Помехи радиоприему

Размещено на http://www.allbest.ru/

Помехи радиоприёму

Содержание

1. Замирание и искажение сигналов, быстрые и медленные замирания, статические свойства и причины появления

1.1 Замирания радиосигнала

1.1.1 Быстрые замирания

1.1.2 Медленные замирания

1.2 Основные причины замираний

2. Помехи и шумы: классификация, количественная характеристика. Шумовая температура антенн

1. Замирание и искажение сигналов, быстрые и медленные замирания, статические свойства и причины появления

Помехи радиоприёму - электромагнитное излучение, воздействующее на цепи радиоприёмника, электрические процессы в самих цепях, которые препятствуют правильному приёму сигнала и не связаны с этим сигналом посредством известной функциональной зависимости, а также искажения сигнала при распространении радиоволн. Действие помех радиоприему проявляется в случайных (непредсказуемых) искажениях формы принимаемого сигнала, приводящих к посторонним звукам в громкоговорителе при приёме речевых и музыкальных передач, опечаткам при приёме текста телеграмм, искажениям формы изображения на экране кинескопа и т.д. Помехи радиоприему - основная причина, ограничивающая качество воспроизведения радиоприёмником формы передаваемого сигнала или ограничивающая дальность передачи сигналов при заданном качестве их воспроизведения.

В зависимости от происхождения помех радиоприему их подразделяют на космические, атмосферные, индустриальные, умышленные (организованные), помехи от других радиостанций, помехи, обусловленные особенностями распространения радиоволн (замирания), а также собственные шумы радиоприёмника (флуктуации) [1].

1.1 Замирания радиосигнала

Замирания радиосигнала - беспорядочные (реже периодические) изменения уровня сигнала (в десятки и сотни раз) в точке приёма[47]. Замирания наблюдаются при ионосферном и тропосферном распространении радиоволн. В большинстве случаев замирания объясняются интерференцией волн, приходящих в точку приёма по разным путям.

В системах сотовой связи используются дециметровые волны (900 МГц (л = 0,333 м), 1800 МГц (л = 0,167 м), 1900 МГц (л = 0,158 м)).

Следует отметить, что метровые, дециметровые и сантиметровые электромагнитные волны от ионизированных слоев атмосферы практически не отражаются и в них не рассеиваются и, поэтому, как ионосферные волны распространяться не могут. Волны этих диапазонов распространяются в основном в виде земных волн (дифракция таких волн выражена слабо) на небольшие расстояния. А на большие -- за счет тропосферного рассеяния на неоднородностях и, в меньшей степени, за счет направленного действия тропосферных волноводов.

Радиоволны дециметрового диапазона:

А) Почти не преломляются в ионизированных слоях атмосферы и свободно пронизывают их, то есть распространяются как прямые волны и поэтому находят применение в космической связи;

В) Практически не испытывают молекулярного поглощения, поглощения в гидрометеорах (дождь, снег), то есть в земных условиях дециметровые волны могут распространяться лишь прямолинейно в пределах прямой видимости.

Распространяясь в пределах прямой видимости, электромагнитные волны в системах сотовой мобильной связи испытывают многочисленные отражения от окружающих объектов и поглощения в них. Картина многолучевого распространения, показанная на рис. 1, свидетельствует о суперпозиции в точке приема АР нескольких, точнее множества сигналов, пришедших по различным путям и имеющим различные амплитуды, фазы, времена распространения, плоскости поляризации и пр.

сигнал электромагнитный волна помеха

Рис. 1 Многолучёвое распространение радиоволн

Результирующий сигнал в точке приема ввиду этого резко меняется и может быть как выше среднего (медианного) уровня, так и ниже, причем замирания сигнала, образующиеся при взаимной компенсации сигналов вследствие неблагоприятного сочетания их амплитуд и фаз, могут быть достаточно глубокими.

Искажения результирующего сигнала имеют место в том случае, когда более или менее синфазные составляющие сигналов с соизмеримыми амплитудами имеют настолько отличные разности хода, что символы одного сигнала накладываются на соседние символы другого, при этом возникает межсимвольная интерференция.

Как показано на рисунке 2, зависимость напряжённости поля от расстояния между базовой станцией и абонентской радиостанцией имеет убывающий характер, при этом напряженность поля имеет как быстрые, так и медленные замирания относительного среднего медианного значения, то есть среднее значение подвержено затуханию, а мгновенные значения замираниям.

Рис. 2 Зависимость напряжённости электромагнитного поля от расстояния между БС и АР

Колебания уровней (замирания) принимаемого сигнала имеют две составляющие: быстрые замирания и медленные замирания.

