ЛЕКЦИЯ 6. ЗАМИРАНИЯ СИГНАЛА. ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛА. ПОМЕХИ РАДИОПРИЕМУ

6.1. Замирания сигнала

Прием информации в каналах связи и вещания всегда сопровождается флуктуациями амплитуды сигнала во времени. Такие флуктуации, называемые замираниями, обычно протекают как случайный процесс с квазипериодом от долей секунды до десятков минут. Основной характеристикой замираний является их глубина. Глубиной замирания называется отклонение мгновенного значение амплитуды сигнала от какого-либо условного уровня (обычно медианного). Глубина замираний может достигать десятков децибелл.

Основные причины замираний. К основным причинам замираний относятся следующие:

1. Распространение радиоволн происходит по разным траекториям и в пункте приема обычно наблюдается многолучевая структура поля, которая является причиной так называемых интерференционных замираний. В зоне освещенности поле земной волны есть результат интерференции прямой волны и волны, отраженной от поверхности Земли. На линиях, использующих эффект рассеяния на неоднородностях атмосферы, принимаемое поле есть результат интерференции множества волн, рассеянных в разных участках объема рассеяния. На линиях, использующих отражение радиоволн от ионосферы, многолучевая структура поля обусловлена одновременным приемом волн, претерпевших различное число отражений от ионосферы. Наиболее быстрые замирания интерференционного происхождения обусловлены случайным изменением фазовых соотношений отдельных составляющих. В пределах диапазона УКВ изменение фазы на 180°, т.е. длины пути на λ/2, происходит при случайном отклонении длин траекторий всего на единицы сантиметров (или метров) при общей их длине в десятки - тысячи километров. Такие отклонения могут появиться при самых незначительных флуктуациях параметров атмосферы.

2. Второй причиной замираний являются случайные изменения условий ослабления на трассе. Например, случайное ослаблении земной волны может быть вызвано экранирующим действием Земли, которое меняется в зависимости от условий рефракции, т.е. метеоусловий. Эти флуктуации протекают значительно медленнее, чем интерференционные замирания.

3. Третий вид замираний, называемых поляризационными, связан со случайными изменениями поляризации принимаемого поля. Этот вид флуктуации приводит к рассогласованию поляризации приемной антенны

и принимаемого поля. В результате появляются случайные колебания уровня сигнала на входе приемника.

Распределение амплитуд сигнала при замираниях. Как всякая случайная величина, уровень флуктуирующего сигнала может быть оценен только статистически. В целом нестационарный процесс замираний обычно разделяют на два стационарных: - процесс флуктуации средних значений поля и процесс быстрых флуктуации около этих средних значений. Первый вид флуктуации называется медленными замираниями, второй - быстрыми замираниями. Наиболее часто встречающееся распределение амплитуд сигнала при быстрых интерференционных замираниях близко к распределению Рэлея Т(u) = ехр(-0,69U² / U_m²), где Т(U) - вероятность превышения уровня U; U_m- медианное значение, т.е. значение, превышаемое в течение 50% времени.

При медленных замираниях распределение мгновенных значений уровня сигнала часто аппроксимируется нормально-логарифмическим за-

x

коном Т(U) = (1 / 2π)∫ехр(-х² / 2)dх, где х = (lgU - lgU_m) / lgσ, где σ - стандарт-

-∞

ное отклонение. В ряде случаев интегральный закон удобно записать как вероятность того, что амплитуда сигнала меньше U, т.е. в виде

T’(U) = 1 - T(U).

Пространственная корреляция замираний. Если двух разнесенных точек приема достигают волны, распространяющиеся в достаточно разнесенных областях атмосферы, где флуктуации параметров протекают некоррелированно, то в этих двух точках приема процесс флуктуации поля протекает также некоррелированно. Статистическая связь замираний в двух пространственно-разнесенных точках описывается пространственной корреляционной функцией k(l). Поскольку статистическая связь замираний уменьшается по мере увеличения пространственного разноса l, то k(l) есть убывающая функция. Принято считать, что замирания статистически независимы, если k(l) убывает до значения k(l_м) = 1 / е = 0,37. Соответствующее значение l = l_M называется масштабом пространственной корреляции замираний. Вид функции k(l) и значение l_м зависят от механизма распространения.

