62201 (Анализ мешающих влияний в каналах связи при передаче и преобразовании информации)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра РЭС

реферат на тему:

«Анализ мешающих влияний в каналах связи при передаче и преобразовании информации»

МИНСК, 2009

Мешающие влияния разделяют на шумы, помехи, замирания, искажения, ошибки (рис. 1). Обычно шумы имеют естественное происхождение; наиболее существенное влияние оказывает собственный шум приемника. Помехи могут быть также естественного происхождения (грозовые разряды, индустриальные помехи, влияние соседних радиосредств) и преднамеренные. Все разнообразие помех можно свести к шести основным типам: шумовым, импульсным, узкополосным (в пределе-синусоидальным), внутрисистемным, ретранслированным, имитационным. Шумовую помеху представляют в виде внешнего флуктуационного шума, увеличивающего интенсивность шума приемника.

Импульсные помехи (ИП) действуют в течение ограниченного времени; в зависимости от формы импульса различают шумовые (ограниченный во времени шум), видео- и синусоидальные (узкополосные) ИП. Импульс помехи может быть одиночным, однако чаще воздействует пакет ИП, который поражает элементы сигнала, искажая его временные характеристики.

Узкополосная помеха накрывает часть спектра передаваемого сигнала, искажая спектр и ухудшая как спектральные, так и корреляционные свойства сигнала.

Внутрисистемные помехи характерны для асинхронно-адресных систем связи, работающих в одной полосе частот с различением станций по форме адресных сигналов (кодов). Возникают помехи главным образом за счет неидеальности взаимокорреляционных функций адресных кодов.

Ретранслированная помеха создается в результате усиления и переизлучения переданного сигнала одной-двумя соседними станциями. Переизлученный и задержанный сигнал, попадая в приемник истинной станции, создает специфическую помеху, воздействующую тем сильнее, чем хуже корреляционные свойства передаваемых сигналов. Имитационная помеха (ИМП) близка по форме переданному сигналу; степень близости определяется числом передаваемых сигналов и их корреляционными свойствами. Часто ИМП называют также структурной или прицельной помехой. Название "прицельная помеха" становится оправданным при совпадении в приемнике фазы или средней частоты ИМП с фазой переданного сигнала или со средней частотой одного или нескольких частотных подканалов. В последнем случае помеху иногда называют сосредоточенной. В наземных радиолиниях причинами замираний, составляющих основную часть мешающих влияний естественного происхождения, служат многолучевость, метеоусловия, время года. Многолучевость вызывает быстрые замирания, метеоусловия и время года - медленные. Частотную селективность замираний определяют по снижению коэффициента частотной корреляции до значения 0,5 ... 0,6. Интервал частот, лежащий в пределах 1...0,5, называют полосой (интервалом) когерентности канала связи.

Рис..1 Классификация мешающих влияний в линиях связи

Искажения сигнала могут вызываться как характеристиками тракта передачи, так и помехами. Однако понятие искажения обычно связывают только с влиянием на сигнал линейных и нелинейных характеристик тракта. Воздействие линейных характеристик, и в частности неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), приводит к появлению межсимвольных искажений (МСИ); ограничение амплитуды сигнала вызывает появление нежелательных частот в спектре, создающих помехи нелинейных переходов. Ошибки фиксируются на выходе дискретного канала: именно они определяют верность информации. Деление ошибок на независимые и пакетные вызвано главным образом спецификой помехоустойчивого кода, его способностью исправлять или обнаруживать ошибки.

Для априорной оценки эффективности кода проводят имитационное моделирование, требующее знания статистического распределения мешающих влияний. Обычно шум предполагают нормально распределенным (белым гауссовским шумом-БГШ). При большом разнообразии ИП нет, однако, единой универсальной модели, описывающей эти помехи. Как правило, уровни и длительности ИП принимают распределенными по экспоненциальному закону, а вероятность появления m импульсов на интервале времени Т_и.п (в соответствии с распределением Пуассона) P_и.п(m) = (LТ_и.п)^mехр(-LТ_и.п)/m!, где L-среднее число импульсов на интервале Т_и.п.

Наиболее сложно моделировать преднамеренные помехи, "качество" которых тем выше, чем менее определена их статистика. Однако каждая помеха характеризуется несколькими параметрами, которые при моделировании могут быть заданы в априорно выбранном диапазоне значений в виде, например, случайных чисел.

Для описания быстрых замираний чаще всего применяют рэлеевское и райсовское распределения. Частотную селективность быстрых замираний описывают экспоненциальным распределением; функция частотной корреляции

R(f)=(ехр(-f /df0))² или R(f)=exp(-f /df0),

где df0 -интервал частотной корреляции. Общепринята аппроксимация медленных замираний логарифмически нормальным распределением.

