространения радиоволн и самого принципа радиосвязи, являются: зависимость от состояния ионосферы, возможность обнаружения и пеленгования сигнала работающей радиостанции и его подавления средствами РЭБ, относительно высокий уровень ошибок (при использовании цифровой связи), ограниченность полосы пропускания, возникновение взаимных помех из-за высокой плотности радиостанций, работающих в одном диапазоне.
К недостаткам также относится наличие "зон молчания" в полярных областях, а также в прибрежных районах на границе "море-суша". Эти факторы ограничивают коэффициент исправного действия канала связи величиной 60 — 95 %, а при определенных условиях делают связь эпизодической [32].
Возможность распространения декаметровых радиоволн на большие расстояния и относительно узкий диапазон частот распространения, создают чрезвычайно сложную помеховую обстановку в точке приема. Ярко выраженная многолучевость распространения сигналов, приводящая к ограничению скорости передачи информации из-за возникновения межсимвольных искажений, и малый интервал стационарности канала связи предъявляют исключительно высокие требования к техническим характеристикам радиоприемных устройств (РГТУ) этого диапазона [11, 13, 18, 19, 82, 86, 110, 128, 129]. Поэтому реализация комплекса требований к профессиональному коротковолновому приемнику высшего класса всегда происходила на уровне самых высоких достижений радиотехники.
Анализ публикаций, рассматривающих перспективы развития КВ радиосвязи [1, 3, 28 — 32, 34, 58, 59], позволил выявить основные тенденции ее развития, включающие в себя:
— объединение отдельных каналов связи в сеть с взаимосвязанными ретрансляционными пунктами, удаленными друг от друга на расстояние односкачковой трассы (1500 км) [20, 32];
— частотно-разнесенный прием с использованием, как минимум, трех частот в различных частях КВ диапазона [4, 32];
— цифровую пакетную радиосвязь между всеми участниками сети [6,
— применение для повышения достоверности передачи данных низкоскоростных каналов связи [32] и помехоустойчивого кодирования [92]. Указанные меры позволяют также повысить скрытность за счет снижения мощности излучения и улучшить условия электромагнитной совместимости (ЭМС) средств связи на подвижных объектах.
Однако повышение скорости передачи информации в КВ канале связи и создание автоматизированных, помехозащищенных сетей связи отнюдь не снижают требований предъявляемых к параметрам линейного тракта приема. Его основная задача обеспечить максимально возможное отношение сигнал/помеха на входе устройств демодуляции и декодирования сигналов, причем не только шумоподобных, но и сосредоточенных помех. Снижение этого соотношения заставляет использовать более мощные системы помехоустойчивого кодирования сигналов, вводя дополнительную избыточность, снижать канальную скорость передачи данных, использовать повторную передачу блоков и пакетов информации и т.д. Все это, так или иначе, ведет к снижению скорости передачи информации. Таким образом, для реализации вышеперечисленных направлений развития КВ радиосвязи необходимо создание высококачественных радиоприемных устройств, имеющих высокие характеристики помехоустойчивости и чувствительности, обеспечивающих прием слабых сигналов в условиях воздействия случайных и преднамеренных помех, ограничивающих потенциальные возможности повышения надежности связи.
Необходимость работы РПУ коротковолнового диапазона в чрезвычайно сложной помеховой обстановке приводит к тому, что при их проектировании необходимо иметь оценку влияния отдельных параметров РПУ, в том числе параметров их отдельных узлов и функциональных устройств, включая алгоритмы управления и адаптации, на надежность связи. А так же иметь возможность сравнительной оценки влияния на надежность связи совокупности различных параметров и "размена" количественных значений одних характеристик на другие.
Теория потенциальной помехоустойчивости или теория оптимальной линейной фильтрации в силу возможностей практической реализации в настоящее время не применима к сигналам радиочастоты, поэтому основная фильтрация и обработка сигналов производится на промежуточных частотах. Для переноса спектра радиосигнала на промежуточные частоты используется главный тракт приема (ГТП). Основное его назначение — предварительная фильтрация, усиление и перенос спектра сигнала на промежуточную частоту наиболее удобную для дальнейшей обработки.
Основными характеристиками ГТП РПУ являются частотная избирательность в его различных сечениях — на радиочастоте и на промежуточных частотах и нелинейные явления в активных элементах тракта, являющиеся одной из основных причин снижения надежности связи при воздействии мощных помех.
Задача оценки влияния параметров отдельных узлов РПУ на помехоустойчивость может быть решена либо путем постановки физических экспериментов, либо математическими расчетами, например, методом статистического моделирования на ЭВМ. Каждый из этих методов имеет свои недостатки и достоинства. Экспериментальные исследования в реальных условиях связаны с большими материальными затратами как на производство специальной аппаратуры, позволяющей варьировать различные параметры и характеристики, так и на организацию эксперимента. Невоспроизводимость условий связи в реальном опыте вызывает необходимость проведения большого числа статистических испытаний аппаратуры или одновременного исследования большого количества образцов изделия.
Поэтому задача исследования влияния структуры и параметров РПУ и его основных узлов на надежность связи решается в следующей последовательности.
