Часть 2. Радиосигналы и радиопомехи
4. Электрические сигналы
Электрическими сигналами называют процессы (токи, напряжения, электрические заряды, электромагнитные поля и др.), изменяющиеся по закону сообщений. Сообщения передают информацию. Независимо от того, изменяются ли сообщения во времени или вместе с изменяющимися пространственными координатами движущихся объектов, или они неизменны, как, например, сведения, содержащиеся в картинах, книгах, записях, сигналы представляются в виде функций времени i(t), u(t), либо x(t). Преобразование сообщений в сигналы производится различными способами и разными устройствами. Например, звуковые колебания преобразуются в электрические сигналы с помощью микрофона, различные коды посылок и пауз могут быть преобразованы в последовательности токовых и бестоковых посылок с помощью телеграфного ключа и т. д.
Все сообщения и переносящие их сигналы можно разделить на аналоговые (непрерывные) и дискретные. Аналоговые сообщения (сигналы) математически описываются функциями, непрерывными в области определения независимой переменной t, т.е. они определены для любого t (рис. 4.1, а). Дискретными (импульсными) называются сообщения (сигналы), которые определены лишь в отдельных точках множества значений времени t рис.4.1, б).
Рис. 4.1. Непрерывные а) и дискретные б) сигналы
Если, кроме дискретности по времени, для сигналов характерна дискретность по уровню, говорят о цифровых сигналов. Цифровые сигналы, таким образом, принимают значения только в узлах сетки, будучи дискретными по времени и квантованными по уровню.
Современная радиотехника имеет дело и с более сложными – пространственно-временными сигналами, зависящими не только от времени, но и от пространственных координат точки излучения и точки приема. Но и такие сигналы могут быть непрерывными и дискретными.
Главное предназначение и особенность радиотехники – передача сообщений на расстояние. Расстояние может быть очень разным, от миллионов километров при космической связи до совершенно незначительных величин при информационных обменах устройств в составе микроэлектронной аппаратуры. Сигналы, переносящие сообщения, распространяются в разных средах: в свободном пространстве, по проводам, по специальным фидерным линиям. Общим является то, что эти сигналы – материальные носители информации – представляют собой электромагнитные колебания и распространяются как электромагнитные волны.
Радиоволны, тепловое и ультрафиолетовое излучение, свет, рентгеновское и g-излучение – это все волны электромагнитной природы, но разной длины. И все эти волны используются разными радиоэлектронными системами. Шкала электромагнитных волн, упорядоченных по частоте f, длине волны l, и по названию диапазона представлена на рис.4.2.
Рис.4.2. Шкала электромагнитных волн
На диаграмме рис. 4.2 ИК – это инфракрасное, а УФ – ультрафиолетовое излучения.
Волны всех указанных на рис. 4.2. диапазонов используются информационными системами и во всех диапазонах для формирования, передачи, приема, и обработки сигналов используются радиотехнические методы и устройства. Разумеется, технические способы построения и использования радиоустройств в разных частотных диапазонах электромагнитного излучения имеют свои индивидуальные особенности.
Помехи возникают во всех элементах радиосистем: как в среде, используемой для передачи сигнала от передатчика к приемнику (такие помехи называются внешними), так и в технических устройствах, выполняющих преобразования сигнала (это внутренние или внутрисистемные помехи).
Внешние помехи создаются электромагнитными излучениями физических тел (радиоизлучением Солнца и звезд, атмосферы, других объектов), образуются электрическими процессами, сопровождающими различного рода атмосферные явлений (молниевые разряды, электризация частиц за счет трения их друг о друга и об антенны радиосистем, от других причин). Наблюдаются внешние помехи индустриального происхождения, искрением в токосъемных механизмах, при электросварке, при включении и выключении агрегатов и сетей, при работе систем зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Помехи радиоприему могут создавать источники мощного радиоизлучения, используемые неинформационными системами: в металлургии, в кулинарии, в медицине и в других применениях. Помехи образуются сигналами от радиоустройств, работающих на близких частотах в силу недостаточно хорошей электромагнитной совместимости с ними. Отдельный важный класс внешних помех – это умышленные, преднамеренные помехи, специально создаваемые системами радиоэлектронного противодействия.
