Глава 8. Канал с сосредоточенными и импульсными помехами

8.1. Определение и основные характеристики сосредоточенных и импульсных помех

В каналах связи помимо флюктуационных помех, хорошо аппроксимируемых гауссовским шумом, часто встречаются аддитивные помехи другого характера. В радиоканалах, особенно средневолновых и коротковолновых, доминирующую роль играют сосредоточенные и импульсные помехи, которым и посвящена настоящая глава.

Сосредоточенными помехами называют такие аддитивные помехи, у которых основная часть мощности сосредоточена в отдельных полосах частот, меньших или сравнимых с , где  — длительность элемента сигнала. Они возникают чаще всего в радиоканалах в результате воздействия на приемное устройство сигналов, принадлежащих посторонним каналам связи. В этом случае сосредоточенные помехи называют также взаимными.

Импульсными помехами называют такие аддитивные помехи, которые отличны от нуля лишь на отдельных интервалах времени, существенно меньших  разделенных значительно более длительными интервалами, свободными от помехи. Импульсная помеха является регулярной или случайной последовательностью мешающих импульсов. Источники импульсных помех в радиоканалах весьма многообразны. К ним относятся атмосферные разряды, промышленные установки, в частности система зажиганий в двигателях внутреннего сгорания, медицинские и бытовые электроприборы и т. д.

Сосредоточенные и импульсные помехи наблюдаются и в других каналах связи, например в кабельных, гидроакустических и т. п.

Идеализированным предельным случаем сосредоточенных помех является сумма монохроматических помех со случайными (но не изменяющимися во времени) амплитудами, частотами и фазами. Суммарная полоса частот, занимаемая такой помехой, имеет меру нуль и поэтому не снижает пропускную способность канала. Отсюда следует, что в принципе должны существовать методы приема сигнала, при которых идеализированные сосредоточенные помехи могут быть полностью подавлены, т. е. не вызовут ошибок.

Идеализированным предельным случаем импульсной помехи является последовательность дельта-функций, возникающих в случайные моменты времени со случайными интенсивностями. Энергетический спектр такой помехи неограничен, но суммарное время ее существования имеет меру нуль. Следовательно, она также не снижает пропускную способность канала, и должны существовать методы приема, позволяющие полностью подавить идеализированные импульсные помехи.

Реальные составляющие сосредоточенных помех не являются в точности монохроматическими, точно так же реальные импульсы не являются дельта-функциями. Поэтому полное подавление таких помех невозможно, однако можно их подавить частично. Поясним, что мы будем под этим понимать.

Пусть на выходе канала присутствуют сигнал и некоторая аддитивная не гауссовская помеха, которую будем характеризовать средней спектральной плотностью мощности. Предположим, что решающая схема выбрана оптимальной для гауссовской помехи. Вероятность ошибок при этом может быть, в зависимости от характера помехи, либо больше, либо меньше, чем при гауссовской помехе с той же спектральной плотностью. Однако во многих случаях, как будет показано ниже, она мало отличается от вероятности ошибок при гауссовской помехе. Если можно выбрать сигналы и построить такую решающую схему, чтобы вероятность ошибочного приема элемента сигнала конечной длительности  при данной помехе была сколь угодно малой, то будем говорить, что помеха подавлена полностью. Если же вероятность ошибки остается конечной, но существенно меньшей, чем при гауссовской помехе с такой же спектральной плотностью, то помеха подавлена частично.

К сожалению, общей теории оптимального приема при негауссовских помехах в настоящее время практически не существует. Построение ее связано с большими трудностями, поскольку такую помеху нельзя полностью характеризовать первыми двумя моментами. К тому же даже одномерное распределение вероятности негауссовской помехи не инвариантно относительно линейных преобразований.

Вопросы выбора оптимальной системы сигналов и решающей схемы при заданной структуре помехи рассматриваются теоретически лишь для некоторых частных случаев при дополнительных упрощающих допущениях. К числу таких частных случаев относятся идеализированные сосредоточенные или импульсные помехи. Огромные трудности возникают при исследовании каналов, в которых одновременно существуют сосредоточенные, импульсные и флюктуационные помехи.

В ряде работ (например, [1, 2]) подробно исследуется влияние сосредоточенных и импульсных помех на решающую схему, оптимальную при гауссовской помехе, и вычисляются вероятности возникающих при этом ошибок. Такие задачи решаются довольно тривиально, а их практическое значение ограничивается теми каналами, в которых интенсивность импульсных или сосредоточенных помех мала по сравнению с интенсивностью флюктуационной помехи. С целью экономии места эти вопросы здесь рассматриваться не будут (См. примечание 1 к этой главе).

Многие методы подавления сосредоточенных и импульсных помех разработаны исходя из интуитивных соображений. В настоящее время теория этого вопроса в лучшем случае объясняет сущность используемых методов и способна уточнять некоторые их детали.

Заметим, что методы, позволяющие хорошо подавить сосредоточенные помехи, обычно ухудшают условия подавления импульсных помех и наоборот. Это будет показано ниже на ряде примеров. Кроме того, те и другие методы приводят к тому, что решающая схема оказывается не оптимальной для флюктуационных помех.

Радиоканалы в диапазонах длинных, средних и коротких волн всегда подвержены воздействию большого числа сосредоточенных помех. Это является следствием условий распространения радиоволн этих диапазонов, приводящих к тому, что всякое излучение создает заметную напряженность поля на значительных расстояниях от передатчика. Большая часть этих помех имеет относительно небольшую интенсивность. Складываясь, они образуют общий шумовой фон, который по своим характеристикам мало отличается от нормального белого шума. Для такого рода помех справедливы все результаты, полученные в предыдущих главах при изучении флюктуационных помех, но не они представляют основной предмет рассмотрения настоящей главы. Здесь нас будут интересовать отдельные сосредоточенные помехи, выделяющиеся на общем шумовом фоне и соизмеримые по мощности с полезным сигналом. Такие помехи встречаются во всех диапазонах, и при проектировании систем и аппаратуры радиосвязи их возможность всегда учитывается.