С помощью статистического моделирования исследуется зависимость надежности связи от характеристик приемника и его составных частей, формулируются требования к ним, разрабатываются и испытываются алгоритмы управления и адаптации. На основании полученных данных проводится разработка отдельных узлов и радиоприемника в целом. Далее идет изготовление макета изделия и его опытного образца, которые в свою очередь проходят испытания соответственно в лабораторных условиях на имитационно-измерительном комплексе и в реальных условиях радиосвязи, что позволяет проверить идеи и результаты, полученные на первом этапе.
Таким образом, этап исследования влияния характеристик РПУ на надежность связи путем статистического моделирования является первым и важнейшим этапом в общей цепи научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ такого направления [33, 35, 36, 38, 39]. Особое значение он приобрел в настоящее время, что обусловлено двумя причинами. Первая — это значительный "скачек" в области развития средств вычислительной техники, которая сегодня стала обычным инструментом разработчика аппаратуры связи. Во вторых — это появление принципиально новых технических решений построения отдельных узлов РПУ, основанных на <к применении цифровых методов фильтрации и обработки сигналов [2, 4, 5].
Аналогичный подход к исследованию устройств связи широко используется как за рубежом, так и в отечественной технике связи, в том числе и в Омском НИИ приборостроения.
Для теоретического исследования влияния характеристик РПУ на надежность связи была взята структурная схема входных цепей радиоприемника, изображенная на рисунке 1.
Рисунок 1 — Структурная схема модели входных цепей радиоприемного устройства
Помехоустойчивость системы связи в основном, при прочих равных условиях, обусловлена отношением сигнал/помеха, которое реализуется главным трактом радиоприемного устройства (РПУ) на выходе фильтра основной селекции. Автоматическая адаптация к постоянно меняющимся условиям связи в КВ канале способна существенно повысить отношение сигнал/помеха и приблизить его к потенциально достижимому уровню. Таким образом, исследование методов адаптации коротковолновых РПУ к условиям связи является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является повышение помехоустойчивости радиоприемных устройств (РПУ) КВ диапазона методом параметрической адаптации к условиям радиосвязи в точке приема.
Исследования проведены с использованием методов аналитических расчетов, компьютерного и физического моделирования, а также натурных испытаний, базирующихся на экспериментальных данных и известных теоретических положениях. Достоверность полученных результатов подтверждается их адекватностью при использовании различных методов исследования, а также сходимостью полученных теоретических результатов с экспериментальными данными и результатами связных испытаний. Алгоритмы разработанных компьютерных моделей базируются на теории нелинейных электрических цепей, теории электрической связи, теории случайных процессов и теории специальных функций. Достоверность новизны принятых технических решений подтверждается двенадцатью авторскими свидетельствами и патентами.
В первой главе диссертации дан анализ состояния развития и тенденции построения современных отечественных и зарубежных радиоприемных устройств декаметрового диапазона радиоволн и проанализированы требования, предъявляемые к современным КВ РПУ [1, 3, 9, 11, 13, 14, 17 — 20, 28 — 32, 37, 40, 42, 55 — 62, 65, 77, 79, 100, 129, 130]. Показано, что реализация высокой помехоустойчивости невозможна без автоматической адаптации РПУ к сложной электромагнитной обстановке. Описаны методы повышения надежности приема сообщений посредством автоматической адаптации РПУ к условиям связи. Дан анализ известных методов оценки влияния характеристик главного тракта РПУ на отношение сигнал/помеха на его выходе и, как следствие, на надежность передачи сообщений.
Основными параметрами РПУ, которые автоматически изменяются при адаптации его к условиям связи являются: частотная избирательность, динамический диапазон и чувствительность.
Влияние частотной избирательности РПУ, его чувствительности и динамического диапазона на помехоустойчивость КВ систем связи исследовалось в работах Голубева В. Н., Челышева В.Д., Ли За Сонна, Богдановича Б. М., Сартасова Н. А., Бобкова А. М., Лабутина В. К и др. исследователей [9- 11, 13, 14, 17-20, 63, 65, 67-69, 72, 80-87, 99, 100, 106, 115, 121 — 123, 125, 126, 150, 152, 156]. Автором диссертации влияние характеристик избирательности радиоприемного устройства на надежность связи исследовалось посредством статистического моделирования на ЭВМ [24, 25, 33, 35, 36, 38-40]. Показано, что наиболее просто и эффективно помехоустойчивость РПУ в сложной электромагнитной обстановке может быть повышена в первую очередь за счет автоматической регулировки чувствительности (АРЧ) приемного устройства [7, 12, 23 -25, 36, 40 — 46, 53, 54,64,77-79,87,90,91, 100, 101, 112, 134, 135, 144].
Во второй главе показано, что при сравнении различных методов АРЧ наиболее приемлемыми являются статистические методы моделирования, которые позволяют получать результаты, хорошо согласующиеся с результатами натурных испытаний. Обычные аналитические методы моделирования предполагают постоянными значения всех параметров сигнала и помех, что плохо отражает всевозможного рода реальные ситуации и приводит к значительным погрешностям оценок энергетических выигрышей и проигрышей при сравнении систем связи, использующих различные методы адаптации. Наиболее рациональными являются имитационно-аналитические методы моделирования, которые сочетают в себе преимущество как аналитических методов моделирования (быстроту получения результатов), так и имитационных (статистических) методов (хорошее согласование с результатами, полученными на реальных трассах).