1.1.1 Быстрые замирания

Быстрые замирания, являющиеся прямым следствием многолучевого распространения радиоволн, часто называют релеевскими, так как они описываются релеевскими законами распределения. Замирания из-за многолучевости обусловлены сигналами, отраженными от внешних объектов.

В результате этого в точке приема возникают условия:

- несколько однотипных сигналов, сдвинутых по фазе, складываются так, что результирующий сигнал ослабляется;

- при одинаковом уровне основного и отраженных сигналов, но их противофазности, результирующий сигнал близок к нулю, что вызывает прерывание связи.

Диапазон изменений уровня сигнала при быстрых замираниях может достигать 40 дБ, из которых -- приблизительно 10 дБ -- это превышение над средним уровнем и 30 дБ -- провалы ниже среднего уровня, причем глубокие провалы встречаются реже, чем менее глубокие. При неподвижной мобильной станции АР интенсивность принимаемого сигнала практически не меняется. При движении АР периодичность флуктуации в пространстве составляет около полуволны л/2, то есть порядка 16,5 см (на частоте 900 МГц).

Период флуктуаций зависит от скорости перемещения АР, например, при скорости V = 50 км/час период флуктуаций: Т_ф - 10 мс, а при V = 100 км/ч - Т_ф ~ 5 мс.

Частота замираний глубиной (30... 10) дБ при скорости V~50 км/ч составляет 5...50 провалов в секунду, соответственно, а средняя длительность замираний ниже уровня (30... 10) дБ при скорости V = 50 км/ч -- порядка (0,2...2) мс.

1.1.2 Медленные замирания

Медленные замирания обусловлены эффектом тени, который вызывается различными препятствиями (здания, лесные массивы, горы и т. п.), нарушающими прямую видимость между БС и АР. Медленные замирания подчиняются логарифмически нормальному закону распределения. Интенсивность медленных замираний не превышает (5... 10) дБ, а их периодичность соответствует перемещению АР на десятки метров. Фактически медленные замирания представляют собой изменения среднего уровня сигнала при перемещении АР, на которые накладываются быстрые замирания, вследствие многолучевости.

Для борьбы с быстрыми замираниями в стандарте GSM используют скачки по частоте, то есть расширение спектра, при этом для уменьшения межсимвольных искажений применяются эквалайзеры -- адаптивные фильтры. Для борьбы с последствиями многолучевого распространения, а именно для устранения ошибок, обусловленными как замиранием сигналов, так и межсимвольной интерференцией, используется помехоустойчивое канальное кодирование: блочное и сверточное кодирование, а также перемежение [51].

1.2 Основные причины замираний

1. Распространение радиоволн происходит по различным траекториям. В пункте приема обычно наблюдается многолучевая структура поля (рис.12.1), которая является причиной, так называемых интерференционных замираний.

2. Случайные изменения условий ослабления на трассе. Например, случайное ослабление земной волны может быть вызвано экранирующим действием Земли, которое меняется в зависимости от условий рефракции, т.е. метеоусловий. Эти флуктуации протекают значительно медленнее, чем интерференционные замирания.

3. Случайные изменения поляризации принимаемого поля - поляризационные замирания. Этот вид флуктуации приводит к рассогласованию поляризации приемной антенны и принимаемого поля. В результате появляются случайные колебания уровня сигнала на входе приемника.

Пространственная корреляция замираний. Если от двух разнесенных точек приема достигают волны, распространяющиеся в достаточно разнесенных областях атмосферы, где флуктуации параметров протекают некоррелировано, то в этих двух точках приема процесс флуктуации поля протекает также некоррелировано. Статическая связь замираний в двух пространственно-разнесенных точках описывается пространственной корреляционной функцией k(l). Поскольку статическая связь замираний уменьшается, но мере увеличения пространственного разноса l, то k(l) есть убывающая функция. Принято считать, что замирания статически независимы, если k(l) убывает до значения k(l_m)=1/e= 0,37. Соответствующее значение l = l_m называется масштабом пространственной корреляции замираний. Вид функции k(l) и значение l_m зависят от механизма распространения.

Частотная корреляция замираний. При одновременной передаче информации на двух частотах статистическая связь между интерференционными замираниями уменьшается по мере увеличения частотного разнесения. Это связано с тем, что пространственный набег фаз есть функция частоты поля: ?ц=2р?fr/c₀

Статическая связь замираний на двух частотах, разнесенных на величину ?f, описывается частотной корреляционной функцией k(?f). Значение, ?f =?f_m, при котором k(?f)=1/e, называется масштабом частотной корреляции.

Временная корреляция замираний. Если наблюдать изменения уровней сигнала, разнесенных во времени на интервал ?t, то по мере увеличения ?t обнаруживается все меньшая статистическая связь между замираниями, поскольку меняется мгновенная картина распределения параметров атмосферы.

