Помехи и борьба с ними.

Помеха – сторонний возмущающий сигнал, искажающий полезную информацию. Помехи преимущественно возникают в окружающей среде вследствие разных физических явлений. Если в точке наблюдения сигнала s(t) регистрируется его значение x(t) вместе с помехой v(t) в виде:

s(t) = x(t) + v(t), то помеху называют аддитивной.

Существует и мультипликативный вид помехи s(t) = x(t) * v(t).

Помехи могут быть случайными и детерминированными.

Детерминированные помехи имеют постоянные или периодически повторяющиеся параметры в отличие от случайных. Детерминированные помехи характеризуются временными функциями, амплитудно- и фазочастотными спектрами.

Случайные помехи – шумы, связанные с тепловыми флуктуациями параметров элементов, с неустойчивыми во времени и в пространстве физическими процессами. Для описания случайных помех используются корреляционные функции, энергетические спектральные диаграммы.

Помехи вызывает два вида искажения сигнала. Во-первых, помеха может наложиться на сигнал, изменяя его форму. Во-вторых, помеха может вывести устройство за пределы его динамического диапазона и вызвать нелинейные искажения сигнала или даже привести устройство в зону нечувствительности к сигналу (режим насыщения) или к повреждению входных устройств.

Различают внутренние и внешние помехи.

Внутренние помехи возникают в результате непреднамеренной передачи части энергии сигнала из части устройства с большим уровнем сигнала в часть с меньшим уровнем сигнала (паразитные обратные связи).

Внешние помехи могут возникать из-за наличия в канале связи других сопутствующих сигналов или из внешней среды: промышленные помехи, атмосферные помехи, электростатические помехи.

Диапазон частот этих помех может быть весьма широк от нуля до нескольких мегагерц.

Помехи могут быть также естественными и искусственными.

Борьба с помехами начинается с выявления источника помехи и составления схемы замещения, моделирующей помеху. Далее разрабатываются меры борьбы.

Для снижения уровня помех применяются меры защиты как в источниках помех, так и в приемниках. Существуют государственные стандарты на электромагнитную совместимость различных промышленных и электронных устройств.

Помеха появляется в сигнале вследствие связи устройства с сигналом и источников помех. Различают три вида связи:

- индуктивная связь,

- емкостная связь,

- гальваническая (кондуктивная) связь.

Индуктивная связьвозникает при наведении ЭДС в проводах устройства с сигналом вследствие явления электромагнитной индукции. Для этого должны быть:

- источник переменного магнитного поля (источник помехи) и

-замкнутый контур с проводником в устройстве с полезным сигналом.

На рис. 7.6 прямоугольниками условно обозначены источник сигнала (слева) и приемник сигнала (справа), соединенные проводами. В замкнутом контуре, образованном проводами (в левой части рис.7.6) , образуется ЭДС e(t) помехи, которая зависит от скорости и амплитуды изменения магнитного потока Φ(t):

e(t)=- dΦ(t)/dt= - s*dB(t)/dt.

Здесь s -площади контура, B(t) – среднее значение магнитной индукции в контуре.

Есть четыре способа борьбы с электромагнитной помехой, которые применяют в зависимости от конкретных условий.

Первый способ – экранирование устройства от переменных магнитных полей путем помещения устройства в оболочку из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Это приводит к уменьшению значения магнитной индукции и магнитного потока в контуре.

Второй способ – уменьшение площади контура s, в котором наводится ЭДС самоиндукции. Для этого проводники в устройстве размещают с малой дистанцией, как в правой части рис.7.6.

Рис.7.6. Уменьшение магнитного потока при сближении проводов.

Третий способ – скручивание (свивание) проводников (витая пара). В этом случае в отдельных петлях s₁, s₂…жгута создаются составляющие ЭДС разных знаков и их сумма на всей площади s приближается к нулю (рис.7.7).

Рис.7.7. В свитых проводниках на разных участках возникают составляющие ЭДС противоположных направлений.

Четвертый способ – использование коаксиального кабеля, который состоит из цилиндрической плетеной медной оболочки («экрана») и центрального медного провода («жилы»), разделенных пластиковым изолятором. На рис.7.8 экран кабеля изображен пунктирной линией

Рис.7.8. Коаксиальный кабель в переменном магнитном поле.