Дано описание разработанных математических моделей канала связи, используемых в качестве инструмента автоматического проектирования KB радиоприемных устройств [23 — 25, 33, 35, 36, 38 — 42, 55, 58 — 61].
Для исследования влияния характеристик усилительного тракта приемного устройства в работе используются две различные компьютерные модели: имитационно-аналитическая [33, 35, 38, 39, 100, 111] и чисто имитационная [23 — 25, 36, 40].
Имитационно-аналитическая модель базируется на известной [123] аппроксимации нелинейной характеристики усилительного тракта суммой линейной и тригонометрической функций. Такая аппроксимация позволяет получить все основные характеристики усилительного тракта (амплитудную, блокирования и интермодуляционную) и производить расчет уровней всех интермодуляционных составляющих любого порядка на выходе нелинейного тракта при полигармоническом воздействии на его вход. Этот факт очень важен, так как в реальных условиях на вход КВ приемного устройства помимо полезного сигнала может поступать большое число станционных помех.
В качестве модели станционных помех в данном случае была использована известная модель Сосина [152], которая дает табличное представление зависимости числа станционных помех различного уровня от частоты настройки приемного устройства.
При вычислительных экспериментах, как и при экспериментах на реальной трассе, требуется проведение достаточно большого числа сеансов связи, гарантирующего достоверные результаты. Распределение станционных помех на заданном участке диапазона частот считается равномерным. Средние уровни сигнала в различных сеансах связи предполагаются распределенными по логарифмически нормальному закону, а мгновенное значение уровня сигнала-в отдельно взятом /-м сеансе связи считается распределенным по релеевскому закону.
Определив уровни сигнала и станционных помех на входе приемного устройства и рассчитав уровни полезного сигнала и станционных помех, непосредственно попавших в полосу пропускания фильтра основной селекции, а также уровни учитываемых порядков интермодуляционных составляющих, попавших в полосу пропускания фильтра основной селекции, можно получить значение отношения сигнал/помеха на выходе усилительного тракта приемного устройства. Это отношение обусловливается динамическим диапазоном усилительного тракта. Если при одних и тех же условиях связи сравниваются приемные устройства, имеющие различный динамический диапазон или адаптирующиеся к условиям связи разными способами, то естественно, что отношение сигнал/помеха на выходе фильтра основной селекции у таких приемных устройств будет различным.
Задавая уровень отношения, сигнал/помеха, при котором сообщение считается принятым, можно определить коэффициент исправного действия (КИД) для того или иного варианта приемного устройства. Изменением уровня сигнала определяется зависимость КИД от мощности передатчика и производится оценка энергетического выигрыша одной системы связи по отношению к другой.
Недостатком описанной имитационно-аналитической модели является то, что она рассчитана на испытания радиоприемных устройств при передаче только коротких сообщений. При этом не может быть учтено влияние замираний сигнала в процессе передачи сообщений, длительность которых сравнима с периодом селективных замираний сигнала или превосходит его. От этого недостатка избавлена другая разработанная в диссертации модель канала связи, которая является чисто имитационной.
Имитационная модель КВ канала связи воспроизводит отсчеты квадратур сигнала, адекватные отсчетам на выходе аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При этом учитывается как многолучевость распространения сигнала в декаметровом диапазоне радиоволн, так и наличие аддитивных помех (станционных, импульсных, атмосферного шума и собственного шума РГТУ). Имитационная модель строится следующим образом. Формируются индивидуальные отсчеты комплексных амплитуд каждого отдельно взятого компонента колебания на входе приемного устройства (сигналов, пришедших различными лучами, станционных и импульсных помех, атмосферного шума). Интервал между соседними отсчетами в соответствии с теоремой Котельникова обусловливается полосой пропускания приемного тракта.
Имитационная модель может воспроизводить имеющие место нелинейные искажения сигнала, которые происходят в усилительном тракте реального приемного устройства. Для этого сигнал представляется в виде суммы двух комплексно сопряженных векторов, т. е. в действительной форме, и подвергается нелинейным преобразованиям адекватным тем, которые происходят в реальном тракте. Способ аппроксимации передаточной характеристики тракта при этом не играет существенной роли. Однако интервал между отсчетами сигнала в этом случае необходимо уменьшать с целью учета гармоник и интермодуляционных составляющих, которые появляются из-за нелинейных искажений в тракте приемного устройства.
Третья глава диссертации посвящена исследованиям различных алгоритмов автоматической адаптации РПУ к конкретным условиям связи. В ней проводится анализ влияния на помехоустойчивость радиоприемных устройств спектральных характеристик внеполосных мешающих сигналов.
