Шумы и помехи в системах связи. Виды помех и способы их устранения

радиопомеха-воздействие электромагнитной энергии на прием радиоволн, вызванное одним или несколькими излучениями, в том числе радиацией, индукцией, и проявляющееся в любом ухудшении качества связи, ошибках или потерях информации, которых можно было бы избежать при отсутствии воздействия такой энергии.

Внешние помехи принимаются антенной вместе с полезным сигналом и создаются: а) электромагнитными процессами, происходящими в атмосфере, ионосфере и космическом пространстве; б) электроустановками и соседними р/станциями; в) средствами постановки преднамеренных помех.

Внутренние помехи локализованы в различных элементах системы радиосвязи (флуктуационные шумы ламп и полупроводниковых приборов, нестабильность питающих напряжений и т.п.). Характеристики внутренних помех приемного устройства обычно пересчитываются к его входу.

Внутренние и внешние помехи являются аддитивными, когда на входе ПрУ сигнал представляется в виде:

где S(t) - передаваемый сигнал, n(t) - помеха. Аддитивные помехи: флуктуационные, импульсные и синусоидальные.

А. К Флуктуационным помехам (ФП) относятся шумы приемника и шумы среды распространения сигнала. Их спектр на входе ПУ обычно шире полосы пропускания ПУ. Плотность вероятности ФП часто является нормальной. В большинстве случаев ее принимают как аддитивный БГШ.

Б. Импульсные помехи представляют собой непериодическую последовательность одиночных радиоимпульсов и создаются атмосферными и промышленными источниками помех. (В некоторых случаях посторонними каналами связи).

В. Синусоидальные помехи (СП) - помехи, сосредоточенные по спектру (ширина их спектра мала по сравнению с полосой пропускания приемного тракта). Источники СП:

станции преднамеренных помех;

генераторы ВЧ сигналов;

радиостанции эталонных частот. К синусоидальным можно отнести комбинированные помехи внутри самого приемника.

Разному, в том числе принято различать помехи внешние и внутренние, пассивные и активные, гладкие и импульсные. Их можно также классифицировать по природе происхождения: промышленные,

Атмосферные, космические, помехи мешающих радиостанций и внутренние помехи радиоустройств.

Промышленные помехи создаются в результате работы сравнительно близко расположенных к радиоустройствам электродвигателей, релейно-контактных мощных систем, аппаратов дуговой электросварки, электроплавильных печей, рентгеновской аппаратуры « множества других различных электрических устройств, вызывая возникновение в окружающем пространстве электромагнитных полей различной частоты и интенсивности. Эти поля и оказывают мешающее действие для нормальной работы чувствительных радиотехнических устройств и систем.

Атмосферные помехи создаются естественными электромагнитными процессами в земной атмосфере, например, грозовыми разрядами. Эти помехи также представляют собой электромагнитные поля различной частоты и интенсивности.

Космические помехи вызываются электромагнитными излучениями и процессами за пределами земной атмосферы.

Помехи мешающих радиостанций создаются обычными радиовещательными и специальными станциями помех, а также постоянно действующими источниками электромагнитного излучения ¦ постоянной частоты или спектра частот и волн.

Активными помехами принято называть те, которые вызваны активными естественными или искусственными источниками электромагнитных колебаний. Что касается пассивных помех, то к ним относятся те помехи, которые обусловлены в основном природными явлениями и не связаны с действием посторонних источников электромагнитных волн. К пассивным помехам, например, можно отнести явления феддинга (замирания сигнала) волн, спорадическое (внезапное) поглощение радиоволн, возникновение радиоэха и т. п. В радиоустройствах, действие которых не связано с распространением радиоволн, например, усилителях и им подобных устройствах, почти нет надобности учитывать пассивные радиопомехи. Только в отдельных случаях с ними приходится считаться, как косвенными причинами возникновения активных помех.

Гладкими помехами принято называть такие, которые создают почти неизменяющееся по величине напряжение по-мех Un. Точнее говоря, когда максимальная амплитуда помех не превышает среднее их значение больше чем в 3 4 раза. Импульс-

Н ы е же помехи могут создавать кратковременные амплитуды в десятки раз большие, чем их среднее значение. К гладким помехам, например, относятся флуктуационные шумы (ламп, транзисторов.

