книги / Методы борьбы с помехами в каналах проводной связи

Однрй из основных причин возникновения аддитивных помех в каналах связи являются различного рода флуктуации. Известно, что флуктуациями в физике называют случайные отклонения тех или иных физических величин от их средних з-нзчений. Так, источ­ никами помех, возникающих в электрических цепях постоянного тока, электронных лампах и транзисторах, могут являться флук­ туации тока около среднего значения, обусловленные дискретной природой носителей заряда (ионов и электронов). Это явление на­ зывают дробовым эффектом. Наиболее распространенной причи­ ной помех являются флуктуации, обусловленные тепловым движе­ нием. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его кон­ цах. Эта разность потенциалов флуктуирует около среднего зна­ чения, равного нулю; ее средний квадрат пропорционален абсолют­ ной температуре. Возникающая помеха называется тепловым шу­ мом. Мощность теплового шума на входе усилителя составляет 4kTAf, где /2 = 1,38- Ю-23 Дж/град — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура по Кельвину; Af — ширина полосы, Гц. В стандартном канале ТЧ с шириной полосы 3100 Гц при темпера­ туре Г=300 К мощность тепловых шумов составляет 5 - 10—14 мВт, уровень, соответствующий этой мощности, равен —133 дБ.

Из сказанного видно, что флуктуации и обусловленные ими по­ мехи заложены глубоко в природе вещей. Флуктуации есть резуль­ тат дискретного строения вещества и статистической природы ря­ да физических величин. Действительно, многие физические вели­ чины представляют результат усреднения по большому числу ин­ дивидуальных частиц, поведение и действие которых подчиняется законам случая. Поэтому флуктуации этих физических величии принципиально неустранимы, и можно лишь ставить вопрос о том, какова относительная величина флуктуаций и каким образом мы можем на нее повлиять находящимися в нашем распоряжении сред­ ствами [53]. Так, например, уровень тепловых шумов в каналах проводной связи ограничивается допустимым усилением линейных усилителей, что, в свою очередь, ограничивает длину усилительных участков.

К аддитивным помехам, имеющим место в каналах проводной связи, относятся также помехи, обусловленные конечной величиной защищенности между парами кабелей (помехи линейных перехо­ дов), конструктивными недостатками аппаратуры (остатки несу­ щих и контрольных частот, фон переменного тока) и параметрами многоканального сигнала (помехи за счет попутного потока и не­ линейных переходов).

Помехи линейных переходов имеют существенное значение в ВЧ системах передачи, работающих но симметричным кабелям свя­ зи. Уровень линейных переходных влияний зависит от защищенно­ сти между всеми влияющими цепями и цепью, подверженной влиянию, а также от загрузки влияющих цепей и степени влияния через третьи цепи. Величину помех линейных переходов ограничи­ вают увеличением защищенности между взаимовлияющими цепя­

12

ми путем симметрирования, ограничением диапазона частот, уменьшением допустимых отклонений выходных уровней линей­ ных усилителей и соответствующей обработкой третьих цепей.

Величины остатков несущих и контрольных частот определяют­ ся в основном качеством фильтрующих устройств. Величина остат­ ков несущих частот определяется, кроме этого, качеством преобра­ зователей, а величина остатков контрольных частот — местом, за­ нимаемым каналом связи в групповых и линейных трактах ВЧ систем передачи. Величины остатков несущих и контрольных час­ тот ограничивают, предъявляя определенные требования к преобра­ зователям и фильтрующим устройствам.

Фон переменного тока обусловливается недостаточной фильтра­ цией переменной составляющей в выпрямительных устройствах и наводками линий электропередач. Величину пульсации ограничи­ вают, предъявляя определенные требования к сглаживающим фильтрам и взаимному расположению линий связи и электропере­ дачи.

На помехах, определяемых параметрами многоканального сиг­ нала, следует остановиться особо. Сигнал и помеху обычно счи­ тают статистически независимыми. Однако в данном случае это не так: помехи за счет попутного потока и нелинейных переходов пол­ ностью определяются параметрами многоканального сигнала. Для объяснения этого кажущегося противоречия необходимо напом­ нить смысл, вкладываемый в понятие «помеха».

