Флуктуационные и сосредоточенные помехи

Флуктуационные помехиносят характер шума. Термин «шум» обозначает нежелательные электрические сигналы, которые всегда присутствуют в электрических системах. Наличие шума, наложенного на сигнал, «затеняет», или маскирует сигнал; это ограничивает способность приёмника принимать точные решения о значении символов, а следовательно, ограничивает скорость передачи информации. Природа шумов различна и включает как естественные, так и искусственные источники. Искусственные шумы – это шумы искрового зажигания, коммутационные импульсные помехи и шумы от других источников электромагнитного излучения. Естественные шумы исходят от атмосферы, солнца и других галактических источников.

Белый шум.

Особенностью теплового шума является то, что его спектральная плотность мощности (СПМ) одинакова для всех частот (от единиц Гц до 10¹² Гц).

Вт / Гц – постоянная величина во всём диапазоне частот.

f

Рис. 3. Спектральная плотность мощности белого шума

– двухсторонняя СПМ, поэтому N_о делится на 2.

Шум с постоянной СПМ во всём диапазоне частот называется белым.

Автокорреляционная функция (АКФ) белого шума даётся обратным преобразованием Фурье СПМ:

(2.6)

Таким образом, АКФ БШ – это дельта-функция, взвешенная множителем N_o / 2 и находящаяся в точке τ =0, как показано на рисунке 4.

τ

Рис. 4.

Следует подчеркнуть, что равна 0 для всех τ ≠ о, т. е. две различные выборки БШ не коррелируют, вне зависимости от того, насколько близко они находятся.

Средняя мощность Р_ш белого шума бесконечна, так как бесконечна ширина полосы БШ. В природе БШ нет. Но он является хорошей моделью для исследования шума. Дельта-функция в уравнении для БШ означает, что БШ абсолютно не коррелирует с собственной смещенной версией для любого τ >0.

К сосредоточенным по спектру помехам принято относить сигналы посторонних радиостанций, преднамеренные помехи, излучения генераторов высокой частоты различного назначения (промышленных, медицинских) и т. п. В одних случаях эти колебания являются непрерывными (например, сигналы вещательных и телевизионных радиостанций), в других – они носят импульсный характер (сигналы радиотелеграфных станций и систем передачи данных). В отличии от флуктуационных ширина спектра сосредоточенной помехи в большинстве случаев не превышает полосы пропускания приемника, а в некоторых случаях она намного уже этой полосы. В диапазоне коротких волн сосредоточенные по спектру помехи являются основными, определяющими качество связи, и считаются случайными колебаниями с флуктуациями фаз и амплитуд (замираниями), распределение которых такое же, как у полезных сигналов.. личного назначения (промышленных, медицинских) и т. ий, преднамеренные помехи, излучения представлениям.

Выводы

1. Воздействие канала с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) на процесс обнаружения состоит в том, что шум независимо воздействует на каждый переданный символ. Такой канал называется каналом без памяти.

2. Сосредоточенные помехи – это помехи у которых ширина спектра соизмерима с шириной спектра сигнала или уже его.

Квантовый шум

Изобретение в 1959….1961 гг. когерентных лазерных источников света положило начало разработкам оптических линий связи, где переносчиком сообщений являются световые волны. Для световых волн диапазона 10¹⁴ – 10¹⁵ Гц (0,5….10,6 мкм) были созданы специальные направляющие системы – световоды. Наиболее перспективными из них оказались диэлектрические волноводы, или волокна, как их называют из-за малых поперечных сечений. Простейший световод представляет собой тонкое волокно цилиндрической формы, которое состоит из сердечника и оболочки. По сердечнику передаётся электромагнитная энергия в виде световой волны, поэтому его изготавливают из материала с наименьшими оптическими потерями (кварц, многокомпонентные стёкла)

В оптическом диапазоне заметно проявляется шум, связанный с дискретной природой электромагнитного излучения – квантовый шум (КШ).

