Электромагнитные помехи в радиоприемных устройствах
РАЗДЕЛ 4. Электромагнитные помехи в радиоприемных устройствах
Глава 11. Помехоустойчивость радиоприемных устройств
11.1 Помехи радиоприему
Помехой называется любое постороннее воздействие на РПрУ, не относящееся к полезному сигналу, и, препятствующее его правильному приему.
Электромагнитные помехи (ЭМП) представляют собой случайные процессы, которые можно разделить по типу источников, на естественные и искусственные. Естественные помехи вызываются различными физическими явлениями в окружающей среде. Искусственные ЭМП порождаются электромагнитными процессами в технических устройствах и подразделяются на станционные, индустриальные и контактные.
Помехи реальной системы связи можно разделить на собственные, внешние, внутри- и межсистемные.
Собственные - создаются элементами самого РПрУ; внешние - лежат вне его; внутрисистемные формируются источниками, входящими в данную систему; межсистемные – вне ее.
По частотно-временным свойствам ЭМП можно представить в виде моделей:
- сосредоточенной (спектр помехи находится в узкой полосе, обычно соизмеримой с полосой полезного сигнала),
- импульсной (квазиимпульсной), представляющей собой непериодическую последовательность одиночных импульсов, с не перекрывающимися откликами на такое воздействие,
Рекомендуемые материалы
- флуктуационной, представляющей собой тепловые шумы, шумы электронных приборов, суммарное воздействие помех от различных источников с перекрывающимися откликами, одновременное воздействие многих сосредоточенных помех от работающих радиостанций, а также - космических и атмосферных излучений.
По характеру взаимодействия с полезным сигналом различают: аддитивные (суммирующиеся с сигналом) и мультипликативные (перемножающиеся с полезным сигналом) помехи.
Шумы естественного происхождения относятся к аддитивным помехам.
Это космические шумы, обусловленные термоядерными процессами в звездах, атмосферные помехи, собственные шумы аппаратуры. Атмосферные помехи - следствие грозовых и электростатических разрядов занимают область частот до 25 МГц и превышают по уровню космические шумы. Грозовые разряды обладают спектром по характеру близким к спектру одиночного импульса, а суперпозиция многих разрядов формирует флуктуационную компоненту. Атмосферные помехи могут быть узкополосными и широкополосными. В качестве моделей таких помех используется сумма импульсных случайных последовательностей с длительностью импульса Ти , частотой повторения Fи , и дисперсией случайного процесса σ2п .
Станционные ЭМП, относящиеся к искусственным помехам, создаются излучением РПдУ, гетеродинами приемников и др. Наибольшее влияние оказывают помехи, обусловленные излучением РПдУ, представляющие собой узкополосные случайные процессы. Для оценки влияния станционной ЭМП используются модели, основанные на теории случайных импульсных потоков.
Индустриальные радиопомехи (ИРП) создаются техническими средствами, использующими энергию электрического тока, и могут быть кондуктивными (распространяющимися по физическим цепям питания, заземления) и радиационными. Индустриальные радиопомехи, создаваемые в медицинских установках, ЭВМ и др. обладают дискретным спектром. Помехи от электрического транспорта, промышленной и бытовой аппаратуры, ЛЭП обладают сплошным спектром.
Радиационные ИРП наиболее опасны в ближней зоне излучения и их интенсивность затухает по закону ~ 1/R 2,2 . Кондуктивные ИРП ослабевают медленнее и распространяются на значительные расстояния.
Контактные помехи возникают обычно на движущихся объектах (поездах, самолетах) при воздействии излучения передатчика на токопроводящие объекты, находящиеся в ближайшей зоне облучения, и, обладающие металлическими контактами с переменным сопротивлением. Создаваемое в них вторичное излучение, может оказывать значительное воздействие на РПрУ.
11.2 Сосредоточенные помехи и методы борьбы с ними
Методы борьбы с помехами основаны на различии характеристик сигналов и помех.
Различие в частотных спектрах позволяет, используя частотно-селективные цепи отделять сигнал от помехи. При сравнительно широком спектре помехи по отношению к спектру сигнала, частотная селекция позволяет, выделяя полезный сигнал, уменьшать мощность помехи, поступающей на вход РПрУ.
Различие в фазах сигнала и помехи используется в устройствах, реагирующих на фазу колебаний (например, в синхронных детекторах).
