Шумы и помехи в системах связи. Основные источники шумов и помех и методы борьбы с ними
Внешние помехи принимаются антенной вместе с полезным сигналом и создаются:
а) электромагнитными процессами, происходящими в атмосфере, ионосфере и космическом пространстве;
б) электроустановками и соседними р/станциями;
в) средствами постановки преднамеренных помех.
Внутренние помехи локализованы в различных элементах системы радиосвязи (флуктуационные шумы ламп и полупроводниковых приборов, нестабильность питающих напряжений и т.п.). Характеристики внутренних помех приемного устройства обычно пересчитываются к его входу.
Внутренние и внешние помехи являются аддитивными, когда на входе ПрУ сигнал представляется в виде:
где S(t) - передаваемый сигнал, n(t) - помеха. Аддитивные помехи: флуктуационные, импульсные и синусоидальные.
А. К Флуктуационным помехам (ФП) относятся шумы приемника и шумы среды распространения сигнала. Их спектр на входе ПУ обычно шире полосы пропускания ПУ. Плотность вероятности ФП часто является нормальной. В большинстве случаев ее принимают как аддитивный БГШ.
Б. Импульсные помехи представляют собой непериодическую последовательность одиночных радиоимпульсов и создаются атмосферными и промышленными источниками помех. (В некоторых случаях посторонними каналами связи).
В. Синусоидальные помехи (СП) - помехи, сосредоточенные по спектру (ширина их спектра мала по сравнению с полосой пропускания приемного тракта). Источники СП:
- станции преднамеренных помех;
- генераторы ВЧ сигналов;
- радиостанции эталонных частот. К синусоидальным можно отнести комбинированные помехи внутри самого приемника.
Искажения сигналов в линиях связи
Искажения сигналов в ЛС обусловлены хаотическим изменением коэффициента передачи физической среды, в которой распространяется сигнал. Изменения коэффициента проявляется в флуктуациях амплитуды и фазы в точке приема. В КВ и УКВ диапазонах частот возникают искажения сигналов в виде замираний, обусловленных многолучевостью распространения сигналов. Обычно такие искажения называют мультипликативной помехой. В этом случае радиосигнал представляется в виде произведения
x(t)=m(t) * S(t),
передаваемого сигнала S(t), и помехи m(t).
В общем случае на полезный сигнал воздействуют аддитивная и мультипликативная помехи.
Речевые сообщения и методы их преобразования
Речь - непрерывный нестационарный случайный процесс, образованный следующими друг за другом звуками.
Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки, полость рта и носа. Спектральная плотность речевого процесса S(t), определенная экспериментально, представлена на рисунке 1.
Она достигает максимального значения на частоте 500 Гц. Ширина спектра на уровне 0,5 составляет примерно 3 КГц (DF=3400-3100) для служебной связи. В радиовещании художественных программ (КВ) - 50-4500 Гц, в УКВ спектр ТЛФ КС - 30-10000 Гц.
Возможные способы передачи речи делятся на:
- непосредственную передачу речевого сигнала;
- передача с предварительным преобразованием речевого сигнала.
Непосредственная передача речевого сообщения может осуществляться по аналоговым, импульсным и цифровым каналам. В аналоговых КС сигналом является гармоническое колебание, один из параметров которого (амплитуда, частота, фаза) изменяется по закону речевого сообщения. При передаче речевых сообщений по импульсным КС по закону речевого процесса изменяются параметры радиоимпульсов (амплитуда, длительность и время появления). В цифровых КС непрерывные речевые сообщения передаются с помощью цифровых сигналов.
Передача с предварительным преобразованием речевого сигнала осуществляется по каналам связи, имеющим физические ограничения, в частности малую полосу пропускания (скорость передачи информации). Для этого аналоговый сигнал предварительно искажается в основном двумя путями:
- путем непосредственной компрессии (сжатия по амплитуде, частоте или длительности передачи звуков);
- >на основе методов функционального преобразования, а затем, на приемной стороне, восстанавливается. Последний подход широко используется в современных сотовых сетях связи.
Прямошумовые помехи. Прямошумовые помехи в наибольшей степени приближаются к нормальному шуму. Могут применяться два пути создания прямошумовых помех. Первый из них состоит в использовании генератора шума сверхвысоких частот. Колебания, образующиеся на выходетакого генератора, усиливаются по мощности и излучаются в пространство. В качестве первичных источников шума на СВЧ пригодны, например, газоразрядные лампы. Генератор шума состоит из газоразрядной трубки, отрезка передающей высокочастотной линии и согласующего устройства. В зависимости от типа применяемой высокочастотной линии генераторы бывают коаксиальными и волноводными. Генераторы шума волноводного типа создаются для воли от 0,2 до 10 см, а коаксиального от 10-12 до 120- 140 см . Газоразрядные трубки являются весьма широкодиапазонными источниками высокочастотных шумов и характеризуются высокой равномерностью спектра.
Второй путь создания прямошумовой помехи заключается в использовании метода гетеродинирования для переноса в область высоких частот шума низкочастотного генератора. На низких частотах роль первичных источников шума играют диоды прямого накала, тиратроны в магнитном поле и фотоэлектронные умножители .
Коэффициент качества прямошумовой помехи был бы равен единице (при обычно выполняющемся условии ), если бы не ограничение колебаний по амплитуде, имеющее место в любом физически реализуемом усилительном тракте. Амплитудное ограничение приводит к изменению спектра помехи и закона распределения ее мгновенных значений, в результате чего качество помехи снижается.
Если допустить, что спектр источника высокочастотного шума имеет прямоугольную огибающую и среднее значение частоты в спектре равно то после безынерционного симметричного ограничителя спектр шума будет состоять из бесконечного ряда составляющих, группирующихся вблизи частот . Расширение основной части спектра (вблизи частоты объясняемое образованием при ограничении комбинационных частот от составляющих спектра входного шума, не превышает 10%. На выходе ограничителя в основной части спектра содержится не менее 70% мощности выходного шума.