Статистическая связь замираний при временном разнесении характеризуется временной корреляционной функцией k(?f) и значением масштаба временной корреляции ?t_м, при котором k(?t)=1/e.

Разнесенный прием. Свойства пространственной и частотной некоррелированности (избирательности) замираний широко используются для повышения устойчивости работы линий связи.

Система частотно-разнесенного приема строится по аналогичному принципу. Передача и прием информации ведутся одновременно на двух и более частотах, разнесенных на величину ?f > ?f_m. Временная некоррелированность замираний используется для повышения достоверности приема информации путем многократной ее передачи со сдвигом во времени.

Выигрыш в устойчивости работы, получаемый за счет применения разнесенного приема, существенно зависит от статистической структуры поля.

Пространственно- или поляризационно-разнесенный прием не может быть использован для борьбы с медленными замираниями, поскольку этим замираниям не свойственны пространственная и поляризационная избирательности. При расчете коротковолновых линий медленные замирания необходимо учитывать независимо от системы приема [48].

2. Помехи и шумы: классификация, количественная характеристика. Шумовая температура антенны

Рассмотрим пример, когда на некоторой площади зоны обслуживания (в пространстве) работает управляемая группа (ансамбль) мобильных станций, обслуживаемых одной базовой станцией - ретранслятором.

Типовое организационное построение такой группы может соответствовать соте или сайту мобильной радиосистемы - рис. 3.

Радиосвязь в группе может организовываться по принципу «каждый с каждым» (радионаправления) или «один со многими» (радиосети). В первом случае формируются радионаправления через базовую станцию с любыми мобильными станциями, или мобильной станции и с абонентами сети общего пользования. Для этого базовая станция выделяет рабочие частоты f _прд и f _пр для формирования направлений радиосвязи между абонентами.

Рис. 3 Обеспечение связности в группе мобильной связи [49]

Во втором случае базовая станция выделяет пару рабочих частот для рабочего ансамбля станций, на которых осуществляется радиосвязь вызывающего абонента с группой вызываемых абонентов. При этом частота передачи может заниматься передачи может заниматься каждой мобильной станцией попеременно. После передачи информации передатчик вызывающей станции должен выключаться. Подобный режим работы характерен для организации радиосети. Расстояние радиосвязи r между абонентской радиостанцией (АР) и базовой радиостанцией (БС) в процессе перемещения постоянно изменяется. Моменты установления радиосвязи в группе при работе системы могут считаться случайными и независимыми событиями. В процессе работы на входах радиоприемных устройств АР присутствуют не только полезные сигналы, но и сигналы мешающих источников излучения - помехи. Следовательно, радиосвязь между БС и любой АР в случайный момент времени будет обеспечена в случае, если энергия полезных сигналов в местах приема будет превышать энергию помех. Т. о., условие связности в ансамбле АР может быть записано в виде следующего энергетического соотношения [50]:

, (1)

где- мощность полезного сигнала на входе приемника i-ой АР; - мощность помехи на входе приемника i-ой АР; - время ведения радиосвязи; - время воздействия помехи; n - количество групп мешающих источников излучения; н - коэффициент превышения энергии полезного сигнала над суммарной энергией помех.

Поскольку время воздействия помех в канале учитывается только в периоды установления и ведения связи t_св = t_п, то в условии (1) время можно упустить, не нарушая строгости неравенства.

Рассмотрим каждую из частей неравенства (1).

Левая часть представляет мощность полезного сигнала в точке приема, образованную передатчиком мобильной системы, удаленным от i-го приемника на расстояние r. Используя формулу

[49],

выражение мощности сигнала на входе i-го приемника может быть записано в следующем виде:

, (2)

где - излучаемая мощность j-го передатчика; , - коэффициенты усиления i-го приемника и передающей антенны j-го передатчика; - общий коэффициент потерь и замираний сигнала i-ой трассы радиосвязи; - расстояние между i-ой и j-ой радиостанциями.

Правая часть неравенства представляет суммарную мощность электромагнитных излучений, создаваемых различными группами источников помех. Для мобильных систем радиосвязи характерны три группы мешающих источников излучений.

Первую группу составляют источники излучения своего ансамбля радиосредств, работающих на ограниченной площади. Несмотря на то, что радиостанции работают на различных частотах передачи и приема, в результате внеполосных излучений передатчиков, наличия побочных каналов приема приемников и повторения рабочих частот, возникают мешающие уровни излучений, суммарная мощность которых воздействует на приемники системы. Эта мощность классифицируется как мощность взаимных помех Р_ПВЗ:

, (3)

где - излучаемая мощность k-го передатчика; , - коэффициенты усиления i-го приемника и передающей антенны k-го передатчика; - общий коэффициент потерь и замираний сигнала ik-ой трассы радиосвязи; - расстояние между i-ой и k-ой радиостанциями; L - количество мешающих радиостанций. Т. о., мощность является суммарной мощностью помех по ансамблю радиостанций своей системы, работающих на передачу.