Резисторов). - Атмосферные помехи могут быть как гладкими, так и импульсными, проявляясь в виде шорохов и тресков. Промышленные помехи чаще всего имеют импульсный характер. Причем их воздействие на радиотехническое устройство почти любого вида значительно резче сказывается на его работе по сравнению с действием гладких помех. Это обусловлено тем, что импульсные помехи вызывают собственные колебания резонансных цепей устройства. Такие колебания затухают не мгновенно и могут распространяться далее по блокам радиоустройства.

Понятие помехи

Лекция 3. Дискретный канал с помехами

Цель лекции: ознакомление c понятием помех

а) понятие помех;

б) виды помех;

в) искажения;

г) борьба с помехами.

Помеха – это любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющее его прием. Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывная связь. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и с перекрестными наводками. Прерывание связи есть явление, при котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает.

Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Этот вид помех особенно сказывается в диапазоне ультракоротких волн. В этом диапазоне имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

Классификацию помех можно провести по следующим признакам:

По происхождению (месту возникновения);

По физическим свойствам;

По характеру воздействия на сигнал.

К помехам по происхождению в первую очередь относятся внутренние шумы аппаратуры (тепловые шумы) обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Среднее значение напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Квадрат эффективного напряжения теплового шума определяется известной формулой Найквиста

где Т- абсолютная температура, которую имеет сопротивление R;

F - полоса частот; k =1,37*10 (-23) Вт.сек/град- постоянная Больцмана.

К помехам по происхождению, во вторую очередь, относятся помехи от посторонних источников, находящихся вне каналов связи:

Атмосферные помехи (громовые разряды, полярное сияние, и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

Индустриальные помехи, возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, системы зажигания двигателей, медицинские установки и другие.);

Помехи от посторонних станций и каналов, возникающих от различных нарушений режима их работы и свойств каналов;

Космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах, галактиках и других внеземных объектах.

По физическим свойствам помех различают:

Флуктуационные помехи;

Сосредоточеные помехи.

Флуктуационные помехи . Среди аддитивных помех особое место занимает флуктационная помеха, которая является случайным процессом с нормальным распределением (гауссов процесс). Этот вид помех практически имеет место во всех реальных каналах.

Электрическую структуру флуктуационной помехи можно представить себе как последовательность бесконечно коротких импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через случайные промежутки времени. При этом импульсы появляются один за другим настолько часто, что переходные явления в приемнике от отдельных импульсов накладываются, образуя случайный непрерывный процесс.

Так, источником шума в электрических цепях могут быть флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда (электронов, ионов). Дискретная природа электрического тока проявляется в электронных лампах и полупроводниковых приборах в виде дробового эффекта.

Наиболее распространенной причиной шума являются флуктуации, обусловленные тепловым движением.

Длительность импульсов, составляющих флуктуационную помеху, очень мала, поэтому спектральная плотность помехи постоянна вплоть до очень высоких частот.

К сосредоточенным по времени (импульсным) помехам относят помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за другим через такие большие промежутки времени, что переходные явления в радиоприемнике от одного импульса успевают практически затухнуть к моменту прихода следующего импульса.

Сосредоточенные по спектру помехи . К этому виду помех принято относить сигналы посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты различного назначения и т. п. В отличие от флуктационных и импульсных помех, спектр которых заполняет полосу частот приёмника, ширина спектра сосредоточенной помехи в большинстве случаев меньше полосы пропускания приёмника. В диапазоне коротких волн этот вид помех является основным, определяющим помехоустойчивость связи.

По характеру воздействия на сигнал различают:

Аддитивные помехи;

Мультипликативные помехи.

Аддитивной называется помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействует на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.

Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. В реальных каналах электросвязи обычно имеют место не одна, а совокупность помех.

Под искажениями понимают такие изменения форм сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала – переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные и нелинейные возникающие в соответствующих линейных и нелинейных цепях. В общем случае искажения отрицательно сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм).

При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. Дальнейшие изменения формы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при последующей обработке в приемнике. Это уже дело техники.

ДРУГОЕ ДЕЛО ПОМЕХИ - ОНИ заранее не известны и поэтому не могут быть устранены полностью.

Борьба с помехами - основная задача теории и техники связи. Любые теоретические и технические решения, о выполнении кодера или декодера, передатчика и приемника системы связи должны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются помехи. При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем направлениям:

Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективное и широко применяемое мероприятие, но не всегда приемлемо. Ведь существуют источники помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.);

Уменьшение помех на путях проникновения в приемник;

Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Именно это направление для нас является предметом изучения.