Различие в амплитудах сигнала и помех лежит в основе применения устройств, использующих амплитудную селективность.
Радиотракт РПрУ при малых уровнях сигнала и помехи работает практически в линейном режиме и,
избавиться от внеполосной сосредоточенной помехи можно
с помощью частотно-селективной
Рис.11.1 цепи (рис.11.1)
Внеполосная помеха для фильтра с идеальной АЧХ подавляется полностью, а для подавления помех с частичным или полным перекрытием спектров необходимо использовать устройства с амплитудной или фазовой селективностью (синхронный амплитудный детектор).
При действии на входе значительных по уровню внеполосных помех УЭ, входящие например, в состав УРЧ (рис.3.3) становятся преобразователями, создающими сложный спектр выходного тока, содержащий кроме гармоник частоты сигнала nωс и помехи mωп, комбинационные составляющие вида │ nωс ± mωп │.
При аппроксимации проходной характеристики УЭ (рис.6.4) полиномом третьего порядка: i 2 = f(u) = au + bu2 + cu3 и входном воздействии u = Uсcos ωct + Uп cos ω пt , амплитуда полезной составляющей тока первой гармоники УЭ
3 3
I m1 = aUс + ― b U3c + ―c Uс U2п (11.1)
4 2
частоты ωс зависит от амплитуды напряжения помехи Uп , что приводит к уменьшению выходного напряжения (коэффициент аппроксимации с < 0) , т.е. блокированию сигнала помехой.
При действии на входе приемника интенсивных внеполосных помех на частотах ω п1 и ω п2 создают в выходном токе комбинационные составляющие вида │m ω п1 ± к ω п2 │, некоторые из них могут попадать в полосу пропускания приемника, создавая помехи при приеме полезного сигнала. Искажения подобного вида называются интермодуляционными.
Воздействие интенсивной внеполосной помехи, обладающей модуляцией (Uп >> Uc), приводит к модуляции полезного сигнала помехой, что определяется нелинейностью ВАХ третьего порядка (11.1) и называется перекрестной модуляцией.
Снижения воздействия сосредоточенной помехи на качество приема можно добиться, применяя высокоизбирательные фильтры на входе РПрУ или увеличивая линейность ВАХ усилительных элементов.
Повышения линейности ВАХ добиваются выбором режима работы УЭ усилителя радиочастоты, применением мощных полевых или биполярных транзисторов, подключением оптимальных, с точки зрения нелинейных эффектов, сопротивлений нагрузки, использованием методов компенсации нелинейных эффектов. Часто применяемым способом снижения нелинейных эффектов является, введение в усилитель отрицательной обратной связи.
В области ВЧ эффективным средством борьбы с сосредоточенными помехами является применение пространственной и поляризационной селекции выбором антенн, обладающих узкой диаграммой направленности и конструкцией, реализующей эффективный прием только полезного сигнала.
При приеме импульсных сигналов эффективным средством с сосредоточенной помехой служит согласованная фильтрация. Амплитудно-частотная характеристика оптимального фильтра должна быть согласована (комплексно-сопряжена) со спектром сигнала. На практике, в связи с техническими трудностями при реализации согласованных фильтров для сигналов сложной формы, применяют квазиоптимальные фильтры, обеспечивающие несколько меньшее превышение сигнала над помехой на выходе радиотракта.
Прием ЧМ сигналов при наличии помех сопровождается пороговым эффектом. Типичная зависимость отношения сигнал/шум h2c2 на выходе демодулятора от входного значения отношения сигнал/ шум h2c1 для различных значений индекса модуляции mчм приведена на рис.11.2
Воздействие слабой помехи приводит к незначительному отклонению мгно- венной частоты суммарного колеба- ния относительно промежуточной частоты; при интенсивных входных помехах на выходе демодулятора по-является короткий выброс напряжения мгновенной частоты (совпадение фаз
сигнала и помехи) с равномерным
Рис.11.2 спектром, что вызывает при малом
значении h2c1 рост спектральной плотности помех в низкочастотной области.
Искривление характеристик (рис.11.2) происходит плавно, и в пороговой области для больших mчм составляет примерно ехр(-h2c1) и далее наблюдается зависимость h2c2 ≈ mчм (h2c1)2, что свидетельствует о подавлении сигнала в подпороговой области.
