4.2.3 Помехи в линейном тракте. Накопление помех.

Материал по данному вопросу можно найти в [1, стр. 54…56, 57…67; 6, стр. 157…179; 7, стр. 21…32, 40…54]

Помехой называют посторонние электрические колебания, мешающие нормальному приему сигналов.

В зависимости от характера воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи. Аддитивная помеха представляет собой случайный сигнал, который накладывается на полезные сигналы, передаваемые по каналам (трактам) передачи. Действие аддитивной помехи можно описать следующим образом:  U(t) = U_с(t) + U_п(t), где U_с(t) –напряжение полезного сигнала; U_п(t) – напряжение помехи; U(t) – суммарное напряжение на выходе канала (тракта). 

Мультипликативная помеха обусловлена случайными изменениями коэффициента передачи канала (тракта) во времени: U_р(t) = U_с(t) U_п(t), где U_р(t)- результирующее напряжение на выходе канала.

В каналах и трактах АСП основную роль играют аддитивные помехи.

В зависимости от места возникновения помехи делятся на внутренние и внешние. К внутренним помехам, возникающим в самой аппаратуре, относятся: собственные помехи (шумы); помехи нелинейного происхождения; помехи из-за попутных потоков; плохих контактов в местах соединений, переключений каналов (трактов). Внешние помехи обусловлены действием внешних источников: линейных переходов от параллельно проходящих цепей связи; линий электропередачи и электрофицированных железных дорог; промышленных установок; атмосферы; фона электропитающей аппаратуры; микрофонного эффекта.

В зависимости от формы напряжения (тока) помехи могут быть непрерывными или импульсными.

В зависимости от формы спектра различают помехи сплошные или дискретные (селективные). Сигнал сплошной помехи характеризуется распределением его мощности по широкому спектру частот (например, белый шум). Мощность  селективной помехи сосредоточена в очень узкой полосе частот (крайний случай – на одной частоте).

По мешающему воздействию при передаче речи помехи делятся на шум и переходной разговор. Шум маскирует слабые звуки речи и уменьшает разборчивость передачи. Переходной разговор может быть внятным и невнятным. Прослушивание внятного чужого разговора отвлекает внимание абонентов и нарушает секретность связи, невнятный переходной разговор резко увеличивает шум в канале связи.

В линейных трактах коаксиальных линий преобладают собственные помехи и помехи нелинейного происхождения, симметричных линий – собственные помехи, помехи нелинейного происхождения и помехи от линейных переходов; воздушных линий – атмосферные и другие внешние помехи.

Для оценки действия помех используются следующие параметры.

Защищенность (помехозащищенность) полезного сигнала W = 10lg(Р_с/Р_п) = 20lg(U_с/U_п), где Р_с, U_с, Р_п, U_п – мощности и напряжения сигнала и помех соответственно. Защищенность можно определить через уровни мощности сигнала и помехи: W = р_с – р_п.

Коэффициент шума

,

где Р_с , Р_п - мощность сигнала и помехи на входе и выходе любого устройства (усилителя, канала, тракта).

Потери шумозащищенности (помехозащищенности)

d = 10lgК_ш = W_вх - W_вых,

где  W_вх , W_вых - защищенность на входе  и выходе.

Для оценки помех при передаче речи или сигналов звукового вещания используется также псофометрическое напряжение помехи.

Собственные помехи. К собственным помехам относятся шумы флюктуационного характера: тепловой, дробовой, полупроводниковый.

Известно, что тепловые шумы обусловлены хаотическим тепловым движением электронов.

Среднеквадратическое значение шумовой ЭДС определяется формулой Найквиста:

,

где К=1,38х10^-23 Дж/град – постоянная Больцмана; Т – температура Кельвина; R – сопротивление прводника; Δf – полоса частот, в которой определяется Е_тш, Гц.

Спектр теплового шума  - равномерен вплоть до частот 10¹² Гц (белый шум).

Абсолютный уровень мощности теплового шума при комнатной температуре (Т=273К) составляет

р_тш = 10lg(Р_тш/1мВт) = (- 173,95 + 10 lg Δf), где Р_тш=КТΔf – мощность теплового шума на согласованной нагрузке. В частности, для канала ТЧ р_тш = -139 дБ.

Дробовой шум возникает из-за случайных отклонений коллекторного (анодного) тока транзисторов (электронных ламп) от среднего значения. Спектр этого шума аналогичен спектру теплового шума.