Обычно, при анализе нелинейных искажений в ГТП реальные узкополосные мешающие сигналы заменяют эквивалентными по мощности синусоидальными сигналами [13, 17, 18, 57, 129, 85, 105, 106, 111, 128, 132]. Такое представление мешающих сигналов позволяет значительно упростить анализ, однако оно плохо описывает реально существующие узкополосные сигналы [72]. При статистическом анализе такое их представление приемлемо лишь в частном случае, когда заведомо известно, что в полосу пропускания фильтра основной избирательности радиоприемника попадает большая часть мощности комбинационной помехи.
Показано, что учет спектральных характеристик мешающих сигналов приводит к снижению помехоустойчивости РПУ по сравнению со случаем, когда учитываются лишь их энергетические характеристики. Одинаковой вероятности ухудшения качества приема соответствуют уровни узкополосных мешающих сигналов на 4-14 дБ меньше, чем в случае, когда эти сигналы заменяются эквивалентными по мощности синусоидальными.
Проведен анализ помехоустойчивости радиоприемных устройств при воздействии доминирующего по уровню внеполосного мешающего сигнала, что характерно для РПУ работающих в условиях территориально ограниченного объекта, что не позволяет обеспечить необходимое удаление приемной и передающей антенн, а зачастую приемник и передатчик работают на одну антенну.
Оценка помехоустойчивости РПУ, работающего в условиях территориально ограниченного объекта, когда ее снижение обусловлено, главным образом, воздействием мощного мешающего сигнала наводимого от основного излучения собственного передатчика, показала, что:
— вероятность ухудшения качества приема РПУ с широкополосным преселектором недопустимо велика и может достигать значений от 0,5 до близких к единице. Этим объясняется то, что на территориально ограниченных объектах такие РПУ используются лишь совместно с дополнительным высокоизбирательным преселектором;
— введение встроенных средств самоадаптации в виде управляемых аттенюаторов, с помощью которых производится согласование уровней входных воздействий приемника с его динамическим диапазоном — системы автоматической регулировки чувствительности (АРЧ), приводит к значительному повышению помехоустойчивости приемника.
Проведен анализ эффективности различных методов АРЧ.
Показано, что применение в АРЧ дополнительного тракта приема [8, 101, 103, 112] влечет за собой значительное усложнение РПУ, а ее основные характеристики зависят от идентичности параметров основного и дополнительного приемного трактов. Их различие не позволяет в полной мере избавиться от ложных срабатываний и отказов системы АРЧ.
Использование в АРЧ модуляционного обнаружителя нелинейных искажений [13, 53, 64, 96, 97], позволяющего оценить уровень комбинационных помех непосредственно на выходе ГТП, не используя для этой цели дополнительного тракта, также не позволяет полностью избавиться от ложных срабатываний АРЧ. Их вероятность зависит от соотношения параметров обнаружителя — глубины модуляции и полосы пропускания ФНЧ на выходе синхронного детектора. Показано, что на практике, когда допустимая глубина модуляции ограничена (коэффициент модуляции не должен превышать нескольких процентов), для снижения вероятности ложного срабатывания приходится уменьшать полосу пропускания ФНЧ, увеличивая тем самым инерционность АРЧ. Инерционность АРЧ с модуляционным обнаружителем нелинейных искажений сужает область ее применения, например, уменьшается эффективность ее использования в РПУ, работающих в составе радиолиний с интенсивной сменой рабочих частот. Это обусловлено тем, что время анализа в системе АРЧ соизмеримо, а может даже и превышать, время непрерывной работы РПУ на конкретной частоте. Невозможность полностью исключить ложные срабатывания АРЧ с модуляционным обнаружителем нелинейных искажений, наряду с большой инерционностью такой АРЧ, может явиться причиной снижения достоверности приема в отдельных сеансах радиосвязи.
Рассмотрена АРЧ по уровню внешнего воздействия на радиоприемное устройство. Такой метод используется в АРЧ по уровню принимаемого сигнала [7, 23, 77, 78, 87, 90, 91] и в АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора, который представляет собой сумму мешающих сигналов [7,13,23,77,90,91].
Несомненным достоинством АРЧ по уровню внешнего воздействия на РПУ является простота аппаратурной реализации, что особенно важно в связи с требованием улучшения таких характеристик РПУ как: габаритно-массовые, технологичность и энергоемкость. Преимуществом является также возможность практически исключить влияние ложных срабатываний на достоверность приема. При АРЧ по уровню принимаемого сигнала это достигается тем, что порог ее срабатывания выбирается исходя из заданной достоверности приема. Эффективность применения такой АРЧ определяется уровнем принимаемого сигнала. При АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора, это также достигается соответствующим выбором порога срабатывания, который должен на 20 — 30 дБ превышать динамический диапазон РПУ. Однако при увеличении порога срабатывания АРЧ возрастает вероятность ложного отказа срабатывания АРЧ и снижается ее эффективность.