Внутренние (или внутрисистемные, собственные) помехи, обязанные своим возникновением дискретной природе электрического тока. Они образуются из-за теплового движения заряженных частиц в элементах электрических цепей. Внутренние помехи могут возникать вследствие нежелательного взаимного влияния элементов радиоэлектронных систем. Это помехи из-за недостаточной внутренней электромагнитной совместимости, когда электромагнитные поля в одних устройствах индуцируют (наводят) помеховые поля в других цепях или устройствах. Поэтому такие помехи чаще называют наводками.
Особенно сильно действие внутренних шумов проявляется при большом усилении сигнала, когда принимается очень слабый сигнал. Одновременно с полезным сигналом усиливаются и шумы, которые могут по интенсивности оказаться соизмеримыми с ним.
В наличие принципиально неустранимых помех проявляется конфликт радиоэлектронных систем разной структуры и функционального назначения в информационном пространстве. Именно борьба с помехами является движущей силой развития и совершенствования радиотехнических методов передачи, приема и обработки информативных сигналов. Для современных радиоэлектронных систем особенно остро стоит проблема помехозащищенности от специально организованных помех
Опасность искажений сигнала помехами обусловлена тем, что помехи всегда непредсказуемы. Сигналы, принятые на фоне помех, искажены случайным для приемника образом. Соответственно случайные, непредсказуемые искажения испытывают и принимаемые сообщения. В силу случайного характера помех точное и однозначное соответствие принятого и посланного сообщений нарушается. Это соответствие становится лишь более или менее вероятным. Поэтому для описания и исследования помех могут применяться только методы теории случайных процессов.
Помехи образуются сигналами от радиоэлектронных устройств: все сигналы иных, не собственных передатчиков радиоэлектронной системы, являются помехами. И многие из этих сигналов могут негативно воздействовать на полезные сигналы. Далеко не вся энергия излучаемых электромагнитных полей, используется радиосистемами с пользой. Дело дошло до того, что суммарная мощность электромагнитного излучения широко распространенных и используемых на Земле радиолокационных систем, систем радиовещания и телевидения, систем мобильной связи стала превосходить мощность солнечного излучения в радиодиапазоне. Поэтому помехи, обусловленные недостатками электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем, довольно опасны.
Радикальным средством борьбы с помехами является их уничтожение или ослабление в месте возникновения. Устранение помех от радиоустройств достигается рациональным размещением (распределением) частот, регламентируемым специальными международными соглашениями, улучшением качества передачи за счет уменьшения нежелательного (паразитного) излучения, увеличением стабильности несущей частоты, применением направленных антенн, правильным выбором рабочего диапазона частот и другими мерами. Все это позволяет в какой-то мере разрешить проблему электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем разного функционального значения и структуры, решить проблему "тесноты в эфире".
Принципиально наиболее сложной является задача ослабления собственных шумов радиоаппаратуры, но и здесь можно достичь существенного уменьшения их интенсивности за счет применения специальных схемотехнических решений и электронных приборов, применения усилительных устройств, работающих в режиме глубокого охлаждения (вплоть до температуры жидкого гелия), когда снижается интенсивность теплового движения частиц.
Тем не менее, несмотря на все эти меры, полностью избавиться от помех невозможно. Всегда остаются собственные шумы той или иной интенсивности, шумы Галактики и других источников космического радиоизлучения, атмосферные помехи и т.п.
Опасность искажений сигнала за счет помех обусловлена тем, что они непредсказуемы, случайны. Поэтому радиоэлектронные системы проектируются так, чтобы наделить их способностью наилучшим образом противостоять мешающему действию помех.
Можно утверждать, что проблема помехоустойчивости радиоэлектронных систем является центральной и включает в себя большое число других проблем.