Плотность вероятности нормального процесса (2.1.2) деформируется на выходе безынерционного ограничителя. Пусть ограничитель имеет характеристику, изображенную на рис. 2.3, т. е.
где порог ограничения.
На интервале преобразование является линейным, поэтому внутри этого интервала плотность вероятности не изменяется, Вероятность того, что или мвых равна нулю. Все значения для которых справедливо преобразуются ограничителем в одно значение выходного напряжения ывых ; соответственно для всех значений получается . Поэтому вероятности
преобразуются для в дельта-функции, расположенные в точках и множители при дельта-функциях составляют
Таким образом, плотность вероятности шума на выходе ограничителя будет равна
График плотности вероятности (нвых) приведен на рис. 2.4.
Амплитудное ограничение снижает эффективность помехи, во-первых, из-за перераспределения ее энергии по спектру. Но это не самое главное. Существенное ухудшение эффективности помехи связано с изменением ее
структуры при глубоком ограничении.
Если среднеквадратическое значение шума много больше порога ограничения то помеха вырождается в импульсы с приблизительно постоянной амплитудой и меняющимися по случайному закону длительностями и интервалами (рис. 2.5, а). Допустив, что ширина спектра помехи согласована с полосой пропускания приемника подавляемого , придем к выводу, что постоянство амплитуды помеховых импульсов сохранится и на выходе приемника (рис. 2.5, б). Помеха такого вида обладает плохими маскирующими свойствами .
Естественно поставить вопрос об уменьшении отношения Для повышения эффективности помехи. Действительно, при амплитудное ограничение в усилителе не влияет на помеху, ее маскирующие свойства оказываются наилучшими, но выходные усилители мощности передатчика помех работали бы при этом в крайне невыгодном режиме и к. п. д. передатчика оказался бы весьма низким. Разумный компромисс мог бы быть получен при выборе В этом случае качество помехи окажется несколько хуже, чем у нормального шума, но это
ухудшение не очень существенно и коэффициент качества реальной помехи остается близким к единице.
По имеющимся данным 15, 79, 156], прямошумовая помеха считается перспективным видом помех.
Амплитудно-модулированные шумовые помехи. Амплитудно-модулированные шумовые помехи представляют собой незатухающие гармонические колебания, модулированные по амплитуде шумом. Помеховый сигнал на входе приемника может быть записан таким образом:
Здесь крутизна модуляционной характеристики передатчика; модулирующее напряжение, которое поступает от генератора шума.
Если модулирующий шум имеет постоянную спектральную плотность в пределах от нулевой частоты до (рис. 2.6, а), то спектральная плотность модулированного колебания так же будет постоянной (рис, 2.6, б), а ширина спектра равна
Спектр помехи включает колебание на несущей частоте и боковые составляющие. Нетрудно показать, что при -ной модуляции гармонического колебания прямоугольными биполярными импульсами со средней скважностью 2 отношение мощности боковых составляющих к мощности на несущей частоте Рнес равно единице. Поэтому справедливо неравенство
где мощность передатчика помех.
Так как маскирующий эффект создают только боковые составляющие спектра, при амплитудной модуляции по
прямому назначению используется не более 50% мощности помехи.
Если ширина спектра помехи превышает полосу пропускания приемника подавляемого РЭС, а средняя частота спектра помехи и резонансная частота приемника одинаковы, то через приемник пройдет часть мощности боковых составляющих спектра помехи, равная
Для подавления сигнала при отсутствии Рнес как минимум Должно выполняться условие
С учетом для мощности помехи , попадающей в полосу пропускания приемника, находим:
и реальное значение коэффициента подавления будет равно
Принимая, что и подставляя (2.1.18) и (2.1.19) в (2.1.20), получим
т. е. при расширении спектра амплитудно-модулированной помехи по сравнению с полосой пропускания приемника РЭС коэффициент подавления почти пропорционально растет. Коэффициент качества помехи при этом соответственно уменьшается
Из-за наличия в спектре помехи составляющей на несущей частоте, не создающей маскирующего эффекта, коэффициент качества помехи не может быть больше 0,5 и уменьшается при возрастании по сравнению с .
На качестве помехи сказывается ограничение амплитуды колебаний, имеющее место в любом передатчике. Для определенности рассмотрим ограничение в модуляторе. На рис. 2.7 изображена характеристика, представляющая собой зависимость амплитуды
высокочастотных колебаний от модулирующего напряжения Рабочая точка А выбирается в середине этой характеристики. Начальное смещение, определяющее положение рабочей точки, равно При изменении модулирующего напряжения амплитуда колебаний может изменяться от О До Переменная составляющая управляющего напряжения поступает от генератора шума. Если то наступает ограничение амплитуды помехового сигнала. На рис. 2.7 ограничение имеет место на интервалах - и
Напряжение можно назвать порогом ограничения. Отношение эффективного значения модулирующего напряжения к порогу ограничения обозначим коэффициентом
Эффективность помехи в большой степени зависит от выбора значения та. Вид зависимости показан на рис. 2.8. Характер этой зависимости объясняется следующим образом. Если то влиянием амплитудного ограничения можно пренебречь, помеха обладает хорошими маскирующими свойствами, но при этом очень мала глубина модуляции высокочастотных колебаний. Следовательно, мощность боковых составляющих спектра помехи много меньше мощности на несущей и в результате этого коэффициент качества помехи мал.