Всю совокупность мешающих факторов, воздействующих на электрический сигнал в каналах связи, в зависимости от характера воздействия делят на «искажения» и «помехи». Искажением назы­ вают всякое детерминированное (неслучайное) преобразование сигнала, которое известно либо на основании теоретических дан­ ных, либо в результате эксперимента. К этому виду мешающих факторов относятся, например, искажения формы электрического сигнала за счет амплитудно-частотных и фазо-частотных характе­ ристик каналов связи.

Помехой называют всякое возмущение, не связанное с сигналом посредством детерминированной функциональной зависимости. Та­ ким образом наличие хотя бы слабой степени случайности в зави­ симости между возмущением и сигналом служит основанием ква­ лифицировать это возмущение как помеху [53].

С учетом сделанных определений рассмотрим мешающие фак­ торы, возникающие в каналах связи за счет попутного потока и нелинейных переходов.

Попутный поток возникает в кабеле в результате многократных отражений случайного многоканального сигнала от случайных не­ однородностей кабеля. Кроме этого, неоднородности, обусловлен­ ные производством и прокладкой, расположены вдоль трассы слу­ чайным образом и не остаются постоянными во времени. Возникаю­ щие в этих условиях возмущения являются случайной функцией сигнала и поэтому должны рассматриваться не как искажения, а как помеха.

13

Нелинейные переходные влияния определяются нелинейностью амплитудных характеристик усилителен. При усилении многока­ нального сигнала, имеющего статистический характер, величину продуктов нелинейности определяют два обстоятельства: превыше­ ние многоканальным сигналом в течение определенного времени порога перегрузки и нелинейность системы передачи при загруз­ ке, не достигающей этого порога. Превышение порога перегруз­ ки проявляется как короткий импульс мешающего напряжения. Энергия этого импульса распределена по широкой полосе частот и попадает практически во все каналы многоканальной системы. Не­ линейность системы передачи при уровне многоканального сигна­ ла, не достигающем порога перегрузки, является причиной возник­ новения продуктов нелинейных искажений. Мощность этих продук­ тов зависит от распределения мощности многоканального сигнала в пределах используемой полосы частот. Значит, оба вида продук­ тов нелинейности являются функциями многоканального сигнала.

Основными параметрами многоканального сигнала являются величины его средней и пиковой мощностей. Средняя и пиковая мощности многоканального сигнала непрерывно изменяются в за­ висимости от числа активных каналов, действующих в ВЧ системе передачи в данный момент, от уровней разговорных токов на вхо­ де канала, от системы эксплуатации и способа установления соеди­ нений. Чем меньше каналов в ВЧ системе, тем больше изменяются во времени средняя и пиковая мощности; чем больше каналов в системе, тем эти изменения меньше. При числе каналов больше 300 средняя мощность практически остается постоянной. Наи­ большие изменения мощностей сигналов в канале ТЧ наблюдают­ ся при передаче телефонных сообщений. Мощность этого вида сигналов зависит от электрических характеристик телефонного ап­ парата абонента, обратных токов в цепях дифсистем, состояния городских сетей и т. д. [55].

Из сказанного следует, что зависимость между продуктами не­ линейности и параметрами многоканального сигнала определяет­ ся статистическими закономерностями и в силу принятого опреде­ ления продукты нелинейности, рассматриваются как (помехи.

Следует отметить одну особенность продуктов нелинейности. •Если нелинейная система является общей для некоторого количе­ ства каналов (например, групповые и линейные усилители в много­ канальных системах), то продукты нелинейности этой системы, являясь помехами для каналов, определяются как нелинейные ис­ кажения для всей системы. Эта особенность объясняется тем об­ стоятельством, что продукты нелинейности на выходе групповой части системы полностью определяются сигналом на ее входе и, следовательно, их следует считать искажениями. На выходе лю­ бого 'из каналов величина продуктов нелинейности не может быть предсказана лишь на основе знания сигнала на входе. Следова­ тельно, продукты нелинейности в канале являются помехой.