Частотная корреляция замираний. При одновременной передаче информации на двух частотах статистическая связь между интерференционными замираниями уменьшается по мере увеличения частотного разнесения. Это связано с тем, что пространственный набег фаз есть функция частоты поля ∆φ = 2πf∆r / c₀. Статистическая связь замираний на двух частотах, разнесенных на величину ∆f, описывается частотной корреляционной

функцией k(∆f). Значение ∆f = ∆f_M, при котором k(∆f) = 1 / е, называется масштабом частотной корреляции.

Временная корреляция замираний. Если наблюдать изменения уровней сигнала, разнесенных во времени на интервале ∆t, то по мере увеличения ∆t обнаруживается все меньшая статистическая связь между замираниями, поскольку меняется мгновенная картина распределения параметров атмосферы. Статистическая связь замираний при временном разнесении характеризуется временной корреляционной функцией k(∆t) значением масштаба временной корреляции ∆t_М при котором k(∆t_М)  =  1 / е.

Разнесенный прием. Свойства пространственной и частотной некоррелированности (избирательности) замираний широко используются для повышения устойчивости работы линий связи. Пространственная избирательность позволяет повышать устойчивость работы путем приема информации на две и более антенн разнесенных на расстояние l > l_м. Каждая антенна подключается к своему приемнику, выходы которых соединяются. Поскольку флуктуации в каждом канале протекают независимо, то вероятность того, что амплитуда результирующего сигнала будет ниже U уменьшается по сравнению с одиночным приемом. Система частотно-разнесенного приема строится по аналогичному принципу. Передача и прием информации ведутся одновременно на двух и более частотах, разнесенных на величину ∆f >∆f_М. Временная некоррелированность замираний используется для повышения достоверности приема информации путем многократной ее передачи со сдвигом во времени. В некоторых случаях используется поляризационно-разнесенный прием, т.е. одновременный прием сигнала на две антенны с ортогональными поляризациями, подключенными к двум приемникам. Однако часто в зависимости от механизма распространения коэффициент корреляции случайных колебаний уровня сигнала на двух взаимно перпендикулярных поляризациях оказывается недостаточно низким, так что существенного выигрыша в устойчивости работы радиолиний при сложении этих сигналов не получается.

6.2. Искажения сигналов в тракте распространения

Существуют две причины искажения сигналов, связанные с трактом распространения, - флуктуирующая многолучевость и дисперсионные свойства ионосферы. Только на космических линиях, где связь осуществляется прямой волной, дисперсия является основной причиной искажений. При всех остальных механизмах распространения искажения определяются флуктирующей многолучевостью. Рассмотрим этот вид искажений. Каждый сигнал несет информацию в пределах некоторой полосы частот от f_H = f₀ - f до f_B = f₀ + f. Чем больше отличаются f_н и f_B, тем меньше коэффициент корреляции между интерференционными замираниями на отдельных частотных составляющих спектра сигнала, т.е. в большей степени проявляется частотная избирательность замираний. Это означает, что в один и тот же момент времени некоторые составляющие спектра сигнала будут усилены, а другие ослаблены, т.е. произойдет искажение формы сигнала. Для того чтобы искажения не превышали определенной нормы, полоса сигнала должна быть ограничена ∆f_тах « 1 / ∆t_тах , где ∆t_тах - максимальное время запаздывания нескольких волн, приходящих в точку приема, зависящее от механизма многолучевого распространения. При передаче импульсных сигналов все сказанное выше остается в силе, но появляется еще один аспект влияния многолучевости. Если импульсные сигналы, распространяясь по различным траекториям, приходят в точку приема с определенным временем запаздывания, то при их наложении длительность результирующего импульса отличается от исходной, т.е. возникают временные искажения. Для того, чтобы эти искажения не превышали допустимого значения, длительность импульса должна быть в несколько раз больше максимального времени запаздывания, т.е. скорость передачи информации ограничивается условиями распространения.

Рассмотрим теперь дисперсионные искажения, возникающие при передаче информации через ионосферу. Ионосфера относится к классу диспергирующих сред, в которых фазовая скорость распространения вол-

ны с частотой f с_ф = с₀ / n(f), где n(f) =  - коэффициент преломления ионосферы; с₀ - скорость света в свободном пространстве. При распространении в такой среде сигнала с частотным спектром 2∆f каждой спектральной составляющей соответствуют своя фазовая скорость и соответственно свое время распространения. В результате отдельные составляющие достигают точки приема с некоторыми сдвигами по времени, что и является причиной дисперсионных искажений. При передаче информации в аналоговой форме дисперсионные искажения считают малыми, если ∆f_max∆t_max « 1 , где ∆t_mах — максимальная разность во времени распространения крайних составляющих спектра сигнала. При импульсной работе считают, что импульс почти не

искажается, если его длительность , где r- путь, проходимый импульсным сигналом; ψ(f) - параметр, зависящий от дисперсионных свойств среды.

6.3. Помехи радиоприему

Характеристики помех природного происхождения. Работа любой радиолинии проходит в условиях, когда на вход приемного устройства кроме полезного сигнала всегда воздействуют и внешние помехи. К внешним помехам (шумам) обычно относят: шумы космического происхождения; шумы, вызванные радиоизлучением атмосферных газов; шумы, обусловленные радиоизлучением поверхности Земли; атмосферные помехи, возникающие в результате разрядов молний; промышленные помехи, обусловленные излучением различных промышленных и бытовых электрических установок; помехи станций при работе нескольких радиолиний на

одинаковых или близких частотах. Названные виды помех имеют свои особенности, основной из которых является различная зависимость интенсивности от частоты. Поэтому при расчете конкретных радиолиний обычно учитывают не все, а лишь преобладающие в данном диапазоне виды внешних помех. По своей пространственной протяженности внешние помехи можно разделить на дискретные и протяженные. К источникам дискретных шумов относят такие, угловые размеры которых меньше ширины ДН приемной антенны. Остальные источники, излучение которых распределено в широком интервале углов, относят к протяженным. Для реально используемых антенн дискретными источниками обычно являются Солнце, Луна, радиозвезды, планеты и др. При определении энергетического потенциала радиолиний помехи от дискретных источников учитывают только в тех случаях, когда по условиям работы их излучение должно длительное время восприниматься главным лепестком или приличными боковыми лепестками ДН приемной антенны. Интенсивность источников внешних помех оценивают различными параметрами. На частотах выше примерно 100 МГц основным параметром, используемым для этой цели, является яркостная температура. Яркостной температурой Т_я источника шума называется температура абсолютно черного тела, создающего в пункте приема такую же спектральную плотность излучения, как и реальный источник. Реально внешние шумы неравномерно распределены в пространстве, поэтому яркостная температура является функцией угловых координат Т_я(∆,φ), где ∆ и φ - сферические угловые координаты (центр сферы находится в точке наблюдения). Уровень шума на выходе приемной антенны зависит как от Т_я(∆,φ), так и от направленных свойств приемной антенны. Для оценки мощности шума на выходе приемной антенны вводят понятие шумовой температуры антенны. Шумовой температурой антенны называется температура сопротивления, равного входному сопротивлению приемника, при которой на входе приемника выделяется та же мощность шума, что и от реального внешнего источника. Шумовая температура антенны (антенная температура) определяется интегралом по полному телесному углу Ω = 4π из точки расположения приемной антенны

Т_ша = (1/4π)T_я(∆,φ)G(∆φ)dΩ,

где G(∆,φ) - коэффициент усиления приемной антенны; dΩ = sin∆d∆dφ.

На практике часто встречаются два случая:

1 . В пределах ДН антенны яркостная температура почти постоянна. В этом случае величину Т_я можно вынести за знак интеграла. Кроме того, соотношение G(∆,φ) = G_mахF²(∆,φ), где F(∆,φ) — нормированная диаграмма

направленности антенны, позволяет вынести за знак интеграла G_mах. Тогда Т_ша = Т_я. Этот случай наиболее характерен при приеме шумов протяженных источников узконаправленными антеннами с низким уровнем боковых лепестков.

2. Угловые размеры источника помехи малы по сравнению с шириной ДН антенны, т.е. телесный угол источника Ω_и много меньше телесного угла диаграммы антенны Ω_А (Ω_и « Ω_А). При этом можно считать, что в пределах телесного угла источника G(∆,φ) = соnst и Т_ша ≈ Т_срΩ_и / Ω_А, где Т_ср- среднее значение яркостной температуры источника шума. Этот случай обычно имеет место при приеме излучений дискретных источников. Определив суммарную шумовую температуру антенны, обусловленную действием всех источников, можно рассчитать полную мощность внешних шумов, создаваемых в нагрузке антенны Р_{ш вш} = kТ_шА∆f, где k = 1,38 × 10^-23 ВтГц^-1 град^-1 - постоянная Больцмана; ∆f - эквивалентная шумовая полоса приемника.

Кроме внешних шумов на вход приемного устройства воздействуют и внутренние шумы, обусловленные тепловым излучением электронов в материале фидера и элементах приемника, которые также характеризуются шумовой температурой. Шумовая температура фидера Т_шф зависит от его термодинамической температуры Т_ф и коэффициента полезного действия  η_ф Т_шф=Т_ф(1 - η_ф). Шумовая температура приемника Т_шпр, обусловленная его внутренними шумами, зависит от типа и конструкции

его   ВХОДНЫХ  цепей.   Для   общей   оценки на

рис.6.1 приведены зависимости Т_шпр от

Рис.6.1.Зависимость Т_шпр от частоты  частоты для приемников с различными типами входных элементов: 1 - транзисторы; 2 - диодные смесители;

3 - туннельные диоды; 4 - электронные лампы; 5 - лампы бегущей волны;

6 - параметрические усилители; 7 - мазеры, охлаждаемые жидким азотом;

8 - мазеры, охлаждаемые жидким гелием. Таким образом, полная шумовая температура на входе приемника Т_ш = Т_шпр + Т_шф + Т_шаη_ф.

Физически, величина Т_ш показывает, до какой температуры следует нагреть активное сопротивление, равное входному сопротивлению приемника, чтобы мощность шумов, выделяемых на этом сопротивлении, была равна мощности всех шумов системы, измеренной в той же полосе частот (обычно 1 Гц). Полная мощность шумов на входе приемника равна               Р_швх = kT_ш∆f. На частотах ниже 100 МГц интенсивность внешних помех оценивается, как правило, по напряженности поля Е_п в полосе частот 1кГц.

В этом случае напряжение ненаправленных (протяженных) помех на входе согласованного приемника  , где ∆f- полоса частот, в которой

производится прием, кГц; l_д - действующая длина приемной антенны. Мощность, развиваемая внешними помехами на входе приемника,

P_швх = U_п² / (2Z_B), где Z_В — волновое сопротивление фидера.

Рассмотрим характеристики источников внешних помех (шумов)

Рис.6.2. Зависимость Т_як от частоты

1,5  2   3

Рис.6.3. Зависимость Т_я источников от частоты

Шумы космического происхождения. Космическое (галактическое) радиоизлучение состоит из общего фона и излучения дискретных источников. Общий фон имеет непрерывное, хотя и неравномерное, пространственное распределение и обладает непрерывным частотным спектром.              Космический фон образуется за счет, как теплового радиоизлучения межзвездного ионизированного газа, так и нетеплового излучения, возникающего в результате неравномерного движения заряженных частиц в межзвездных магнитных полях. Яркостная температура космического фона Т_як неравномерно распределена в пространстве: максимум излучения наблюдается в направлении Млечного пути. На рис.6.2 представлена зависимость Т_як от частоты, из которой следует, что при увеличении частоты интенсивность космического фона падает и на частотах более 1 ГГц она пренебрежимо мала. Среди дискретных источников космического излучения наиболее ярким является Солнце. Значительную интенсивность имеют также Юпитер, Венера, Луна и др. На рис.6.3 приведены зависимости яркостной температуры некоторых дискретных источников от частоты. Наиболее ярким источником космического излучения является Солнце (кривые 1 и 2) соответственно при минимальной и максимальной активности Солнца). Значительную интенсивность имеют также Юпитер (кривая 3), Венера (кривая 4), Луна (кривая 5) и др.