При увеличении отношение растет и становится равным единице при та Поэтому при возрастании та
вначале наблюдается рост коэффициента качества помехи. Однако для эффективность помехи снова становится низкой из-за изменения ее структуры: помеха превращается в импульсы приблизительно постоянной амплитуды, обладающие, как уже пояснялось выше, плохими маскирующими качествами.
Для наибольшей эффективности амплитудно-модулиро-ванных шумовых помех целесообразно выбирать . При выполнении указанных условий помеха рассматриваемого вида мало чем отличается от нормального шума (за исключением наличия несущей частоты) и защищаться от ее воздействия можно с помощью методов оптимальной фильтрации.
Частотно-модулированные шумовые помехи.
Напряжение частотно-модулированной шумовой помехи на входе приемника можно представить следующим образом:
где амплитуда колебаний; среднее значение высокой частоты; случайное изменение частоты колебаний; крутизна модуляционной характеристики.
Одним из основных параметров частотно-модулированных колебаний является эффективное значение индекса частотной девиации равное отношению эффективного значения девиации частоты к эффективному значению ширины спектра модулирующего напряжения т. е. на краю спектра (рис. 2.9, б) отношение мощности помехи к мощности сигнала будет существенно меньше, чем в средней части спектра. Для обеспечения заданных условий подавления РЭС необходимо, чтобы в пределах всей полосы
Временная структура широкополосной частотно-модулированной помехи на выходе селективного фильтра позволяет эффективно использовать специальные схемы защиты от помех, например селекторы по уровню. Следует считать, что применительно к широкополосной частотно-модулированной помехе .
Виды помех процессу получения информации о воздушной и надводной обстановке.
Все виды помех работе радиолокационных средств можно разделить на три группы (рис.10.1): преднамеренные, взаимные и естественные.
Преднамеренные помехи создаются противником с помощью специальных технических средств и в зависимости от способа образования разделяются на активные и пассивные . Наибольшие трудности работе радиолокационных средств создаются авиационными средствами создания преднамеренных помех в процессе воздушного нападения на надводные корабли.
Взаимные помехи создаются главным образом работой других радиолокационных средств своего корабля и корабельного соединения. Особенно интенсивное воздействие оказывают зондирующие импульсы однотипных станций, находящихся на близких расстояниях.
Так как излучение зондирующих импульсов мешающих станций происходит несинхронно с запуском зондирующих импульсов подавляемой РЛС, то по своему существу такие помехи являются несинхронными импульсными .
Естественные помехи также разделяются на два класса: активные и пассивные. К активным естественным помехам относят индустриальные помехи от работающих электрических устройств; внутренний шум приёмника; собственный шум сопротивления потерь антенны; шум, обусловленный излучением внеземных источников или шум космического пространства, шум, обусловленный тепловым излучением Земли, атмосферный шум (помехи, обусловленные грозовыми разрядами в атмосфере). Пассивные естественные помехи представляют собой мешающие отражения от морской и земной поверхности, атмосферные неоднородности, стаи птиц, насекомых, гидрометеоров (дождя, града, грозовых очагов, облачности).
| космические |
| активные |
| Рис.10.1. Виды помех работе РЛС |
| пассивные – мешающие отражения от: |
| Естественные |
Преднамеренными активными помехами называются радиосигналы, создаваемые специальными радиопередатчиками и предназначенные для ухудшения или исключения нормальной работы радиолокационных средств.
Передатчики помех могут находиться как на самом объекте наблюдения, например, на самолёте ударной группы, так и вне его, например, на самолёте РЭБ, действующим из зоны барражирования в интересах прикрытия одного или нескольких направлений воздушного удара. В первом случае помеха называется совмещённой с целью, во втором случае - несовмещённой .
В зависимости от полосы частот, используемой передатчиком помех, различают заградительные и прицельные помехи. Заградительной называется такая помеха, ширина спектра которой равна или превышает диапазон несущих частот, в пределах которого может работать РЛС. Прицельной называется такая помеха, ширина спектра которой равна или превышает полосу пропускания приёмника подавляемой РЛС. Скользящей называется такая помеха, которая создаётся путём независимой плавной перестройки частоты передатчика помехи в широком диапазоне частот.
По характеру мешающего воздействия на РЛС различают маскирующие и имитирующие активные преднамеренные помехи.
Маскирующие активные преднамеренные помехи создают на входе приёмного устройства подавляемой РЛС фон, аналогичный резкому увеличению внутреннего шума приёмника, который затрудняет или делает невозможным обнаружение полезных сигналов и их распознавание, а также вызывает перегрузку приёмника, после которой в течение некоторого времени наблюдение полезных сигналов делается невозможным.
Маскирующие активные помехи можно разделить на три группы: непрерывные шумовые помехи, хаотические импульсные помехи и последовательности детерминированных импульсных сигналов .
Непрерывные шумовые помехи представляют собой высокочастотные колебания, один или несколько параметров которых (амплитуда, частота, фаза) изменяется случайным образом. Помехи этой группы делятся на три вида: прямошумовые , амплитудно-модулированные шумовые и частотно-модулированные шумовые . Прямошумовые помехи создаются СВЧ генераторами шума на газоразрядных лампах или низкочастотными генераторами на диодах прямого накала, тиратронах в магнитном поле и др. с последующим переносом шума в область СВЧ; эти помехи в наибольшей степени приближаются к нормальному "белому" шуму. Амплитудно-модулированные шумовые помехи представляют собой незатухающие гармонические колебания, модулированные по амплитуде шумом; в отличие от прямошумовой помехи здесь имеется составляющая на несущей частоте, которая сигнал не маскирует, что и определяет более низкую эффективность амплитудно-модулированной помехи. Частотно-модулированные шумовые помехи создаются путём случайного изменения частоты колебаний; непостоянство спектральной плотности этой помехи существенно снижает её эффективность по сравнению с прямошумовой и амплитудно-модулированной шумовой помехой.