К разряду аддитивных относятся также помехи, представляю­ щие собой кратковременные выбросы мешающего напряжения. На

.14

эти помехи стали обращать внимание только в последние годы, с появлением нового вида связи — передачи данных. Такие мешаю­ щие факторы получили название импульсных помех.

Импульсные помехи представляют собой непериодическую по­ следовательность импульсов, возбуждаемых кратковременными ЭДС. Моменты возникновения этих ЭДС случайны, а причины их появления весьма разнообразны. Это — и влияние грозовых раз­ рядов, и наличие плохих контактов в индивидуальном, групповом и линейном оборудовании, и различного рода переключения и т. д. Значительное увеличение плотности импульсных помех наблюдает­ ся при проведении различных работ на магистрали. В каналах ТЧ импульсные помехи воспринимаются в виде щелчков и треска и мало влияют на качество речевых сигналов. В каналах, используе­ мых для передачи данных, влияние их ощутимо в значительно большей степени, так как время воздействия импульсных помех соизмеримо с длительностью элементарных посылок и при доста­ точно большой амплитуде импульсной помехи возникают ошибки в передаваемой информации. Проведенные в нашей стране и за ру­ бежом исследования показывают, что импульсные помехи являют­ ся одной из основных причин, вызывающих потери достоверности.

Рассмотренные выше разновидности аддитивных помех в за­ висимости от их спектрального состава и временных характеристик делятся на флуктуационные, селективные и импульсные помехи.

Флуктуационными помехами будем в дальнейшем называть совокупность помех, обусловленных тепловым движением носите­ лей заряда, дробовым эффектом, линейными и нелинейными пере­ ходными влияниями, попутным потоком, а также некоторыми ви-. дами внешних влияний. В каналах проводной связи основными яв­ ляются тепловые помехи, а также помехи линейных и нелинейных переходов. Эти виды помех нормируются, и их влияние на качест­ во передачи информации учитывается при разработке аппаратуры вторичного уплотнения. Объединение этих видов помех под общим названием «флуктуационные помехи» не достаточно точно отра­ жает физическую суть процессов, происходящих в каналах связи. Однако эти помехи обладают весьма схожими признаками, к ко­ торым, прежде всего, следует отнести:

— равновероятное распределение частотных составляющих по­ мех в спектрах частот, занимаемых каналами связи;

—большое число независимых случайных процессов, вызываю­ щих эти помехи, что определяет нормальное распределение мгно­ венных значений результирующего напряжения помех Un$(t) с ма­ тематическим ожиданием, равным нулю, и среднеквадратическим отклонением, равным действующему значению напряжения UnфД;

—одинаковое влияние на качество передачи некоторых видов информации.

Селективными, или гармоническими, называют помехи, энергия

которых сосредоточена в узкой полосе частот (или, как говорят, в точке частотного диапазона). В каналах связи ВЧ систем с час­ тотным разделением каналов и автоматической регулировкой

15

уровней селективные помехи определяются в основном просачива­ нием несущих и контрольных частот в полосу пропускания канала. Кроме того, наличие селективных помех обусловливается переход­ ными влияниями между параллельно работающими системами и влиянием радиостанций.

О причинах появления импульсных помех мы уже говорили. Однако прежде чем перейти к рассмотрению методов борьбы с ними, необходимо определить само понятие «импульсная помеха». Это даст возможность выделить импульсные помехи из остальных видов помех, действующих в каналах связи.

При борьбе с импульсными помехами целесообразно учитывать лишь те события, которые с ощутимой вероятностью вызывают ошибки в передаваемой информации. Поэтому естественно огра­ ничиться регистрацией импульсных помех, амплитуда которых пре­ вышает некоторое пороговое значение. Импульсные помехи, дей­ ствующие в каналах связи, представляют собой результат воздей­ ствия непериодической последовательности одиночных импульсов, возникающих в основном в линейных трактах ВЧ. Поэтому им­ пульсную помеху можно рассматривать как реакцию частотноогра­ ниченной системы на ударное возбуждение кратковременными, оди­ ночными, достаточно разобщенными во времени ЭДС. Время воздействия этих ЭДС меньше, а интервал следования больше дли­ тельности переходных процессов, происходящих в каналах связи. Из этого следует, что импульсная помеха, возникающая на входе канала связи (в линейном тракте), обладает более широким спек­ тром, чем полоса пропускания канала связи. Так как основным местом проникновения импульсных помех в каналы связи являют­ ся линейные тракты ВЧ систем передачи, то при регистрации им­ пульсных помех не учитываются теоретически возможные, но весь­ ма редкие помехи, которые попадают на вход канала связи, минуя фильтры.