Вторую группу помех составляют излучения источников других систем радиосвязи, а также не связных излучателей электромагнитного поля. Эти помехи классифицируются как внешние помехи, мощность которых определяется выражением [50]:

, (4)

где - квадрат напряженности электромагнитного поля, создаваемого воздействием внешних помех; - эффективная полоса частот сигнала помех; µ - коэффициент несовпадения полосы частот тракта приема мобильной станции с полосой частот помехи; - коэффициент усиления приемной антенны.

Третью группу помех определяют внутриканальные помехи, основу которых составляют внутренние шумы трактов приема и антенны. Любой радиоприемный тракт может быть представлено последовательностью пассивных и активных четырехполюсников, каждый из которых имеет собственные шумы. Общие шумовые свойства приемного тракта, характеризующие его чувствительность, определяются коэффициентом шума и коэффициентом передачи по мощности . Мощность шума, действующая на входе приемного тракта, определяется также внешними и внутренними шумами антенны. Внешние шумы антенны обусловлены шумами космоса, атмосферы и земли. Величина внешних шумов определяется относительной шумовой температурой антенны:

, (5)

где - коэффициент направленности антенны приемника; Т₀ = 290К - абсолютная шумовая температура антенны; T _косм и T _атм - соответственно температуры излучения антенны в космосе и в атмосфере.

Внутренне шумы антенны определяются ее шумовыми свойствами:

, (6)

где k = - постоянная Больцмана; - эффективная шумовая полоса тракта приема. Таким образом, мощность шума на входе приемного тракта с учетом шумов антенны и собственных шумов тракта приема, приведенных к его входу, определяется как

, (7)

Выражение (7) показывает, что мощность зависит от вида модулирующего сигнала. Наибольшая мощность шумов характерна для приемных трактов с широкой полосой частот , например, для трактов с угловой модуляцией. С учетом изложенного, условие связности (1) между станциями в мобильной системе связи может быть записано в следующем виде:

, (8)

где ; ;

µ - коэффициент несовпадения полос частот помехи и тракта приема;

L - количество мешающих станций системы.

Выражение (8) является развернутым уравнением ij-ой радиолинии мобильной системы радиосвязи. Составляющие уравнения представляют значения мощностей сигналов и помех в полосе частот тракта приема (передачи) мобильной системы. Левая часть уравнения представляет полезный потенциал радиолинии (мощность, приходящаяся на 1 Гц полосы частот), правая часть - потенциал мешающих источников излучений (помех) в месте приема [50].

Присутствие в левой и правой частях уравнения коэффициентов о, определяющих колебания энергетических потенциалов, показывает, что условие связности мобильных станций может быть выполнено, если коэффициент не будет снижаться меньше определенного порогового значения . Таким образом, коэффициент может трактоваться как энергетический параметр, определяющий связность радиолинии, т. е. как параметр связности. Параметр связности позволяет оценивать надежность радиосвязи как вероятность связи с требуемым качеством в течение заданного времени работы радиолинии (сеанса связи):

Величина внешних шумов определяется относительной шумовой температурой антенны:

, (9)

, (10)

где - время текущего сеанса связи; - общее время работы системы связи; , - отрезки времени наличия и отсутствия связи. При снижении параметра ниже порогового уровня в процессе ведения связи в мобильной системе предусматривается автоматический переход на другой канал, в котором выполняется условие . Это обуславливает необходимость использования группы нескольких свободно доступных каналов (рабочих частот). Автоматический переход радиостанций мобильной системы на свободные частоты при увеличении уровней помех для сохранения заданного качества радиосвязи называется частотной адаптацией или, иначе, СКИП - коммутацией.

Литература

1. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00061/39700.htm (дата обращения 15.01.2010).

2. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00026/98400.htm (дата обращения 15.01.2010).

3. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1996. 486 с.

4. А. В. Печаткин. Системы мобильной связи. Часть 1. Принципы организации, функционирования и частотного планирования систем мобильной связи: Учебное пособие по дисциплине «Системы мобильной связи» для студентов заочной формы обучения. РГАТА. Рыбинск, 2008. 122 с.

5. Мухин А.М. и др. Энциклопедия мобильной связи. В 2-х томах. Том 1. Системы связи подвижной службы общего назначения. / СПб: Наука и техника, 2001.

6. В. И. Попов «Основы сотовой связи стандарта GSM». М.: Эко-Тренз. Москва, 2005. 296 с.: илл.

Размещено на Allbest.ru