С точки зрения механизма воздействия сосредоточенных помех на прием сигнала их можно разделить на три вида:

а) помехи, спектр которых сосредоточен в полосе частот, полностью или частично совпадающей с полосой частот, занимаемой сигналом;

б) помехи, спектр которых лежит вне полосы частот сигнала, их часто называют помехами «по соседним каналам»;

в) помехи, которые на входе приемного устройства имеют спектр, лежащий вне полосы частот сигнала, но в результате нелинейных преобразований в приемном устройстве образуют составляющие, попадающие в ту же полосу частот, что и сигнал.

Уменьшение возможностей такого нелинейного воздействия помех побочных каналов приема является одной из основных задач при разработке радиоприемных устройств. Она подробно рассматривается во всех руководствах по радиоприемным устройствам, поэтому здесь мы будем ее затрагивать лишь в той степени, в какой она связана с введением в тракт приемника специальных нелинейных элементов для защиты от других видов помех.

Быстрое развитие радиосвязи, а также других применений радиоэлектроники привело к тому, что освоенные диапазоны радиочастот оказались перегруженными различными излучениями. В результате взаимные помехи во многих случаях преобладают над всеми другими факторами, ограничивающими верность и реальную пропускную способность радиоканалов.

Основные методы защиты от сосредоточенных помех, применяемые начиная с начала развития радиосвязи вплоть до настоящего времени, основаны на использовании частотной избирательности. Широко используется также пространственная избирательность, обеспечиваемая направленными передающими и приемными антеннами. Хотя еще в 30-х годах было показано, что частотная и пространственная избирательности являются далеко не единственными методами выделения полезного сигнала из помех [3], однако первые попытки реализации других возможностей относятся лишь к самому последнему времени.

Применение частотной избирательности для устранения взаимных помех предполагает наличие известной регламентации частот, отводимых различным каналам связи. В «идеальном» случае можно, казалось бы, полностью решить проблему взаимных помех, если каждому каналу связи предоставить определенную полосу частот, запретив производить в этой полосе всякие другие излучения. Однако такое решение по ряду причин оказывается невозможным. Основными препятствиями идеальной регламентации являются следующие.

1. Существующие международные соглашения о регламентации использования диапазона радиочастот часто и по разным причинам нарушаются.

2. Строгая регламентация, при которой каждому радиоканалу отводится своя полоса частот, свободная от других излучений, невозможна, поскольку число существующих каналов во многих диапазонах частот значительно превышает количество полос, которое можно было бы выделить при самом экономном распределении с учетом возможной пространственной избирательности. К тому же потребное число каналов непрерывно растет, увеличивается также скорость передачи информации в этих каналах, что обычно приводит к необходимости расширять отводимые полосы частот.

3. Полоса частот, в которой сосредоточена основная часть энергии сигнала, существенно шире условной полосы частот. Это необходимо учитывать при распределении полос, предусматривая известный запас или «защитные» полосы частот, которые не используются эффективно для передачи информации. Эти защитные полосы приходится дополнительно расширять вследствие возможных неточностей и нестабильности частот сигналов.

4. Во многих случаях взаимные помехи создаются не основным излучением передатчика, а различными побочными излучениями, например на гармониках или на комбинационных частотах, возникающих в тракте формирования сигнала.

Фактически при любом распределении радиочастот один и те же полосы выделяются нескольким каналам. При этом учитывается взаимное расположение приемников и передатчиков, так, чтобы на входе каждого приемника расчетные напряженности поля помех были существенно меньше напряженности поля полезного сигнала. Однако условия распространения радиоволн изменяются в широких пределах, особенно при ионосферной радиосвязи, и не могут быть точно предсказаны. Поэтому никогда нельзя быть уверенным в том, что уровень помех не повысится до такой степени, при которой верность приема окажется ниже допустимой. Значительно более надежны в этом отношении радиоканалы, использующие распространение радиоволн в свободном пространстве или вдоль земли (например, радиорелейные каналы), и, конечно, проводные каналы связи.

В тех случаях, когда взаимные помехи нарушают работу канала, часто прибегают к смене используемой полосы частот, что нередко приводит к появлению помех в других работающих каналах.

В связи с сосредоточенными помехами возникают различные проблемы, важные для дальнейшего развития техники связи. В их числе следует отметить задачу уменьшения влияния сосредоточенных помех при существующей ситуации в отношении регламентации радиочастот и при используемых в настоящее время сигналах. К этой задаче относятся вопросы построения решающей схемы, применения разнесенного приема и т. д. Сюда же можно отнести вопросы, связанные с устранением побочных излучений и побочных каналов приема, а также вопросы применения пространственной избирательности, которые здесь не рассматриваются.

Второй круг задач заключается в изучении возможностей уменьшения взаимных помех при построении новых систем связи.

Многие из этих задач в настоящее время еще не получили удовлетворительного решения. Существенным препятствием развитию теории в этой области является отсутствие достаточных статистических данных о сосредоточенных помехах. Получение этих данных затрудняется тем, что характер сосредоточенных помех различен в разных диапазонах радиочастот, в разное время суток и даже в разное время года. Очевидно, распределение сосредоточенных помех зависит также от наличия и степени соблюдения регламентации использования радиочастот. Поэтому приходится пользоваться грубыми приближенными представлениями, которые не всегда приводят к достоверным результатам.