Влияние на достоверность приема ложных срабатываний и ложных отказов системы АРЧ зависит от уровня полезного сигнала. При малом его уровне наиболее опасны ложные срабатывания, так как в этом случае применение АРЧ может являться причиной недопустимого ухудшения качества приема. С увеличением уровня полезного сигнала, когда имеется некоторый его запас, влияние ложных срабатываний уменьшается. Однако комбинационные помехи и в этом случае могут привести к недопустимому снижению достоверности приема, поэтому более опасными становятся ложные отказы системы АРЧ. Учитывая это, была предложена адаптивная АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора, у которой порог срабатывания не является априорно определенным, а зависит от уровня принимаемого сигнала. При малом уровне принимаемого сигнала такая АРЧ практически эквивалентна АРЧ по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора. При достаточном запасе по уровню принимаемого сигнала по эффективности такая АРЧ приближается к АРЧ с оценкой уровня нелинейных искажений в ГТП, однако ее аппаратурная реализация остается достаточно простой.
В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации полученных в ходе проведенных в работе исследований параметров устройств автоматической регулировки чувствительности РПУ. Основными требованиями к регулируемым элементам являются:
— низкий уровень собственных шумов;
— высокий динамический диапазон;
— малая инерционность и высокая надежность.
Динамический диапазон аттенюатора по уровню комбинационных помех третьего порядка должен быть выше динамического диапазона усилительного тракта РПУ. Для уменьшения влияния комбинационных помех второго порядка регулируемые элементы целесообразно размещать после пассивной части преселектора РПУ.
Было исследовано влияние шага дискретизации на эффективность работы АРЧ.
Исследовано влияние коммутационных помех, вызванных скачкообразными изменениями уровней внеполосных аддитивных помех, при переключении градаций дискретного аттенюатора, что приводит к расширению их спектра и поражению образовавшимися спектральными компонентами основного канала приема сигнала.
— плотность распределения вероятностей суммарной мощности коммутационных помех при большом числе внеполосных станционных помех, попадающих в полосу пропускания преселектора, может быть аппроксимирована гамма-распределением, которое в пределе с увеличением числа станционных помех переходит в нормальное;
— наличие коммутационных помех может значительно снижать отношение сигнал/помеха при приеме отдельных элементов сообщения.
Требования низкого уровня собственных шумов, высокого динамического диапазона, малой инерционности и высокой надежности наилучшим образом удовлетворяются регулируемыми элементами в виде резистивного аттенюатора с переключающимися дискретами затухания с помощью, выполненных на p-i-n диодах, элементов коммутации. Динамический диапазон по уровню комбинационных помех третьего порядка аттенюатора, реализованного на этих элементах, составляет 110 — 120 дБ, что на 20 —30 дБ выше динамического диапазона усилительного тракта РПУ.
В выпускаемых серийно отечественных приемных устройствах четвертого и пятого поколений в соответствии с результатами проведенных в диссертационной работе исследований реализована автоматическая регулировка чувствительности по уровню внешнего воздействия на РПУ.
Для уменьшения влияния коммутационных помех была предложена и практически реализована схема АРЧ с режекцией коммутационных помех в тракте первой ПЧ РПУ [23, 24, 41].
Результаты многократных сравнительных трассовых испытаний КВ приемников с АРЧ по уровню внешнего воздействия, имеющих шаг дискретизации входного аттенюатора 3 дБ, полностью подтвердили правильность всех технических решений, принятых при проектировании РПУ на основе проведенных в работе исследований.
В заключение перечислены полученные в диссертации новые научные и технические результаты и указаны перспективные для дальнейшего исследования вопросы в направлении адаптации КВ РПУ к условиям связи. Основными результатами диссертационной работы, определяющими ее научную новизну, являются: новый адаптивный алгоритм автоматической регулировки чувствительности коротковолновых радиоприемных устройств, позволяющий повысить их помехоустойчивость за счет адаптации параметров чувствительности и динамического диапазона РПУ к условиям радиосвязи;
— методика компьютерного имитационно-аналитического моделирования КВ канала связи, позволяющая определять зависимость отношения сигнал/помеха на выходе фильтра основной селекции приемника от основных параметров главного тракта приемного устройства; методика компьютерного имитационного моделирования многолучевого канала связи с учетом различного рода аддитивных помех, с помощью которой возможно формировать отсчеты квадратур сигнала для блока цифровой обработки, которые идентичны отсчетам на выходе реального РПУ;
— полученные посредством статистического моделирования новые результаты, позволившие обосновать выбор метода дискретной АРЧ по уровню внешнего воздействия на РПУ, который отличается наибольшей простотой и высокой эффективностью;
— эффективные методы подавления коммутационных помех, которые имеют место в РПУ с дискретной АРЧ;
На защиту выносятся
1 Адаптивный алгоритм автоматической регулировки чувствительности радиоприемных устройств по уровню группового сигнала в полосе пропускания преселектора, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности автоматической регулировки чувствительности порог срабатывания не задается априорно, а выбирается в зависимости от уровня принимаемого сигнала.
2 Методика и результаты исследования влияния параметров радиоприемных устройств на их помехоустойчивость с помощью компьютерного моделирования с использованием имитационно-аналитической и имитационной моделей КВ канала связи, позволяющих проводить вычислительные эксперименты, адекватные сравнительным связным испытаниям КВ радиоприемных устройств.
3 Результаты исследований различных алгоритмов автоматической регулировки чувствительности радиоприемных устройств.
