Помехи и искажения. Помехи и шумы в каналах связи

Понятие помехи

Лекция 3. Дискретный канал с помехами

Цель лекции: ознакомление c понятием помех

а) понятие помех;

б) виды помех;

в) искажения;

г) борьба с помехами.

Помеха – это любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывная связь. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и с перекрестными наводками. Прерывание связи есть явление, при котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает.

Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Этот вид помех особенно сказывается в диапазоне ультракоротких волн. В этом диапазоне имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

Классификацию помех можно провести по следующим признакам:

По происхождению (месту возникновения);

По физическим свойствам;

По характеру воздействия на сигнал.

К помехам по происхождению в первую очередь относятся внутренние шумы аппаратуры (тепловые шумы) обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Среднее значение напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Квадрат эффективного напряжения теплового шума определяется известной формулой Найквиста

где Т- абсолютная температура, которую имеет сопротивление R;

F - полоса частот; k =1,37*10 (-23) Вт.сек/град- постоянная Больцмана.

К помехам по происхождению, во вторую очередь, относятся помехи от посторонних источников, находящихся вне каналов связи:

Атмосферные помехи (громовые разряды, полярное сияние, и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

Индустриальные помехи, возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, системы зажигания двигателей, медицинские установки и другие.);

Помехи от посторонних станций и каналов, возникающих от различных нарушений режима их работы и свойств каналов;

Космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах, галактиках и других внеземных объектах.

По физическим свойствам помех различают:

Флуктуационные помехи;

Сосредоточеные помехи.

Флуктуационные помехи . Среди аддитивных помех особое место занимает флуктационная помеха, которая является случайным процессом с нормальным распределением (гауссов процесс). Этот вид помех практически имеет место во всех реальных каналах.

Электрическую структуру флуктуационной помехи можно представить себе как последовательность бесконечно коротких импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через случайные промежутки времени. При этом импульсы появляются один за другим настолько часто, что переходные явления в приемнике от отдельных импульсов накладываются, образуя случайный непрерывный процесс.

Так, источником шума в электрических цепях могут быть флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда (электронов, ионов). Дискретная природа электрического тока проявляется в электронных лампах и полупроводниковых приборах в виде дробового эффекта.

Наиболее распространенной причиной шума являются флуктуации, обусловленные тепловым движением.

Длительность импульсов, составляющих флуктуационную помеху, очень мала, поэтому спектральная плотность помехи постоянна вплоть до очень высоких частот.

К сосредоточенным по времени (импульсным) помехам относят помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за другим через такие большие промежутки времени, что переходные явления в радиоприемнике от одного импульса успевают практически затухнуть к моменту прихода следующего импульса.

Сосредоточенные по спектру помехи . К этому виду помех принято относить сигналы посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты различного назначения и т. п. В отличие от флуктационных и импульсных помех, спектр которых заполняет полосу частот приёмника, ширина спектра сосредоточенной помехи в большинстве случаев меньше полосы пропускания приёмника. В диапазоне коротких волн этот вид помех является основным, определяющим помехоустойчивость связи.

По характеру воздействия на сигнал различают:

Аддитивные помехи;

Мультипликативные помехи.

Аддитивной называется помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействует на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.

Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. В реальных каналах электросвязи обычно имеют место не одна, а совокупность помех.

Под искажениями понимают такие изменения форм сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала – переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные и нелинейные возникающие в соответствующих линейных и нелинейных цепях. В общем случае искажения отрицательно сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм).

При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. Дальнейшие изменения формы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при последующей обработке в приемнике. Это уже дело техники.

ДРУГОЕ ДЕЛО ПОМЕХИ - ОНИ заранее не известны и поэтому не могут быть устранены полностью.

Борьба с помехами - основная задача теории и техники связи. Любые теоретические и технические решения, о выполнении кодера или декодера, передатчика и приемника системы связи должны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются помехи. При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем направлениям:

Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективное и широко применяемое мероприятие, но не всегда приемлемо. Ведь существуют источники помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.);

Уменьшение помех на путях проникновения в приемник;

Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Именно это направление для нас является предметом изучения.

1.7. Помехи и искажения

Общие сведения. В реальном канале сигнал при передаче искажается и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал.

