Помехи в линейном тракте АСП-ЧРК. Собственные шумы в каналах и трактах ДСП. Общие принципы анализа линейных шумящих цепей

9. ПОМЕХИ В ЛИНЕЙНОМ ТРАКТЕ АСП-ЧРК

9.1. Собственные шумы в каналах и трактах ДСП

9.1.1. Общие принципы анализа линейных шумящих цепей

Общая характеристика помех, их классификация, способы оценки и расчета в каналах и трактах передачи кратко рассматривались в параграфе 1.4. В данном параграфе помехи исследуются более углубленно, при этом анализируется влияние того или иного вида помехи на структуру построения и параметры как отдельных блоков (узлов) МСП, так и линейного тракта в целом. Воздействие помех сказывается на работе всех видов МСП — и цифровых и аналоговых. Однако последние, как будет показано ниже, гораздо “чувствительнее” к действию помех по крайней мере по двум причинам. Во-первых, в силу аналогового характера сигнала невозможно решить на приемной стороне, является ли принятая реализация сигнала обусловленной совместным действием источника сигнала и помехи или действием только источника сигнала. Во-вторых, в аналоговых системах действует принцип накопления помех, при котором любая помеха, образованная в любой точке тракта передачи и совпадающая по спектру с полезным сигналом, обязательно пройдет на выход тракта, где сложится с другими источниками помех. По этим причинам в данной главе рассматривается воздействие помех главным образом применительно к аппаратуре и линейным трактам аналоговых систем передачи, работающих на проводных линиях связи. Однако полученные результаты могут быть непосредственно использованы при анализе аналоговых радиорелейных и спутниковых систем передачи, а также аналоговых блоков различных типов ЦСП (см. параграф 15.5 и главу 16).

Рассмотрение начнем с собственных шумов, которые по приведенной выше классификации относят к внутренним аддитивным помехам U_П(t), т.е. к таким, которые возникают в самой аппаратуре связи, а их влияние на сигнал Uc(t) определяется оператором вида U_Σ(t) = [U_C(t); U_П(t] = U_C(t)+ U_П(t) В отличие от мультипликативных помех, воздействующих на сигнал по правилу U_Σ(t) = U_С(t)U_П(t), собственные шумы в линейных устройствах (трактах) можно анализировать независимо от сигнала, что существенно упрощает их расчет.

Собственные шумы — это электрические колебания, которые определяются случайными электрическими процессами в элементах МСП, образующих активные или пассивные резистивные цепи.

Собственные шумы включают в себя тепловые шумы в резисторах (возникают благодаря беспорядочному движению свободных электронов) и флуктуационные шумы, возникающие в усилительных элементах. Движение электронов в теле резистора вызывает хаотическое протекание тока, электрическая энергия которого преобразуется в тепловую, что приводит к нагреванию резистора. В свою очередь тепловая энергия из окружающей среды вызывает изменение электрического тока в резисторе. В состоянии термодинамического равновесия, как показывают расчеты, действующее значение электродвижущей силы Е_шК, возникающей на зажимах резистора, равно

(9.1)

где k — постоянная Больцмана; k = 1,38∙10^-23 Дж/Гц ∙ град; — полоса частот, в пределах которых определяется шум, Гц; Т — абсолютная температура (по Кельвину).

Исходя из этого любое шумящее сопротивление можно представить в виде соединения идеального нешумящего сопротивления и шумового генератора тока 1_шRили напряжения Е_шR(рис. 9.1, а), причем Е_шR = I_шR R. Если имеем дело с комплексным сопротивлением Z = R + jX, то его можно представить в виде некоторого идеального нешумящего сопротивления и генератора шума (рис. 9.1, б), причем необходимо учитывать, что реактивная составляющая сопротивления Z шума не вносит, так что к шумящим усилительным элементам относятся электронные лампы и транзисторы. Шумы в электронной лампе проявляются как случайные изменения (флуктуации) анодного тока. В триодах основной причиной флуктуации анодного тока является эффект неравномерного испускания электронов катодом лампы (дробовой эффект). При теоретических расчетах удобно считать триод нешумящим элементом, а флуктуации анодного тока принять обусловленными некоторым шумовым генератором с э.д.с. Е_ШЛ, включенным в сеточную цепь лампы (рис. 9.1, в), причем

Для триода                             где S = y₂₁считаться шумовым параметром лампы.

В многосеточных лампах (тетродах, пентодах и т.д.) на флуктуацию анодного тока, кроме дробового эффекта, влияет эффект токораспределения катодного тока на ток управляющей, экранной, защитной и других сеток. Случайный характер токораспределения увеличивает флуктуации анодного тока, что можно учесть увеличением эквивалентного шумового сопротивления. По этой причине R_ШЛ многосеточных ламп больше R_ШЛ триодов.

Шумы в биполярных транзисторах (БТ) обусловлены дробовым эффектом (флуктуации эмиттерного тока Iэ и шумом токораспределения (распределение тока эмиттера на базовый и коллекторный). Источником шума в транзисторах является также сопротивление базы (см. физическую модель БТ на рис. 2.8). Поэтому шумовая схема транзистора выглядит, как показано на рис. 9.1, г. Ток дробового шума любого источника в общем случае равен: