СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ПОНЯТИЙ

Электромагнитные помехи (ЭМП) представляют собой электромагнитные, электрические и магнитные явления (процессы), созданные любым источником в пространстве или проводящей среде, которые нежелательно влияют или могут влиять на полезный сигнал при его приеме и (или) преобразовании к определенному виду. «Рецептором» называют любое техническое устройство, реагирующее на полезный сигнал и (или) на помеху.

При теоретическом изучении параметров НЭМП во многих случаях разрабатывают математические модели, позволяющие определять величину параметров. Базой для моделирования является регистрация и статистическая обработка экспериментальных результатов изучения помех. Характерной особенностью НЭМП является их вероятностная природа. Это приводит к необходимости статистического подхода при анализе, измерениях, моделировании и определении их параметров. Моделирование позволяет обнаруживать общие закономерности в процессах возникновения НЭМП и их действия на рецепторы с учетом допустимых отношении сигнал-помеха на входе (или выходе) рецептора. Знание общих закономерностей необходимо при статистическом подходе к обоснованию НТД, содержащей стандартные требования (нормы) на допустимые уровни станционных и индустриальных помех в выходных цепях их источников. Моделирование НЭМП позволяет уточнять общие и частные методы измерения различных видов помех. На базе таких методов разрабатывают принципы построения специальной измерительной аппаратуры и конкретные способы измерения НЭМП. В свою очередь, требования к способам измерения НЭМП и измерительным приборам стандартизуют с целью реализации сопоставимых и повторяемых результатов измерений, выполненных в различных условиях.

Систематизируют НЭМП по 7 основным признакам.

1. По признаку источника помехи:

станционная, созданная радиостанцией, излучающей помеху через антенну; распространенное название такой помехи «мешающий сигнал»; он может проявлять свое действие как на частоте настройки рецептора (приемника), так и на частоте «соседнего канала», номинальная частота которого является соседней к частоте настройки приемника согласно принятой расстановке частот радиоканалов в данной радиослужбе; мешающий сигнал создается основным излучением мешающего передатчика, пли его гармоникой, или его шумовым излучением и т. д.; мешающий сигнал может создать, например, «блокирующую помеху», а два (и более) мешающих сигнала в соседних каналах могут создать «интермодуляционную помеху»; мешающий сигнал может быть создан также излучением гетеродина приемника;

индустриальная, созданная электротехническим, радиоэлектронным (помимо излучения передатчика через ВЧ тракт) или электронным устройством; как правило, индустриальная помеха имеет импульсный характер, особенности которого зависят от типа конкретного устройства промышленного, медицинского, научного и бытового назначения (электродвигатель, генератор ВЧ нагрева, электросварочный аппарат, линия электропередачи, двигатель с электрозажиганием и т. п.); резко выраженный импульсный характер имеет «коммутационная помеха», возникающая при размыкании и замыкании цепей электропитания (с дуговым разрядом пли без него), что приводит к нестационарным процессам в этих цепях и в итоге проявляется в виде НЭМП; перечень устройств, создающих индустриальные помехи;

естественная, созданная источником естественного происхождения; в зависимости от характера естественного процесса такая помеха может быть атмосферной, возникающей из-за электромагнитных процессов в атмосфере, космической, возникающей вследствие радиоизлучений космических тел (Солнце, звезды) и Галактики, и электростатической, возникающей вследствие электризации конструкционных элементов (например, летательного аппарата) и соответственно, токов стенания накопленных электрических зарядов и искровых разрядов между элементами конструкции;

контактная, созданная в результате воздействия электромагнитного поля радиопередатчика на токопроводящий механический контакт с переменным сопротивлением, который является переизлучателем электромагнитного поля. Наличие таких контактов характерно для движущегося объекта (корабль, автомашина, самолет, железнодорожный транспорт и т. п.), на котором действуют передающие и приемные РЭС. Во время работы передатчика контактные помехи влияют на рецептор, установленный на том же подвижном объекте, причем, как правило, такое влияние тем больше, чем больше скорость объекта. Первичной причиной возникновения контактной помех» является излучение передатчика, воздействующее на контакт, и вторичной - излучение от такого контакта.

При классификации НЭМП по признаку источника контактные помехи нельзя отнести ни к индустриальным, ни к станционным помехам; их следует считать отдельным видом. От станционной помехи (излучение радиопередатчика) контактная помеха существенно отличается своим энергетическим спектром, а от индустриальной - наличием несовершенных механических контактов с переменным сопротивлением, что не свойственно электротехническим, радиоэлектронным и электронным устройствам.

2. По признаку среды распространения:

излучаемая, т. е. помеха, распространяющаяся в пространстве;

кондуктивная, т. е. помеха, распространяющаяся в проводящих средах, например в электрических цепях и металлических элементах конструкции изделий.

3. По частотному признаку:

высокочастотная (радиопомеха), т. е. помеха на частотах от 9 кГц и выше до оптического диапазона;

низкочастотная, т. е. помеха на частотах ниже 9 кГц; делить НЭМП по частотному признаку целесообразно в связи с тем, что электронные устройства в отличие от радиотехнических обладают значительной восприимчивостью к низкочастотным помехам.

4. По проявлению помехи во времени:

непрерывная, уровень которой не уменьшается ниже определенного порогового значения за время не менее 1 с;

длительная, время действия которой больше 1 с;

непродолжительная, время действия которой меньше 1 с;

кратковременная, время действия которой меньше 0,2 с;

регулярная, появляющаяся и исчезающая через одинаковые (почти одинаковые) промежутки времени;

нерегулярная, появление и исчезновение которой происходит через различные промежутки времени;

случайная стационарная, текущий процесс которой имеет случайную природу, но происходит без существенных изменений во времени; такие помехи относятся к гауссовому типу, их примером являются космические шумы;

случайная нестационарная, текущий процесс которой имеет случайную природу и протекает с существенными изменениям» во времени; это помехи негауссовые, их примерами являются индустриальные помехи импульсного характера от разнообразных источников, а также атмосферные помехи от грозовых процессов.

При систематизации помех по их проявлению во времени в ряде случаев учитывается, что продолжительность действия помехи зависит от реакции рецептора, особенно, если помеха случайная нестационарная; при достаточно узкой полосе пропускания рецептора (сравнительно с полосой спектра помехи) на его выходе импульсы помех накладываются друг на друга даже в том случае, если на его входе импульсы разделены во времени. При систематизации помех важно знать, где по отношению к рецептору регистрируются помехи.

5. По энергетическому спектру помехи:

синусоидальная, энергетический спектр которой определяется синусоидальной (косинусоидальной) зависимостью; примером является «несущая частота» радиопередатчика с непрерывным излучением;

импульсная, энергетический спектр которой в пределах АЧХ системы во временной области является либо дискретным, если определяется единичными и разделенными во времени импульсами, либо сплошным, если определяется импульсами, перекрывающимися во времени; примером первого случая являются импульсные излучения РЛС, последовательность которых определяется тактовой частотой; примером второго - индустриальные помехи от многих видов источников и атмосферные помехи, созданные грозовыми процессами (случайные нестационарные помехи);

флуктуационная (шум), энергетический спектр которой (которого) определяется примерно постоянной величиной в пределах АЧХ системы при регистрации за сравнительно большое время; примерами являются внутренние шумы радиоприемника, космические шумы (шумовые излучения Солнца и Галактики), атмосферные шумы из-за абсорбционных процессов атмосферного кислорода и атмосферных водяных паров, а также шумовой фон индустриальных радиопомех при его интегральной оценке от многих источников на расстояниях нескольких километров;

модулированная - станционная помеха, энергетический спектр которой определяется регламентированным типом модуляции и соответствующим классом излучений; примером являются излучения радиопередающих устройств, представляющие собой полезные сигналы для определенного вида рецептора и мешающие для других рецепторов.

6. По отношению помехи к рецептору:

узкополосная, ширина спектра которой меньше или раина ширине полосы пропускания рецептора (например, мешающий сигнал от однотипной радиостанции, работающей в соседнем канале);

широкополосная, ширина спектра которой больше ширины полосы пропускания рецептора (например, контактная помеха или индустриальная импульсная помеха);

внешняя, источник которой находится вне рецептора;

внутренняя, источник которой находится внутри рецептора (например, шумы входного тракта приемника);

межсистемная, источник которой находится в системе, не относящейся к рассматриваемой системе, включающей рецептор;

внутрисистемная, источник которой находится внутри рассматриваемой системы, но вне рецептора;

аддитивная, действие которой на рецептор проявляется в сложении с полезным сигналом (например, флуктуационная помеха);

мультипликационная, действие которой на рецептор, изменяет комплексную структуру полезного сигнала за счет наложения ее на комплексную огибающую некоторого случайного процесса, например, при замираниях полезного и (или) мешающего сигналов;

симметричная, действие которой на рецептор проявляется между двумя зажимами источника индустриальных помех или между фазовыми проводами сети питания рецептора (или любой другой электрической цепи);

несимметричная, действие которой на рецептор проявляется между зажимом источника индустриальных помех (или сети питания, или любой другой электрической сети) и землей.

7. По отношению рецептора к помехе:

блокирующая, проявляющаяся в изменении коэффициента усиления принимаемого сигнала и (или) отношения сигнал-шум и возникающая в нелинейном тракте приемника при действии мешающего сигнала, частота которого находится вне полосы пропускания приемника;

перекрестная, проявляющаяся в изменении структуры принимаемого сигнала и возникающая в нелинейном тракте приемника при действии модулированного мешающего сигнала, частота которого находится вне полосы пропускания приемника;

интермодуляционная - помеха в полосе пропускания приемника, возникающая в его нелинейном тракте при преобразовании двух или более мешающих сигналов, частоты которых находятся вне полосы пропускания приемника;

допустимая, действие которой не снижает требуемое качество функционирования радиоэлектронного или электронного средства;

недопустимая, действие которой снижает требуемое качество функционирования радиоэлектронного или электронного средства;

приемлемая, действие которой снижает требуемое качество функционирования радиоэлектронного или электронного средства до уровня, принятого удовлетворительным в конкретно заданных условиях.

Перечисленные понятия о видах помех позволяют характеризовать любую помеху совокупностью признаков. Например, станционная помеха может быть излучаемой, высокочастотной, непрерывной, модулированной, межсистемной, узкополосной, блокирующей и недопустимой. Индустриальная помеха может быть кондуктнвной, низкочастотной, кратковременной, импульсной, широкополосной, внутренней, несимметричной и допустимой. Совокупность признаков должна учитываться при дальнейшем определении параметров НЭМП и их количественных значений.

Описанная систематизация не учитывает полностью все понятия о видах НЭМП, встречающиеся в практике их анализа. Например, при определении действия кондуктивных индустриальных помех на электронные средства (ЭВМ) пользуются такими понятиями, как «перенапряжение» (выброс напряжения) и «провал напряжения» сети питания.

ПАРАМЕТРЫ

Для определения отношения сигнал-шум при воздействии на рецептор необходимо знание параметров помех. Для детерминированных НЭМП (регулярные помехи одного источника или внеполосные излучения через антенну радиопередающего тракта) представления эти параметры - мощность, напряжение, ток, напряженность ноля, энергетический спектр и др.

В случае нестационарных электромагнитных процессов или одновременного использования помех от нескольких источников для описания для описания необходимо несколько параметров. Такими параметрами является усредненная за определенное время мощность Р_ср помехи, измеренная в эффективной полосе частот Δf, и соответствующее этой мощности эффективное значение напряжения U_эфф помехи.

Характерным параметром случайной стационарной помехи (флуктуационный шум) является «эффективная шумовая температура антенны» радиоприемного устройства («антенная температура»), т.е. усредненная спектральная плотность мощности шума, выраженная как температура в градусах Кельвина некоторого сопротивления, равного входному сопротивлению антенны, которое выделяет на входе источника такую же мощность, что и внешний источник помех. При значительном уровне внешних шумов собственной шумовой температурой пренебрегают и «антенная температура» определяется как

где Р_Ш - средняя мощность шума на согласованной нагрузке, Вт; k - постоянная Больцмана ( Дж/К); Т - температура, К; - эффективная полоса пропускания приемника, Гц. Антенную температуру флуктуационных помех измеряют с помощью измерителя напряженности поля с малым уровнем собственных шумов. Показания его выходного прибора U_эфф необходимо пересчитывать на величину напряженности поля, связывая с измеряемой мощностью помех на соответствующей частоте. Принятая извне антенной мощность шума

где G - коэффициент усиления антенны; - длина волны, м, - действующая высота антенны (м).

Среднее значение мощности атмосферных помех зависит от времени суток, сезона, частоты и географического местоположения. Как правило, атмосферные помехи характеризуются быстрыми изменениями, но если их мощность усреднять по крайней мере в течение нескольких минут, то средние величины за этот отрезок времени измерений изменяются примерно в пределах ±2 дБ, т. е. практически оказываются постоянными при условии, что измерения не выполняются при местной грозе или во время восхода и захода солнца.

При измерении широкополосного флуктуационного шума «антенная температура» определяется с помощью узкополосного измерителя напряженности поля, при этом эффективное значение напряжения U_эфф помехи пропорциональны , поскольку составляющие шума некогерентны. Если помеха регулярная, например, повторяющиеся с определенной тактовой частотой импульсы, параметр U_эфф пропорционален полосе измерителя.

Другим важным параметром НЭМП является пиковое значение U_n напряжения помехи. Например, импульсные приемные устройства и цифровые средства электронной техники, действующие на импульсном принципе (устройства электронной автоматики, ЭВМ и др.), реагируют не только на усредненную мощность импульсной помехи, но и на максимальную амплитуду импульса. Влияние помех на электронные устройства следует оценивать в первую очередь но параметру Un помехи, особенно в тех случаях, когда помеха имеет явно выраженный импульсный характер. Этот параметр измеряют с помощью пикового вольтметра, детекторная цепь которого имеет очень малое значение постоянной времени заряда и большое (до 100с) - постоянной времени разряда. Квазипиковое значение напряжения импульсных индустриальных радиопомех измеряют квазипиковым вольтметром с детектором, нагрузка которого имеет стандартные значения постоянных времени заряда тэ и разряда.

Квазипиковое значение U_кп напряжения - это показание инерционного вольтметра, постоянные времени которого близки к величинам задержки во времени, характерной для инерционности реакции человеческого слуха на появление и исчезновение звукового импульса.

При измерениях флуктуационных помех квазипиковый вольтметр показывает значения, превышающие U_эфф. При измерениях кратковременных (длительностью менее 200 мс) импульсных помех, например коммутационных в виде серии коротких импульсов слученного характера, квазипиковый вольтметр действует как накопитель энергии и значение U_кп зависит от таких факторов, как число импульсов в пачке, отношение между частотой повторения импульсов и полосой пропускания линейного тракта измерителя, раздельное или с перекрытием по времени прохождение импульсов через тракт и других. Вследствие вероятностной природы коммутационных помех для определения их значений U_эфф и U_ср посредством квазипикового вольтметра необходимо проводить специальный анализ.

Среднее значение Ucp напряжения является усредненным значением мгновенных уровней огибающей помехи за время T, достаточное для выявления ее статистических свойств. Многие регистрирующие приборы, например в оборудовании летательных аппаратов, включенные на выходе РЭС, более восприимчивы к воздействию Ucp, чем Un.

Для определения степени «импульсности» помехи вводят параметр U_имп=20lg(U_эфф/U_ср), если его значение U_имп 5 дБ, помеху можно считать импульсной.

Кондуктивные помехи характеризуются током помехи , определяемом токосъемником и измеряемом в дБмкА (узкополосные помехи) или в дБмкА/кГц (широкополосные помехи) при выбранном в зависимости от предъявляемых требовании пиковом, эффективном или среднем значении величины тока.

Поскольку НЭМП носят вероятностный характер для более полной информации о свойствах НЭМП необходимы характеристики, выражающие распределение вероятностей того или иного параметра, как правило, в функции времени, отсчитываемого в непосредственной или косвенной форме. Такой характеристикой является интегральная функция распределения параметра помехи, превышающего пороговое значение за время Т, достаточное для определения статистических свойств помехи.

Статистические характеристики параметров НЭМП имеют большое значение для количественного описания их свойств, обеспечения возможности создания стандартных требований на допустимые уровни помех от их источников и оценки их действия на рецепторы различных типов при определении отношений сигнал-помеха, допустимых на входе устройства конкретного типа.