Хаотической импульсной помехой называется последовательность радиоимпульсов с заданной частотой заполнения, амплитуда и длительность которых, а также интервалы между соседними импульсами изменяются случайным образом.
Примером последовательностей детерминированных импульсных сигналов являются многократные синхронные импульсные помехи, представляющие собой серию радиоимпульсов, излучаемых передатчиком помех в ответ на зондирующий импульс РЛС. Импульсы помехи по форме и длительности соответствуют полезному сигналу.
Имитирующие помехи создают ложные отметки, аналогичные отметкам реальных целей; эти ложные отметки затрудняют работу оператора и перегружают автоматизированные оконечные устройства РЛС. Имитирующие помехи подразделяются на многократные и однократные .
Многократная ответная имитирующая импульсная помеха представляет собой серию радиоимпульсов, излучаемых в ответ на принятый сигнал подавляемой РЛС. Различают синхронные и несинхронные по отношению к частоте следования зондирующих импульсов РЛС ответные помехи. Несинхронные импульсные помехи могут создаваться для имитации взаимных помех, чтобы усложнить общую радиотехническую обстановку. Синхронные импульсные помехи формируются станциями многократных импульсных помех, построенными по принципу многократной ретрансляции зондирующих импульсов подавляемой РЛС.
Однократная ответная помеха - это радиоимпульс, излучаемый в ответ на принятый сигнал подавляемой РЛС с некоторой изменяющейся задержкой. Время задержки обычно меняется так, чтобы создать на экране РЛС имитацию реально движущейся цели.
Радиолокационным станциям слежения могут быть созданы имитирующие помехи в каналах сопровождения по направлению, по дальности и скорости.
ВТОРОЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС: Динамический диапазон приемного устройства.
Наиболее эффективной преднамеренной активной помехой является прямошумовая заградительная помеха, по своим свойствам близкая "белому" шуму. Шумовые колебания создают эффект, аналогичный резкому увеличению внутреннего шума, что вызывает уменьшение отношения сигнал/помеха на входе приемного устройства, а, следовательно, ухудшает качество, а подчас и исключает возможность обнаружения отраженного от цели сигнала.
При действии помех большой интенсивности радиолокационные приемники могут перегружаться. При перегрузке приемник не реагирует на изменение амплитуды полезного сигнала, а, следовательно, теряет возможность воспроизводить отраженный сигнал. Перегрузка наступает из-за того, что режим работы усилительных приборов становится резко нелинейным: они периодически переходят от насыщения к отсечке.
Перегрузка возможна в любой части приемника: усилителе промежуточной частоты, детекторе или видео-усилителе. Однако, прежде всего, перегружается последний каскад УПЧ. До наступления перегрузки амплитудная характеристика линейной части приемника, то есть зависимость амплитуды U вых напряжения на выходе УПЧ от амплитуды U вх сигнала на входе смесителя или на выходе антенны имеет монотонно нарастающий характер (рис.10.2).
После достижения амплитуды входного сигнала некоторого значения U вх.макс рост амплитуда U вых прекращается, и в дальнейшем она остается постоянной или даже убывает. Вследствие ограничения резко ухудшаются условия приема полезного сигнала на фоне помех большого уровня.
| пом |
| е |
| ха |
| помеха |
| U |
| вых |
| U |
| вх.макс |
| U |
| вых |
| U |
| вх |
| t |
| t |
Способность радиолокационного приемного устройства воспроизводить отраженные от цели импульсы в присутствии помехи большой мощности оценивается его динамическим диапазоном . Под динамическим диапазоном приемника понимается отношение максимальной величины входного сигнала U вх макс (P вх макс ), приём которого происходит ещё с допустимыми нелинейными искажениями, к предельной чувствительности приёмника U вх мин , определяемой мощностью внутренних шумов P ш . Обычно это отношение определяется в децибелах
В качестве допустимого нелинейного искажения обычно принимают уменьшение на 1 дБ или на 25% усиления, т.е. крутизны амплитудной характеристики приёмника. Динамический диапазон позволяет определить перегрузочную способность приёмника и качественно оценить ухудшение избирательности его линейной части при помехах большой интенсивности, которые могут вызвать нелинейные явления в приёмнике.
ТРЕТИЙ УЧЕБНЫЙ ВОПРОС: Дальность действия РЛС в условиях преднамеренных активных помех.
- дальность действия РЛС при воздействии совмещённой помехи
Наглядное представление об эффективности воздействия совмещённой шумовой помехи в зависимости от удаления помехоносителя можно получить путём анализа графиков изменения мощности полезного сигнала P с и помехи P п (рис. 10.3).
В общем, следует ожидать, что при входе помехоносителя в область пространства, контролируемую РЛС, т.е. при его достаточно большом удалении, мощность создаваемой им помехи на входе РЛС Р п значительно превышает мощность отражённого от него сигнала Р с , что исключает возможность его обнаружения.
| Р П |
| Р С |
| Р ПЕРЕГР |
| РЛС |
| Р П, Р С |
| Д МАКС ПС |
| Д |
| Д П |
| Рис.10.3. Зоны действия помехи |
С приближением помехоносителя мощность помехи Р П возрастает обратно пропорционально квадрату его удаления Д 2 П (распространение радиоволн в одном направлении), в то время как мощность сигнала, отражённого от помехоносителя, изменяется обратно пропорционально четвёртой степени удаления Д 4 П (распространение радиоволн в прямом и обратном направлениях), т.е. мощность полезного сигнала возрастает интенсивнее, чем мощность помехи. В соответствии с этим по мере приближения помехоносителя увеличивается отношение Р С /Р П ; его обнаружение на максимальной дальности Д МАКС ПС (дальность обнаружения в условиях помехи совмещённой (пс )) с заданным качеством (Р ОБН,Р ЛО ) обеспечивается, когда это отношение станет равным коэффициенту различимости на фоне данной помехи
(10.2)
где α - коэффициент неоднородности помехи, характеризующий степень её отличия от гауссова шума; о < α <1.
m Р - коэффициент различимости сигнала на фоне гауссова шума.
Поскольку в общем случае в реальных условиях α < 1, то коэффициент различимости на фоне помехи меньше коэффициента различимости на фоне внутреннего шума приёмника (m РП <m Р ). На рис. 10.3 показан случай, когда обнаружение помехоносителя с заданным качеством обеспечивается при m РП > 1; вместе с тем, при использовании достаточно эффективных способов первичной обработки информации необходимое качество обнаружения может быть достигнуто и при m РП ≤ 1.
Заметим, что в радиопротиводействии для оценки эффективности воздействия помех пользуются величиной, обратной коэффициенту различимости на фоне данной помехи m РП , называя её коэффициентом подавления , а максимальную дальность обнаружения помехоносителя Д МАКС ПС называют дальностью самозащиты РЛС .
При дальнейшем приближении помехоносителя мощность помехи достигает величины, вызывающей перегрузку приёмника и подавление отражённого сигнала, в результате чего на удалении Д ≤ Д П помехоноситель не наблюдается.
Известно, что в отсутствии преднамеренных помех, когда возможность обнаружения пачки отражённых импульсов ограничена спектральной плотностью мощности внутреннего шума приёмника N
О =kTN Ш 
, максимальная дальность обнаружения пачки с заданным качеством (Р ОБН, Р ЛО
) определяется уравнением радиолокации для свободного пространства
Интенсивность маскирующих шумовых помех определяется их спектральной плотностью мощности на выходе антенны станции помех
(10.4)
где G ПП - коэффициент усиления станции помех;
P ПП - мощность передатчика помех;
∆f ПП - ширина энергетического спектра помехи.
При удалении помехоносителя, равном Д МАКС ПС спектральная плотность мощности шумовой помехи в приёмном устройстве РЛС будет равна
где 
- эффективная площадь антенны; не приём;
- коэффициент, учитывающий различие поляризации помехи и поля-ризации, оптимальной для антенны РЛС, и принимающий значения от 1 до 0.
Маскирующее действие шумовой помехи является следствием ухудшения чувствительности приёмного устройства РЛС, вызванного увеличением спектральной плотности мощности шума с величины N O до величины N O +N П . Поэтому, если в отсутствии преднамеренных помех (10.3)
то при воздействии шумовых помех по основному лепестку (F(Δβ) = 1 )
Если в присутствии интенсивной преднамеренной помехи пренебречь внутренним шумом приёмника m P N O стремится к «0» и учесть, что энергетические потери на приём L ПР свойственны как отражённому от цели сигналу, так и помехе, а следовательно, при воздействии помех учитывать потери только на передачу зондирующих импульсов L ПЕР = L ∑ , то из (10.6) следует, что
(10.7)
Поскольку, в отличие от работы РЛС в беспомеховых условиях, дальность действия РЛС в совмещённой помехе пропорциональна не корню четвёртой степени, а корню квадратному из энергетического потенциала, то в этих условиях оказываются оправданными "силовые" способы борьбы с преднамеренной помехой. Эти способы основаны на увеличении энергии зондирующего сигнала и коэффициента усиления антенны.
Очевидно, что энергия зондирующего сигнала будет рационально использоваться при приёме только в случае приближения обработки пачки отражённых импульсов к оптимальной; в противном случае будет возрастать величина m РП, т.е. будут увеличиваться энергетические потери полезных сигналов. Увеличение коэффициента усиления антенны в направлении на цель - помехоноситель, создавая концентрацию полезной энергии, может в то же время замедлить обзор пространства, если такая концентрация будет в равной мере обеспечиваться для всех направлений. Вместе с тем, при использовании последовательной процедуры обнаружения может быть использован управляемый обзор пространства, при котором время облучения цели зависит от условий обнаружения и, в частности от помеховой обстановки. Особенно широкие возможности для использования программного автоматически управляемого обзора пространства открываются при электронном управлении положением ДНА с помощью фазированных решеток. При использовании последовательного анализа в случае неодинакового воздействия помех с разных направлений выигрыш может составлять от 5 до 22 дб.
- дальность действия РЛС при воздействии несовмещённой помехи
В общем случае воздушный налет на корабли осуществляется с нескольких направлений, и средства воздушного нападения прикрываются преднамеренными активными помехами, создаваемыми специализированными самолетами радиоэлектронной борьбы (например, ЕА-6В "Проулер") из зон барражирования. При таком способе прикрытия налета при облучении средств воздушного нападения, т.е. при прохождении основного лепестка ДНА направления на эти средства, помеха воздействует по её боковым или фоновым лепесткам. Таким образом, помеха оказывается несовмещенной по направлению со средствами воздушного нападения (самолетами, ракетами) т.е. с объектами обнаружения (рис.10.4).
В этих условиях величина спектральной плотности мощности помехи в приёмном устройстве РЛС зависит не только от удаления помехоносителя Д ПП , но и от угла Δβ между направлением на объект обнаружения и направлением на помехоноситель. Этот угол определяет уровень боковых (фоновых) лепестков ДНА, а, следовательно, степень воздействия помехи.
В области боковых и фоновых лепестков диаграмма направленности антенны имеет весьма изрезанную форму (рис.10.5), которая практически не поддаётся аналитической оценке и определяется экспериментально. Поэтому для аналитических расчетов форму ДНА аппроксимируют различными функциями. Эти функции выбирают так, чтобы с одной стороны, достаточно точно воспроизвести полученную зависимость, а с другой - не усложнить расчетов. Так, например, в качестве аппроксимирующей боковые лепестки функции принимают огибающую максимумов ДНА с равномерным распределением амплитуды и фазы поля в ее раскрыве.