• С учетом сделанных ограничений понятие «импульсная помеха» можно сформулировать следующим образом. Импульсной помехой называется реакция канала связи на кратковременное мешающее воздействие At<C\/Af в линейном тракте ВЧ систем передачи. Ам­ плитудное значение помехи на выходе канала связи соизмеримо или больше возможной амплитуды сигналы LJ\m>Uс, а интервалы следования значительно превышают длительность переходного про­ цесса в канале т>>1/Д/, где At — длительность мешающего воздей­ ствия в линейном тракте; Af — полоса эффективно передаваемых частот в канале связи; Uc — амплитудное значение сигнала; £/1Ш— амплитудное значение импульсной помехи [24].

Мультипликативная помеха определяется как некоторая элек­ трическая величина, воздействие которой на сигнал определяется оператором вида UCyM(t) = Uc(t)Un(t) [53]. Мультипликативные помехи обусловливаются случайными изменениями коэффициента передачи канала. Наиболее распространенным видом мультипли­ кативных помех в каналах проводной связи являются случайные изменения остаточного затухания (усиления) под воздействием

16

различных причин, действующих в каналах связи. Основными при­ чинами являются:

— неточная компенсация изменений АЧХ линейных трактов системами автоматической регулировки уровня (АРУ);

—неисправности в устройствах АРУ;

—ошибочные действия технического персонала;

—нарушения контактов в местах соединений;

—переключения генераторного оборудования;

—переключения дистанционного питания;

—переключения станционного питания.

точность компенсации температурных искажений вызывает мед­ ленные изменения остаточного затухания (усиления), которые компенсируются в процессе повседневной эксплуатации и в про­ цессе проведения регламентных работ. Поэтому такие изменения мало влияют на качество передачи различных видов информации. В результате неисправностей в устройствах АРУ и ошибочных действий технического персонала возникают как сравнительно мед­ ленные, так и быстрые, кратковременные изменения остаточного за­ тухания (усиления). Остальные причины вызывают в основном лишь кратковременные изменения остаточного затухания.

Таким образом, все изменения остаточного затухания (усиле­ ния) можно разделить на две группы: 1) медленные изменения, вызывающие с равной вероятностью как увеличение, так и умень­ шение остаточного затухания (усиления). Эти изменения называют­ ся нестабильностью остаточного затухания (усиления); 2) быстрые, кратковременные изменения, вызывающие в основном увеличение (уменьшение) остаточного затухания (усиления). Такие изменения называются кратковременными изменениями уровня сигнала.

Кратковременные изменения уровня сигнала разделяют на сравнительно неглубокие и глубокие. При определении граничного значения учитывают влияние этих занижений на качество переда­ чи дискретной информации. Глубокими занижениями, в дальней­ шем называемыми кратковременными перерывами, называют за­ нижения уровня сигнала на величину, превышающую 17,4 (дБ). Неглубокими занижениями, в дальнейшем называемыми кратко­ временными занижениями уровня сигнала, называют занижения, не превышающие 17,4 дБ.

Кратковременные перерывы влияют на качество передачи вы­ сокоскоростной и среднескоростной информации и на качество передачи сигналов тонального телеграфирования.

Кратковременные занижения уровня сигнала сами по себе не всегда вызывают потери достоверности при передаче дискретной информации. Однако они оказывают существенное влияние на качество работы каналов тонального телеграфирования. Кроме того, в сочетании с другими мешающими факторами такие заниже­ ния уровня вызывают ошибки и при передаче среднескоростнон и высокоскоростной информации.