Помехи радиоприему имеют весьма разнообразный и сложный характер, что создает определенные трудности при их классификации. Классификацию помех можно проводить по различным признакам, в частности, можно различать помехи по законам распределения, виду корреляции, характеру стационарности, механизму возникновения.

По законам распределения разделяют помехи на гауссовские и негауссовские. Такое разделение удобно вследствие того, что значительная часть наиболее характерных помех имеет гауссовское (нормальное) распределение, а многие другие помехи могут быть сведены к гауссовским. Негауссовские помехи можно разбить на несколько групп в соответствии с характером распределения (Рэлея, Лапласа, Вейбулла и др.).

Хотя для реальной помехи энергетический спектр существенно зависит от частоты, в случае использования узкополосных сигналов спектр помехи можно считать равномерным в пределах рабочей полосы, согласованной со спектром сигнала. Помехи с равномерным спектром, имеющие характер «белого шума», в условиях практической реализации всегда ограничены по полосе.

По характеру стационарности различают помехи стационарные и нестационарные. Как уже отмечалось в гл. 1, случайный процесс называют стационарным, если его функции распределения любого порядка не зависят от положения начала отсчета времени. Случайный процесс является нестационарным, если его вероятностные характеристики зависят от выбранного начала отсчета времени.

При рассмотрении вопросов обнаружения сигнала в помехах часто предполагают, что помехи имеют характер стационарного случайного процесса с нормальным распределением. Такие помехи называют флуктуационными. Однако некоторые виды помех, например импульсные, имеют характер нестационарного процесса.

По механизму возникновения помехи разделяют на естественные, индустриальные, системные и искусственные. Помехи могут быть активными и пассивными. Активные помехи всех этих видов могут создавать мешающее действие для самых различных радиотехнических систем радиосвязи, радионавигации и радиолокации. Для радиолокационных систем весьма важное значение, наряду с активными помехами, имеют также помехи пассивные, из которых наиболее сильно выражены помехи, возникающие за счет отражения сигналов, излучаемых передатчиком радиолокационной станции от земной или морской поверхности.

Естественные активные помехи разделяют на внутриприемные, космические и атмосферные. Внутриприемными помехами называют шумы, возникающие в радиоприемном тракте. Эти шумы обусловлены главным образом тепловыми шумами во входных пассивных цепях приемника и флуктуационными процессами в полупроводниковых (ламповых) устройствах первых каскадов. Космические помехи создаются произвольно изменяющимися во времени излучениями Метагалактики. На этот общий фон накладываются радиоизлучения мощных дискретных источников - планет и звезд. Атмосферные помехи обусловлены грозовыми разрядами между разноименно заряженными массами воздуха, паров воды и земли. На поле атмосферных помех влияют как ближние местные грозы, так и дальние электрические разряды в атмосфере, обязан­ные своим происхождением мировым очагам интенсивной грозо­вой деятельности.

Индустриальными помехами называются помехи, которые соз­даются электрическими и электронными устройствами. Индустри­альные помехи обычно имеют импульсный характер. Импульсные помехи представляют собой отдельные импульсы или последова­тельности импульсов, имеющих произвольную форму, амплитуду и значение интервалов между импульсами, причем обычно дли-тельность интервалов значительно превышает длительность самих импульсов.

Системные помехи, создаваемые радиотехническими средства­ми, в первую очередь радиостанциями, называют также сосредоточенными помехами, так как их энергия заключена в узком частотном интервале. Сигналы на входе приемника, образованные системными помехами, обусловлены работой как ближних, так и дальних радиостанций. При этом в ряде случаев определяющее значение могут иметь сигналы дальних радиостанций, число ко­торых весьма велико.

Активные системные помехи могут возникать не только при близких несущих частотах передающих устройств радиосредств, но и вследствие внеполосного и побочного излучений радиопередатчиков. При определенных условиях мешающее действие оказывают также пассивные системные помехи, обусловленные переотражением сигналов других радиосредств от земной или морской поверхности. Устранение или по крайней мере существенное ослабление системных («взаимных») помех требует решения сложной задачи электромагнитной совместимости (ЭМС). Проблемы ЭМС рассмотрены в ряде работ, например в .

