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 P_s и средней мощности помехи P_п , 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 U_Y 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 U_Y 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 х_i 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 х_i 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.