Джерела шумів і завад в канал зв’язку

При розрахунку каналу зв’язку розраховують параметри – бюджет каналу, який враховує зменшення потужності інформаційного потоку даних за рахунок послаблюючого впливу на сигнал сторонніх шумів і завад. Розглянемо можливі джерела виникнення шумів і прояву послаблюючої дії сторонніх завад на прикладі блок-схеми супутникового каналу зв’язку.

Можна виділити основні причини погіршення показника сигнал-шум:

1. – втрати, пов’язані з обмеженням смуги пропускання каналу зв’язку. Причиною є застосування обмежуючих фільтрів при формуванні окремих каналів. Це приводить до звуження спектру, а відповідно втрачається частина складових, які формують загальну потужність сигналу передавача.

2. – міжсимвольна інтерференція. Зумовлена розмиттям фронтів імпульсів при високочастотній передачі і накладанням окремих частин сусідніх цифрових сигналів на інтервалах порогового формування. Вона проявляється навіть при відсутності теплових шумів за рахунок неідеальної фільтрації та обмеження смуги.

3. – фазовий шум гетеродину. В процесі змішування сигналу несучої частоти і моделюючих коливань випадкове зміщення фази сигналу приводить до виникнення фазового шуму. На приймальній стороні зумовлене цим фактором послаблення сигналу погіршує детектуючі властивості приймача.

4. – перетворення амплітудної модуляції у фазову. Проявляється як вплив фазового шуму в нелінійних системах, наприклад, в лампах біжучої хвилі в передавачах. Флуктуаційні амплітудні сигнали зумовлені коливанням фази модульованих сигналів, що і є причиною виникнення додаткового фазового шуму.

5. – інтерференційні явища. Виникають за рахунок впливу амплітудних обмежувачів в тракті передавача і можуть приводити як до підсилення, так і до послаблення сигналу.

6. – інтерполяційні складові, що виникають внаслідок накладання кількох несучих коливань. Виникають при наявності в нелінійних пристроях одночасно сигналу несучої частоти від різних каналів. Можуть привести до виникнення сумарних і різницевих частот за рахунок мультиплікативної взаємодії (множення), що приводить до зростання шумової складової основного сигналу.

7. – модуляційні втрати. Оскільки під бюджетом каналу зв’язку розуміють тільки розрахункове значення прийнятої потужності сигналу, то корисно зважати тільки на потужність, яка зумовлена коливаннями інформаційної складової сигналу. Будь-яка інша складова, яка формує загальну потужність несучого коливання відповідно вважається втратами енергії, незважаючи на те, що окремі складові можуть використовуватись для синхронізації каналу зв’язку.

8. – ефективність антени. Антена, як пристрій, що забезпечує перетворення електричних сигналів в коливання електромагнітної хвилі не володіє 100% ККД. Потужність, яка випромінюється в певному напрямку визначає параметри апертури. Втрати зумовлені тим, що частина потоку енергії розсіюється в просторі. Типова ефективність передачі інформації розсіюється в просторі. Типова ефективність передачі інформації шляхом випромінювання складає 50-80%.

9. – послаблення і шум на конструкціях антени, що називаються обтікачами. Такі конструкції додатково поглинають частину енергетичного потоку і приводять до послаблення сигналу.

10. – втрати наведення. Зумовлені неточністю геометричної орієнтації випромінюваної та приймальної антен вузько направленої дії.

11. – поляризаційні втрати. Зумовлені плоскою електромагнітною хвилею, в певних випадках також потрібна геометрична орієнтація передаючої та приймаючої антени для узгодження та прийому плоскополяризованих хвиль.

12. – атмосферні шуми і завади. В залежності від стану атмосферних змін концентрація водяної пари з висотою. Також значним є поглинання електромагнітних коливань на молекулах кисню. Локальні області з найбільшим поглинанням розташовані на частотах 60ГГц для водяної пари і 120ГГц на молекулах кисню. Збудження цих молекул приводить до виникнення додаткових резонуючих шумів, які погіршують співвідношення сигнал-шум.

13. – просторові втрати, які зумовлені розсіюванням енергетичного потоку в просторі. Призводять до зменшення інтенсивності електромагнітної хвилі з відстанню. Для супутникових каналів зв’язку ці втрати є найбільшими, що зумовлюється також малими геометричними розмірами приймальних антен.

14. – завади сусіднього каналу зумовлені інтерференцією сигналів двох сусідніх каналів, інформація з яких надходить в декодований сигнал одного інформаційного каналу. Залежить також від діаграми направленості антени та використовуваних параметрів фільтрів.

15. – співканальна інтерференція. Даною інтерференцією називається погіршення якості сигналу, що зумовлене інтерференційним накладанням складових частот із заданої смуги пропускання каналу. Причиною виникнення співканальної інтерференції може бути недостатнє розділення вертикальної та горизонтальної поляризації сигналів, приймання низькочастотних складових бокових смуг, а також внесені завади від інших користувачів каналу.

16. – комбінаційні завади. Це завади, зумовлені пасивною взаємною модуляцією сигналу з багатьма несучими частотами, які мають нелінійні складові на виході активних елементів передавачів.

17. – галактичний або космічний шум – шум зірок, який зумовлений випромінюванням електромагнітних хвиль зірок і планет в спектрах, близьких до використовуваних в радіочастотних каналах космічного зв’язку, що приводить до погіршення співвідношення сигнал-шум на приймальній стороні каналу зв’язку.

18. – втрати у фідері. Рівень прийнятого сигналу, що виділяється в антені може мати надзвичайно малу амплітуду на рівні 10^-12 Вольт, що утруднює виділення його з шумів. Таким чином хвилевод або кабель (фідер), який з’єднує антену з вхідними колами приймача при значному поглинанні енергетичного сигналу може бути причиною не тільки погіршення співвідношення сигнал-шум, а і приводить до повного зникнення зв’язку. Для зменшення такого ефекту використовують антенні підсилювачі та силетивні підсилювальні каскади на вході приймачів.

19. – власний шум приймача. Це шумові сигнали, зумовлені так званими тепловими флуктуаційними струмами та так званим дробовим шумом в активних елементах: транзисторах, лампах біжучої хвилі та інших у вхідних каскадах приймачів.

20. – апаратурні втрати сигналів. Зумовлені неякісними детекторами, помилками синхронізації сигналів, відхиленнями частоти гетеродинів, не ідеальністю фронтів наростання та спадання імпульсів. До цього ж виду відносять похибки квантування та дискретизації аналогових сигналів, тобто заміни їх дискретними значеннями на основі цифрової арифметики.

21. – неідеальна синхронізація. Якщо фаза несучої хвилі від несучого коливання і синхронізація організовані ідеально, то співвідношення сигнал-шум є однозначною функцією від параметрів каналу зв’язку. Зсуви фаз приводять до втрати сигналів або просто погіршення співвідношення сигнал-шум.

Вказані види шумів і завад погіршують умови відтворення інформації на приймальній стороні каналу зв’язку. Щоб зменшити їх вплив проводиться розрахунок бюджету каналу для визначення необхідного запасу потужності передавача при якому прийнятий сигнал з врахуванням всіх втрат в окремих елементах тракту системи передачі даних буде мати достатній рівень для однозначного відтворення інформації, що передається цим сигналом. Коефіцієнт запасу бюджету тракту вибирається на рівні 6-8 децибел при врахуванні найгіршого співвідношення сигнал-шум, одержаного внаслідок затухання сигналу в лінії зв’язку.

Тема 7.