Искусственные помехи, которые могут быть как активными, так и пассивными, широко использовались для создания мешающего действия радиосредствам в ходе второй мировой войны, войн в Корее и на Ближнем Востоке. Массированное использование помех в процессе военных действий является одной из форм «радиоэлектронной войны». Активные искусственные помехи могут быть шумовыми или синусоидальными с использованием различных видов модуляции. Искусственные пассивные помехи создают помеховый фон, затрудняющий выделение полезного сиг­нала, а также имитируют ложные цели.

Внешние помехи принимаются антенной вместе с полезным сигналом и создаются:

а) электромагнитными процессами, происходящими в атмосфере, ионосфере и космическом пространстве;

б) электроустановками и соседними р/станциями;

в) средствами постановки преднамеренных помех.

Внутренние помехи локализованы в различных элементах системы радиосвязи (флуктуационные шумы ламп и полупроводниковых приборов, нестабильность питающих напряжений и т.п.). Характеристики внутренних помех приемного устройства обычно пересчитываются к его входу.

Внутренние и внешние помехи являются аддитивными, когда на входе ПрУ сигнал представляется в виде:

где S(t) - передаваемый сигнал, n(t) - помеха. Аддитивные помехи: флуктуационные, импульсные и синусоидальные.

А. К Флуктуационным помехам (ФП) относятся шумы приемника и шумы среды распространения сигнала. Их спектр на входе ПУ обычно шире полосы пропускания ПУ. Плотность вероятности ФП часто является нормальной. В большинстве случаев ее принимают как аддитивный БГШ.

Б. Импульсные помехи представляют собой непериодическую последовательность одиночных радиоимпульсов и создаются атмосферными и промышленными источниками помех. (В некоторых случаях посторонними каналами связи).

В. Синусоидальные помехи (СП) - помехи, сосредоточенные по спектру (ширина их спектра мала по сравнению с полосой пропускания приемного тракта). Источники СП:

• станции преднамеренных помех;
• генераторы ВЧ сигналов;
• радиостанции эталонных частот. К синусоидальным можно отнести комбинированные помехи внутри самого приемника.

Искажения сигналов в линиях связи

Искажения сигналов в ЛС обусловлены хаотическим изменением коэффициента передачи физической среды, в которой распространяется сигнал. Изменения коэффициента проявляется в флуктуациях амплитуды и фазы в точке приема. В КВ и УКВ диапазонах частот возникают искажения сигналов в виде замираний, обусловленных многолучевостью распространения сигналов. Обычно такие искажения называют мультипликативной помехой. В этом случае радиосигнал представляется в виде произведения

x(t)=m(t) * S(t),

передаваемого сигнала S(t), и помехи m(t).

В общем случае на полезный сигнал воздействуют аддитивная и мультипликативная помехи.

Речевые сообщения и методы их преобразования

Речь - непрерывный нестационарный случайный процесс, образованный следующими друг за другом звуками.

Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки, полость рта и носа. Спектральная плотность речевого процесса S(t), определенная экспериментально, представлена на рисунке 1.

Она достигает максимального значения на частоте 500 Гц. Ширина спектра на уровне 0,5 составляет примерно 3 КГц (DF=3400-3100) для служебной связи. В радиовещании художественных программ (КВ) - 50-4500 Гц, в УКВ спектр ТЛФ КС - 30-10000 Гц.

Возможные способы передачи речи делятся на:

• непосредственную передачу речевого сигнала;
• передача с предварительным преобразованием речевого сигнала.

Непосредственная передача речевого сообщения может осуществляться по аналоговым, импульсным и цифровым каналам. В аналоговых КС сигналом является гармоническое колебание, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза) изменяется по закону речевого сообщения. При передаче речевых сообщений по импульсным КС по закону речевого процесса изменяются параметры радиоимпульсов (амплитуда, длительность и время появления). В цифровых КС непрерывные речевые сообщения передаются с помощью цифровых сигналов.

Передача с предварительным преобразованием речевого сигнала осуществляется по каналам связи, имеющим физические ограничения, в частности малую полосу пропускания (скорость передачи информации). Для этого аналоговый сигнал предварительно искажается в основном двумя путями:

• путем непосредственной компрессии (сжатия по амплитуде, частоте или длительности передачи звуков);
• >на основе методов функционального преобразования, а затем, на приемной стороне, восстанавливается. Последний подход широко используется в современных сотовых сетях связи.

