Причины ослабления сигнала, шумов и помех

Нежелательное воздействие различных систем передачи друг на друга, различных объектов и явлений на системы связи создает причины, которые создают проблему электромагнитной совместимости. Рассмотрим, например, спутниковый канал связи, блок-схема с источниками возникно­вения шумов и ослабления сигнала которого представлена на рис. 1.

На данном рисунке механизмы ослабления (или по­терь) сигнала показаны затененными, а источники шума — штрихованными прямоуголь­никами. Источники, ослабляющие сигнал и вносящие шум, представлены сетчатыми пря­моугольниками. Ниже приводится перечень источников (21 наименование) ухудшения качества передачи, в котором описаны важнейшие факторы, вносящие вклад в ухудшение отношения SNR. Нумерация списка соответствует нумерации, приведенной на рис. 1.

1. Потери, связанные с ограничением полосы. Все системы используют в передатчике фильтры для передачи энергии в ограниченной или выделенной полосе. Это по­зволяет исключить интерференцию с сигналами других каналов или пользователей, а также удовлетворить требования органов государственного регулирования. Подобная фильтрация уменьшает общее количество передаваемой энергии; ре­зультат — ослабление сигнала.

2. Межсимвольная интерференция. Фильтрация в систе­ме — передатчике, канале и приемнике — может привести к межсимвольной интерференции. Принятые импульсы перекрываются; хвост одного импульса «размывается» на соседние символьные интервалы, что мешает процессу детек­тирования. Даже при отсутствии теплового шума, неидеальная фильтрация, ограничение полосы системы и замирание в каналах приводят к возникновению межсимвольной интерференции.

 

3.Фазовый шум гетеродина. При использовании в процессе смешения сигналов гетеродина, случайное смещение фазы добавляет к сигналу фазовый шум. При использовании в корреляционном приемнике опорного сигнала случайное смеще­ние фазы может привести к уменьшению возможностей детектора, а, следовательно, к ослаблению сигнала. В передатчике случайное смещение фазы может привести к размыванию полосы выходного сигнала, которая затем будет ограничена выходным фильтром, что приведет к ослаблению сигнала.

4. Преобразование амплитудной модуляции в фазовую (АМ/РМ conversion).

 

Данное преобразование — это явление фазового шума, проявляющееся в

 

нелинейных устройствах, таких как лампа бегущей волны (traveling-wave tube

 

— TWT, ЛБВ). Флуктуации амплитуды сигнала (амплитудная модуляция)

 

порождают колебания фазы, вносящие фазовый шум в сигналы, которые

 

выделяются с помощью коге­рентного детектирования.

 

Преобразование амплитудной модуляции в фазовую также может приводить к возникновению дополнительных боковых полос, что вызывает ослабление сигнала.

5 Усиление или ослабление на ограничителе. Ограничитель с резким порогом может усилить более мощный из двух сигналов и подавить более слабый; это может привести как к усилению, так и к ослаблению сигнала.

6. Интермодуляционные (IM) составляющие, возникающие в результате взаимодействия нескольких несущих. Когда несколько сигналов, которые передаются на разных не­сущих частотах, одновременно присутствуют в нелинейном устройстве, таком, на­пример, как ЛБВ, может возникнуть мультипликативное взаимодействие между частотами несущих, что может привести к возникновению комбинационных сиг­налов суммарных и разностных частот. Перераспределение энергии между этими паразитными сигналами (интермодуляционные, или IM-составляющие) представ­ляет потерю энергии сигнала. Кроме того, если эти IM-составляющие появляются
в частотной области того или другого полезного сигнала, это приводит к увеличению уровня шума для соответствующего сигнала.

7. Модуляционные потери. Полезной считается только та мощность, которая связана с сигналами, переносящими информацию. Достоверность передачи является функцией удельной энергии, приходящейся на один символ. Любая мощность, используемая для передачи несущей, отличной от той, что модулирует сигнал (символы), представляет потери модуляции. (Стоит, правда, отметить, что энер­гия несущей может использоваться для обеспечения синхронизации.)

8. Эффективность антенны. Антенны — это преобразователи, превращающие

 

электронные сигналы в электромагнитные поля и наоборот. Кроме того, они

 

используются для фокусировки электромагнитной энергии в заданном

 

направлении. Чем больше апертура (поверхность) антенны, тем выше

 

результирующая плотность мощности сигнала в заданном направлении.

 

Эффективность антенны опи­сывается отношением ее эффективной апертуры к физической. Механизмы, приводящие к снижению эффективности (уменьшению интенсивности сигнала), вызываются убыванием амплитуды, затенением апертуры, рассеиванием, переизлучением, приемом паразитных сигналов, дифракцией по краям и потерями вследствие диссипации. Типичная эффективность, получаемая при суммар­ном воздействии всех названных механизмов, равна порядка 50-80%.

9. Ослабление и шум на обтекателе. Обтекатель — это специальная оболочка, применяемая для некоторых антенн в целях защиты от погодных воздействий. Обте­катель, находящийся на пути сигнала, будет рассеивать и поглощать некоторую энергию сигнала, что приведет к ослаблению сигнала. Основной закон физики утверждает, что тело, способное поглощать энергию, также излучает энергию (при температуре свыше 0 К). Часть этой энергии приходится на полосу приемника и вносит посторонний шум.