(10.8)
где - угол, отсчитываемый от нормали к раскрыву;
d β - протяженность раскрыва антенны в плоскости отсчета угла .
(Уровень боковых лепестков оценивается, как правило, в дБ относительно главного, но в основное уравнение радиолокации значение необходимо подставлять в числовом выражении, а не в дБ).
Зависимость максимальной дальности обнаружения цели в условиях воздействия несовмещённой помехи Д МАКС ПН (дальность обнаружения в условиях помехи несовмещённой (пн )) от удаления помехоносителя и уровня боковых лепестков в направлении на него находят отражение в следующей форме уравнения радиолокации для этих условий
При воздействии несовмещённых помех:
Дальность действия РЛС при воздействии несовмещённой помехи
(При анализе в двух плоскостях – горизонтальной и вертикальной, что справедливо для трёхкоординатных РЛС значение F() необходимо возвести в квадрат)
В соответствии с этим основной тактической мерой создания благоприятных условий функционирования РЛС является использование истребительной авиации прикрытия и огневых средств ПВО для удаления помехоносителя от кораблей с целью снижения эффективности создаваемых им помех.
Основной технической мерой ослабления влияния несовмещённой помехи является снижение уровня боковых лепестков ДНА. Из теории антенн известно, что снижение уровня боковых лепестков может быть достигнуто за счёт увеличения размеров антенны, рационального распределения поля в раскрыве, повышения точности изготовления, снижения влияния переотражений от близко расположенных мачт и надстроек. Повышение избирательности антенны относят к категории улучшения пространственной селекции отражённых сигналов.
радиопомеха-воздействие электромагнитной энергии на прием радиоволн, вызванное одним или несколькими излучениями, в том числе радиацией, индукцией, и проявляющееся в любом ухудшении качества связи, ошибках или потерях информации, которых можно было бы избежать при отсутствии воздействия такой энергии.
Внешние помехи принимаются антенной вместе с полезным сигналом и создаются: а) электромагнитными процессами, происходящими в атмосфере, ионосфере и космическом пространстве; б) электроустановками и соседними р/станциями; в) средствами постановки преднамеренных помех.
Внутренние помехи локализованы в различных элементах системы радиосвязи (флуктуационные шумы ламп и полупроводниковых приборов, нестабильность питающих напряжений и т.п.). Характеристики внутренних помех приемного устройства обычно пересчитываются к его входу.
Внутренние и внешние помехи являются аддитивными, когда на входе ПрУ сигнал представляется в виде:
где S(t) - передаваемый сигнал, n(t) - помеха. Аддитивные помехи: флуктуационные, импульсные и синусоидальные.
А. К Флуктуационным помехам (ФП) относятся шумы приемника и шумы среды распространения сигнала. Их спектр на входе ПУ обычно шире полосы пропускания ПУ. Плотность вероятности ФП часто является нормальной. В большинстве случаев ее принимают как аддитивный БГШ.
Б. Импульсные помехи представляют собой непериодическую последовательность одиночных радиоимпульсов и создаются атмосферными и промышленными источниками помех. (В некоторых случаях посторонними каналами связи).
В. Синусоидальные помехи (СП) - помехи, сосредоточенные по спектру (ширина их спектра мала по сравнению с полосой пропускания приемного тракта). Источники СП:
станции преднамеренных помех;
генераторы ВЧ сигналов;
радиостанции эталонных частот. К синусоидальным можно отнести комбинированные помехи внутри самого приемника.
Разному, в том числе принято различать помехи внешние и внутренние, пассивные и активные, гладкие и импульсные. Их можно также классифицировать по природе происхождения: промышленные,
Атмосферные, космические, помехи мешающих радиостанций и внутренние помехи радиоустройств.
Промышленные помехи создаются в результате работы сравнительно близко расположенных к радиоустройствам электродвигателей, релейно-контактных мощных систем, аппаратов дуговой электросварки, электроплавильных печей, рентгеновской аппаратуры « множества других различных электрических устройств, вызывая возникновение в окружающем пространстве электромагнитных полей различной частоты и интенсивности. Эти поля и оказывают мешающее действие для нормальной работы чувствительных радиотехнических устройств и систем.
Атмосферные помехи создаются естественными электромагнитными процессами в земной атмосфере, например, грозовыми разрядами. Эти помехи также представляют собой электромагнитные поля различной частоты и интенсивности.
Космические помехи вызываются электромагнитными излучениями и процессами за пределами земной атмосферы.
Помехи мешающих радиостанций создаются обычными радиовещательными и специальными станциями помех, а также постоянно действующими источниками электромагнитного излучения ¦ постоянной частоты или спектра частот и волн.
Активными помехами принято называть те, которые вызваны активными естественными или искусственными источниками электромагнитных колебаний. Что касается пассивных помех, то к ним относятся те помехи, которые обусловлены в основном природными явлениями и не связаны с действием посторонних источников электромагнитных волн. К пассивным помехам, например, можно отнести явления феддинга (замирания сигнала) волн, спорадическое (внезапное) поглощение радиоволн, возникновение радиоэха и т. п. В радиоустройствах, действие которых не связано с распространением радиоволн, например, усилителях и им подобных устройствах, почти нет надобности учитывать пассивные радиопомехи. Только в отдельных случаях с ними приходится считаться, как косвенными причинами возникновения активных помех.
Гладкими помехами принято называть такие, которые создают почти неизменяющееся по величине напряжение по-мех Un. Точнее говоря, когда максимальная амплитуда помех не превышает среднее их значение больше чем в 3 4 раза. Импульс-
Н ы е же помехи могут создавать кратковременные амплитуды в десятки раз большие, чем их среднее значение. К гладким помехам, например, относятся флуктуационные шумы (ламп, транзисторов.
