12

КОСМИЧЕСКИЕ И НАЗЕМНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ И СЕТИ

ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ И. М. Орощук

4 Часа Лекция 8: помехи радиолиний План занятия:

Время	№п/п	Содержание раскрываемого вопроса:
30 мин.	1	Источники помех. Полная мощность шума на входе приемника
15 мин.	2	Антенная температура
15 мин.	3	Космические шумы
15 мин.	4	Шумы теплового излучения Земли
15 мин.	5	Шумы за счет поглощения в газах и гидрометеорах

1. . Источники помех. Полная мощность шума на входе

приемника

Одним из важнейших параметров, определяющих качество приема, является соотношение мощности сигнала к мощности помех , значение которого определяется конкретным видом передаваемой информации и параметрами используемой аппаратуры. Следовательно, при проектировании радиорелейных и космических линий связи необходимо знать уровень помех на входе приемника.

В общем случае помехи по своему происхождению можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние помехи вызваны тепловыми шумами, возникающими в приемном антенно-фидерном тракте и в самом приемном устройстве. Возможными внешними помехами являются:

1. Шумы космического происхождения.

2. Шумы, вызванные тепловым излучением Земли.

3. Шумы, обусловленные излучением ионосферы, газов и гидрометеоров.

4. Атмосферные помехи, возникающие при грозовых разрядах.

5. Промышленные помехи, вызванные высокочастотным излучением различных промышленных и бытовых электрических установок.

6. Взаимные помехи между радиотехническими системами, работающими на одинаковых или близких частотах.

Спектральная плотность атмосферных помех максимальна на частотах 300 – 10 000 Гц и быстро убывает по мере увеличения частоты, поэтому эти помехи практически незаметны на частотах выше 100 МГц. Уровень промышленных помех также существенно снижается по мере увеличения частоты. Кроме того, при принятии специальных мер (экранирования, фильтрации и др.) можно существенно снизить влияние этих помех. Учитывая вышесказанное, влиянием атмосферных и промышленных помех, в рассматриваемых радиолиниях, можно пренебречь.

Влияние взаимных помех между радиотехническими системами снижается принятием специальных организационно-технических мер (ограничением уровней сигнала, использованием направленных антенн, максимальным территориальным разносом станций связи и др.).

Многие внешние помехи претерпевают случайные временные изменения. Поэтому для оценки выполнения требуемого отношения уровней сигнал/шум на входе приемника необходимо знать основные статистические характеристики случайных процессов сигнала и помех.

Мгновенное значение полной мощности шума на входе приемного устройства радиолинии определяется из следующих соображений.

Мощность шума в высокочастотных системах связи принято выражать через шумовую температуру Т_Ш. Основанием для этого является функциональная зависимость ЭДС тепловых шумов пассивного резисторного двухполюсника, сопротивлением R:

, (8.1.1)

где – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура двухполюсника (в градусах К⁰); – полоса пропускания цепи, куда подключен двухполюсник (в Гц); – спектральная плотность излучаемой энергии шума; Джс – постоянная Планка.

Вплоть до диапазона УКВ () , в связи с чем значение , откуда . Следовательно, выражение (8.1.1.) примет вид

. (8.1.2)

Таким образом, эквивалентную схему шумящего резистора подключенного к некоторому четырехполюснику B c полосой пропускания f можно представить в виде генератора шумового напряжения с ЭДС, определяемой выражением (8.1.2) и нешумящего резистора, сопротивлением R (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Эквивалентная схема шумящего резистора подключенного

к четырехполюснику

Приведенная на рис. 8.1 эквивалентная схема соответствует схеме подключения антенны к входу приемного устройства, из которой известно, что максимальная мощность на входе четырехполюсника будет в случае, когда его активная составляющая входного сопротивления будет равна сопротивлению источника сигнала, а реактивные составляющие будут компенсировать друг друга (в сумме равны нулю). При таких условиях на входе приемного устройства также будет выделяться максимальная мощность энергии шумов, которая будет равна

. (8.1.3)

Из приведенного анализа следует, что в случае согласованного подключения антенны мощность, поступаемая на вход приемного устройства, не зависит от величины сопротивления R.