17

1.4.Влияние помех на качество передачи различных видов информации

Наличие в каналах связи различного рода помех приводит к искажениям электрических сигналов, отображающих передаваемую информацию. Термин «верность» обозначает степень соответствия принятого сообщения переданному. Количественная мера такого соответствия выбирается в зависимости от требований, предъявг ляемых к передаче сообщений данного вида. При передаче теле­ фонных разговоров, программ вещания и звукового сопровождения программ телевидения показатель верности выражается числом, получаемым в результате артикуляционных испытаний. При пере­ даче неподвижных и движущихся изображений показатель верно­ сти определяется четкостью и контрастностью принятого изобра­ жения. При тональном телеграфировании и передаче данных ко­ личественной мерой верности служит число, определяющее веро­ ятность правильного приема символов. В общем случае количест­ венная мера соответствия выбирается в зависимости от формы представления информации.

При отображении передаваемой информации электрическими сигналами, представляющими собой непрерывные функции непре­ рывных аргументов (телефонные переговоры, вещание, фототеле­ граммы, телевидение), качество передачи в общем случае может оцениваться отклонением принятого электрического сигнала от пе­ реданного. Количественная оценка этого отклонения может быть определена в соответствии с существующими критериями согла­ сия. Однако на практике такой метод оценки качества передачи обычно не используется. Как уже отмечалось, метод оценки выби­ рается в зависимости от вида передаваемых сообщений.

В зависимости от подверженности воздействию помех все виды информации, отображаемой непрерывными электрическими сигна­ лами, можно разбить на две группы: 1) передача речевых сигна­ лов, программ вещания и звукового сопровождения программ теле­ видения; 2) передача неподвижных и движущихся изображений.

К качеству передачи информации первой группы предъявляют­ ся два требования, заключающиеся в сохранении натуральности звучания и разборчивости речи. Общепринятой количественной оценки натуральности речи нет, и определяющие ее факторы до сих пор мало изучены. Основным критерием качества телефонной связи является ее разборчивость, определяемая процентом пра­ вильно принятых звуков, слогов или фраз, что, в свою очередь, определяется точностью передачи процесса изменения спектраль­ ной плотности речевого сигнала.

Существует формантная теория разборчивости речи, разрабо­ танная для аддитивных помех [6, 41]. В соответствии с этой тео­ рией при расчете разборчивости надо на отдельных частотах спек­ тра речи определить спектральное превышение речи помехами, за­ тем по полученным данным с помощью кривых коэффициента восприятия определить формантную разборчивость (понятие, эк-

18

вивалеитное проценту переданной информации) на этих частотах, которая затем суммируется по всем частотам. Далее, по извест­ ным кривым пересчета определяется разборчивость звуков, слогов, слов или фраз.

Зная артикуляцию слогов, можно судить и об артикуляции зву­ ков, слов, фраз, так как между различными видами артикуляции существует определенная зависимость. Например, коэффициенту артикуляции слогов, равному 0,5, соответствует артикуляция фраз порядка 0,98. Это и естественно, так как связанная речь воспри­ нимается лучше, чем слоги, лишенные смыслового содержания.

Флуктуационные помехи в телефонных каналах и каналах ве­ щания и звукового сопровождения программ телевидения воспри­ нимаются как шорох, а редкие выбросы напряжения, присущие данному виду помех, — как щелчки. Эти явления маскируют зву­ ковые сигналы, снижая коэффициент артикуляции. Однако ме­ шающее воздействие флуктуациоииых помех несколько сглажива­ ется благодаря неодинаковой частотной зависимости чувствитель­ ности уха и воспроизводящих приборов. Чтобы учесть это различие при оценке мешающего воздействия, флуктуационные помехи, име­ ющие равномерный спектр, пропускают через так называемый псофометрический взвешивающий фильтр. Помехи, измеренные таким образом, называют псофометрическими, в отличие от невзвешен­ ных помех, измеряемых без указанного фильтра. Частотные харак­ теристики псофометрических фильтров определены Рекомендация­ ми МККТТ Р53А и В соответственно для телефонной связи и ве­ щания. Эти характеристики таковы, что средний уровень невззешенных помех превышает уровень псофометрических помех на 2,5 дБ в стандартных каналах ТЧ и на 5 дБ в каналах вещания. Эту разность называют псофометрическим коэффициентом.