10. Потеря наведения. Если передающая, либо принимающая антенна направлена неидеально, существует возможность потери сигнала.

11. Поляризационные потери. Поляризация электромагнитного поля определяется как направление в пространстве, вдоль которого лежат силовые линии поля, а поля­ризация антенны описывается поляризацией ее поля излучения. При неверном согласовании передающей и принимающей антенн сигнал может ослабляться.

12. Атмосферные помехи и шум атмосферы. Атмосфера отвечает за

 

ослабление сигнала, а также вносит нежелательные помехи. Основная часть

 

атмосферы лежит ниже высоты 20 км; но даже в пределах этого относительно

 

короткого пути работают важные механизмы потерь и шумов. Атмосфера

 

вносит в ка­нал энергию шумов. Как и в случае обтекателя, молекулы,

 

поглощающие энергию, также излучают энергию. Молекулы кислорода и

 

водяного пара излучают шум по всему спектру радиочастот. Часть этого шума,

 

приходящаяся на полосу данной сис­темы связи, ухудшает ее отношение

сигнал/шум. Ливень является основной атмо­сферной причиной ослабления сигнала и основным фактором, вносящим шум. Чем он интенсивнее, тем большую энергию сигнала он поглотит. Кроме того, в дождливый день через луч антенны, направленный на приемник, проходит больше атмосферных шумов, чем в ясный день.

13. Пространственные потери. Интенсивность электрического поля, а следовательно, и интенсивность сигнала (плотности мощности или плотности потока мощно­сти) уменьшаются с расстоянием. Для канала спутниковой связи пространственные потери — это наибольшие потери, вызванные одним фактором, приводящим к ослаблению в системе (данный фактор отнесен к ослаблению сигнала, потому что не вся излучаемая энергия фокусируется на целевой принимающей антенне).

14. Помехи соседнего канала (adjacent channel interference — ACI). Эта интерференция характеризуется нежелательными сигналами, которые поступают из других частотных каналов, или энергией, привносимой в интересующий нас канал. Возмож­ность такого «заползания» соседнего сигнала определяется модуляционным спек­тральным сглаживанием, а также шириной и формой основного спектрального лепестка сигналов.

15 Соканальная интерференция. Данной интерференцией называется ухудшение качества, вызванное интерферирующими сигналами, которые появляются в пределах полосы частот сигнала. Она может вноситься по-разному, например, посредством случайных передач, недостаточного разграничения вертикальной и горизонтальной поляризации
или приема паразитных сигналов боковым лепестком антенны (низкоэнергетическим лучом, окружающим основной луч антенны). Кроме того, соканальная интерферен­ция может вноситься другими пользователями данного спектра.

16 Комбинационные помехи. Интермодуляционные составляющие, описанные в п. 6, происходят от сигналов с многочисленными несущими, взаимодействующими в нелинейном устройстве. Подобные составляющие иногда называются активной взаимной модуляцией;как говорилось в п. 6, они могут либо приводить к потере энергии сигнала, либо быть причиной внесения в канал шума. В данном пункте мы имеем дело с пассивной взаимной модуляцией; это явление вызывается взаимо­действием сигналов с многочисленными несущими, имеющими нелинейные компоненты на выходе передатчика. Эти нелинейности обычно появляются на стыке волноводов, корродированных поверхностях и поверхностях с плохим электрическим контактом. Электромагнитные поля значительной мощности, имеющие диодоподобную характеристику (рабочий потенциал), порождают мультипликативные составляющие, а следовательно, — помехи. Если подобные помехи будут излучаться на близлежащую принимающую антенну, они могут серьезно ухудшить качество функционирования приемника.

17 Галактический или космический шум, звездный шум и шум побережья. Все небес­ные тела, такие как звезды и планеты, излучают энергию. Подобная энергия шума, поступающая в зону обзора антенны, отрицательно сказывается на отно­шении сигнал/шум.

18 Потери в фидере. Уровень принятого сигнала может быть крайне мал (например, 10^-12 В); следовательно, он может быть особенно чувствителен к воздействию шума. По этой причине в начале приемника находится область, где прилагаются значитель­ные усилия, чтобы максимально снизить уровень шума, пока сигнал не будет в дос­таточной степени усилен. Волновод или кабель (фидер) между принимающей антен­ной и собственно приемником не только приводит к поглощению сигнала, но и вносит тепловой шум.

19 (Собственный) шум приемника. Это тепловой шум, порождаемый приемником.

20 Потери аппаратной реализации. Эти потери представляют собой разность между теоретической эффективностью детектирования и реальной, определяемой несо­вершенством системы: ошибками синхронизации, уходом частоты, конечными временами нарастания и спада сигналов и конечнозначной арифметикой.

21 Неидеальная синхронизация. Если фаза несущей, фаза поднесущей и синхронизация символов организованы идеально, вероятность ошибки представляет собой однозначную функцию отношения сигнал/шум. К сожалению, названные величины реализуются не идеально, что приводит к потерям.