Полезные сигналы редко присутствуют в электрических цепях в чистом виде. Практически всегда на них накладываются шумы и помехи. При этом полезный сигнал искажается при передаче, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной ошибок являются как искажения, вносимые самим каналом, так и различного вида помехи, воздействующие на сигнал при передаче. В собственно устройствах канала передачи информации имеются два основных источника шумов: дискретная структура тока в усилительных элементах (транзисторах, микросхемах и т.д.) и тепловое движение свободных электронов в проводниках электрической цепи. При этом временные и частотные характеристики канала определяют линейные искажения. Кроме того, радиоканал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных его звеньев, цепей или устройств.

В общем случае под помехой понимают случайный сигнал, однородный с полезным и действующий одновременно с ним. Для систем передачи информации помеха - любое случайное воздействие на полезный сигнал, ухудшающее верность приема и воспроизведения передаваемых по линии связи сообщений.

По месту возникновения помехи делят на внешние и внутренние. Причинами внешних помех являются природные процессы и работа различных технических устройств. В диапазонах дециметровых и менее волн имеют значение и космические помехи , связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах. В диапазоне оптических частот имеется квантовый шум , вызванный дискретной природой сигнала.

В радиоканалах встречаются атмосферные помехи , обусловленные электрическими процессами в атмосфере, прежде всего грозовыми разрядами.

Сильные помехи создают промышленные установки. Это так называемые индустриальные помехи , возникающие из-за резких изменений тока в мощных электрических цепях всевозможных электротехнических устройств. Распространенным видом внешних помех являются помехи от посторонних радио- и телестанций, систем военного назначения. Они обусловлены нарушением регламента распределения частот, недостаточной стабильностью частот генераторов и плохой фильтрацией гармоник сигнала, а также нелинейными процессами в каналах, ведущими к так называемым перекрестным искажениям (проявляются в переносе модуляции с мешающего внеполосного сигнала на полезный).

Основными видами внешних помех в проводных каналах связи являются импульсные шумы и прерывание связи.

Внутренние помехи обусловлены процессами, происходящими при работе самого устройства. В любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы устройств, связанные с хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, резисторах и других элементах.

Аналитически влияние помехи r(t) на полезный сигнал u(t) в общем виде можно выразить оператором Y:

где функция s(u(t)) отражает искаженный полезный сигнал.

Возможны два сочетания полезного сигнала и шума. Если оператор У в формуле (2.1) вырождается в линейную сумму сигнальной составляющей и помехи, т.е.

то помеху называют аддитивной (от англ, addition - сложение).

Если же оператор У может быть представлен в виде произведения некоторого коэффициента k(t) (здесь k(t) - случайный процесс) и сигнала u(t), т.е.

то помеху называют мультипликативной (от англ, multiplication - умножение).

Мультипликативные помехи обусловлены случайными изменениями параметров радиоканала. Они проявляются в изменении уровня сигнала. В реальных каналах передачи информации обычно имеют место и аддитивные, и мультипликативные помехи, и поэтому

По основным свойствам аддитивные помехи делят на три класса: сосредоточенные но спектру (узкополосные помехи), импульсные (сосредоточенные во времени) и флуктуационные (распределенные по частоте и во времени) помехи, не ограниченные ни во времени, ни но спектру.

Сосредоточенными по спектру называют помехи, основная часть мощности которых приходится на отдельные участки диапазона частот, меньших полосы пропускания системы связи.

Импульсной (сосредоточенной во времени) помехой называют регулярную или хаотическую последовательность импульсных сигналов, однородных с полезным сигналом. Источниками таких помех являются цифровые и коммутирующие элементы цепей или работающего рядом с ними устройства. В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная на приемник с широкой полосой пропускания и как флуктуациопная па приемник с относительной узкой полосой пропускания.

Флуктуационная помеха (флуктуационный шум) представляет случайный процесс с нормальным распределением - гауссовский процесс (закон Гаусса). Эти помехи имеют место практически во всех реальных каналах связи, и их называют шумами. С физической точки зрения аддитивные флуктуационные помехи порождаются в системах связи различного рода флуктуациями, т.е. случайными отклонениями тех или иных физических величин (параметров) от их средних значений. Среди таких шумов можно прежде всего назвать внутренние шумы электронных усилителей. Различают следующие виды флуктуационных шумов:

• тепловой (шум Джонсона);
• фликкер-шум (иногда - розовый шум);
• дробовый (квантовый).