Каналы связи, в которых КШ ограничивает качество приёма сообщений, называются квантовыми каналами.

Для каналов с открытым пространством основными перспективными направлениями стали космическая связь с использованием искусственных спутников земли (ИСЗ), ближняя наземная связь через атмосферу, подводная связь. Применяют газовые, твёрдотельные и полупроводниковые лазеры как видимого, так и инфракрасного диапазонов. В основном используют модуляцию с изменением интенсивности излучения – двоичную АМ, двоичную БИМ (биимпульсный сигнал), многопозиционную ВИМ. Успешно применяют и поляризационную модуляцию (ПМ). В многоканальных системах кроме временного используют и частотное разделение на поднесущих. Интенсивность модулируется гармоническими поднесущими (обычно СВЧ диапазона), которые модулируются по амплитуде, фазе или частоте.

Демодуляция чаще всего выполняется с прямым детектированием. В инфракрасном диапазоне с успехом применяют и гетеродинный приём. В каналах с закрытым пространством оптический сигнал канализируется либо по трубам – световодам с дискретными фазокорректорами (линзы, зеркала), либо по диэлектрическим волоконным световодам.

В последние годы основным направлением стала разработка волоконно-оптических каналов с передачей сигналов в ближнем инфракрасном (длина волны примерно 1 мкм) диапазоне. В качестве генераторов излучения применяются полупроводниковые лазеры и некогерентные источники – светодиоды.

Основные отличия оптических каналов, связанные с малой длиной волны и квантовой природой излучения, заключаются в следующем:

Тепловой шум может быть пренебрежительно мал;

Вследствие квантовых закономерностей параметры сигнала являются случайными, даже в отсутствие мешающих факторов.

В системе с пассивной паузой в пренебрежении тепловыми шумами символ 0 (отсутствие излучения) принимается безошибочно. Тогда как символ 1 (импульс излучения) с ненулевой вероятностью пропускается.

Вследствие высокой частоты несущих колебаний оказываются практически нереализуемыми согласованная фильтрация по частотному спектру и согласованная пространственная селекция сигнала, не выполняется разделение ортогональных сигналов.

Энергия электромагнитного поля имеет дискретную природу – излучается и поглощается квантами ,

где: h = 6,624·10^-34Вт·с / Гц – постоянная Планка, f – частота.

Квантовый шум – это флуктуации измеряемых параметров сигнала.

Квантовый шум не аддитивен, так как он коррелирован с сигналом.

В области инфракрасного и видимого излучений энергия фотона увеличивается, а спектральная плотность средней мощности тепловых флуктуаций уменьшается.

Выводы

1. Шум лазера – это квантовый шум, так как проявляется во флуктуациях параметров сигнала, детерминированного по классическим представлениям.

2. Квантовый шум не является аддитивным, так как зависит от самого полезного сигнала.

Заключение

1. В каналах связи присутствуют помехи, которые ухудшают верность приёма сообщений.

2. Помехи могут быть аддитивными и мультипликативными.

3. Среди аддитивных помех наиболее распространенными являются флуктуационные, сосредоточенные по спектру и импульсные.

4. Удобной моделью аддитивной помехи является белый шум, с помощью которого можно описывать реальные процессы, происходящие в каналах связи.

5. Квантовый шум не является аддитивным, так как зависит от самого полезного сигнала.

Литература

Основная:

1. Теория электрической связи: Учеб. Для вузов / А.Г. Зюко, Д. Д. Кловский, В.И. Коржик, М. В. Назаров; Под ред. Д. Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 1998. – 433 с.

Дополнительная:

1. Прокис Дж. Цифровая связь: Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 2000. – 800 с.

2. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.

3. Сухоруков А.С. Теория электрической связи: Конспект лекций. Часть 1. – М.:МТУСИ, ЦЕНТР ДО, 2002. – 65 с.

4. Сухоруков А.С. Теория цифровой связи: Учебное пособие. Часть 2. – М.:МТУСИ, 2008. – 53 с.