Автор выражает признательность за помощь при выполнении работы и критическую, принципиальную оценку ее результатов коллективу Омского НИИ приборостроения и лично директору В.И.Левченко, и ведущему научному сотруднику Г.К. Хазан, научному руководителю, ректору Омского Государственного Технического Университета Н.С.Жилину, а также заведующему кафедрой средств связи и информационной безопасности Омского Государственного Технического Университета В.А.Майстренко и доценту этой кафедры В.Л.Хазан за полезные советы и консультации.
Методы борьбы с помехами, основанные на структурных различиях сигнала и помехи
Таблица 1. Методы борьбы с помехами, основанные на структурных различиях сигнала и помехи.
| Селекция | Характерные различия сигнала и помехи | Методы подавления помех |
| Частотная | Спектры смещены по частоте | Фильтрация |
| Пространственная | Разные направления приема | Использование адаптивных антенн |
| По поляризации | Разная поляризация (горизонтальная или вертикальная) | Применение поляризационного фильтра |
| Фазовая | Разные фазо-частотные характеристики | Использование систем с фазовой автоподстройкой частоты |
| Временная | Разные моменты появления сигнала и помехи | Блокирование приемника на время действия мощных импульсных помех, ограничение входного сигнала по уровню (после полосового фильтра) |
Классификация помех.
Помехи весьма разнообразны по своему происхождению, типу и способу воздействия на систему, приемник и антенну
По происхождению они подразделяются на естественные (атмосферные, космические) и искусственные (индустриальные, от работающих передатчиков и др.). Помехи, создаваемые с помощью специальных устройств, относят к преднамеренным, а остальные виды считаются непреднамеренными. Первые из них получили широкое применение в военной технике (в зависимости от соотношения полос передатчиков помех и приемника радиостанции такие помехи подразделяются на заградительные, прицельные и др.).
Среди помех естественного происхождения наиболее опасны атмосферные, обусловленные электрическими процессами, энергия которых сосредоточена главным образом в области длинных и средних волн. Сильные помехи создаются также при работе промышленного и медицинского оборудования (их принято относить к индивидуальным). В настоящее время действуют жесткие нормы, ограничивающие уровень индустриальных помех, особенно если их источники расположены в больших городах или пригородах.
В зависимости от типа различают, скажем, аддитивные и мультипликативные помехи. Помеха считается аддитивной, если ее мешающее действие не зависит от наличия сигнала, и мультипликативной, если она возникает только при наличии сигнала. Примером аддитивной помехи является флуктуационной шум в радиоканале, образующийся в результате одновременной работы большого числа источников помех. Изменение коэффициента передачи при многолучевом распространении сигнала – результат воздействия мультипликативной помехи.
По соотношению ширины спектров помех и сигнала различают узкополосные и широкополосные помехи. Естественно, что одна и та же помеха по отношению к одному сигналу может быть узкополосной, а по отношению к другому – широкополосной.
Помехозащищенность системы зависит от так называемой восприимчивости к помехам ее основных элементов (антенны, приемника и др.). При этом обычно говорят о способе воздействия помехи на какой-либо элемент системы. Например, восприимчивость приемника обусловлена частотой и видом помехи. Наибольший ущерб наносят внутриканальные помехи (попадающие в рабочую полосу приемника), методы борьбы с которыми выбираются в зависимости от применяемых способов доступа и воздействия на сигнал. Помехи по соседнему каналу возникают вследствие нестабильности гетеродинов, недостаточной «чистоты» радиоволны и наличия других нежелательных излучений (на гармониках и субгармониках). Восприимчивость направленной антенны в значительной степени связана с направлением прихода сигнала (по главному, заднему или боковому лепестку).
Основные виды помех.
Аддитивная (additive interference). Любая помеха, мешающее действие которой проявляется независимо от присутствия или отсутствия сигнала. При действии аддитивной помехи результирующий сигнал на входе приемника может быть представлен в виде суммы нескольких независимых составляющих – сигнальной и нескольких помеховых.
Атмосферные. 1. atmospheric noise. Помехи, обусловленные электрическими процессами в атмосфере (в основном грозовыми разрядами). Различают два вида атмосферных помех – импульсные (ближние грозы) и флуктуационный шум (дальние грозы). 2. precipitation interference. Помехи, возникающие при выпадении осадков в виде дождя, снега и т.п.
Внутриканальная (cochannel interference). Помеха, приводящая к снижению уровня полезного сигнала при воздействии мешающих сигналов иных станций, которые работают на той же или близкой частоте. В сотовых и транкинговых системах внутриканальные помехи образуются за счет влияния других зон, в которых используются те же рабочие частоты.
Внутрисотовая (intra-cell interferece). Помеха, обусловленная мешающим действием передатчиков абонентских станций, которые работают в зоне действия той же базовой станции.
Следящая (follow me interference). Преднамеренная помеха, предназначенная для подавления систем с быстрой перестройкой рабочей частоты.
Гармоническая (harmonic interference). Помеха, возникающая вследствие нежелательного излучения на частоте гармоники сигнала.
Дезинформирующая (spoof jamming). Преднамеренная помеха, при воздействии которой система остается работоспособной, но не обеспечивает передачи полезной информации.