Пороговый эффект наиболее опасен в радиолиниях с низким энергетическим потенциалом при замираниях сигнала. Повышение индекса модуляции mчм и мощности сигнала сдвигает пороговую область вправо, но ухудшает ЭМС. Поэтому получили распространение методы приема ЧМ сигналов со следящим фильтром в тракте УПЧ и с предискажением рабочих сигналов на передающей стороне. Это приводит к снижению порога без увеличения мощности передаваемого сигнала.
Прием со следящим фильтром по промежуточной частоте реализуется при использовании узкополосного фильтра, частота настройки которого следит за мгновенной частотой принимаемого сигнала. Полоса пропускания следящего фильтра Псл ≥ 2Fм , что меньше чем в случае некогерентного приема в примерно в (1+ m чм ) раз. Это снижает уровень шумов на входе демодулятора, без ухудшения параметров сигнала. Аналогичный результат можно получить, используя ООС по частоте, когда УПЧ имеет фиксированную настройку, а управляющее напряжение изменяет частоту гетеродина, следуя изменению частоты входного ЧМ сигнала.
11.3 Импульсные помехи и способы снижения их влияния
Полагаем, что импульсная помеха (ИП) аддитивна, а радиотракт - линейный. Считаем его состоящим из последовательно включенных колебательных контуров. Воздействие импульсной помехи на первый колебательный контур ВЦ (рис.3.3) можно рассматривать как электрический удар, приводящий к заряду конденсатора контура, с последующим разрядом его и возникновением колебательного процесса с частотой собственных колебаний ω0. На колебательный контур УРЧ воздействует уже гармоническое затухающее колебание. Чем выше добротность колебательного контура ВЦ, тем уже его полоса пропускания и тем медленнее затухает колебание.
В основе методов борьбы с ИП лежат методы частотной и временной селекции, а также рассмотренные ранее, с учетом специфики ИП.
Временная селекция основана на блокировании принимаемой реализации при появлении в канале помехи.
Амплитудная селекция при использовании устройств с неглубоким ограничением предполагает построение тракта УПЧ по схеме ШОР (рис.11.3)
ШУ- широкополосный усилитель,
АО - амплитудный ограничитель,
РУ – решающее устройство
Рис.11.3
Уровень ограничения U ог выбирается выше пикового суммарного напряжения сигнала и шума, поэтому при отсутствии помех РПрУ работает в режиме линейного усиления. При воздействии ИП должен автоматически измениться порог решающего устройства U ог = U m0 , где U m0 - максимальный выброс суммарного напряжения, т.е. следящее устройство должно успевать реагировать на изменения U m0 и не срабатывать при действии помех.
Другой способ амплитудной селекции ИП с глубоким ограничением в тракте УПЧ – применение схемы ШОУ (рис.11.4).
ШУ – широкополосный усилитель,
АО – амплитудный ограничитель,
УУ – узкополосный усилитель
Рис.11.4
В системе ШОУ частотная селекция ИП осуществляется фильтром, а амплитудная - ограничителем. Чем шире полоса ШУ, тем меньше длительность отклика ИП и тем меньшей мощностью будет обладать ИП на выходе АО (происходит ограничение сверху). После прохождения через узкополосную систему УУ нарастание отклика ИП происходит до значений меньших, чем порог ограничения снизу (на выходе УУ). Это позволяет избавиться от ИП или существенно уменьшить ее влияние.
Среди других способов борьбы с ИП в профессиональных РПрУ используется квазиоптимальная фильтрация, когда ширина полосы пропускания радиотракта, реализованного с применением простейших фильтров (например, одиночных колебательных контуров) выбирается оптимальной с точки зрения максимального отношения сигнал/шум.
Из радикальных способов борьбы с ИП может также использоваться метод подавления ИП, когда на основе известных спектральных свойств ИП, в момент появления ИП на входе в дополнительном канале формируется импульс, противофазный входной ИП. После сложения сигнала, содержащего помеху, из основного канала и, сформированной ИП, в решающем устройстве, ИП может быть полностью скомпенсирована.
11.4 Флуктуационная помеха и способы ее ослабления
Флуктуационные помехи (ФП) обычно связаны с приемной антенной и обусловлены внеполосным шумовым излучением передатчиков и шумовым излучением гетеродинов приемников (обычно значительно слабее).
