11.4.Помехи и шумы в каналах передачи информации
Помехами в каналах передачи называют напряжение или ток постороннего происхождения, появляющийся в каналах передачи и ограничивающий дальность и качество передачи сигналов. Помехи, частоты которых лежат в полосе звуковых частот, создают слышимый в телефоне или громкоговорителе шум, снижающий качество связи или вещания. Такие помехи называют шумами.
Высокочастотные помехи, проходя через аппаратуру канала связи, также могут проявляться в виде шумов.
В зависимости от источников возникновения и от характера их воздействия, помехи делятся на собственные помехи канала передачи (связи), взаимные, создаваемые влиянием каналов связи друг друга и внешние — наводки от посторонних электромагнитных полей.
Собственные помехи или шумы возникают от источников, находящихся в данном канале передачи. Они существуют независимо от передачи информации по другим каналам связи и в основном определяются следующими причинами: флуктационными шумами, пульсацией напряжения источников питания, контактными шумами, кратковременными короткими замыканиями, тресками, микроволновыми шумами и акустическими, попадающими в микрофон в зависимости от нелинейных искажений в аппаратуре.
Особое значение имеют флуктационные помехи, вызываемые случайными колебаниями (флуктациями) некоторых физических величин: тепловые флуктуации в резисторах, дробовой эффект в полупроводниковых схемах, флуктации контактных разностей потенциалов и магнитных эффектов. Взаимные помехи, возникающие при передаче информации по соседним каналам, возникают из-за недостаточного переходного затухания между соседними каналами, затухания фильтров для подавления частот различных повреждений в аппаратуре, например, нарушение заземления и экранирования, разбалансирование преобразователей частоты и т.д.
Внешние помехи делятся на индустриальные, атмосферные и космические. Индустриальные радиопомехи создаются в результате влияния электромагнитных полей различных электрических устройств: линий электропередач, электрооборудования промышленных предприятий, медицинских установок, контактных сетей электрифицированного транспорта, световой рекламы, излучения радиостанций различного назначения.
К атмосферным помехам относятся помехи, вызванные атмосферными явлениями — магнитными бурями, северными сияниями, грозовыми разрядами и т.д.
К космическим помехам относятся электромагнитные помехи, создаваемые излучениями Солнца и звезд в соответствующих диапазонах частот.
Мешающее действие шумов в каналах передачи определяется отношением напряжения шумов к напряжению полезного сигнала. В радиотехнике особое внимание уделяют флуктационным шумам, определяющим предельную чувствительность приемного устройства.
Помехи измеряются с учетом избирательности органов восприятия (слуха и зрения) и неравномерности амплитудно-частотных характеристик различных устройств в линии передачи радиовещания и телевидения. Для измерения помех в области звуковых частот в телефонных и вещательных каналах определяют не параметры напряжения помех, а так называемое псофометрическое напряжение. При измерении помех в телевизионных каналах используют частотную характеристику чувствительности глаза, для чего применяют специальный взвешивающий фильтр нижних частот с характеристикой затухание учитывающей воздействие на телевизионное изображение различных отношений сигнал/шум (помеха) на различных частотах спектра видеосигнала.
Псофометрическим напряжением Uф называется напряжением помех, существующие на нагрузочном резисторе сопротивлением 600 Ом, согласованным с выходным сопротивлением питающей цепи, и измеряемое с учетом неодинакового воздействия напряжений различных частот f на качество телефонной или вещательной передачи. Неодинаковость воздействия учитывается весовым коэффициентом Af отдельных составляющих напряжения относительно весового коэффициента для частоты сравнение 800 Гц – A800 при телефонной передаче и для частоты 1000 Гц — A1000 при вещательной передаче.
В соответствии с указанным псофометрическое напряжение для вещательной передачи:
Весовые коэффициенты устанавливаются в результате многолетних исследований и рекомендуются специальной международной комиссией (МККТТ) на определенный период для всех стран мира.
Зависимость весовых коэффициентов от частоты называется псофометрической характеристикой. На рис.10.8 приведены псофометрические характеристики для телефонной и радиовещательной передач.
Рис. 10.8 Псофометрические характеристики:
1 – вещательного канала высшего класса;
2 – вещательного канала первого класса;
Псофометром называется электронный измерительный прибор для измерения помех в каналах связи и вещания. Он представляет электронный вольтметр с избирательностью, определяемой псофометрическими характеристиками.
Рис. 10.9 Структурная схема псофометра
Определяющими узлами псофометра являются полосовые фильтры: ПФ1 с телефонной псофометрической характеристикой и ПФ2 с вещательной псофометрической характеристикой. Для измерения напряжения радиопомех без учета весовых характеристик вместо фильтров включается эквивалентное звено ЭЗ, затухание которого равно затуханию псофометрических фильтров на средних частотах. Входное устройство обеспечивает значительное входное сопротивление — 200 кОМ на средних частотах и не менее 6 кОм на краях диапазона. Предусмотрено низкоомное входное сопротивление 600 Ом, необходимое для согласования входа псофометра с измеряемой цепью.
Детектор с квадратичной характеристикой позволяет измерять действующее значение всех частотных составляющих напряжения.
Псофометр тщательно экранируется для защиты от внешних влияний.
В процессе эксплуатации телефонных каналов систематически проверяют напряжение шумов путем их измерения в точке канала с установленным относительным уровнем передачи 7 дБ.
Схема измерения псофометрического напряжения шума в канале показана на рис.10.10. В том случае, когда сопротивление в месте измерения отличается от 600 Ом, псофометр следует включать через согласующий трансформатор. Псофометрическое напряжение шума для сопротивления 600 Ом вычисляется по формуле:
где U — измеренное псофометрическое напряжение на сопротивлении ≠ 600 Ом; |р| — модуль волнового сопротивления измеряемого канала связи. Псофометрическое напряжение шума, полученное в результате измерения, не должно превосходить допустимое напряжение, установленное нормами. Например, для 12 канальных систем уплотнения воздушных линий уровень напряжения шумов в конце приемного участка длиной 2500 км не должен превышать 53 дБ, что соответствует UΨ =1,75 мВ, для систем уплотнения кабельных магистралей уровень напряжения шумов не должен превышать 57 дБ.
Допустимое напряжение шума устанавливается для точки канала с относительным уровнем полезного сигнала р1 Допустимое напряжение шума для другой точки с относительным уровнем полезного сигнала р2 можно определить по формуле
Для каналов связи необходимо определять степень защиты полезного сигнала от шума, частотный спектр шума и внятности шума.
Защищенность канала связи «а» от шума определяется как разность между уровнями рс и шумов рm:
Частотный спектр определяется действующими значениями отдельных составляющих напряжения помехи U1,U2. которые суммируются селективным микровольтметром или анализатором спектра. Внятность шума исследуются прослушиванием с помощью телефона.