Полупроводниковый шум вызван неоднородностью поверхности коллектора транзистора, в результате чего возникают флюктуации коллекторного тока. Мощность этого шума приблизительно обратно пропорциональна частоте, поэтому на частотах выше 10 кГц она очень мала и в расчетах не учитывается.

Накопление собственных помех в линейном тракте.

Как показано выше, в линейном тракте каждый линейный усилитель в точности компенсирует затухание прилегающего участка линии. Следовательно линейный тракт становится «прозрачным» для собственных помех с выхода каждого ЛУС. Другими словами, мощность собстенных помех первого, второго и т.д. усилителей будет передана на выход тракта. Поскольку помехи от различных ЛУС между собой не коррелированы, то на выходе тракта их мощности складываются.

Оценим, как влияет число усилительных участков  и их затухание на защищенность каналов от собственных помех. Допустим, что усилители размещены строго равномерно (т.е. затухание всех усилительных участков А_i = αL_i = αL одинаково и усиление всех усилителей S_i = αL_i = αL; уровни помех в конце усилительных участков р_пi примем также одинаковыми и равными р_пi = р_пл) рис.4.80.

 

 

Рис.4.80 Накопление собственных помех в линейном тракте

 

При описанных условиях мощность собственных помех  за счет любого усилительного участка, приведенная к выходу линейного тракта, равна                     Р_пi = 10^{(0,1рпл +0,1αL)} мВт. Мощность помехи от n усилительных участков увеличится в n раз и составит Р_п = n10^{0,1 (рпл +αL)} мВт, что соответствует уровню помехи р_п = 10lgР_п/1мВт = р_пл + 10lgn + αL.

Защищенность канала от помех в линейном тракте W определяется разностью уровней сигнала и помехи на выходе линейного тракта, т.к. усиление каналообразующей аппаратуры не изменит этой величины. Учитывая, что n = L_св/L, где L_св – дальность связи, можно получить

W = р_с – р_п = р₀ – р_пл - 10lg(L_св/L ) – αL,                     (4.13)

где р₀ – измерительный уровень передачи.

Следует отметить, что все сказанное  выше относится и к накоплению атмосферных помех в линейном тракте. Уровни собственных и атмосферных помех не зависят от длины усилительных участков, эти помехи имеют одинаковые статистические свойства и накапливаются по одинаковому закону.

Методы повышения защищенности от собственных помех.

Для увеличения защищенности от собственных помех используют следующие методы.

1. Применение малошумящих транзисторов в первом каскаде линейного усилителя. Это обеспечивает уменьшение коэффициента шума всего усилителя в целом, а также снижает потери шумозащищенности и уменьшает уровень и мощность собственных помех на выходе ЛУС.

2. Использование предыскажения уровня передачи на выходе усилителя передающей стороны. Для этого в цепь ООС (β) ЛУС _пер (см рис. 4.76) вводится контур предварительного наклона (КПН).

 

Рис.4.81 Предыскажение уровня передачи

 

Как видно из рис. 4.81,а (график 2), уровень передачи на верхних частотах линейного спектра увеличивается, на нижних – уменьшается, поэтому средняя мощность группового сигнала не изменяется в сравнении с режимом без предыскажения (график 1). В режиме без предыскажения в цепь ООС ЛУС _пер включается удлинитель (рис. 4.76).

В режиме без предыскажения защищенность верхних в линейном спектре каналов А_зв существенно меньше защищенности нижних (рис.4.81,б график 1). При использовании предыскажения защищенность верхних каналов А*_зв увеличивается и достигает нормы. Защищенность нижних каналов уменьшается, но также остается в пределах нормы (рис.4.81,б график 2). Таким образом, введение предыскажения выравнивает защищенность во всех каналах АСП. Однако при этом в групповой сигнал намеренно вводятся амплитудно-частотные искажения. Для их коррекции в тракте приема предусмотрен контур обратного наклона (КОН, рис.4.76), характеристика которого обратна характеристике затухания КПН. Кроме того, увеличение уровня передачи на верхних частотах приводит к росту нелинейных помех. Поэтому предыскажение уровня Δр (рис.4.81,а) обычно не превышает 13…15 дБ.

Помехи от линейных переходов. Возникновение помех от линейных переходов обусловлено электромагнитным влиянием между параллельными цепями воздушных и кабельных линий связи. Эти влияния могут привести к резкому ухудшению качества связи, особенно при совпадении спектров влияющего и подверженного влиянию каналов. Помехи от линейных переходов особенно существенны при организации связи по симметричным кабелям и воздушным линиям.  В коаксиальных кабелях данные помехи практически не учитывают.