Тепловые шумы резисторов. Одной из главных причин возникновения шума являются флуктуации объемной плотности электрического заряда в резистивных элементах из-за хаотического теплового движения носителей. В любом резисторе всегда имеются свободные электроны, находящиеся в хаотическом тепловом движении. При этом может оказаться, что в определенный момент времени в одном направлении проходит больше электронов, чем в другом. Значит, даже в отсутствие внешней ЭДС мгновенное значение тока, текущего через резистор, отлично от нуля. Эти мгновенные изменения тока вызывают на выводах резистора шумовую разность потенциалов. Среднее значение такого напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум.

Важное значение для систем связи имеет спектр мощности шумового напряжения на концах резистора. Его определяют по формуле Найквиста:

где R - сопротивление резистора, Ом; к = 1,38- 10~ 23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура резистора в градусах Кельвина. Часто удобнее пользоваться односторонним энергетическим спектром, который задают в области положительных частот | В 2 /Гц |:

Спектральную плотность мощности теплового шума оценим из такого примера: при Г= 300 К и R = 20 кОм значение N 0 = 4 -1,38 -10 23 -300-20 000 = = 3,31 10 1(> В 2 /Гц, откуда среднее квадратическое значение напряжения f/ m = 3,3M0 16 В/Гц 2 .

Спектральная плотность мощности теплового шума одинакова для всех частот, представляющих интерес для большинства систем связи; другими словами, источник теплового шума на всех частотах излучает с равной мощностью на единицу ширины полосы - от постоянной составляющей до частоты порядка 10 12 Гц. Следовательно, простая модель теплового шума предполагает, что спектральная плотность его мощности равномерна и достаточно точно соответствует модели белого шума (см. далее).

Фликкер-шум - шум, спектральная плотность которого изменяется с частотой по закону 1// (с примерно постоянной спектральной мощностью на декаду - изменение в 10 раз). Часто фликкер-шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты. Обычно на частотах выше 10 кГц фликкер-шумами пренебрегают.

Дробовой шум обусловлен неравномерным движением дискретных носителей электрического тока в электронных приборах - диодах, транзисторах, микросхемах и лампах; он имеет равномерный спектр, т.е. является белым; в отличие от резисторов флуктуации возникают не за счет хаотического теплового движения электронов, а вследствие статистической независимости их упорядоченного перемещения.

Поскольку тепловой шум присутствует во всех системах связи и является заметным источником помех, характеристики теплового шума (аддитивный, белый и гауссов) часто применяются для моделирования шума в системах связи. Гауссов шум с нулевым средним полностью характеризуется дисперсией, поэтому эту модель особенно просто использовать и при детектировании сигналов, и при проектировании оптимальных приемников.

По виду частотного спектра помехи делят на стационарный (белый) и нестационарный шумы. Белый шум содержит гармонические составляющие с одинаковой амплитудой и случайной начальной фазой, которые равномерно распределены практически по всему частотному радиодиапазону - от постоянной составляющей до частоты порядка 10 12 Гц. В теории оптимальной фильтрации часто вводят понятие квазибелого шума (от лат. quasi - якобы; почти), параметры и характеристики которого близки к показателям белого шума.

Нестационарный шум - шум, длящийся короткие промежутки времени (меньшие, чем время усреднения в измерителях).

В зависимости от спектра помехи могут быть сплошными или селективными. Сигнал сплошной помехи характеризуется распределением его мощности по широкому спектру частот. Селективная помеха характеризуется тем, что ее мощность сосредоточена либо на одной частоте, либо в узкой полосе частот.

Хорошее техническое проектирование может устранить большинство шумов путем экранирования, фильтрации, выбора модуляции и оптимального местоположения приемника.

С математической точки зрения информационные случайные сигналы (сигналы случайного характера, несущие передаваемую информацию) и шумы подчиняются одним вероятностным законам, поэтому они получили обобщенное название случайные колебания или случайные процессы.

Для анализа случайных сигналов применяют методы статистической теории связи, базирующейся на математическом аппарате теории вероятностей и теории случайных процессов. С целью упрощения и наглядности анализа работу электрических цепей часто рассматривают при воздействии детерминированных сигналов. Для учета же случайного характера реального сигнала в качестве его математической модели используют не отдельную детерминированную функцию u(t ), а совокупность подобных функций {u k (t)} = u { (t), u 2 (t ),..., образующих случайный процесс, в котором будет заключена полезная информация.