通信チャネルにおける干渉と歪みの一般的な特性。チャネルのノイズと歪み

実際のチャンネルでは、送信中に信号が歪んでしまい、メッセージが多少の誤差を伴って再生されます。これらのエラーは、チャネルの歪みと信号の干渉が原因で発生します。

チャネルの周波数と時間の特性によって、いわゆる線形歪みが決まります。さらに、チャネルは、チャネルの特定のリンクの非線形性のために非線形歪みを導入する可能性があります。線形歪みと高調波歪みが既知のチャネル特性によるものである場合、少なくとも原則として、適切な補正によって除去できます。

歪みは、ランダムノイズと明確に区別する必要があります。干渉は事前にわからないため、完全に排除することはできません。

干渉は、受信を困難にする有用な信号への影響として理解されます。干渉は、その起源と物理的特性の両方で非常に多様です。無線チャネルでは、最も一般的なのは、大気中の電気的プロセスによって引き起こされる大気干渉、そしてとりわけ雷放電です。この干渉のエネルギーは、主に長波長と中波長に集中しています。産業設備も強い干渉を発生させます。これらは、あらゆる種類の電気設備の電気回路の電流の突然の変化から生じる、いわゆる産業干渉です。これには、電気自動車、電気モーター、医療機器、エンジン点火システムなどからの干渉が含まれます。

一般的なタイプの干渉は、不要なラジオ局やチャネルからの干渉です。これらは、動作周波数の分布の規制違反、不十分な周波数安定性、信号高調波の不十分なフィルタリング、および相互歪みにつながるチャネルの非線形プロセスによって引き起こされます。

有線通信チャネルでは、主なタイプの干渉はインパルスノイズと通信の中断です。インパルスノイズは、多くの場合、自動切り替えとクロストークに関連しています。通信の遮断とは、回線内の信号が急激に減衰したり、完全に消えたりする現象です。このような中断はさまざまな理由で発生する可能性がありますが、最も一般的なのはリレーの接触障害です。

ほとんどすべての周波数範囲で、増幅デバイス、抵抗器、および機器の他の要素の電荷キャリアの無秩序な動きによって引き起こされる機器の内部ノイズがあります。この干渉は、他の干渉が少ないVHF無線通信で特に当てはまります。この範囲では、太陽、星、その他の地球外の物体で発生する電磁プロセスに関連する宇宙干渉も重要です。

一般的に、干渉の影響 n（t）送信信号ごと u（t）演算子で表現できます

z=ψ(u, NS). (1.5)

オペレーターが特別な場合 ψ 合計に縮退します

z=u+NS, (1.6)

障害は呼ばれます 添加剤 ..。演算子を積として表すことができる場合

z=区, (1.7)

その後、障害は呼び出されます乗法 ..。ここ k（t）ランダムなプロセスです。 1実際のチャネルでは、通常、加法干渉と乗法干渉の両方が発生するため、

z=区+NS=NS+NS. (1.8)

さまざまな起源の加法性ノイズの中で、特別な場所は、正規分布のランダムプロセス（ガウス過程）である変動ノイズ（変動ノイズ）によって占められます。このような障害は最も研究されており、理論的にも実際的にも最大の関心事です。この種の干渉は、実際にはすべての実際のチャネルで発生します。

物理的な観点から、このような外乱は、さまざまな種類の変動、つまり特定のランダムな偏差によって生成されます。物理量それらの平均値から。したがって、電気回路のノイズの原因は、電荷キャリア（電子、イオン）の離散的な性質による電流変動である可能性があります。電流の離散的な性質は、ショット効果の形で真空管や半導体デバイスに現れます。

さまざまなソースからの多数の干渉の合計にも、変動干渉の特性があります。そして最後に、多くの干渉は、受信デバイスを通過するときに、通常の変動干渉の特性を獲得することがよくあります。

ノイズの最も一般的な原因は、熱運動による変動です。任意の導体内の電荷キャリアのランダムな熱移動により、その両端にランダムな電位差（電圧）が発生します。平均電圧はゼロで、AC成分はノイズとして現れます。受信機入力での熱雑音は、平均がゼロでエネルギースペクトルがゼロの通常のランダムプロセスです。

, (1.9)

どこ NS6.6・10 -34 J・s-プランク定数。 k1.38・10 -23 J /度 -ボルツマン定数; NS-ノイズ源の絶対温度。 NS-現在の周波数。

オーディオおよびラジオ周波数の範囲 hf<<kT、したがって、スペクトル密度は一定であり、

. (1.10)