Радиоизлучение атмосферы. Основными источниками радиоизлучения в атмосфере являются кислород, водяной пар и гидрометеоры. Можно выделить нерезонансное и резонансное излучения атмосферы. Нерезонансное излучение обусловлено хаотическим (тепловым) движением молекул. Резонансное излучение возникает при самопроизвольном (спонтанном) переходе молекул из состояния с большим энергетическим уровнем в состояние с меньшим энергетическим уровнем. Резонансные частоты излучения совпадают с линиями поглощения. Интенсивность атмосферного радиоизлучения в определенном направлении зависит от метеорологических условий и толщи атмосферы в этом направлении, которая связана с углом возвышения (углом места) ∆. При увеличении ∆ толща атмосферы, создающая шум, уменьшается и следовательно уменьшается яркостная температура атмосферы Т_яа. На рис.6.2 приведены кривые, характеризующие зависимость Т_яа от частоты для различных значений углов ∆ и метеорологических условий, типичных для летнего периода.

Радиоизлучение земной поверхности. Поверхность Земли, как и всякое нагретое тело, является источником электромагнитного излучения в очень широком диапазоне частот. Яркостная температура радиоизлучения земной поверхности Т_язм может быть определена как Т_ЯЗМ = Т_ЗМ( 1-R²), где

Т_зм ≈ 290 К - термодинамическая температура Земли; R - коэффициент отражения от поверхности Земли.

Антенная температура, обусловленная радиоизлучением Земли, зависит не только от яркостной температуры Т_язм, но и от ориентации и формы ДН антенны. При использовании антенн с достаточно узкой ДН для уменьшения влияния радиоизлучения земной поверхности целесообразно работать при углах возвышения ∆ ≥ 5°. В этом случае излучение Земли будет приниматься не главным, а только боковыми лепестками ДН приемной антенны. Одним из основных требований к наземным антеннам на космических радиолиниях является требование минимального уровня боковых лепестков ДН.

Атмосферные помехи. Атмосферные помехи обусловлены электромагнитным излучением, возникающим при грозовых разрядах. Разряд молнии является мощным источником излучения с широким непрерывным спектром частот. Максимальная интенсивность излучения соответствует области звуковых частот. В диапазоне радиоволн интенсивность излучения убывает примерно обратно пропорционально частоте и, следовательно, атмосферные помехи оказывают тем меньшее влияние на работу радиолиний, чем выше частота. На рис.6.4 приведены усредненные данные, позволяющие оценивать порядок уровня атмосферных помех в средних широтах в дневное (кривая 1) и в ночное время (кривая 2).

Рис.6.4. Зависимость атмосферных помех от частоты

Промышленные помехи. Промышленные (индустриальные) помехи обусловлены излучением промышленных, транспортных, бытовых и других электрических установок. В городе они лимитируют условия приема на частотах примерно от 1 до 100...300 МГц. Уровень индустриальных помех меняется в зависимости от насыщенности того или иного района электрическими установками, принятых мер по экранировке излучений и пр. Усредненные уровни помех этого вида в больших городах и пригородах можно оценить по кривым 3 и 4 на рис.6.4. Основной уровень помех от транспортных средств дают системы зажигания автомобилей.

Помехи станций. В настоящее время количество радиосредств различного назначения настолько велико, что многие из них вынуждены работать на одинаковых или близких частотах, в результате чего возникают взаимные помехи (помехи станций), которые весьма существенны, а в некоторых диапазонах они являются преобладающими. Методы количественной оценки уровня помех станций различны в разных диапазонах волн. В диапазоне УКВ вследствие особенностей распространения этих волн радиус действия мешающих станций ограничен. Поэтому имеется возможность оценить уровень помех расчетным путем, учитывая условия распространения, пространственное расположение и технические характеристики мешающих станций. Расчет может производиться теми же методами, что и расчет уровня полезного сигнала.

В диапазоне КВ оценка уровня помех станций расчетным путем, как правило, невозможна. Это обусловлено, тем, что помехи создаются не только близко расположенными станциями, но и в соответствии с особенностями распространения КВ огромным числом радиостанций, удаленных на многие тысячи километров от точки приема. Расчет усложняется также весьма многообразными и изменчивыми условиями распространения. Поэтому в настоящее время надежные данные можно получить только экспериментальным путем на основе статистической обработки результатов длительных измерений.

В диапазонах СВ и ДВ вследствие довольно стабильных условий распространения расчет уровня помех станций может производиться теми же методами, что и расчет уровня полезного сигнала с учетом пространственного расположения и технических характеристик мешающих станций.