Частотные и временные характеристики канала определяют так называемые линейные искажения. Кроме того, канал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных его звеньев. Как линейные, гак и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала и поэтому, в принципе, могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Следует четко отделить искажения от помех, имеющих случайный характер. Помехи заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Под помехой понимается любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. В радиоканалах наиболее распространенными являются атмосферные помехи, обусловленные электрическими процессами в атмосфере и, прежде всего, грозовыми разрядами. Энергия этих помех сосредоточена, главным образом, в области длинных и средних волн. Сильные помехи создаются также промышленными установками. Это так называемые индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в электрических цепях всевозможных электроустройств. Сюда относятся помехи от электротранспорта, электрических моторов, медицинских установок, систем зажигания двигателей и т. п.

Распространенным видом помех являются помехи от посторонних радиостанций и каналов. Этот вид помех обусловлен нарушением регламента распределения рабочих частот, недостаточной стабильностью частот, и плохой фильтрацией гармоник сигнала, а также нелинейными процессами в каналах, ведущими к перекрестным искажениям.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и с перекрестными наводками. Прерывание связи есть явление, при котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает. Такие прерывания могут быть вызваны различными причинами, из которых наиболее частыми являются нарушение контактов в реле, разъемах и т.п.

В общем виде влияние помехи ω на передаваемый сигнал s можно выразить оператором

x =Ψ(s ,ω) (1.9)

В частном случае, когда оператор Ψ вырождается в сумм

x = s +ω (1.10)

помеха называется аддитивной. Если же оператор может быть представлен в виде произведения

x = μs (1.11)

то помеху называют мультипликативной. Здесь μ (t ) - случайный процесс. Если μ - медленный по сравнению с сигналом процесс, то его называют замираниями. В реальных каналах обычно имеют место и аддитивные, и мультипликативные помехи, поэтому

x = μs +ω (1.12)

Флуктуационная помеха. Среди аддитивных помех особое место занимает флуктуационная помеха, которая является случайным процессом с нормальным распределением (гауссов процесс). Такая помеха наиболее изучена и представляет наибольший интерес, как в теоретическом, так и в практическом отношениях. Этот вид помех практически имеет место во всех реальных каналах. Сумма большого числа любых помех от различных источников также имеет характер флуктуационной помехи. И, наконец, многие помехи три прохождении через приемное устройство часто приобретают свойства нормальной флуктуационной помехи.

Электрическую структуру флуктуационной помехи можно представить себе как последовательность бесконечно коротких импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через случайные промежутки времени. При этом импульсы появляются один за другим настолько часто, что переходные явления в приемнике от отдельных импульсов накладываются, образуя непрерывный случайный процесс.

С физической точки зрения случайные помехи порождаются различного рода флуктуациями, т. е. случайными отклонениями тех или иных физических величин от их средних значений. Так, источником шума в электрических цепях могут быть флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда (электронов, ионов). Дискретная природа электрического тока проявляется в электронных лампах и полупроводниковых приборах в виде дробового эффекта.

Наиболее распространенной причиной шума являются флуктуации, обусловленные тепловым движением. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов (напряжение) на его концах. Среднее значение напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Квадрат эффективного напряжения теплового шума определяется известной формулой Найквиста

где Т - абсолютная температура, которую имеет сопротивление R ; F - полоса частот; k=вт. сек/град- постоянная Больцмана.

Длительность импульсов, составляющих флуктуационную помеху, очень мала, поэтому спектральная плотность помехи постоянна вплоть до очень высоких частот. Типичным примером флуктуационных помех являются внутренние шумы приемника. Флуктуационный характер имеют космические помехи, а также некоторые виды атмосферных и индустриальных помех.

Импульсные помехи. К импульсным или сосредоточенным по времени помехам относят помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за другим через такие большие промежутки времени, что переходные явления в радиоприемнике от одного импульса успевают практически затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К таким помехам относятся многие виды атмосферных и индустриальных помех. Заметим, что понятия «флуктуационная помеха» и «импульсная помеха» являются относительными. В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная на приемник с широкой полосой пропускания и как флуктуационная на приемник с относительно узкой полосой пропускания.