Заградительная (barrage jamming, full-band jamming). Помехи, излучаемые в полосе частот, которая значительно шире полосы частот подавляемой станции. В качестве такой помехи может использоваться шум с равномерным спектром или сканируемая по частоте помеха.
Имитационная (smart jamming). Помеха, имеющая одинаковую с полезным сигналом структуру, что затрудняет ее обнаружение.
Импульсная (pulse or burst interference). Помеха малой длительности, которая в общем случае состоит из большого числа импульсов, (случайно распределяющихся по времени и амплитуде). К импульсным также относятся помехи от переходных процессов.
Индустриальные (man-made noise, man-made interference). Помехи, которые обусловлены работой различных электрических установок (медицинских, промышленных), а также систем зажигания автомобилей. Спектр побочных излучений обычно имеет импульсный характер, что связано с резкими изменениями тока в связи с контактными явлениями в электрических цепях.
Интермодуляционные (intermodulation interference). 1. Помехи, возникающие в приемнике, причиной которых может стать наличие более одного мешающего сигнала с интенсивностью, достаточной для проявления нелинейных свойств приемного тракта, или сложение мешающих сигналов с гармониками гетеродина. 2. Помехи, возникающие в передатчике при попадании на его вход мощных сигналов от близко расположенных передающих станций.
Космические (cosmic interference). Помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных обюектах.
Многочастотная (multitone interference). Помеха, состоящая из нескольких гармонических сигналов, обычно равномерного спектра.
Мультипликативная (multiplicative interference). Помеха, мешающее действие которой проявляется только при наличии сигнала.
От соседней зоны (adjacent cell interference). Помеха от передатчиков, расположенных в соседней зоне.
По боковому лепестку (sidelobe interference). Помеха, приходящая по любому направлению, кроме главного и заднего лепесков диаграммы направленности антенны.
По главному лепестку (main lobe interference). Помеха, поступающая по главному лепестку диаграммы направленности антенны.
По заднему лепестку (back-lobe interference). Любая помеха, приходящая по направлению, противоположному направлению главного лепестка диаграммы направленности антенны.
По зеркальному каналу (image interference). Помеха, попадающая в полосу побочного канала приема, который отстоит от несущей на величину первой промежуточной частоты.
По соседнему каналу (adjacent channel interference). Помеха от несущих частот других каналов, отстоящих от рабочего канала на шаг сетки частот (обычно 25 или 12,5 кГц). В англоязычной литературе этот термин обычно применяется с уточнениями, конкретизирующими источник помех: next-channel interference (помеха от последующего) и neighboring-channel interference (помеха от соседнего).
Преднамеренная (jamming). Радиопомеха, создаваемая специальными передатчиками для подавления работы средств связи и навигации.
Прицельная (spot jamming). Сосредоточенная преднамеренная помеха на несущей частоте полезного сигнала.
Ретранслируемая (repeat-back jamming). Преднамеренная помеха, образуемая путем переретрансляции исходного полезного сигнала с задержкой.
С расширенным спектром (spread spectrum). Помеха с равномерной спектральной плотностью мощности.
Сосредоточенная (spot). Помеха, мощность которой сосредоточена в очень узкой полосе частот – меньшей, чем спектр полезного сигнала, или соизмеримой с ним.
Структурная. Помеха, подобная по структуре полезным сигналам (т.е. состоящая из тех же элементов), но отличающаяся от них параметрами модуляции. К структурным помехам относятся внутрисистемные помехи имитационные и ретранслируемые.
Узкополосная (narrow-band interference). Помеха, спектр которой значительно уже ширины спектра полезного сигнала.
Флуктуационная (fluctuation noise, fluctuation interference). Помеха, которая представляет собой случайный нормально распределенный шумовой сигнал (Гауссовский шум).
Частично-заградительная (partial-band jamming). Заградительная помеха с частичным перекрытием рабочего диапазона частот подавляемой радиостанции.
Контрольные вопросы:
1. За счет чего в радиоканале возникают помехи ?
2. Перечислите основные способы борьбы с помехами.
3. Что такое основной показатель качества передачи информации в условиях помех?
4. Чем ограничена пропускная способность CDMA-каналов?
5. Проанализируйте как влияют активные абоненты других сот в общий помеховый фон.
Помехи и способы борьбы с ними
Помеха — сторонний возмущающий сигнал, искажающий полезную информацию. Помехи преимущественно возникают в окружающей среде вследствие разных физических явлений и классифицируются по разным признакам. Помехи могут быть:
- • аддитивными, если в точке наблюдения сигнала s(t) регистрируется его значение x(t) вместе с помехой v(l) в виде s(t) = x(t) + v(t);
- • мультипликативными, при s(t) = x(t) ? v(t).
Помехи могут быть детерминированными и случайными. Детерминированные помехи имеют постоянные или периодически повторяющиеся параметры, в отличие от случайных помех. Детерминированные помехи характеризуются временными функциями и амплитудно- и фазочастотными спектрами.