値 NS 0 = kT片側スペクトルノイズ密度と呼ばれます。受信機帯域幅あり NS ノイズパワーは NS NS =NS 0 NS、火

それどころか、量子エレクトロニクスの発展とともに通信に非常に有望になる光周波数の範囲では、 hf>>kT熱雑音は非常に弱いです。ただし、この範囲では、信号放射の離散的な性質によって引き起こされる「量子ノイズ」が非常に重要です。量子ノイズの本質は不確定性関係に関連しており、それによれば、光子エネルギーσEとその到着時間σtを測定する際の平均二乗誤差は不確定性に従います。 σ E σ NS ≥NS. したがって、相加的な干渉がない場合でも、信号を完全に正確に受信することはできません。最初の近似では、量子ノイズは、光子エネルギーに等しいスペクトル密度との干渉と見なすことができます。 hf..。光学範囲では、周波数 NS 10 15 Hzを超えると、量子ノイズが非常に目立ちます。

パルスまたは時間中心の干渉には、あるパルスからの受信機の一時的現象が次のパルスが到着するまでに実際にフェードアウトする時間があるような長い間隔で次々に続く単一パルスの形の干渉が含まれます。このような干渉には、多くの種類の大気および産業干渉が含まれます。「変動ノイズ」と「インパルスノイズ」の概念は相対的な概念であることに注意してください。パルス繰り返し率に応じて、同じ干渉が、広い帯域幅の受信機ではパルス干渉として機能し、比較的狭い帯域幅の受信機では変動干渉として機能する可能性があります。インパルスノイズは、時間と振幅がランダムに分布した、個別のまれなインパルスからなるランダムプロセスです。このようなノイズの統計的特性は、パルス振幅の分布とこれらのパルス間の時間間隔の分布によって、実用的な目的のために十分に完全に記述されています。

外部のラジオ局からの信号、さまざまな目的（産業、医療）などの高周波発電機からの放射を含めるのが通例です。一般的な場合、これらは変調された振動、つまり、さまざまなパラメータを持つ準調和振動です。場合によっては、これらの振動は連続的であり（たとえば、放送局やテレビラジオ局からの信号）、他の場合には、本質的に衝動的です（無線電信局からの信号）。変動ノイズやインパルスノイズとは異なり、集中ノイズスペクトルの幅は、ほとんどの場合、受信機の帯域幅を超えません。短波範囲では、このタイプの干渉が通信の品質を決定する主なものです。

1ランダムプロセスとそのエネルギースペクトルの厳密な定義については、後で説明します。

信号とともに、加法性ノイズが無線受信機の入力に到達します。この種の干渉は次のとおりです。

大気および宇宙の騒音;

産業設備からの干渉;

他の送信機からのステーション干渉。

入力に与えられるRPUパスの固有ノイズ。

すべての加法性ノイズは、次の3つのグループに分けることができます。

変動（ノイズ）;

スペクトル中心（ステーション）;

時間中心（パルス）。

RFPパスのノイズは、平均がゼロで片側のスペクトル密度（エネルギースペクトル）を持つ定常ガウス過程として表すことができます。

k-ボルツマン定数k = 1.38・10 -23 [J / K]、T 0-ケルビンスケールでの周囲温度（T 0 = 273°+ t°C）。

Fw-受信機の雑音指数。

雑音指数Fwは、理想的な（非ノイズ）受信機と比較して、実際の受信機が電力の信号対雑音比を低下させる回数を示します。その雑音レベルは、信号源のアクティブ抵抗によるものです。

RFUパスの等価ノイズ帯域幅Dfにおけるホワイトノイズの平均パワー

, (2.51)

ここで、K0は中心周波数での周波数応答の値です。

ガウスノイズは、その最大エントロピーに基づいて最も強力な情報破壊ツールであることに注意してください。

狭帯域ガウスノイズ n（t）変調信号のように複雑な形で書くことができます、ここで実際の信号

として定義

ここで、N（t）はエンベロープです。 q w（t）-ノイズプロセスのフェーズ。

; ; (2.54)

Nと（t）と N s（t）-低周波直交成分。

. パルス干渉 は、無線制御システムの共振回路に作用して、それらの中に長期の過渡プロセスを作成し、信号の受信に深刻な干渉を与える可能性があります。

インパルスノイズの場合、それらの磁束の強度とそれらの振幅のレベルの分布を知る必要があります。平均時間間隔で1秒が発生することがわかっている場合 ν インパルスノイズ、次に外観 k間隔の干渉 NS確率P（ k）はポアソンの法則によって記述されます

(2.55)

