4.3.7. Аддитивные помехи в канале
В каналах связи аддитивные помехи вызываются различными причинами и могут принимать различные формы, индивидуальные реализации которых трудно учесть. Именно эти помехи чаще вызывают необратимые преобразования передаваемых сигналов. Несмотря на большое разнообразие, аддитивные помехи по их электрической и статистической структуре разделяют на три основных класса: флуктуационные (распределённые по частоте и времени), сосредоточенные по частоте (квазигармонические) и сосредоточенные во времени (импульсные).
В отсутствие аддитивных помех детерминированные линейные преобразования сигнала чаще всего обратимы. В присутствии даже очень слабой аддитивной помехи линейные преобразования оказываются необратимыми.
Флуктуационные помехи. 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. 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 (при заданном режиме питания схем случайно меняется число создаваемых носителей заряда).
Флуктуационные помехи могут считаться гауссовскими случайными процессами, которые чаще всего считаются стационарными с нулевыми средними значениями (по крайней мере на определённых временных промежутках, называемых интервалами стационарности).
Сумма большого числа любых помех от различных источников вследствие условий центральной предельной теоремы теории вероятностей также имеет характер флуктуационной помехи. Многие помехи при прохождении через приёмное устройство часто приобретают свойства нормальной флуктуационной помехи (см. 4.39).
Наиболее распространённой причиной шума в аппаратуре связи являются флуктуации, обусловленные тепловым движением. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов (напряжения) на его концах. Среднее значение такого напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Тепловой шум на входе приёмника представляет собой гауссовский случайный процесс с нулевым средним и спектральной плотностью мощности:
где η— квантовая эффективность взаимодействия, показывающая среднее отношение числа рождаемых фотодетектором электронно-дырочных пар к числу падающих фотонов (η≤1).
Вследствие стохастической природы взаимодействия фотонов с фотодетектором истинное число пар носителей заряда, генерируемых каждым оптическим импульсом, будет флуктуировать вокруг среднего значения N. Вероятность того, что число созданных пар носителей заряда на интервале Т равно К, определяется пуассоновским распределением
Следует отметить, что в реальных оптических линиях связи помимо квантового шума существуют и другие мешающие факторы (в том числе аддитивные помехи), что приводит к необходимости увеличения мощности оптического сигнала.