7.4.2. Борьба с сосредоточенными и импульсными помехами

Борьба с сосредоточенными и импульсными помехами может быть направлена либо на понижение вероятности попадания помехи с уровнем более порогового на вход решающей схемы, либо на уменьшение уровней вероятности ошибки . В свою очередь, вероятность попадания помехи на вход решающей схемы можно уменьшить, воздействуя на источники помех либо на структуру приемного устройства. Поэтому все действия по борьбе с помехами подразделяются на три группы [6, 8, 20, 21]:

борьба с помехами в месте их возникновения;
защита от попадания помех на вход решающей схемы;
повышение помехоустойчивости системы связи путем выбора соответствующих форм сигналов.

Борьба с помехами в месте их возникновения

Все источники помех с точки зрения борьбы с ними можно подразделить на контролируемые, находящиеся в пределах рассматриваемой системы, и неконтролируемые, находящиеся вне системы, следовательно, не поддающиеся непосредственному воздействию или регулированию.

Для уменьшения уровней сосредоточенных и импульсных помех во всех развитых странах мира разработаны законодательные акты, регламентирующие допустимый уровень и частотный диапазон электромагнитных излучений. С этой же целью существуют международные органы, разрабатывающие допустимые нормы и контролирующие их соблюдение отдельными странами.

Следует иметь в виду, что выделенный нашей стране международными соглашениями диапазон частот является национальным достоянием и эффективное его использование представляет собой не только техническую, но и государственную задачу.

Для уменьшения уровней сосредоточенных и импульсных помех до международных или государственных норм и, следовательно, для уменьшения вероятности попадания помехи предусматриваются:

уменьшение уровня и ширины спектра побочных излучений передающих устройств при строгой регламентации допустимой ширины полезной части спектра сигнала, а также ограничение излучаемой мощности;
экранировка излучающих блоков аппаратуры связи, постановка схем искрогашения на различных энергетических устройствах промышленной, научной, медицинской или бытовой аппаратуры;
целесообразное размещение электрических систем, в частности, средств связи на местности, при одновременной регламентации работы системы по времени;
оптимальное распределение и назначение частот всем видам радиотехнических систем, обеспечивающее минимально возможные взаимные помехи.

Защита от попадания сосредоточенных по спектру помех на вход решающей схемы

Защита от узкополосных помех в радиосвязи является одной из наиболее важных задач, решаемых при разработке радиоприемных и антенных устройств. Способность приемного устройства пропустить на вход решающей схемы сигнал и задержать или существенно ослабить сосредоточенные помехи называется избирательностью. Она обеспечивается благодаря отличиям сигнала от помех по направлению прихода (пространственная избирательность), по спектру (частотная избирательность), по времени существования (временная избирательность), по начальной фазе (фазовая избирательность) и по форме (избирательность по форме).

Наибольшее значение в радиосвязи имеют пространственная и частотная избирательность. Пространственную избирательность обеспечивают узконаправленные приемные антенны.

Частотная избирательность основана на том, что каскады приемника до решающей схемы обладают частотной характеристикой, пропускающей только ту часть спектра, где расположена основная мощность сигнала, и сильно подавляющей остальные участки спектра, в которых может находиться помеха. Если спектр сигнала шире спектра помехи, то иногда можно избавиться от помехи, лежащей в той же полосе частот, что и сигнал. Для этого сумму сигнала и помехи пропускают через режекторный (заграждающий) фильтр, настраиваемый так, чтобы «вырезать» ту полосу частот, где сосредоточена помеха, сохранив достаточную часть спектра сигнала, чтобы по ней можно было восстановить переданное сообщение.

Методы компенсации импульсных помех, несмотря на все их многообразие, основаны на широкополосности спектра помехи, что позволяет построить дополнительный компенсационный тракт (рис.7.20), расстроенный относительно частоты сигнала.

Сигнал проходит только через основной тракт, тогда как импульсная помеха создает напряжение на выходах обоих трактов. С помощью преобразователей частоты и фазовращателей помеха в компенсационном тракте преобразуется так, чтобы она совпадала с помехой в основном тракте, что позволяет произвести компенсацию в схеме вычитания. Несмотря на кажущуюся простоту этой схемы, в действительности трудно добиться хорошей компенсации помехи, так как для этого необходима высокая стабильность амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик обоих трактов. Другой недостаток схемы заключается в том, что наличие компенсационного тракта приводит к ухудшению помехоустойчивости относительно флуктуационных и сосредоточенных по спектру помех.

Наиболее широко применяются методы защиты от импульсных помех, основанные на амплитудном ограничении. Поясним сущность этих методов, полагая вначале, что импульсная помеха состоит из идеальных дельта функций. Предположим, что на входе приемника включен двусторонний амплитудный ограничитель, характеристика которого показана на рис.7.21,а.