電信メッセージを送信するとき、要素の持続時間は∆に等しいと仮定します。 NS。インパルスノイズによるメッセージ要素への損傷の確率。したがって、区間Tに要素がある場合、式（2.55）のインパルスノイズの影響を受ける独立区間の平均数。この式は、期間Tの通信セッションでインパルスノイズの影響を受ける要素の数の確率を決定します。

ステーション干渉- 平均騒音レベルは、対数正規法に従って分布されます。

セクション2のセキュリティの質問。

1.連続メッセージの瞬時値の範囲。

2.DIBPモデル。

3.音声信号のダイナミックレンジの表現。

4.コテルニコフ級数の表現と連続メッセージを離散化するための条件。

5.Kotelnikovによる連続メッセージの離散化における無相関カウントの条件。

6.読み取り値から有限スペクトルで信号u（t）を復元するための条件。

7.プロセスの均一スカラー量子化の法則、平均値、および加法誤差の分散。

8.スカラー均一量子化を使用したSNSKADCガウス音声信号。

9.限られたエネルギーでの一般化された一連の振動の近似の基底関数に必要な要件。

10.振動を三角関数のフーリエ級数と複素フーリエ級数で近似した場合の振幅スペクトルの違いは何ですか？

11.フーリエ級数で表される振動ベクトル間の距離はどれくらいですか？

12.周期信号の複素振幅スペクトルと非周期信号のスペクトル密度の表現。

13.フーリエ変換のペアのプロパティ。

14.非周期的および周期的な決定論的信号のACF、CCFの決定。

15.非周期的決定論的およびランダム信号のPSDの決定、定常過程。

16.BVN同期変調信号のPSD。 BVN LF信号シンボルの等しい確率を与えるものは何ですか？

17.極形式の記録での実際の変調HF信号。変調信号の複素包絡線（極、直交形式）。

18.HF変調信号の直交記録。

19.信号変調のプロセスはどういう意味ですか？

20. AMおよびFM変調、高調波通信によるスペクトル。

21.変調された振動のSPAとPSD。

22.干渉の種類。狭帯域ガウスノイズの記録形式。

23.インパルスノイズに関するポアソンの法則。

チャネルのノイズと歪み

実際のチャンネルでは、送信中に信号が歪んでしまい、メッセージが多少の誤差を伴って再生されます。このようなエラーの原因は、チャネル自体によって引き起こされる歪みと信号に影響を与えるノイズの両方です。チャネルの周波数と時間の特性によって、いわゆる線形歪みが決まります。さらに、チャネルは、チャネルの特定のリンクの非線形性のために非線形歪みを導入する可能性があります。線形および高調波歪みが既知のチャネル特性によるものである場合、少なくとも原則として、適切な等化によってそれらを排除することができます。歪みはランダムノイズと区別する必要があります。干渉は事前にわからないため、完全に排除することはできません。

障害劣化する信号への偶発的な影響 生殖の忠実度送信されたメッセージ。干渉は、その起源と物理的特性の両方で非常に多様です。ラジオチャンネルでは、 アトモスフェリズ、大気中の電気的プロセス、とりわけ雷放電によって引き起こされます。この干渉のエネルギーは、主に長波長と中波長に集中しています。産業設備も強い干渉を発生させます。これらはいわゆる 産業干渉、あらゆる種類の電気機器の電気回路の電流の突然の変化から生じます。これには、電気自動車、電気モーター、医療機器、エンジン点火システムなどからの干渉が含まれます。一般的なタイプの干渉は、 許可されていないラジオ局とチャネル。これらは、動作周波数の分布の規制違反、不十分な周波数安定性、信号高調波の不十分なフィルタリング、および相互歪みにつながるチャネル内の非線形プロセスによって引き起こされます。

有線通信チャネルでは、干渉の主なタイプは次のとおりです。 インパルスノイズと 通信の中断。インパルスノイズは、多くの場合、自動切り替えとクロストークに関連しています。通信の中断は、回線内の信号が急激に減衰または消失する現象です。

ほぼすべての周波数範囲で、 機器の内部ノイズ、増幅デバイス、抵抗器、その他の機器要素における電荷キャリアの無秩序な動きによって引き起こされます。この干渉は、他の干渉が小さいVHF無線通信で特に当てはまります。この範囲では、 宇宙干渉、太陽、星、その他の地球外の物体で発生する電磁プロセスに関連しています。一般的に、干渉の影響 n（t）有用な信号u（t）は演算子で表すことができます

z（t）= L。(2.1)

演算子が合計に縮退する特別な場合

z（t）= s（t）+ n（t）, (2.2)