Определим защищенность от переходной помехи на ближнем конце W_б (рис.4.82,а), где показан усилительный участок при двухсторонней связи.

 

       

 

Рис.4.82 Помехи от линейных переходов

 

На рис 4.82 цепь 1 – влияющая, цепь 2 – подверженная влиянию. По определению W_б = р_с – р_п. Уровень приема сигнала р_с = р_пр2 на входе ЛУС определяется уровнем передачи р_пер2 на выходе предыдущего ЛУС и затуханием участка линии А_уч = αL_уч, т.е. р_с = р_пр2 = р_пер2 – А_уч. Уровень помехи зависит от переходного затухания на ближнем конце А_пб и уровня передачи р_пер1 на выходе одноименного ЛУС влияющей цепи:  р_п = р_пер1 – А_пб. Следовательно:

W_б = р_пр2 – (р_пер1-А_пб) = А_пб - А_уч - (р_пер1 - р_пер2).              (4.14)

Обычно уровни передачи на выходах ЛУС одинаковы, поэтому

                   W_б = А_пб - А_уч = А_пб - αL_уч .                            (4.15)

В диапазоне тональных частот А_уч << А_пб и двухсторонняя связь по однокабельной схеме возможна. Однако в линейном спектре многоканальных АСП значение А_уч растет и становится соизмеримым с переходным затуханием А_пб, что приводит к недопустимо малым значениям W_б. Для увеличения А_пб применяют двухкабельную (четырехпроводную однополосную) схему связи. Экранирующее действие оболочек кабеля резко увеличивает А_пб (до 140 дБ) и переходные помехи на ближнем конце практически отсутствуют.

В двухкабельной АСП качество связи определяется защищенностью от помех на дальнем конце W_д. Определим W_д , используя рис 4.82,б. В этом случае

W_д = р_с – р_п = р_пр2 – (р_пер1 – А_пд) = А_пд – А_уч – (р_пер1 – р_пер2),      (4.16)

где А_пд – переходное затухание на дальнем конце.

При описанных ранее условиях

                         W_д = А_пд - А_уч = А_пд - αL_уч.                                  (4.17)

Поскольку А_пд всегда значительно больше А_пб , то W_д >> W_б, что и обеспечивает требуемое качество  при двухкабельной схеме организации связи..

Для устранения влияния на ближний конец при организации  связи по параллельным цепям (например, воздушным) необходимо передачу одинаковых частотных полос осуществлять обязательно в одном направлении. В частности, принято передавать верхнюю группу каналов 12-канальной и нижнюю группу 3-канальной АСП с севера на юг и с запада на восток, а нижнюю группу 12-канальной и верхнюю группу 3-канальной АСП- в обратном направлении. Тем самым исключаются переходы на ближний конец от влияющих одноименных систем передачи.

Однако даже в двухкабельных схемах защищенность на дальнем конце может оказаться недостаточной. Если АСП, работающие по параллельным цепям, имеют одинаковые линейные спектры, переходные помехи могут приобрести характер внятных переходных разговоров. Такие помехи обладают повышенным мешающим действием и могут привести к утечке информации.

Для устранения внятных переходных разговоров применяют инверсию и сдвиг полос частот в линейных спектрах АСП, работающих на параллельных цепях.

При сдвиге частотных полос передаются линейные спектры одинаковой ширины, образованные с помощью сдвинутых относительно друг друга виртуальных несущих (рис.4.83). В этом случае на приемном конце подверженной

 

 

 

Рис.4.83 Сдвиг и инверсия линейного спектра

 

влиянию цепи за счет разноса спектров появится лишь часть составляющих спектра переходной помехи, попадающая в общую (перекрывающуюся) полосу пропускания. Переходной разговор превратится в неразборчивый шум.

При инверсии  частотных полос линейные спектры АСП, работающие на параллельных цепях, имеют одни и те же границы, но являются, соответственно, НБП и ВБП различных виртуальных несущих. Это также делает переходной разговор неразборчивым.

Применение инверсии позволяет снизить требования к защищенности (переходному затуханию) на 7 дБ, а использование сдвига частотных полос в зависимости от ширины совпадающей части спектра каналов – на 4…26 дБ. Инверсия и сдвиг частотных полос могут использоваться одновременно.