Случайные помехи — шумы, связанные с тепловыми флуктуациями параметров элементов, неустойчивыми во времени и в пространстве физическими процессами. Для описания случайных помех используются корреляционные функции, энергетические спектральные диаграммы. Шумы являются специфическим видом помех, которые имеют сравнительно малую энергию. Поэтому борьба с ними актуальна при измерениях физических величин в случаях малой энергии сигналов первичных преобразователей.
Помехи вызывают два вида искажения сигнала. Во-первых, помеха может изменить форму сигнала. Во-вторых, помеха может вывести устройство за пределы его динамического диапазона и вызвать нелинейные искажения сигнала или даже привести устройство в зону нечувствительности к сигналу (режим насыщения).
Различают внутренние и внешние помехи.
Внутренние помехи возникают в устройстве как результат нежелательной передачи части энергии сигнала из части устройства с большим уровнем сигнала в часть с меньшим уровнем сигнала (паразитные обратные связи).
Внешние помехи могут возникать из-за наличия в канале связи других сопутствующих сигналов или из внешней среды (промышленные помехи, атмосферные помехи, электростатические помехи). Диапазон частот этих помех может быть весьма широк — от нуля до нескольких мегагерц.
Помехи могут быть также естественными и искусственными.
Борьба с помехами актуальна во многих случаях и начинается с выявления источника помехи и составления схемы замещения, моделирующей помеху. Далее разрабатываются меры борьбы. Задача эта непростая и часто требует подключения экспертов.
Для снижения уровня помех применяются меры защиты как в источниках помех, так и в приемниках. Существуют международные и государственные стандарты на электромагнитную совместимость по уровню помех различных промышленных и электронных устройств.
Помеха появляется в сигнале вследствие связи устройства с сигналом и источником помех. Различают три вида связи:
- 1) индуктивная связь;
- 2) емкостная связь;
- 3) гальваническая (кондуктивная) связь.
Индуктивная связь возникает при наведении ЭДС в проводах устройств с полезным сигналом вследствие явления электромагнитной индукции, которая возникает при наличии:
- • сравнительно близкого источника переменного магнитного поля (источник помехи);
- • замкнутого проводящего контура в устройстве с полезным сигналом.
На рис. 6.7.1, а прямоугольниками изображены источник и приемник
сигнала, соединенные проводами. В замкнутом контуре, образованном проводами, индуцируется ЭДС e(t) помехи, которая зависит от скорости и амплитуды изменения магнитного потока Ф(?):
Рис. 6.7.1. Уменьшение магнитного потока при сближении проводов (уменьшение площади контура потокосцепления)
Здесь 5 — площадь контура; B(t) — среднее значение магнитной индукции в контуре.
Есть четыре способа борьбы с электромагнитной помехой, которые применяют в зависимости от конкретных условий.
Первый способ — экранирование устройства от переменных магнитных полей путем помещения устройства в оболочку (экран) из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Это приводит к уменьшению значения магнитной индукции в контуре.
Второй способ — уменьшение площади контура s6 сопротивление которого равно сумме выходного сопротивления источника и соединительных проводов. Входное напряжение первого каскада ипх1 преобразуется при напряжении питания Ua в напряжение ивх2 = ивых <= -КхивхХ и далее в ивых2 = КхК2икхХ. При этом переменная составляющая тока i2(t) = = iK2 = -h22um>]x2 =
h22KxK2uBxX вызовет переменное напряжение на Rah: unh(t) = = Rabi2
Борьба с такими помехами ведется путем уменьшения сопротивления проводов (увеличение диаметра проводов, применение шин большого сече-
Рис. 6.7.7. Схема возникновения внутренней помехи в общих цепях питания электронных устройств ния) и установкой фильтрующих элементов (например, конденсатора фильтра Ст, как на рис. 6.7.7).
Мощным средством борьбы с помехами является фильтрация (селекция) сигнала. Современные методы фильтрации позволяют за счет сужения полосы пропускания устройств уменьшить энергию помехи. Фильтрация сигналов осуществляется избирательными усилителями — фильтрами.
Современные методы борьбы с помехами в электронных устройствах заключаются в снижении мощности помех в устройствах, создающих помехи, и в защите электронных устройств следующими мерами: электромагнитное и элект ростатическое экранирование, заземление, селекция и обработка сигнала.
В заключение заметим, что для всех электронных устройств существуют государственные и межгосударственные нормы на уровень допустимых помех, создаваемых этими устройствами. Примеры можно найти в технических описаниях различных электронных устройств.
Для снижения уровня сетевых (сети энергоснабжения) помех применяют экранирование устройств и установку фильтров в проводах сетевого питания (см. пример на рис. 6.7.8). Такой же фильтр применяется в устройствах для «размножения» сетевых розеток, которые называют сетевыми фильтрами. В фильтре на высоких частотах конденсаторы, включенные параллельно сети и приемнику, имеют малое сопротивление и шунтируют помехи. На тех же частотах индуктивные катушки, включенные последовательно с источником и приемником, имеют большое сопротивление, т.е. разъединяют приемник и сеть. На низкой частоте 50 Гц влияние реактивных элементов пренебрежимо мало (рис. 6.7.9).
Рис. 6.7.8. Схема простого сетевого фильтра для подавления высокочастотных помех из сети в приемник и от приемника в сеть