障害は呼ばれます 添加剤。演算子を積として表すことができる場合

z（t）= k（t）u（t）、（2.3）

その後、障害は呼び出されます 乗法。ここでk （NS） -ランダムプロセス。実際のチャネルでは、通常、加法干渉と乗法干渉の両方が発生するため、

z（t）= k（t）u（t）+ n（t）。(2.4)

さまざまな起源の付加的なノイズの中には、スペクトル集中（狭帯域）ノイズ、時間集中（インパルス）ノイズ、および時間とスペクトルに限定されない、いわゆる変動ノイズがあります。 変動音（変動音）は正規分布のランダムプロセスです（ガウス過程）。このような障害は最も研究されており、理論的および実際的な観点から最も興味深いものです。この種の干渉は、実際にはすべての実際のチャネルで発生します。光周波数の範囲では、それは不可欠です 量子ノイズ、信号の離散的な性質によって引き起こされます。乗法性ノイズはランダムな変化によるものです 通信チャネルパラメータ。特に、この干渉は信号レベルの変化に現れます。

信号と干渉の間に基本的な違いはないことに注意してください。さらに、彼らの行動は反対ですが、彼らは団結して存在します。したがって、無線送信機の放射は、この放射が意図されている受信機にとって有用な信号であり、他のすべての受信機にとっては干渉です。星からの電磁放射は、マイクロ波範囲の宇宙ノイズの原因の1つであるため、無線通信システムに干渉します。一方、この放射は、星の物理化学的特性のいくつかを決定するための有用な信号です。

講義番号3。電波の放射と伝播の概念

無線通信は、部分的に制限された（たとえば、地表の）空間を伝搬する電磁波を使用して実行されます。

の違い 統計電気 （または磁場）磁場と磁場 電磁波 ..。事実、長距離で帯電体のシステムによって生成される静電界（または電流によって流れるワイヤーのシステムによって生成される静磁場）の強度は、距離の3乗で、またはさらに速く減少します。同時に、自由に伝播する電磁波の場の電気成分と磁気成分の両方の強度は、最初の距離でのみ減少します。これが電磁波を利用した長距離通信の可能性の理由です。

発生源から伝播する電磁波を生成するプロセスは、 放射線 .

実際の通信チャネルでは、送信中に信号が歪んでしまい、メッセージが多少の誤差を伴って再生されます。これらのエラーは、チャネルの歪みと信号の干渉が原因で発生します。

通信チャネルの周波数と時間の特性によって、いわゆる線形歪みが決まります。さらに、チャネルは、チャネルの特定のリンクの非線形性のために非線形歪みを導入する可能性があります。これらの線形および非線形の歪みが既知のチャネル特性によるものである場合、原則として適切な補正によって除去できます。

干渉は、歪みとは異なり、ランダムな性質のものであり、事前に不明であるため、完全に排除することはできません。下障害受信を妨げる有用な信号への影響が理解されます。干渉は、その起源と物理的特性が非常に多様です。これは、大気中の電気的プロセス（雷放電など）によって引き起こされる大気干渉である可能性があり、無線チャネルの信号に最大の影響を及ぼします。これらの干渉のエネルギーは、主に長波長と中波長に集中しています。産業用のさまざまな電気機器（電気自動車、エンジン点火システム、医療施設など）の電気回路の電流の突然の変化から生じる産業障害もあります。動作周波数分布規則の違反、これらの周波数の不十分な安定性、および信号高調波の不十分なフィルタリングによって引き起こされる、外部のラジオ局およびチャネルからの干渉があります。

有線通信チャネルでは、主なタイプの干渉はインパルスノイズと通信の中断です。インパルスノイズは、多くの場合、自動切り替えとクロストークによって引き起こされます。通信の中断とは、回線内の信号が急激に減衰したり、完全に消えたりする現象です。それらの主な理由は、リレーの接点の故障です。

ほとんどすべての周波数範囲で、機器のさまざまな要素内の電荷キャリアの無秩序な動きによって引き起こされる機器の内部ノイズがあります。この干渉は、VHF無線通信で特に顕著です。この範囲では、太陽と星の電磁プロセスに関連する宇宙干渉もあります。

一般的な場合、信号U（t）に対するノイズN（t）の影響は、演算子で表すことができます。

特定のケースでは、演算子fは合計に縮退します

干渉は加法と呼ばれます。

演算子fが積として表される場合

干渉は乗法と呼ばれます。

実際の信号には両方のタイプの干渉があります。

加法性ノイズの中で、特別な場所は、正規分布のランダムプロセス（ガウス過程）である変動ノイズまたは変動ノイズによって占められます。この干渉は最も研究されており、ほとんどすべての実際の通信チャネルで発生します。物理的な観点から、このような干渉はランダムに生成されます。特定の物理量の平均値からの変動偏差。したがって、電気回路のノイズの原因は、電荷キャリア（電子、イオン）の離散的な性質による電流変動である可能性があります。