Импульсные помехи представляют собой дискретный случайный процесс, состоящий из отдельных редких, случайно распределенных по времени и амплитуде импульсов. Статические свойства таких помех с достаточной для практических целей полнотой описываются распределением вероятностей амплитуд импульсов и распределением временных интервалов между этими импульсами.

Сосредоточенные по спектру помехи. К этому виду помех принято относить сигналы посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты различного назначения (промышленные, медицинские) и т. п. Обычно это модулированные колебания, т. е. синусоидальные колебания с изменяющимися параметрами. В одних случаях эти колебания являются непрерывными (например, сигналы вещательных и телевизионных радиостанций), в других случаях они носят импульсный характер (сигналы радиотелеграфных станций). В отличие от флуктуационных и импульсных помех, спектр которых заполняет всю полосу частот приемника, ширина спектра сосредоточенной полежи в большинстве случаев меньше полосы пропускания приемника. В диапазоне коротких волн этот вид помех является основным, определяющим помехоустойчивость связи.

Помехами называются посторонние электромагнитные возмущения n(t), накладывающиеся на передаваемые сигналы S(t) и препятствующие приему сигналов.

По форме помехи делятся на несколько видов:

синусоидальные - от промышленной сети с частотой 50 Гц, от медицинских установок и различных аппаратов;
импульсные - в виде отдельных импульсов или групп импульсов (например, помехи от систем зажигания двигателей внутреннего сгорания);
хаотические - типа теплового шума (например, броуновское движение заряженных частиц).

По характеру мешающего воздействия помехи также делятся на несколько видов:

аддитивные - когда в канале связи помеха u(t) складывается с полезным сигналом S{t), т.е. Z(t) = S(t ) + u(t);
мультипликативные - когда воздействие помехи n(t) эквивалентно изменению коэффициента передачи канала связи, т.е. Z{t) = S(t) n(t).

Аддитивные помехи, в свою очередь, подразделяются на помехи соседних радиоканалов, промышленные, естественные, флюктуаци- онные и помехи в виде случайного процесса.

Помехи соседних радиоканалов (перекрестные помехи) возникают, например, из-за перекрытия спектров соседних каналов связи (рис. 5.12). Мера борьбы - раздвигание несущих частот соседних каналов не менее чем на две полуширины спектров сигналов.

Рис. 5.12. Перекрытие спектров соседних каналов связи с несущими частотами f x и/ 2

Промыииенные помехи (искусственные помехи) возникают вследствие затухающих колебаний при искрообразовании в различных электрических устройствах (например, электромагнитное излучение промышленного оборудования, ламп накаливания). Эти помехи проявляются, например, в беспорядочном треске и щелчках в телефонах. Мера борьбы - предотвращение или уменьшение искрообразования, использование фильтров для замыкания ВЧ-колебаний в устройствах, экранирование радиоаппаратуры.

Естественные помехи могут быть атмосферными (внутриканаль- ными) и космическими. Атмосферные помехи возникают из-за электромагнитного излучения при грозовых разрядах и проявляются на длинных и средних волнах в виде сильного нерегулярного треска в телефонах и радиоприемниках. Космические помехи вызваны излучением звезд в результате протекающих в них процессов преобразования энергии. Меры борьбы - переход в ультракоротковолновый диапазон, свободный от этого вида помех.

Флюктуационные помехи, источником которых являются внутренние шумы, представляют собой случайные колебания токов и напряжений в элементах радиоаппаратуры - последовательность коротких импульсов, имеющих случайный момент появления.

Помехи в виде случайного процесса можно определить как нежелательный процесс, который сопровождает передачу сигналов в линиях связи. Примером могут служить перекрестные помехи, когда во время телефонной связи происходит ложная коммутация двух телефонных линий, в результате чего в трубке можно слышать разговор по другой линии. Другим примером являются внутриканальные помехи, которые иногда возникают в телевизионных системах под воздействием атмосферных явлений. При этом телевизионный сигнал начинает распространяться на расстояния, превышающие обычные, и возникают взаимные помехи с локальными радиостанциями, ведущими вещание на тех же частотах.

Часть помех в линии связи вносят электронные компоненты - различные шумы: тепловой, дробовой, фликер-шум.

