Методы борьбы с помехами
Помехой называется стороннее возмущение, действующее в системе передачи и препятствующее правильному приёму сигналов.
В общем виде влияние помехи ξ на передаваемый сигнал s может быть выражено оператором
В том частном случае, когда этот оператор вырождается в сумму
помеха ξ называется аддитивной.
Если же x может быть представлен в виде
где случайный процесс ν(t) неотрицателен, то помеху ν называют мультипликативной. В более общем случае оператор f не может быть приведён к основным формам (2) и (3). При одновременном наличии шума и мультипликативной помехи удобно ввести два случайных процесса, выражающих оба вида помехи:
Если помеха регулярна и известна, то борьба с ней не представляет затруднений. Например, фон переменного тока может быть устранён компенсацией; помеха от определенной радиостанции с модуляционным спектром нормальной ширины устраняется соответствующим фильтром. Борьба же со случайными помехами представляет наибольшее затруднение.
Bсе действия по борьбе с помехами подразделяются на три группы:
1. борьба с помехами в месте их возникновения;
2. минимизация передачи шумов через канал связи и защита от попадания помех на вход решающей схемы;
3. выделение и фильтрация помех в приемнике;
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 помех предпринимаются:
· 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.
Для минимизации передачи шумов через канал связи используют:
1. Пространственное разделение цепей
— существует минимально допустимое расстояние между силовыми и сигнальными цепями, которое зависит от тока и напряжения в силовых цепях. Например для тока 10А и напряжения 220В — не менее 30 см.
— не следует располагать силовые и сигнальные линии параллельно, если пересекать, то под углом 90 о .
— расстояние от сигнальных линий до металлических конструкций должно быть не менее 30 см.
— сигнальные линии следует прокладывать не ближе 10-15 см от помещений с интенсивным источником помех (машинные залы и т.д.)
2. Экранирование сигнальных цепей. Использование экранированных кабелей, а также прокладка кабелей в металлических трубах и желобах ослабляет влияние паразитных электромагнитных и электростатических полей.
3. Симметрирование. Например, использование витой пары — это эффективное средство борьбы с помехами от внешних низкочастотных электромагнитных полей. ЭДС наводимое в составляющих пару проводах полностью компенсируется по знаку и модулю.
4. Гальваническое разделение канала связи на несколько контуров (трансформаторная или оптическая развязка). Обычно такое разделение используют в том случае, когда канал связи имеет несколько заземляющих устройств.
Методы борьбы с помехами, связанные с выбором характеристик передающих и приемных устройств, а также с выбором структуры сигналов:
— снижение уровня помех в полосе пропускания приемника;
— увеличение энергии сигнала;
— оптимальная обработка сигналов в приемнике;
— выбор оптимальной структуры сигнала;
— применение сложных сигналов;
— кодирование сигналов с целью повышения их помехоустойчивости;
— повторение передачи сигналов.
Снижение уровня помех в полосе пропускания приемника достигается рациональным выбором рабочего диапазона частот, в котором помехи минимальны. При работе в диапазоне УКВ, где относительно легко реализуются антенны с узкой диаграммой направленности, кроме отмеченной меры возможно также снижение уровня помех за счет ориентации антенн строго на корреспондентов.
Увеличения энергии сигналов можно достичь путем увеличения длительности сигнала или путем повышения средней мощности излучаемого сигнала. Увеличить длительность сигнала можно за счет снижения скорости манипуляции при передаче дискретных сигналов. Повышение же средней мощности излучаемого сигнала зависит от ряда показателей передающего устройства.
Известно, что мощность излучения передатчика определяется выражением
где Pпрд— мощность передатчика;
Gпрд— коэффициент усиления передающей антенны;
hпрд — коэффициент полезного действия фидерного тракта.
Из (5) следует, что для повышения Ризл необходимо прежде всего повышать Pпрд и Gпрд. На низких частотах, где трудно создать узконаправленные антенны, необходимо повышать Pпрд. На высоких частотах целесообразно повышать Pпрд путем создания узконаправленных антенн с большим коэффициентом усиления.