Резисторов). - Атмосферные помехи могут быть как гладкими, так и импульсными, проявляясь в виде шорохов и тресков. Промышленные помехи чаще всего имеют импульсный характер. Причем их воздействие на радиотехническое устройство почти любого вида значительно резче сказывается на его работе по сравнению с действием гладких помех. Это обусловлено тем, что импульсные помехи вызывают собственные колебания резонансных цепей устройства. Такие колебания затухают не мгновенно и могут распространяться далее по блокам радиоустройства.
Для подавления СРС с расширением спектра, в частности СРС с ППРЧ могут применяться различные виды организованных помех. Основными видами помех, которые сравнительно просто реализуются в системах РЭП, являются: шумовая заградительная помеха; шумовая помеха в части полосы; полигармоническая помеха; ответная (ретранслированная) помеха (рис. 1.24) .
Виды помех реализуются в соответствующих станциях помех (СП). Все многообразие вариантов СП определяется в основном путями, которыми их разработчики стремятся сконцентрировать ограниченную мощность передатчиков в определенных частотных диапазонах, временных интервалах и пространственных секторах.
Наиболее универсальной и устойчивой к различным способам помехоустойчивости, применяемым в СРС, является шумовая заградительная помеха (рис. 1.24,а), модель которой представляет собой ограниченный по полосе АБГШ со спектральной плотностью мощности
Заградительная помеха должна перекрывать частотный диапазон СРС и при соответствующей мощности СП в состоянии подавить СРС при любых способах перестройки частоты. В виду значительного частотного диапазона СРС с ППРЧ мощность передатчика помех должна быть достаточно большой. В связи с этим СП заградительного вида представляет большую опасность с точки зрения обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) для других радиоэлектронных средств (РЭС), работающих в том же диапазоне частот. При этом сама СП становится радиозаметной и, в силу этого, уязвимой целью для самонаводящихся по радиоизлучению ракет. Отмеченные недостатки сужают возможности применения СП заградительного вида, особенно в группировках РЭС. Вместе с тем, в некоторых особых оперативно-тактических ситуациях может потребоваться применение заградительных помех.
Мощность шумовой помехи может быть использована более эффективно за счет сосредоточения ее в ограниченной полосе частот, значительно меньшей, чем диапазон частот СРС с ППРЧ. Такую помеху принято называть шумовой помехой в части полосы (сосредоточенной по спектру помехой, помехой с частичным перекрытием спектра сигналов СРС) (рис. 1.24,б). Спектральная плотность мощности шумовой помехи в части полосы может быть представлена в виде двух уровней:
(1.47)
где - коэффициент, характеризующий часть полосы, занимаемую помехой, .
Как следует из (1.47), спектральная плотность мощности шумовой помехи в части полосы возрастает в раз по сравнению со спектральной плотностью мощности шумовой заградительной помехи (1.46). Станция шумовых помех с равномерно распределенной мощностью в пределах полосы подавляет частотные элементы сигнала с ППРЧ с вероятностью . Вероятность того, что эти же частотные элементы сигнала с ППРЧ не подавляются помехой равна (1–).
В рассматриваются возможности трехуровневой шумовой помехи, спектральная плотность мощности которой
где - мощность помехи большего и меньшего уровней, соответственно; за счет выбора значений и такая помеха имеет дополнительную степень свободы.
Трехуровневая помеха является эффективной для схем приема, сигналов с тестом порога отношения сигналов, соответствующих символам 1 и 0, и стиранием символов, подверженных воздействию помех.
С целью повышения эффективности СП спектр шумовой помехи в части полосы целесообразно скачкообразно по случайному закону перемещать по всему диапазону частот, занимаемому СРС с ППРЧ. При данной модели помехи для любого отношения сигнал-помеха имеет место оптимальное значение части подавляемой полосы , при которой помехоустойчивость СРС будет минимальной. Помеха с такими параметрами является наихудшей для СРС. С целью текущей оптимизации ширины спектра помехи в части полосы и мощности помехи в СП необходимо иметь станцию РТР для измерения параметров сигналов подавляемых СРС.
Для СРС с ППРЧ эффективной помехой при определенных условиях является пол и гармоническая помеха (многотональная помеха), представляющая собой набор из немодулированных гармонических колебаний равной мощности, распределенных по диапазону частот в соответствии с заданной постановщиком помех стратегией (рис. 1.24,в),
(1.48)
Для создания эффективной полигармонической помехи требуется достаточно точное наведение узкополосных помех на центральные частоты каналов СРС с ППРЧ, а также обеспечение на входе -го канала приемника СРС определенного соотношения мощности помехи и мощности сигнала
где - некоторое положительное число (параметр распределения мощности), выбираемое постановщиком помех в соответствии с заданной стратегией таким образом, чтобы оптимизировать эффективность помехи.
Заметим, что эффективность гармонической помехи, действующей в том же канале, в котором находится и сигнал, зависит от разности фаз между помехой и сигналом. При неблагоприятных фазовых соотношениях и равенстве помеха может полностью подавить полезный сигнал.
Средняя мощность передатчика полигармонической помехи в случае равномерного распределения узкополосных помех по всем частотным каналам диапазона СРС должна быть в раз больше мощности полезного сигнала. Таков энергетический выигрыш СРС с ППРЧ при воздействии на нее полигармонической помехи. В простейшей одноканальной СРС с ППРЧ доля частотных каналов, пораженных полигармонической помехой . В этом случае одна гармоническая помеха при воздействии на СРС с ППРЧ, имеющей, например каналов, может привести к появлению ошибки с вероятностью , что явно недопустимо при цифровой передаче информации.