Искажения сигнала принимают при моделировании нормально распределенными и рассматривают как дополнительный флуктуационный шум. В силу многообразия причин и конкретных условий невозможно описать статистическое распределение ошибок одной моделью. Наиболее простой является модель независимых ошибок, описываемая биномиальным распределением.Биномиальное распределение хорошо описывает ошибки в дискретном канале, причиной которых служит флуктуационный шум. В различных линиях связи мешающие влияния даже одного вида имеют разные параметры распределения. Эту особенность необходимо учитывать при выборе помехоустойчивого кода. В системах связи наиболее широко используют:

• проводные линии связи - воздушные, магистральные кабельные (симметричные и коаксиальные), внутригородские кабельные, а также высоковольтные линии электропередач;

• радиотракты-радиорелейные прямой видимости (РРЛ), тропосферные (ТРЛ), космические (через ИСЗ и с дальними космическими кораблями), магистральные коротковолновые (KB) ЛС, а также линии радиосвязи с наземными подвижными объектами (РЛП);

• телефонные каналы различной протяженности, прямые и коммутируемые, организованные на ЛС различного типа;

• внутриаппаратные тракты магнитной записи-считывания и шины информационного обмена в ЭВМ.

Проводные ЛС. Проводные (и особенно кабельные) ЛС в наибольшей степени защищены от влияния помех. Тем не менее в воздушных ЛС необходимо считаться с атмосферными явлениями: грозовыми разрядами, инеем, изморозью, гололедом, наводками от внешних источников помех. Грозовой разряд проявляется в виде импульсов помехи с фронтом в несколько микросекунд, длительностью полуспада в десятки микросекунд. Иней, изморозь и гололед, оседая на проводах, приводят к значительному увеличению затухания на длительное время. Например, при длине усилительного участка 35 км на линии из медных проводов затухание на частоте 100 кГц увеличивается при толщине изморози 25 мм в 6 раз, а при гололеде 20 мм-в 12 раз. Сильные импульсные помехи могут создавать электрифицированные железные дороги и высоко-вольтные линии электропередачи.

В кабельных ЛС следует считаться главным образом с импульсными помехами, переходными влияниями и межсимвольными искажениями. Основной причиной ИП в магистральных кабельных линиях являются удары молнии в участки поверхности земли, расположенные в непосредственной близости от кабельной траншеи. Помеховые импульсы имеют примерно те же характеристики, что и в воздушных ЛС. Городские телефонные кабели обладают гораздо большей интенсивностью помех, источником которых служат переходные влияния других цепей кабеля, помехи от различных внешних источников: электрифицированного транспорта, плохо заземленных электроустановок, коммутационных устройств АТС. В системах цифровой связи сигналы по кабельным ЛС передают преимущественно видеоимпульсами. Нелинейность АЧХ кабеля искажает форму импульсов сигнала, ухудшая отношение сигнал-шум. С учетом симметрирующих трансформаторов, не пропускающих постоянную составляющую сигнала (в симметричных кабелях), нелинейность АЧХ в наибольшей степени воздействует на низкочастотные составляющие спектра сигнала. Чаще всего по кабелям передачу дискретных сообщений ведут сигналами с пассивной паузой (символ нуля не передается). Ошибки пауз и посылок после приема оказываются неравновероятными, причем разница может достигать нескольких порядков, делая канал существенно асимметричным. Значительная асимметрия ошибок характерна для оптико-волоконных ЛС.

Радиорелейные линии прямой видимости. В тракте передачи РРЛ действуют тепловой шум приемника, замирания, помехи от внешних источников. Глубина замираний достигает 30 дБ, длительность быстрых замираний-доли секунд, полоса когерентности 30... 40 МГц, глубина замирании меняется со скоростью 50 ... 60 дБ/с, разность хода интерферирующих лучей 4...10 нс. Основная часть глубоких замираний на различных интервалах возникает независимо друг от друга. В диапазоне частот выше 10 ГГц ослабление сигнала в атмосферных осадках одновременно более чем на двух смежных интервалах трассы маловероятно.

Внешними источниками естественных помех являются главным образом соседние радио- и радиолокационные станции. Помехи в зависимости от электромагнитной обстановки могут иметь самый разнообразный характер и проявляться в тракте РРЛ в виде одной или нескольких узкополосных помех, помеховых импульсов, дополнительного шума, ретранслированного (задержанного) полезного сигнала, переданного по РРЛ.

Тропосферные радиолинии. Так же, как и в РРЛ, на тракт ТРЛ воздействуют аддитивный шум приемника, замирания и внешние помехи. Однако из-за большей, чем в РРЛ, чувствительности приемника, принципиальной нестационарности объема переизлучения все составляющие мешающих воздействий выражены в ТРЛ гораздо сильнее.

Основными причинами медленных замираний являются метеорологические условия и изменения объема переизлучения. В течение суток медианный уровень сигнала меняется примерно на 4 дБ зимою и 10 дБ летом. Перепад уровня от зимы к лету на трассах длиной до 300 км составляет примерно 5 ... 10 дБ. В тех же пределах лежат изменения уровня за месяц при слабонаправленных антеннах; при узких диаграммах направленности перепад уровней увеличивается ориентировочно на 5 дБ. Характеристики быстрых замираний - глубина, частота, длительность, корреляция по частоте лежат в широком диапазоне значений и могут внезапно измениться, например во время пролета самолета в районе трассы ТРЛ.