Как видно из выражения (8.1.3), между абсолютной температурой Т_ш и мощностью шума существует простая линейная зависимость

. (8.1.4)

Исходя из этой зависимости (8.1.4) уровень шумов можно оценивать в градусах. Использование температурной оценки шумовых уровней изошло из того, что уровень излучения Галактики, атмосферы и покрова Земли измеряют в величинах Т_Я (яркостной температуры).

Для оценки влияния всех внутренних и внешних шумов вводится эквивалентная схема подключения антенны к входу приемника через фидерное устройство (рис. 8.2). Каждый из элементов этой схемы вносит определенную долю энергии шума на вход приемника.

РПУ

Фидер

Антенна

r_П.А

R_

r_П.ф

R_{вх РПУ}

е_Т.ш.А

е_ш.Ф

R_{вх Ф}

е_ш.внеш

(f)

e_A

Рис. 8.2. Эквивалентная схема, характеризующая влияние шумов на

радиоприемное устройство

Известно, что абсолютно черное тело, нагретое до температуры Т_Я­, излучает бесконечный спектр частот, спектральная плотность которого определяется выражением (формула Релея – Джинса)

(8.1.8)

­где – яркостная температура источника шума, определяемая термодинамической температурой абсолютно черного тела, создающего такую же спектральную плотность излучения, как и источник излучения;

f – частота, на которой определяется спектральная плотность;

с – скорость света.

Все внешние шумы, поступающие через антенное устройство на фидер, можно эквивалентно привести к тепловым шумам на сопротивлении излучения - из следующего. Все внешние источники создают неполяризованное (или почти неполяризованное) шумовое излучение, в связи с чем при воздействии такого излучения на приемную антенну с линейной или круговой поляризацией мощность шума на ее выходе в полосе частот f будет равна половине произведения спектральной плотности потока на действующую площадь антенны и ширину полосы, на основе чего:

; (8.1.5)

, (8.1.6)

где – действующая площадь приемной антенны;

(8.1.7)

G₂ – коэффициент усиления приемной антенны;

Откуда, для случая применения ненаправленной антенны:

, (8.1.9)

где Т_А - эквивалентная антенная температура внешних шумов.

Исходя из того, что для максимальной отдачи энергии приемной антенны ее выходное сопротивление согласованно с входным сопротивлением фидера (r_A=R_+r_П.А = R_Ф), значение мощности внешних шумов, подводимых к входу фидера, с учетом (8.1.3), будет определяться выражением

, (8.1.10)

где

– антенная шумовая температура, обусловленная яркостной температурой космоса – Т_К, атмосферы –T_атм и Земли – Т_З;

, (8.1.11)

– коэффициент полезного действия антенны (к.п.д.);

r_A.П – сопротивление потерь в антенне.

Откуда, согласно формуле (8.1.4) значение шумовой температуры внешних шумов на входе фидера будет равно

, (8.1.12)

где Т_А – приведенная антенная температура шумов, определяющая влияние атмосферы, земной поверхности, а также космического пространства. Кроме того, за счет потерь в антенне возникают собственные тепловые шумы, термического характера, на сопротивлении –, ЭДС которых определяется выражением

, (8.1.13)

где - термодинамическая температура антенны (Т₀=293 К для приближенных расчетов Т₀=300 К).

С учетом согласованного подключения антенны, из выражения (8.1.11) значение сопротивления потерь можно выразить через R_

, (8.1.14)

откуда

. (8.1.15)

В результате с учетом, что и формул (8.1.9), (8.1.15) и (8.1.3) полная ЭДС шума на выходе антенны будет определяться выражением

(8.1.16)

Из аналогичных соображений значение шумов вносимых сопротивлением потерь фидера будет определяться выражением

, (8.1.17)

где – к.п.д. фидера;

– волновое сопротивление фидера;

– сопротивление потерь в фидере.

Обобщая все источники помех (см. рис. 8.2), суммарная шумовая температура на входе приемного устройства, с учетом потерь энергии шумов антенны в фидере, будет равна

, (8.1.18)

где – температура собственных шумов приемника, приведенная к его входу; Ш – коэффициент шума приемника; ; , Р_ш.вых – мощность шума на выходе усилителя; Р_ш.вх – мощность шума на входе усилителя; К_р – коэффициент усиления по мощности.