В большинстве случаев ФП можно считать стационарным случайным процессом всегда присутствующим в канале связи по своей природе и не может быть полностью устранен. Они вызывают маскировку, подавление, искажение сигналов. Маскировка из-за выбросов помехи затрудняет различение рабочих сигналов. Интерференция сигналов и шумов при определенных фазовых соотношениях может приводить к подавлению полезного сигнала.
Ослабление ФП проводится с учетом ее частотных свойств: спектр - практически бесконечен, фазы составляющих спектра случайны.
Частотная селекция позволяет уменьшить уровень ФП в радиотракте. Радиотракт обладает полосой пропускания необходимой для усиления сигнала с допустимым уровнем искажений и, соответственно, ограничивает мощность ФП, попадающую в радиотракт (рис.11.5а).
а) б)
Рис.11.5
При действии на входе РПрУ дискретного сигнала со спектром (рис.11.5б) максимальное ослабление ФП обеспечивается применением согласованного фильтра, имеющего гребенчатую форму АЧХ, подавляющего составляющие спектра ФП в промежутках между составляющими спектра сигнала.
Значительно более простую реализацию имеет фильтр, осуществляющий квазиоптимальную фильтрацию, обеспечивающий на его выходе максимальное отношение сигнал/шум.
Прием дискретных сигналов на фоне ФП с известной начальной фазой можно эффективно осуществлять, используя корреляционный или автокорреляционный прием, основанный на использовании различных статистических свойств сигнала и ФП.
11.5 Мультипликативные помехи
До сих пор при анализе влияния различных видов помех на дискретный сигнал считалось, что отсутствуют какие-либо эффекты последействия (отсутствует наложение откликов в канале на входной сигнал) и рассеяния переданных сигналов во времени, по частоте или пространству. Однако реальные каналы обладают памятью (процессы в канале инерционны и накладываются друг на друга).
Если в системе связи применяют частотное разделение каналов, то рассеяние по частоте может вызвать перекрытие частотных спектров сигналов и, как следствие, взаимные помехи между каналами.
Неоднородности среды распространения, порождающие отраженные радиоволны, наличие в тракте передачи реактивных элементов, вызывает отклонение передаточной функции канала от идеальной, растягиванию во времени отклика канала на приемной стороне по сравнению с длительностью переданного сигнала.
Перегрузка тракта модуляции и выходного каскада РПдУ, а также нелинейные эффекты в усилительном тракте приемника приводят к дополнительным помехам приему сигналов.
Диэлектрические неоднородности среды распространения искажают плоский фронт радиоволны. При этом возникает сложная картина интерференционных замираний, зависящих от частоты, времени и места приема. Все виды рассеяния образуют мультипликативные помехи (МП).
Для борьбы с искажениями, вызванных пространственным рассеянием эффективен прием на несколько пространственно разнесенных антенн, что широко применяется для борьбы с замираниями.
Применение остронаправленных приемных антенн позволяет применить пространственное разделение лучей, что повышает помехоустойчивость.
При частотном разделении лучей используют передачу элементов сигнала, следующих друг за другом, на различных смежных частотах, что позволяет разделить мешающие отклики канала с помощью резонансных фильтров.
Корреляционное разделение лучей предполагает использование в качестве переносчика сообщений широкополосных сигналов с базой Бс = 2П cТc>>1, где Пс – полоса, занимаемая сигналом, а Тс – время действия полезного сигнала. При условии ортогональности на длительности единичного элемента на приемной стороне проводится их когерентное сложение и некогерентное детектирование, что создает заметный выигрыш в помехоустойчивости.
Вопросы для самопроверки
1.Как ЭМП подразделяются по типу источника?
2.Каковы причины искусственных помех?
3.Назовите типы искусственных помех.
4.Как подразделяются помехи по частотно-временным свойствам?
Люди также интересуются этой лекцией: 16 Геометрическая интерпретация решений дифференциальных уравнений 1 порядка.
5.Чем отличаются сосредоточенные помехи от импульсных?
6.Что является причиной ФП?
7.В чем разница между аддитивной и мультипликативной помехой?
8.Какие существуют способы борьбы с сосредоточенными помехами?
9.Назовите способы борьбы с импульсными помехами.
10.Какие существуют способы борьбы с флуктуационными помехами?