Известно, что при передаче непрерывных сигналов средняя мощность передатчика оказывается значительно ниже максимальной. Самым очевидным способом повышения средней мощности сигнала в этом случае является сокращение динамического диапазона сигнала. Этого можно достичь путем преобразования непрерывных сигналов в цифровые.
Оптимальная обработка сигнала в приемнике может осуществляться двумя способами:
— оптимальной фильтрацией сигнала;
При реализации способа компенсации помех нужно выделить из смеси сигнала и помехи только помеху, а затем вычесть ее из этой смеси спустя некоторое время. Эффективность этого способа высока в случае действия в канале регулярных помех, параметры которых можно определить при отсутствии сигнала. Если же помехи носят случайный характер, то выделение помехи из смеси ее с сигналом тем труднее, чем меньше они отличаются по своей структуре. В случае существенного различия в структуре сигнала и помехи, выделение последней или создание ее копии упрощается. Сказанное, прежде всего, относится к импульсным или сосредоточенным помехам.
Оптимальная фильтрация дискретных сигналов осуществляется либо согласованным фильтром, либо коррелятором. Оптимальный приемник дискретных сигналов осуществляет две операции: фильтрацию и принятие решения о переданном сигнале.
Оптимальная фильтрация непрерывных сигналов состоит в воспроизведении с максимальной точностью формы переданного сигнала.
В общем же случае решение задачи оптимальной фильтрации непрерывных сигналов основывается на теории Колмогорова-Винера. Эта теория базируется на предположениях, что сигнал и помеха есть стационарные случайные процессы, операция фильтрации есть линейная операция, а критерием оптимальности является минимум среднеквадратической ошибки.
Задача оптимальной фильтрации сводится к тому, чтобы найти оптимальный линейный фильтр с точки зрения его передаточной функции по отношению к сигналу. Такой фильтр должен как можно эффективней отделить сигнал от помехи.
Эффект фильтрации можно улучшить, если применить предыскажение передаваемого сигнала с помощью передающего фильтра. На приемной стороне характеристику фильтра выбирают такой, чтобы она с учетом характеристики передающего фильтра позволяла получить наименьшую среднеквадратическую ошибку.
Наиболее широко в коротковолновой радиосвязи распространён метод борьбы с импульсными помехами, основанный на применении схемы ШОУ. Суть метода иллюстрируется на рис. 1.
Рис. 1, Преобразование импульсного сигнала в ШОУ
Сначала широкополосный усилитель (ШПУ) практически без искажений усиливает импульсную помеху до уровня, при котором флуктуационные шумы приближаются к порогу ограничителя. Затем импульсная помеха жестко ограничивается и с выхода ограничителя сигнал подается на узкополосный, согласованный с шириной спектра полезного сигнала, фильтр основной УПФ селекции. Если бы такое ограничение не осуществлялось, то переходный процесс после воздействия мощного импульса на узкополосный фильтр продолжался бы более продолжительное время (рис. 2).
Рис. 2, Схема приобразования сигнала в узкополосном фильтре
К методам борьбы с импульсными помехами, реализуемым непосредственно в приемнике, относится также блокирование (Временная селекция) импульсных помех. Сущность метода заключается в том, что обнаруживается интервал времени воздействия импульсных помех и на это время запирается вход приемника. Указанный метод реализуется структурной схемой, представленной на рис. 3.
Рис 3, блок-схема аппарата бронирования
Селекцияявляется разновидностью фильтрации, при которой происходит отбор сигналов с определенными физическими свойствами (частотой, амплитудой, формой, пространственным фактором, временем распространения). В соответствии с физическими свойствами существуют следующие способы селекции.
Амплитудная селекция основана на подавлении помех в нелинейных элементах приемника, таких, как амплитудный ограничитель и детектор.
Частотная селекция позволяет уменьшить уровень флуктуационных помех в радиотракте. Радиотракт обладает полосой пропускания необходимой для усиления сигнала с допустимым уровнем искажений и, соответственно, ограничивает мощность флуктуационных помех, попадающую в радиотракт (рис. 4а).
.