パルスまたは時間中心の干渉（大気、産業）、およびスペクトルに沿って集中する干渉もあります（短波通信の主なタイプの干渉は、外部の無線局からの信号、産業の高周波発生器からの放射です。薬など）。

干渉無関係な電磁擾乱はと呼ばれます n（t）、送信信号にスーパーインポーズ NS）信号の受信を妨害します。

形状に関して、干渉はいくつかのタイプに分けられます。

正弦波-周波数50Hzの産業用ネットワークから、医療施設やさまざまなデバイスから。
インパルス-個々のパルスまたはパルスのグループの形で（たとえば、内燃機関の点火システムからの干渉）;
混沌としました-熱雑音のタイプ（たとえば、荷電粒子のブラウン運動）。

干渉効果の性質により、干渉もいくつかのタイプに分けられます。

添加剤-通信チャネルに干渉がある場合 u（t）有用な信号を追加します NS）、それらの。 Z（t）= S（t) + u（t）;
乗法-干渉時 n（t）通信チャネルの透過係数の変化に相当します。 Z（t）= S（t）n（t）。

次に、加法干渉は、隣接する無線チャネルの干渉、産業、自然、変動、およびランダムプロセスの形での干渉に細分されます。

隣接する無線チャネルの干渉（クロストーク）は、たとえば、隣接する通信チャネルのスペクトルの重なりが原因で発生します（図5.12）。対策は、隣接チャネルの搬送周波数を信号スペクトルの少なくとも2つの半値幅だけ離すことです。

米。 5.12。キャリア周波数を持つ隣接する通信チャネルの重複スペクトルf xおよび2

産業および環境の干渉（人為的な干渉）さまざまな電気機器（たとえば、産業機器、白熱灯からの電磁放射）でのスパーク中の減衰振動が原因で発生します。この干渉は、たとえば、電話の不規則なパチパチ音やカチッという音に現れます。対策は、スパークの防止または低減、デバイスの高周波振動を遮断するためのフィルターの使用、および無線機器のシールドです。

自然な干渉大気（チャネル内）および空間にすることができます。大気干渉は、雷放電中の電磁放射によって発生し、電話やラジオで強い不規則なパチパチという形で長波長および中波長で現れます。宇宙干渉は、恒星で発生するエネルギー変換プロセスの結果として、恒星からの放射によって引き起こされます。制御手段は、このタイプの干渉のない超短波範囲への移行です。

変動する干渉、その原因は内部ノイズであり、無線機器の要素内の電流と電圧のランダムな変動です。これは、ランダムな発生モーメントを持つ一連の短いパルスです。

ランダムプロセス干渉通信回線での信号の送信に伴う望ましくないプロセスとして定義できます。例として、電話接続 2つの電話回線の誤った切り替えが発生し、その結果、もう一方の回線での会話がハンドセットで聞こえます。もう1つの例は、大気条件にさらされたときにテレビシステムで発生することがあるインイヤー干渉です。この場合、テレビ信号は通常の距離を超える距離に広がり始め、同じ周波数で放送している地元のラジオ局との相互干渉が発生します。

通信回線の干渉の一部は、電子部品によって発生します-さまざまなノイズ：熱、ショット、フリッカーノイズ。

熱雑音導体または抵抗器の原子の熱励起の過程で発生します。その結果、自由電子が現れ、ランダムにさまざまな方向に移動します。異なる速度..。それらの動きは、導体または抵抗器の端にランダムな電位差の出現につながります。

ショットノイズは、アクティブなデバイスに直流または交流電流が流れ、この電流の大きさにランダムな変動が発生する場所に存在します。これらの変動は、信号に重ね合わされて歪められます。「ショットノイズ」という名前は、信号が低周波増幅器で増幅された場合にヘッドホンで聞こえる特定のパチパチという音に由来します。

ちらつきノイズ半導体真空デバイスでは、材料の結晶構造の欠陥が原因で発生し、導電率の変動につながります。これらのノイズの原因は完全には理解されていません。フリッカーノイズはデバイスごとに異なるため、モデル化できません。ほとんどの場合、フリッカーノイズは10kHzを超える周波数では無視できます。従来、フリッカーノイズは0.1〜103Hzの帯域幅を占めると考えられていました。

システムの品質を評価するためのパラメータとして、信号対雑音比が使用されます。これは、信号電圧の最大値とノイズ電圧の実効値の比です。