Тепловой шум возникает в процессе теплового возбуждения атомов проводника или резистора. В результате появляются свободные электроны, которые хаотически движутся в различных направлениях с различными скоростями. Их движение приводит к появлению случайной разности потенциалов на концах проводника или резистора.

Дробовой шум присутствует везде, где через какое-либо активное устройство течет постоянный или переменный ток и происходят случайные колебания величины этого тока, которые накладываются на сигнал и искажают его. Название «дробовой шум» происходит от специфического потрескивания, которое можно услышать в наушниках, если усилить сигнал с помощью усилителя низкой частоты.

Фликер-шум возникает в полупроводниковых вакуумных устройствах вследствие дефектов кристаллической структуры материала, которые приводят к флюктуациям проводимости. Происхождение этих шумов до конца не выяснено. Фликер-шумы нельзя смоделировать, поскольку они изменяются от устройства к устройству. В большинстве случаев на частотах свыше 10 кГц фликер-шумом можно пренебречь. Условно считают, что фликер-шум занимает полосу 0,1... 10 3 Гц.

В качестве параметра для оценки качества системы используется отношение сигнал/шум - отношение максимального значения напряжения сигнала к эффективному значению напряжения шума:

Отношение сигнал/шум часто определяют в децибелах:

Иногда в качестве отношения сигнал/шум берут отношение мощности сигнала P s и средней мощности помехи Р„, также выраженное в децибелах:

Типичные значения приемлемого отношения сигнал/шум составляют около 50...60 дБ - для высококачественного радиовещания музыкальных программ, 16 дБ - для низкокачественной передачи речи, до 30 дБ - для коммерческих телефонных систем, 60 дБ - для телевизионного вещания с хорошим качеством.

Отношение сигнал/шум уменьшается при прохождении сигнала через каскады усиления или преобразования в приемных устройствах систем связи, так как каждый каскад добавляет собственный шум. Если рассматривать многокаскадный усилитель, то общий коэффициент усиления определяется произведением коэффициентов усиления каждого каскада:

В идеальном случае, когда каскады не вносят собственных шумов, на выходе отношение сигнал/шум не изменится, так как

Реально каждый /-каскад вносит шумы и помехи:

Тогда отношение сигнал/шум на выходе /-каскада будет составлять

При расчете общего отношения сигнал/шум всех каскадов системы необходимо раздельно вычислить полезный сигнал 5 отах ВЬ1Х и уровень шума л вых (/) с учетом коэффициентов передачи каскадов G, и уровня шумов «,(/), внесенных в каждый каскад.

Лекция № 4.

Помеха – это любое мешающее внешнее или внутреннее воздействие на сигнал, вызывающее случайные отклонения принятого сигнала от передаваемого .

Помехи очень разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. Иногда помехи резко отличаются от сигнала, а иногда даже трудно определить, где сигнал, а где помеха. Вдруг в телефоне слышно два разговора. Надо время, чтобы различить, где полезный сигнал, а где случайно подключившаяся «помеха». В то же время эта «помеха» - полезный сигнал для другого абонента.

Помехи можно классифицировать по следующим признакам:

По происхождению (месту возникновения);

По физическим свойствам;

По характеру воздействия на сигнал.

По происхождению в первую очередь надо отметить внутренние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах. Эти помехи также называются тепловыми шумами . Квадрат эффективного напряжения теплового шума на сопротивлении R определяется известной формулой Найквиста

где – абсолютная температура сопротивления ; – полоса частот;

Вт·с/град – постоянная Больцмана.

Эти шумы принципиально устранимы только при абсолютном нуле ().

Помехи от посторонних источников делятся на:

- атмосферные помехи (грозовые разряды, полярные сияния и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

- индустриальные помехи , возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, медицинские установки, системы зажигания двигателей и др.);

- помехи от посторонних станций и каналов , возникающие от различных нарушений режима их работы и свойств каналов;

- космические помехи , связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах, галактиках и других внеземных объектах.

По физическим свойствам различают флуктуационные и сосредоточенные помехи.