а) б)
Рис. 4, Амплитудно-частотные характеристики сигнала
При действии на входе радиоприемного устройства дискретного сигнала со спектром (рис.4б) максимальное ослабление флуктуационных помех обеспечивается применением согласованного фильтра, имеющего гребенчатую форму амплитудно-частотную характеристику, подавляющего составляющие спектра флуктуационных помех в промежутках между составляющими спектра сигнала.
Пространственная избирательность заключается в строгой ориентации антенн корреспондентов друг на друга, а также в выборе места корреспондентов таким образом, чтобы помехи по возможности не попадали в створ диаграммы направленности антенн.
Избирательность по форме сигналов предполагает использование сигналов сложной структуры, что позволяет их в определенной мере отделить от сосредоточенных по спектру помех.
Выбор структуры сигнала существенно влияет на помехоустойчивость приема. Оптимальную структуру будут иметь те сигналы, у которых спектральные составляющие колебаний имеют максимальное значение на тех частотах, где помеха минимальна. Не менее важное значение при выборе оптимальной структуры сигналов имеют их взаимокорреляционные свойства.
Для повышения верности передаваемых сообщений может применяться помехоустойчивое кодирование сигналов. Оно предполагает использование таких кодов, которые корректируют ошибки, вызванные наложением помех на сигнал.
Примером может служить антифединговое кодирование, используемое для устранения мультипликативных помех. При передаче дискретной информации в условиях замираний сигналов возникают пакеты ошибок значительной длины. Для их исправления требуются очень мощные коды с длиной кодовой комбинации, измеряемой десятками разрядов, декодирование которых в настоящее время практически не реализуемо.
Одним из эффективных методов антифедингового кодирования является метод перемежения. Его сущность, заключается в том, что элементы сигналов 
, закодированные кодом, исправляющим ошибки, передаются через интервалы времени, превышающие квазипериод замираний. Этим достигается деккореляция ошибок. Для этого сообщение записывается в виде матрицы, каждая строка которой – это комбинация корректирующего кода (рис. 5).
Рис. 5, Элементы сигнала S(t)
Передача матрицы проводится не по строкам, а по столбцам. После приема получателем всей матрицы, сообщение воспроизводиться снова по строкам. В строках уже нет пакетов ошибок, а есть лишь одиночные ошибки.
Затем осуществляется декодирование сигналов с исправлением этих ошибок.
Применение помехоустойчивых кодов ведет к усложнению приемо-передающих устройств из-за необходимости иметь кодирующую и декодирующею аппаратуру.
Многократная передача одного и того же сигнала также позволяет повысить верность приема сообщений. Этот метод борьбы с помехами реализуется несколькими способами.
Сигнал может передаваться по параллельным каналам, что практически исключает вероятность поражения одного и того же элемента сигнала помехой, так как помехи в этих каналах некоррелированны.
Для повышения верности передачи один и тот же сигнал может многократно повторяться. В силу случайности действия помех при правильно выбранных интервалах передачи вероятность одинакового искажения сигнала крайне мала.
И, наконец, для борьбы с помехами могут применяться системы с обратной связью. Если в результате анализа принятого сигнала есть сомнение относительно того, какой сигнал передавался, принимается решение о повторной передаче сигнала.
Основным методом борьбы с мультипликативными помехами (замираниями) является разнесенный прием, представляющий собой одну из разновидностей метода накопления. В целом этот метод состоит в формировании нескольких копий принимаемого сигнала, по-разному пораженных мультипликативными помехами, а затем в комбинировании (сложении) этих копий. В короткометровом диапазоне волн наиболее часто используются пространственное разнесение антенн и частотное разнесение сигналов (рис.6). Для обеспечения достаточной степени декорреляции мультипликативных помех, расстояние между антеннами должно быть порядка нескольких десятков длин волн, а разнос частот порядка 5-6 кГц.
Рис. 6, блок-схема аппаратуры разнесенного приема
Выбор того или иного устройства комбинирования сигналов зависит от условий функционирования схемы коротковолновой радиосвязи и требований, предъявленных к ней.
Источник