Для приблизительной субъективной оценки влияния помех раз­ личной мощности могут служить следующие данные: при псофометрической мощности шумов 10 000 пВт в точке с относительным ну­ левым уровнем помехи едва различимы; при мощности 100000 пВг разборчивость еще достаточна, даже если абоненты говорят тихо, а при мощности 1 000 000 пВт помехи настолько слышны, что раз­ борчивость речи становится недостаточной.

В соответствии с Рекомендациями МККТТ (G222) в канале ТЧ (с полосой 0,3—3,4 кГц), организованном по гипотетической цепи длиной 2500 км, среднее за час значение псофометрической. мощ­ ности помех в точке с относительным нулевым уровнем не долж­

точке с относительным нулевым уровнем через псофометрический фильтр для каналов вещания, не должна превышать 16000 пВт (3,1 мВ на сопротивлении 600 Ом) [39J.

Особую группу помех, определяющую качество каналов связи, используемых для передачи звуковых сигналов, составляют помехи за счет линейных переходов. Помехи, определяемые переходными влияниями, делятся на внятные, при которых влияющий ток, про-

19

пикая в подверженный влиянию канал, не изменяет своей частоты, и невнятные, при которых частота тока, возникающая в подвержен­ ном влиянию канале, отличается от частоты влияющего тока.

Внятные переходные влияния возникают в тракте приема данного канала всех ВЧ систем передачи от влияния низкочастот­ ных частей трактов передачи других каналов (например, переходы в станционной проводке или через общие источники питания посто­ янным и несущим током). В системах передачи, работающих по симметричным кабелям, внешние помехи возникают, кроме того, от влияния совпадающих по частоте каналов, действующих по па­ раллельным цепям. Менее опасны внятные переходные влияния, возникающие в тракте приема каналов связи от влияния тракта передачи того же канала, вследствие которых говорящий слышит собственную речь. Внятные помехи опасны не только тем, что они маскируют звуковые сигналы, передаваемые по каналам связи, но и тем, что отвлекают внимание слушающего, приводя к значитель­ ному снижению коэффициента артикуляции.

Для обеспечения требуемого качества передачи речевых сигна­ лов внятные помехи, переходящие с других цепей, должны быть таковы, чтобы после электроакустического преобразования в теле­ фонном капсюле они маскировались остальными видами помех и разборчивыми были лишь менее 10% передаваемых фраз. Для этого необходимо, чтобы переходное затухание между двумя або­ нентскими установками составляло от 65 до 70 дБ. Так как оста­ точное затухание в каналах ТЧ равно 7 дБ, то норма переходного затухания между двумя устройствами, подключенными ко входу влияющего и выходу подверженного влиянию каналов, обеспечи­ вается при защищенности 58 дБ (Рекомендации МККТТ, G 151).

Переходное затухание между каналами вещания, а также меж­ ду телефонными каналами и каналами вещания должно составлять 74 дБ (Рекомендации МККТТ, J21), так как из-за возможного усиления в приемной части аппаратуры канала вещания внятный переходный разговор в данном случае более опасен, чем в кана­ лах ТЧ. Остаточное затухание в .каналах вещания — ноль, поэтому защищенность от переходных разговоров также составляет 74 дБ.

Селективные помехи в каналах ТЧ и каналах вещания создают фон, мешающий восприятию звуковых сигналов. Мешающее воз­ действие селективных помех определяется не только их мощностью, но и местом, которое они занимают на оси частот. Например, в каналах ТЧ эти помехи, как правило, находятся на краях частот­ ного диапазона и почти не воспринимаются на слух.

Импульсные помехи в каналах ТЧ и каналах вещания прослу­ шиваются как отдельные щелчки и трески, их амплитуды изме­ няются в широких пределах, достигая в точке с относительным уровнем —13 дБ величины 900 мВ и более. Как уже отмечалось, на качество передачи звуковых сигналов импульсные помехи зна­ чительного влияния не оказывают.

Мешающее воздействие на качество передачи кратковременных перерывов определяется особенностью строения человеческого уха,

20