Флуктуационными называют помехи, обусловленные флуктуациями тех или иных физических величин. Название происходит от физического понятия флуктуации (лат. fluctuation – колебание) – случайные отклонения физических величин от среднего. Флуктуационная помеха представляет собой непрерывные колебания, меняющиеся случайным образом. Они проникают в систему связи не только извне, но и зарождаются также внутри самой системы в различных ее звеньях.

Причинами внутренних флуктуационных помех являются в основном тепловой шум в проводниках и дробовый эффект в электронных приборах. К внешним флуктуационным помехам относятся помехи космического происхождения, помехи, вызванные взаимными влияниями цепей в линиях связи (линейные и нелинейные переходы, попутный поток и некоторые другие).

Характерной особенностью флуктуационных помех является то, что явления, порождающие эти помехи, лежат в физической природе вещей (дискретное строение вещества, дискретная природа электромагнитного поля) и принципиально не могут быть устранены.

К сосредоточенным во времени (импульсным) помехам относятся помехи в виде одиночных коротких импульсов различной интенсивности и длительности, следующих один за другим через случайные, достаточно большие промежутки времени. Причинами импульсных помех являются: грозовые разряды; радиостанции, работающие в импульсном режиме; линии электропередачи и другие энергоустановки; система зажигания и энергообеспечения транспорта; перегрузки усилителей; плохие контакты в оборудовании и питании; недостатки разработки и изготовления оборудования; эксплуатационные работы (реконструкция, профилактика, подключение к действующему каналу измерительных приборов, ошибочная коммутация и т.п.).

К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи посторонних радиостанций, генераторов высокой частоты различного назначения (медицинские, промышленные, бытовые и др.), переходные помехи от соседних каналов многоканальных систем. Обычно это гармонические или модулированные колебания с шириной спектра меньшей или соизмеримой с шириной спектра полезного сигнала.

По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи.

Аддитивной является помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействуют на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.

Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. Эти помехи непосредственно связаны с процессами прохождения сигнала в среде распространения и могут ощущаться только при наличии сигнала в системе связи.

В реальных каналах электросвязи обычно имеет место не одна, а совокупность помех. Но основными можно считать флуктуационные помехи, воздействующие на сигнал как аддитивные.

Искажения – это такие изменения формы сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала – переходные процессы в линиях связи, цепях передатчика и приемника.

Существует два вида искажений:

- линейные искажения , возникающие в линейных цепях;

- нелинейные искажения , возникающие в нелинейных цепях.

Искажения отрицательно сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм).

При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. А дальше изменение формы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при дальнейшей обработке в приемнике. Другое дело помехи – они заранее неизвестны и поэтому не могут быть устранены полностью.

Методы борьбы с помехами .

При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем основным направлениям:

1. Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективное и широко применяемое мероприятие, но не всегда приемлемо, так как существуют источники помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.).

2. Уменьшение помех на путях их проникновения в приемник. Помехи обычно воздействуют на сигнал в среде распространения, поэтому как проводные, так и радиолинии строятся так, чтобы обеспечить заданный уровень помех.

3. Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Именно это направление борьбы с помехами является предметом изучения в теории электросвязи.

В реальном канале сигнал при передаче искажается и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал.

Частотные и временные характеристики канала определяют так называемые линейные искажения. Кроме того, канал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных звеньев канала. Если линейные и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала, то они, по крайней мере в принципе, могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Следует четко отличать искажения от помех, имеющих случайный. характер. Помехи заранее не известны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Под помехой понимается любое воздействие на полезный сигнал, затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. В радиоканалах наиболее распространенными, являются атмосферные помехи, обусловленные электрическими процессами в атмосфере и, прежде всего, грозовыми разрядами. Энергия этих помех сосредоточена, главным образом, в области длинных и средних волн. Сильные помехи создаются также промышленными установками. Это так называемые индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в электрических цепях всевозможных электроустройств. Сюда относятся помехи от электротранспорта, электрических двигателей, медицинских установок, систем зажигания двигателей и т. п.

Распространенным видом помех являются помехи от посторонних радиостанций и каналов. Они обусловлены нарушением регламента распределения рабочих частот, недостаточной стабильностью частот и плохой фильтрацией гармоник сигнала, а также

нелинейными процессами в каналах, ведущими к перекрестный искажениям.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи. Появление импульснцх помех часто связано с автоматической коммутацией и перекрестными наводкамн. Прерывание связи есть явление, при котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает. Такие прерывания могут быть вызваны различными причинами, из которых наиболее частыми являются нарушения контактов в реле.

Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Эти помехи особенно сказываются при радиосвязи в диапазоне ультракоротких волн, где другие помехи невелики. В этом диапазоне имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

В общем виде влияние помехи на передаваемый сигнал можно выразить оператором

В частном случае, когда оператор вырождается в сумму

помеха называется аддитивной. Если же оператор может быть представлен в виде произведения

то помеху называют мультипликативной. Здесь - случайный процесс. В реальных каналах обычно имеют место и аддитивные и мультипликативные помехи, и поэтому

Среди аддитивных помех различного происхождения особое место занимает флуктуационная помеха (флуктуационный шум), представляющая собой случайный процесс с нормальным распределением (гауссовский процесс). Такая помеха наиболее изучена и представляет наибольший интерес как в теоретическом, так и в практическом отношении. Этот вид помех практически имеет место во всех реальных каналах.

С физической точки зрения такие помехи порождаются различного рода флуктуациями, т. е. случайными отклонениями тех или иных физических величин от их средних значений. Так источником шума в электрических цепях могут быть флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда

(электронов, ионов). Дискретная природа электрического тока проявляется в электронных лампах и полупроводниковых приборах в виде дробового эффекта.

Сумма большого числа любых помех от различных источников также имеет характер флуктуационной помехи. И, наконец, многие помехи при прохождении через приемное устройство часто приобретают свойства нормальной флуктуационной помехи.

Наиболее распространенной причиной шума являются флуктуации, обусловленные тепловым движением. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов (напряжение) на его концах. Среднее значение напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Тепловой шум на входе приемника представляет собой нормальный случайный процесс с нулевым средним энергетическим спектром:

где постоянная Планка; постоянная Больцмана; абсолютная температура источника шума; текущая частота.

В диапазоне звуковых и радиочастот и поэтому спектральная плотность постоянна и равна

Величину называют односторонней спектральной плотностью шума. При ширине полосы пропускания приемника мощность шума равна

В диапазоне оптических частот, который с развитием квантовой электроники становится весьма перспективным для связи, наоборот, и тепловой игум оказывается очень слабым. Однако в этом диапазоне существенное значение получает «квантовый шум», вызванный дискретной природой излучения сигнала. Сущность квантового шума связана с соотношением неопределенности, согласно которому средние квадратичные ошнбин при измерении энергии фотона и временя его прихода подчиняются неравенству Поэтому даже при отсутствии аддитивных помех сигнал не может быть принят абсолютно точно. В первом приближении можно рассматривать квантовый шум как помеху со спектральной плотностью, равной энергии фотона . В оптическом диапазоне частота выше Гц, поэтому квантовый шум весьма ощутим.

К импульсным, или сосредоточенным по времени, помехам относят помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за другим через такие большие промежутки времени, что переходные явления в приемнике от одного импульса успевают практически затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К таким помехам относятся многие виды атмосферных и индустриальных помех. Заметим, что понятия «флуктуационная помеха» и «импульсная помеха» являются понятиями относительными. В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная на приемщик с

широкой полосой пропускания и как флуктуационная на приемник с относительно узкой полосой пропускания. Импульсные помехи представляют собой случайный процесс, состоящий из отдельных редких, случайно распределенных во времени и по амплитуде, импульсов. Статистические свойства таких помех с достаточной для практических целей полнотой описываются распределением вероятностей амплитуд импульсов и распределением временных интервалов между этими импульсами.

К сосредоточенным по спектру помехам принято относить сигналы посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты различного назначения (промышленных, медицинских) и т. п. В общем случае это модулированные колебания, т. е. квазигармонические колебания с изменяющимися параметрами. В одних случаях эти колебания являются непрерывными (например, сигналы вещательных и телевизионных радиостанций), в других случаях они носят импульсный характер (сигналы радиотелеграфных станций). В отличие от флуктуационных и импульсных помех, ширина спектра сосредоточенной помехи в большинстве случаев не превышает полосы пропускания приемника. В диапазоне коротких волн этот вид помех является основным, определяющим качество связи.