Такие простейшие СРС не могут использоваться в условиях РЭП и требуется разработка более помехоустойчивых СРС.
Основными методами постановки многотональных помех СРС с -ичной ЧМ являются :
А. Метод «полосового подавления», сущность которого состоит в распределении немодулированных сигналов в каждой -ичиой полосе, . При этом каждая -ичная полоса содержит или точно тонов, или не содержит ни одного тона.
Б. Метод «независимого многотонального подавления» заключается в случайном распределении немодулированных сигналов по сегментам ППРЧ в полосе , при котором постановщик помех не управляет их числом в отдельных каналах СРС.
На
рис. 1.25 изображены указанные методы многотонального подавления (А и Б)
для случая, когда частотная
полоса сегмента равна , где 
.
Эффективность методов подавления А и Б зависит от априорной информации о характеристиках сигналов -ичной СРС. Так, метод «полосового подавления» применяется в случае, когда постановщику помех известна частота -ичного сегмента и имеется возможность разместить помеху в поражаемый сегмент.
Учитывая изложенное, а также соотношение (1.49), для пораженных помехами -ичных сегментов при методе «полосового подавления» (по аналогии с параметром в случае шумовой помехи в части полосы)
(1.50)
Так как стратегия метода «полосового подавления» требует, чтобы -ичная полоса содержала или точно тонов, или ни одного, то -ичная полоса будет подавляться с вероятностью
Из (1.51) следует, что метод «полосового подавления» наиболее эффективен при . Метод «независимого многоканального подавления» не требует таких допущений (как метод А), поэтому при вероятность подавления -ичной полосы
(1.52)
или при больших отношениях вероятность подавления .
В силу того, что одной гармонической помехи достаточно, чтобы вызвать ошибку в -ичном символе, а постановщику помех неизвестна последовательность переключения частот, то он попытается охватить помехами как можно больше -ичных полос, максимизируя тем самым вероятность подавления .
Имеющуюся мощность СП наиболее рационально можно использовать при создании ответных помех. Мощность передатчика помех в этом случае концентрируется лишь в полосе частот основного или дополнительного (или основного и дополнительного) каналов подавляемой СРС и только во время ее работы. В качестве ответной помехи могут применяться шумовая и узкополосная (гармоническая) помеха (рис. 1.24,г), а также комбинация шумовой и узкополосной помех.
Ответные помехи в определенной степени являются копией частотных элементов сигнала подавляемой СРС. Это может привести к тому, что на приемной стороне СРС с ППРЧ и ЧМ такие помехи могут быть восприняты как полезные сигналы своего корреспондента. В общем же случае ответные помехи могут представлять собой модулированные шумом перехваченные частотные элементы сигнала с ППРЧ. Моделью таких помех является стационарный узкополосный гауссовский процесс.
Для применения ответных помех станция РТР должна осуществлять анализ радиоэлектронной обстановки и выбор на этой основе СРС, подлежащей подавлению. При отсутствии приема сигналов от СРС излучение помехи прекращается и станция РТР переходит в режим поиска сигналов СРС. В результате повышается пропускная способность СП, лучше обеспечивается ЭМС этих СП с другими РЭС. Следует отметить, что ответная помеха особенно эффективна против СРС с межсимвольной (медленной) ППРЧ. Применение в СРС скачков частоты с малой длительностью, случайной ЧМ, а также соответствующее размещение передатчика и приемника СРС относительно СП в принципе позволяют обеспечить «уход» сигналов СРС от перехвата, что, в конечном счете, может полностью исключить воздействие ответной помехи на приемник СРС.
Ответные помехи с точки зрения энергетических возможностей являются одними из эффективных для подавления СРС с ППРЧ. Их эффективность не зависит от коэффициента выигрыша, который имеет СРС за счет расширения спектра сигналов методом перестройки частоты. Однако создание ответных помех СРС с ППРЧ за сравнительно короткое время передачи частотных элементов сигнала (скачков частоты) наталкивается на технические и организационные трудности.
Серьезной проблемой, с которой сталкиваются, при создании ответных помех, является не только ограничения по времени передачи помех, но и ограничения по мощности станции помех. Если одновременно перехватывается несколько сигналов в различных частотных каналах, то СП вынуждена либо распределять свою мощность между этими сигналами равномерно, либо попытаться выделить сигналы только подлежащей подавлению СРС.
Кроме организованных помех в трактах приемника СРС неизбежно присутствуют собственные (тепловые) шумы. Общепринято, что собственные шумы на входе приемника СРС представляют собой стационарный нормальный случайный процесс с нулевым средним и энергетическим спектром до . Величина (Вт/Гц) называется двусторонней спектральной плотностью мощности шумов. При оценке характеристик реальных приемных устройств используется односторонняя (физическая) спектральная плотность мощности собственных шумов , которая равна нулю при (рис.1.26).
При работе СРС с ППРЧ в окружении других радиоэлектронных средств (РЭС) на приемное устройство СРС действуют мешающие сигналы этих средств, так называемые непреднамеренные (взаимные) помехи.
Анализ влияния непреднамеренных помех на СРС относится к области обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). В общем случае под ЭМС понимается способность СРС совместно функционировать с требуемыми значениями показателей качества при воздействии непреднамеренных помех на приемные устройства СРС и не создавать недопустимые помехи приемным устройствам других РЭС. Проблема ЭМС, перекрываясь частично с проблемой помехоустойчивости СРС, тем не менее, имеет существенные отличия в составе рассматриваемых мешающих воздействии (помех), каналах проникновения непреднамеренных помех в приемные устройства СРС, целях и задачах, а также в методическом обеспечении их решения.
В связи с этим воздействие непреднамеренных помех на СРС с ППРЧ в дальнейшем не рассматривается.
Загрузка...