При подаче на его вход напряжения , лежащего в пределах , на выходе получится напряжение [6, 42].

Но если входное напряжение превысит , то выходное напряжение окажется ограниченным и не будет по абсолютной величине превосходить (рис.7.21,б). Если уровень ограничения выбран выше максимального напряжения, создаваемого сигналом, флуктуационными и сосредоточенными помехами, то в отсутствие импульсной помехи тракт приемника будет линейным. При появлении импульсной помехи она окажется ограниченной по уровню . Поскольку ее длительность мала, то мала и равна ее «площадь» и спектральная плотность энергии. Такая ограниченная импульсная помеха вызовет незначительную реакцию в фильтрах решающей схемы и, следовательно, не будет создавать ошибок.

Подавление сосредоточенных по спектру помех требует строгой линейности тракта приемника вплоть до фильтра, выделяющего спектр сигнала. Ограничитель же представляет собой принципиально нелинейное устройство, и если на его вход поступят сосредоточенные по спектру помехи, то возникающие комбинационные частоты с большой вероятностью могут попасть в полосу частот, занимаемую сигналом.

Таким образом, требования к схеме приемника для защиты от импульсных и узкополосных помех оказываются взаимно противоречивыми. Для подавления импульсных помех следует вводить нелинейность (ограничитель) в той части тракта, которая предшествует фильтру, определяющему частотную избирательность. Подавление же узкополосных помех, наоборот, связано с требованием линейности этой части тракта.

Более «терпимыми» к сосредоточенным помехам являются методы защиты от импульсных помех, основанные на запирании приемника на время действия импульсной помехи. Такая схема работает в линейном режиме, пока нет импульсных помех. При возникновении импульса срабатывает устройство мгновенной автоматической регулировки усиления (МАРУ), снижающей усиление приемника практически до нуля, т.е. до его полного запирания (рис. 7.22).

Чтобы время запирания приемника было достаточно малым и не охватывало значительную часть элемента сигнала, необходимо устройство МАРУ располагать в широкополосной части тракта, где длительность импульсов помехи существенно меньше .

Одновременная защита от импульсных и сосредоточенных помех

Для подавления импульсных помех с сохранением удовлетворительной избирательности относительно узкополосных помех часто применяется способ, получивший название ШОУ (широкая полоса – ограничитель – узкая полоса). Его сущность заключается в том, что для подавления импульсной помехи используется амплитудный ограничитель, который включается между двумя фильтрами (рис. 7.23). Первый из этих фильтров, называемый широкополосным, обеспечивает отсеивание сосредоточенных помех, расположенных на оси частот достаточно далеко от спектра сигнала, но имеет полосу пропускания более широкую, чем полоса частот , занимаемая сигналом.

Сосредоточенные помехи попадают в полосу пропускания с большей вероятностью, чем в полосу частот . Однако вероятность того, что в полосе пропускания будет много мощных сосредоточенных помех, которые на выходе ограничителя создадут комбинационные частоты, попадающие в спектр сигнала, невелика, так как не намного больше . Все же помехи, которые прошли через широкополосный фильтр и ограничитель, не следует пропускать на решающую схему, поскольку они могут вызвать ошибки. Для этого служит узкополосный фильтр, с полосой пропускания , завершающий функции частотной избирательности, в частности, узкополосный фильтр может быть согласован с сигналом [6, 42].

Заметим, что мощная помеха, прошедшая через широкополосный фильтр, может при прохождении через ограничитель «подавить» сигнал, т. е. сильно уменьшить его мощность. Несмотря на то, что последующий узкополосный фильтр и отсеет эту помеху, мощность сигнала может оказаться недостаточной для нормальной работы решающей схемы. Поэтому в схеме ШОУ всегда предусматривается большой запас усиления после узкополосного фильтра.

Для пояснения физического процесса подавления импульсной помехи в схеме ШОУ на рис. 7.24 показаны изменения огибающей импульса. На выходе широкополосного фильтра импульс имеет большую амплитуду, но относительно малую длительность. Ограничитель «срезает» амплитуду импульса и делает ее равной амплитуде сигнала, но не изменяет его длительности. В узкополосном фильтре длительность импульса увеличивается примерно в раз и во столько же раз уменьшается его амплитуда. Благодаря этому амплитуда импульсной помехи на выходе схемы ШОУ оказывается приблизительно в раз меньше амплитуды сигнала и не вызывает ошибок.

Более эффективными путями одновременной защиты от сосредоточенных и импульсных помех, являются комбинированные методы разнесенного приема, например, разнесенный прием, одновременно по времени и по частоте. Из ветвей частотного разнесения выбирается та, в которой меньше интенсивность сосредоточенных помех, а из ветвей разнесения по времени – такая в которой отсутствует импульсная помеха. Если число ветвей достаточно велико, то с большой вероятностью найдется одна ветвь, не пораженная помехой.