Атмосферное поглощение

Шум

Для любой передачи данных справедливо утверждение, что полученный сигнал состоит из переданного сигнала, модифицированного различными искажениями, которые вносятся самой системой передачи, а также из дополнительных нежелательных сигналов, взаимодействующих с исходной волной во время ее распро­странения от точки передачи к точке приема. Эти нежелательные сигналы при­нято называть шумом. Шум является основным фактором, ограничивающим производительность систем связи.

Шумы можно разделить на четыре категории:

o тепловой шум;

o интермодуляционные шумы;

o перекрестные помехи;

o импульсные помехи.

Тепловой шум является результатом теплового движения электронов. Дан­ный тип помех оказывает влияние на все электрические приборы, а также на среду передачи электромагнитных сигналов. Тепловой шум является функцией температуры и равномерно распределен по спектру частот, поэтому данный тип Шума называют также белым шумом. Тепловой шум устранить нельзя, поэтому именно он определяет верхний предел производительности систем связи. Тепло­вой шум оказывает значительное влияние на спутниковые системы связи, по­скольку сигнал, получаемый наземной станцией от спутника, достаточно слаб.

Тепловой шум, присутствующий в полосе шириной 1 Гц, для любого уст­ройства или проводника составляет

N0 = kT (Вт/Гц). (7)

Здесь

N0 - плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы;

k - постоянная Больцмана, k=1.3803 ´10-23 Дж/К;

T – температура в Кельвинах (абсолютная температура).

 

Если сигналы разной частоты передаются в одной среде, может иметь место интермодуляционный шум. Интермодуляционным шумом являются помехи, возникающие на частотах, которые представляют собой сумму, разность или произведение сигналов с частотами двух исходных сигналов. Например, смешивание двух сигналов, передаваемых на частотах f1 и f2, соответственно, может привести к передаче энергии на частоте f1 + f2 . При этом данный паразитный сигнал может интерферировать с сигналом связи, передаваемым на частоте f1 + f2.

Интермодуляционный шум возникает вследствие нелинейности приемника, передатчика или же промежуточной системы передачи. Как правило, все указанные компоненты ведут себя как линейные системы, т.е. их выходная мощность равна входной мощности, умноженной на некоторую константу. Для нелинейных систем выходная мощность является более сложной функцией входной мощности. Нелинейность может быть вызвана неисправностью одной из деталей, использованием сигнала чрезмерной мощности или же просто природой используемого усилителя. Для указанных случаев помехи возникают на частотах, являющихся суммой или разностью частот исходных сигналов.

С перекрестными помехами сталкивался каждый, кто во время использования телефона параллельно слышал разговор посторонних людей. Данный тип помех воз­никает вследствие нежелательного объединения трактов передачи сигналов. Такое объединение может быть вызвано сцеплением близко расположенных витых пар или (значительно реже) линий коаксиального кабеля, по которым передаются множест­венные сигналы. Перекрестные помехи могут возникать во время приема посторон­них сигналов антеннами СВЧ-диапазона. Несмотря на то, что для указанного типа связи используют высокоточные направленные антенны, потерь мощности сигнала во время распространения избежать все же невозможно. Как правило, мощность пе­рекрестных помех равна по порядку (или ниже) мощности теплового шума. Впро­чем, в нелицензируемом диапазоне ISM (Industrial, Scientific and Medical Radio Frequency Band — частоты для промышленного, научного и медицинского примене­ния) перекрестные помехи, как правило, доминируют.

Все указанные выше типы помех являются предсказуемыми (в разумных пре­делах) и характеризуются относительно постоянным уровнем мощности. Таким образом, вполне возможно спроектировать систему передачи сигнала, которая была бы устойчивой к указанным помехам. Однако кроме вышеперечисленных типов помех существуют так называемые импульсные помехи, которые по своей природе являют­ся прерывистыми и состоят из нерегулярных импульсов или кратковременных шу­мовых пакетов с относительно высокой амплитудой. Причин возникновения им­пульсных помех может быть множество, в том числе внешние электромагнитные воздействия (например, молнии) или дефекты (поломки) самой системы связи.

Как правило, отрицательное влияние импульсных помех на процесс анало­говой передачи данных незначительно. Например, при передаче голосового сиг­нала может появляться потрескивание или щелчки, не сильно влияющие на раз­борчивость передаваемой информации. В то же время при передаче цифровых данных импульсные помехи — это основной источник ошибок. К примеру, по­сторонний импульс длительностью 0,01 с никак не повлияет на голосовой сигнал, однако при передаче данных со скоростью 56 Кбит/с появление такого им­пульса будет означать потерю 560 бит информации.

Причиной дополнительных потерь мощности сигнала между передающей и принимающей антеннами является атмосферное поглощение, при этом основной вклад в ослабление сигнала вносят водные пары и кислород. Максимальные потери мощности сигнала наблюдаются вблизи точки 22 ГГц, что вызвано взаимодействием с водяными парами. Для частот ниже 15 ГГц потери мощности на много меньше. Пик потерь мощности вследствие взаимодействия электромагнитных волн с кислородом наблюдается вблизи точки 60 ГГц; действие данного фактора ослабляется при частотах ниже 30 ГГц. Дождь и туман (капли воды, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе) приводят к рассеиванию ра­диоволн и, в конечном счете, к ослаблению сигнала. Указанные факторы могут быть основной причиной потерь мощности сигнала. Следовательно, в областях, для которых характерно значительное выпадение осадков, необходимо либо сокращать расстояние между приемником и передатчиком, либо использовать для связи более низкие частоты.