Характеристики существенно зависят от времени суток, года, географического расположения трассы, длины интервала, ширины диаграммы направленности антенн, диапазона частот. Глубина замираний изменяется в пределах от единиц до десятков децибел, длительность - от сотен микросекунд до сотен миллисекунд, частотная корреляция - от 1 до 6 МГц. Разнесение резко меняет статистические характеристики замираний и сужает диапазон изменений.

Космические линии связи. Мешающие влияния, в космических ЛС обусловлены многими причинами: поглощением радиоволн в ионосфере и тропосфере, рефракцией, изменением поляризации, помехами от теплового излучения тропосферы, шумами поглощения, экранирующим действием плазмы, возникающей при торможении космического летательного аппарата в атмосфере Земли, рассеянием радиоволн в ионосфере при случайных флуктуациях концентрации электронов, солнечным и звездным шумами. Практически все перечисленные факторы увеличивают флуктуационный шум (иногда на большую величину). Например, в диапазоне до 14 ГГц при сильном дожде коэффициент затухания достигает 3 дБ/км. Обычно по спутниковым ЛС может быть передан сигнал с довольно широкой полосой частот, достигающей нескольких десятков мегагерц. Однако иногда возникают условия распространения, способствующие появлению частотно-селективных замираний. Причиной последних служат интенсивные возмущения в ионосфере, вызывающие сужение полосы когерентности ионосферного отрезка космической ЛС. В результате таких замираний полоса частотной корреляции может уменьшаться до наблюдавшегося на практике значения 250 кГц. В широкополосном сигнале при этом наблюдаются межсимвольные искажения. Важное влияние на выбор сигнала в космических радиолиниях оказывает большое время распространения. Речь наиболее чувствительна к задержке; допустимым считается время прохождения сигнала между говорящими абонентами, не превышающее 300 мс. Если, однако, ИСЗ находится на геостационарной орбите с высотой над поверхностью Земли 35 000 км, то задержка информации в ЛС превышает 200 мс. Поэтому две главные особенности космических ЛС - флуктуационный шум и большая, близкая к предельной, задержка информации существенно влияют на выбор метода помехоустойчивого кодирования.

Коротковолновые линии радиосвязи. Замирания и атмосферные явления - магнитные бури, полярные сияния - главные источники помех коротковолновой радиосвязи. Замирания создаются в результате интерференции нескольких приходящих в место приема лучей, отраженных от ионосферы. Глубина замираний колеблется в широких пределах, достигая десятков децибел. Период замираний лежит в интервале от сотен миллисекунд до десятков секунд; диапазон изменений временной корреляции 1,5 ...4,5 с (по ослаблению коэффициента корреляции до значения 0,6); сигналы можно считать некоррелированными при разносе их более чем на 500 Гц. Сила атмосферных воздействий нарастает и спадает медленно со скоростью от нескольких минут до нескольких часов, часто приводя к полной потере связи на длительное время.

В диапазоне, граничащем с верхними частотами коротковолновой связи, осуществляется метеорная связь, основанная на отражении радиоволн от ионизированных следов метеоров. Характерные особенности метеорной связи заключаются в прерывистом характере информационного обмена, большой скорости смены условий распространения, принципиальной необходимости в обратном канале связи. Важно отметить высокую стабильность фазы сигнала при метеорной связи.

Примерно в том же диапазоне метеорной связи действуют системы связи, использующие эффект рассеяния радиоволн в ионосфере. Виды мешающих влияний в ионосферных линиях подобны тем, которые имеют место в тропосферных ЛС. (Это относится главным образом к характеру быстрых замираний.) Максимальный ход лучей составляет 20... 50 мкс, полоса когерентности канала до 5... 10 кГц, суточный ход глубины медленных замираний 5 ... 10 дБ, сезонный 8... 16 дБ.

Линии радиосвязи с наземными подвижными объектами. Связь в РЛП осуществляют в УКВ диапазоне. Сеть РЛП, организованная в городских и пригоpодных районах, содержит центральную станцию, обеспечивающую связь с подвижными объектами (ПО) зоны, обслуживаемой станцией.

Таблица 1

Прием сигналов в ПО сопровождается замираниями (глубиной до 40 дБ), доплеровским сдвигом частоты (до 100 Гц и более), параметры которых зависят от скорости движения ПО, его удаления от центральной станции и характера затенений. Для частоты 850 МГц усредненные данные по скорости замираний и их длительности в зависимости от заданного уровня и скорости движения ПО приведены в табл. 1.1, где указаны скорость пересечения уровня в герцах, заданного по отношению к среднеквадратическому значению, и длительность замираний в миллисекундах.