Нелинейные помехи. Источниками нелинейных помех являются узлы групповых устройств, содержащие нелинейные элементы (диоды, транзисторы, катушки с ферромагнитными сердечниками и т.д.). В линейных трактах АСП основными источниками нелинейных помех являются линейные усилители. Поскольку число ЛУС в линейном тракте весьма велико, эти помехи, накапливаясь от участка к участку, могут резко снизить качество каналов и трактов АСП [1].

Для оценки нелинейных свойств ЛУС анализируют его амплитудную характеристику (рис.4.84,а). Рабочая точка выбирается на линейном участке характеристики (от 0 до U_пор). При превышении порогового напряжения форма сигнала резко изменяется (рис.4.84,б), на выходе усилителя появляются колебания с частотами, которых не было во входном сигнале. Например, если на вход усилителя подается сигнал, содержащий частоты f_x, f_y, f_z возникнут гармонические колебания с частотами kf_x, kf_y, kf_z (k = 2, 3, …) и комбинационные колебания pf_x ±qf_y ±mf_z, где p, q, m = 1,2,3. Эти колебания и являются нелинейными помехами, т.к. они распределяются по всему линейному спектру АСП и могут вызвать переходы между каналами и дополнительные нелинейные шумы в каждом из них.

 

 

Рис.4.84 Амплитудная характеристика ЛУС(а) и изменение формы сигнала (б)

 

Поэтому напряжение сигнала не должно превышать порога перегрузки усилителя U_пор или соответствующий этому напряжению уровень р_пор.

По определению МККТТ порогом перегрузки называют уровень мощности р_пор на выходе ЛУС, при котором увеличение уровня сигнала на входе ЛУС на 1 дБ вызывает увеличение уровня третьей гармоники на выходе ЛУС на 20 дБ. Однако нелинейные помехи возникают даже в том случае, когда амплитуда сигнала не превышает порога перегрузки, т.к. линейный участок амплитудной характеристики ЛУС (рис.4.84,а) при более строгом рассмотрении является квазилинейным.

Для количественной оценки нелинейных свойств ЛУС используют следующие параметры.

Затухание нелинейности по второй и третьей гармоникам, определяемым в следующем виде:

А_2г = 10lg(Р_1г/Р_2г) = 20lg(U_1г/U_2г) = р_пер – р_2г;                       (4.18)

              А_3г = 10lg(Р_1г/Р_3г) = 20lg(U_1г/U_3г) = р_пер – р_3г.

В (4.18) все величины измеряют на выходе усилителя: Р_1г, Р_2г, Р_3г, U_1г,U_2г, U_3г – мощности и напряжения первой, второй и третьей гармоник соответственно;          р_пер = 10lg(Р_1г/1мВт) – уровень передачи сигнала; р_2г и р_3г – уровни второй и третьей гармоник.

Предприятия, производящие ЛУС, обычно нормируют значения А_2г и А_3г в ТНОУ и обозначают их как А_2г0  и А_3г0, при этом А_2г  = А_2г0 - р_пер и А_3г  = А_3г0 - 2р_пер .

Коэффициент нелинейности по второй и третьей гармоникам. В общем случае коэффициентом нелинейности по i-ой гармонике называют отношение амплитуды напряжения данной гармоники к амплитуде напряжения основной частоты. Поэтому коэффициенты нелинейности по 2-й и 3-й гармоникам определяются как К_2г = U_2г/U_1г и К_3г = U_3г/U_1г.

Следует учитывать, что продукты нелинейности занимают значительно более широкий спектр по сравнению с исходным сигналом. Это означает, что для определения мощности нелинейной помехи, попадающей в полосу конкретного канала, необходимо найти распределение по спектру продуктов нелинейности того или иного вида. В частности, если f_x, f_y, f_z – произвольные спектральные составляющие сигнала, то к продуктам нелинейности второго порядка относятся составляющие с частотами 2f_x, f_x±f_y и т.д.; третьего порядка - 3f_x, 2f_x±f_y, f_x ±f_y ±f_z и т.д.

Методы повышения защищенности от нелинейных помех.

Методы уменьшения влияния нелинейных помех напрвлены на предотвращение перегрузки ЛУС и бывают организационные и технические [1].

Организационные методы:

-нормирование в ТНОУ каналов ТЧ средней мощности Р_ср сигналов различных видов. Например, для речевых сигналов  Р_ср = 32 мкВт, для сигналов вещания Р_ср = 920 мкВт и т.д.;

- распределение каналов ТЧ, занятых под передачу различных видов информации, при котором максимальная средняя мощность в ТНОУ в линейном тракте не превышает допустимых значений.