ЭДС в контуре, образованного оболочкой и жилой коаксиального кабеля определяется суммой составляющих e₁(t) и e₂(t). Последние создаются изменениями потоков через, соответственно, площадки s₁и s₂. При этом относительно оболочки эти ЭДС имеют противоположные направления (отмечены знаками ٠и +). Поэтому в контуре сумма ЭДС равна нулю.

Емкостная связьвозникает из-за распределенных емкостей между проводами и элементами. Этот вид помехи можно легко наблюдать на экране осциллограф если прикоснуться к сигнальному проводу, подключенному к входу осциллографа. На рис.7.9. представлена схема, в которой имеется внешняя линия A с переменным напряжением U₁ (например, фазный провод сети с частотой 50 Гц) и линия B с измерительным сигналом U₂ частотой f.

Обе линии имеют на схеме слева источники и справа приемники с некоторыми сопротивлениями. Между проводами A и B имеется распределенная емкость, которая на схеме отражена эквивалентным элементом C_п.

Рис.7.9. Возникновение помехи через распределенные емкости.

Источник в сети U₁создает на проводе B напряжение аддитивной помехи U_П. Значение напряжения помехи зависит от емкостного сопротивления и, следовательно, от емкости С_П. С увеличением емкости C_п (например, с увеличением длины проводов или с уменьшением расстояния между линиями A и B) амплитуда помехи увеличивается.

Если линию B сделать коаксиальной с заземленным экраном как на упрощенной схеме рис.7.10, то напряжение этой помехи упадет до нуля.

Рис.7.10. Устранение помехи через распределенные емкости с помощью коаксиального кабеля.

Заметим, что на рис.7.10 заземление произведено в одной общей точке. Это принципиально важно. Нужно, чтобы токи, вызванные паразитными емкостями не вызывали падения напряжения на проводах, соединяющих части устройства с сигналом.

В реальных системах индуктивные и емкостные помехи могут возникать одновременно. На рис.7.10 заземление экрана коаксиального кабеля устроено только в одной точке. Если экран заземлить в двух точках как на рис.7.11, то образуется замкнутый контур abcd , в котором переменное магнитное поле создаст помеху в виде ЭДС электромагнитной индукции.

Рис.7.11. Неправильное повторное заземление экрана коаксиального кабеля, приводящее к индуктивным помехам.

Кондуктивная связьвозникает, например, когда несколько потребителей получают электрическую энергию от одного источника питания (рис.7.12). Здесь два усилительных устройства У1 и У2 питаются от одного источника постоянного напряжения И. В общем для обоих усилителей проводе ab ток равен сумме токов усилителей. Переменная составляющая i₂(t) тока усилителя У2 создает на сопротивлении провода R_ab переменную составляющую напряжения u_a(t)=E_a-R_ab i₂(t). Часть этого напряжения через резисторы, устанавливающие режимы транзисторов по постоянному току, попадет на вход У1 и образует помеху.

Рис.7.12. Схема возникновения помехи в общих цепях питания электронных устройств.

Борьба с этими помехами ведется путем уменьшения сопротивления проводов (увеличение диаметра проводов, применение шин большого сечения) и установкой фильтрующих элементов (например конденсатора фильтра C_ф как на рис. 7.12).

Мощным средством борьбы с помехами является фильтрация (селекция) сигнала. Современные методы фильтрации позволяют за счет сужения полосы пропускания устройств уменьшить энергию помехи. Фильтрация сигналов осуществляется избирательными усилителями -фильтрами.

Важным количественным показателем электронной системы является отношение амплитуды сигнала к шуму. В качественных системах оно должно быть значительно больше 1.

Если форма сигнала известна, то с применением корреляционных методов обработки сигнала удается получить полезную информацию даже в тех случаях, когда энергия помехи превышает энергию сигнала, т.е. когда отношение сигнала к шуму меньше 1.

Современные методы борьбы с помехами в электронных устройствах заключаются в снижении мощности помех в устройствах, создающих помехи, и в защите электронных устройств мерами – электромагнитное и электростатическое экранирование, заземление, селекция и обработка сигнала.

В заключение заметим, что для всех электронных устройств существуют государственные и межгосударственные нормы на уровень допустимых помех, создаваемых этими устройствами. Примеры можно найти в технических описаниях различных электронных устройств.

Для снижения уровня этих помех применяют экранирование устройств и установку фильтров в проводах сетевого питания (см. пример на рис.7.13). Такой же фильтр применяется в портативных устройствах для «размножения» сетевых розеток, которые называются «сетевыми фильтрами».