Технические методы:

- введение в ЛУС глубокой ООС. При этом затухание нелинейности в усилителе возрастает.

- включение амплитудных ограничителей на входе индивидуального модулятора каждого канала. При этом ограничиваются пиковые значения таких сигналов, как речь, вещание и др.

Импульсные помехи.

Импульсной помехой в канале ТЧ называется кратковременное импульсное напряжение, амплитуда которого значительно превышает амплитуду полезного сигнала. Источниками импульсных помех являются: кратковременные обрывы в канале из-за ненадежных контактов в коммутирующих устройствах; грозовые разряды в районе залегания кабеля; значительные перегрузки линейного тракта, приводящие к возникновению случайных импульсных последовательностей; высоковольтные линии передачи и электрифицированные железные дороги. Основное воздействие импульсные помехи оказывают на передачу дискретной информации. При этом возникают ошибки, составляющие 10…12% от общего числа принятых информационных импульсов. При передаче речи либо звукового вещания импульсные помехи прослушиваются как отдельные щелчки или потрескивания. По рекомендации МККТТ допускается 70 импульсных помех в час или 18 импульсных помех за 15 минут. Для снижения интенсивности импульсных помех используют следующие методы: увеличивают защищенность между парами симметричного кабеля до 60 дБ и выше; защищают линию связи от грозовых разрядов и электрифицированных железных дорог; укорачивают (на 10…15% по сравнению с номинальной длиной) усилительный участок, прилегающий к АТС.

Атмосферные помехи. Данный вид помех является основным в каналах ТЧ АСП на воздушных линиях. Источниками атмосферных помех могут быть грозовые разряды, магнитные бури, полярные сияния и т.д.

Средний уровень атмосферных помех на выходе усилительного участка не зависит от метеорологических условий, затухания участка линии связи, а также от диаметра проводов и профиля воздушной линии. Этот уровень зависит только от спектра, в котором он измеряется. Поскольку уровни атмосферных помех значительно выше собственных шумов в канале ТЧ, для обеспечения необходимой помехозащищенности на выходе ЛУС передачи устанавливаются более высокие по сравнению с АСП, работающими по кабелю, уровни  (р_пер = 17 дБ для В-3-3 и В-12-3 и -1 дБ для К-60П).

Допустимые значения напряжения атмосферной помехи U_п нормируется не в ТНОУ, а в точке двухпроводного окончания канала, где измерительный уровень равен – 7 дБм. Допустимое значение напряжения атмосферной помехи для магистрали  длиной L определяют из формулы [1]

                                                    ,

где L_п – длина переприемного участка.

Одним из методов повышения защищенности от атмосферных помех является включение компандеров в каналы ТЧ. Компандерные устройства состоят из компрессора (сжимателя) и экспандера (расширителя) и предназначены для повышения помехозащищенности в каналах путем регулировки динамического диапазона передаваемого сигнала. В зависимости от места включения (в индивидуальном или групповом тракте) различают индивидуальные и групповые компандерные устройства, а в зависимости от скорости обработки сигнала – инерционные и безинерционные (мгновенного действия). В АСП с ЧРК обычно используются индивидуальные инерционные (или слоговые) компандеры. Индивидуальный компрессор  (К) включают на входе 4-х проводного тракта канала  перед индивидуальным модулятором, экспандер (Э) – после демодулятора на выходе 4-х проводного тракта (рис.4.85).

 

Рис.4.85 Включение компандерного устройства.

Вне зависимости от того, включен или выключен компандер, диаграмма уровней канала линейно нарастает от -13 дБ на входе канала до 4,3 дБ на его выходе (рис.4.86). Эта линия называется линией нулевого усиления. Если компандер включен, то компрессор понижает все уровни выше – 13 дБ и повышает уровни сигнала более низкие, чем – 13 дБ.

 

 

Рис.4.86 Амплитудная характеристика компандера

 

На рис. 4.86 уровень сигнала – 25 дБ компрессор поднимает на Δр ≈ 12 дБ. Приблизительно на столько же увеличивается защищенность от атмосферных помех. Экспандер вновь понижает этот уровень до величины, которая была бы при выключенном компандере. Уровни, расположенные выше линии нулевого усиления экспандер поднимает до их номинального значения. В режиме молчания экспандер снижает уровень атмосферной помехи р_п на Δр.

Недостатком применения компандеров является увеличение нелинейных искажений в канале, т.к. и компрессор и экспандер содержат нелинейные элементы.