1.11 Відношення сигнал завада

Відношення сигнал/завада – визначає силу відносно фонового шуму (завади) каналу передачі даних, а також пристрою обробки сигналу або електронного пристрою. Це відношення визначає якість передачі даних. Якщо рівень фонового шуму в каналі високий, це може призвести до зниження швидкості передачі даних, оскільки передаючий комп’ютер буде вимушений багатократно висилати пакети даних, які не були прочитані адресатом із-за дуже великого рівня завади.

Завада – серйозний ворог системи передачі даних.

В якому б середовищі не рухалися електрони, вони створюють визначений електромагнітний шум. Коли сигнал передається через канал зв’язку, наприклад по мідному дроті або при трансляції в радіочастотному діапазоні, його завжди супроводжують фонові електромагнітні завади, або шуми.

Співвідношення сигнал/шум (S/N) – це кількість небажаного електромагнітного шуму, віднесене до сили сигналу. Якщо фонова завада в каналі передачі чи в вимірювальному каналі більша, ніж сигнал, це може привести до зниження швидкості передачі даних або порушення стабільного і нормального функціонування системи.

Ось чому пасажирам під час авіа перельотів забороняють користуватися електронними приборами, сотовими телефонами чи мобільними комп’ютерами, на протязі всього авіаперельоту, або по крайній мірі під час зльоту чи посадки. Ці міри гарантують, що шум від таких пристроїв не завадить навігаційній системі літака, але в загальному з розвитку захисту навігаційних систем від шумів це стає мало вірогідним.

В дротових системах проблеми, пов’язані з рівнем завади, вирішуються просто в силу відносної замкнутості системи.

Розглянемо звичайну локальну мережу, в якій низькорівневі шуми від радіо і інших пристроїв можуть визивати завади. Мережа Інтернет працює на частоті 10 МГц, в точці прийому сигналу використовується фільтр, щоб відсікти сигнали, по частоті які перевищують 10 МГц.

Генератори цього типу призначені для формування флуктуаційної (шумової) напруги з певними ймовірнісними характеристиками. Їх застосовують при дослідженні завадостійкості електронних вузлів, визначенні АЧХ чотириполюсників, перевірці приладів для визначення ймовірнісних характеристик випадкових процесів і т.ін.

Основним блоком схеми – первинним джерелом шуму є задавальний генератор. Він генерує сигнали, близькі за своїми характеристиками до білого шуму (нагадаємо, що білий шум характеризується рівномірною в усьому діапазоні частот спектральною щільністю потужності сигналу В схемі робота задавального генератора може базуватися на використанні різних фізичних явищ, які породжують шумоподібні сигнали і можуть бути попередньо розраховані. Первинним джерелом шумового сигналу може слугувати, наприклад, нагрітий дротяний резистор. Середньоквадратичне значення напруги теплового шуму резистора дорівнює:

, (1.15)

смуга пропускання перетворювача в герцах. Як первинні джерела шуму можуть бути застосовані й інші прилади: напівпровідникові діоди, вакуумні діоди, фотоелектронні помножувачі, газорозрядні трубки, радіоактивні джерела шуму і ін. Фізичні основи їх роботи розглядаються в курсах фізики та електроніки.

Рівень сигналу на виході первинного джерела шумового сигналу незначний (одиниці - десятки мікровольт), тому задавальний генератор доповнюється малошумним підсилювачем з відомим та стабільним коефіцієнтом підсилення в усій робочій смузі частот.

Перетворювач може виконувати функції підсилення, переносу спектра шумового сигнала (формування вузькосмугового процесу), стабілізації потужності шумового сигнала та обмеження спектра шумоподібного сигналу (перетворення спектра з “білого” в “кольоровий”). Остання функція реалізується за допомогою фільтрації білого шуму. Відомо, що спектральна щільність потужності сигналу на виході фільтра пов’язана з модулем його частотної характеристики співвідношенням:

, (10.2)

Ще один спосіб збільшити співвідношення S/N – збільшити потужність сигналу.

Стандарти задають рівень електромагнітних завад в дозволеному для виробництва обладнання, з тим щоб мінімізувати завади при передачі даних.

Із-за високого рівня електромагнітних завад комп’ютеру-відправнику, можливо, прийдеться повторно передавати пакети даних, які прийшли адресату спотвореними із-за шуму в дротовому з’єднанні. Це визиває затримку отримання переданих даних.

Питанню подавлення шумів в бездротових комунікаціях виділяється велика увага, оскільки електромагнітні завади можуть серйозно вплинути на передачу сигналу. Тому що при бездротовому з’єднанню сигнал відносно слабкий і до того ж затухає з великою швидкістю – обернено пропорційно площі пройденої сигналом, розповсюджуючим по всіх напрямках.

На якість передачі сигналу впливає й те, що може існувати багато джерел електромагнітних завад, в тому числі і навколишнє середовище. Силові дроти і ретрансляційні вишки можуть створювати значні електромагнітні завади. Стіни будівель можуть блокувати або послаблювати сигнали. Відбиваючі поверхні, такі як металевий паркан і навіть хмари, можуть затримувати сигнали. Тому один і той же сигнал може бути отриманий із різних направлень в різний час, що визиває спотворення.

Один з методів зменшення рівню завади при бездротових з’єднаннях – це зміна частот (frequency hopping). Передавач передає сигнал на одній частоті в проміжку завчасно визначеного короткого інтервалу часу, потім переходить на іншу частоту і передає сигнал в проміжку іншого інтервалу часу і так д. Порядок і продовжуваність вимірювання частот визначає конкретний алгоритм, а оскільки сигнал використовує кожну із задіяних частот тільки на протязі короткого інтервалу часу, вірогідність виникнення завад або спотворень сигналу зменшується. Такий метод передавання сигналів використовується в технології Bluetооth.

Якщо сигнал слабкий, то інколи його заглушує фоновий шум. Для електронних систем це може бути остаточний шум компонентів пристрою, завади від інших електронних пристроїв та багато інших факторів. Коли рівень сигналу опускається нижче фонового шуму, його інформаційне наповнення пропадає, якщо сигнал сильний, то навіть його слабкі фрагменти не спотворюються із-за шуму, таким чином можливе підтримання більшої різниці в інтенсивності між самим низьким і самим високим значенням сигналу. Величина, на яку максимальна інтенсивність сигналу перевищує мінімальний рівень, коли цей сигнал ще можливо визначити, називається динамічним діапазоном і звичайно вимірюється в децибелах. Іншими словами, необхідно добитися достатньо високого співвідношення сигнал/завада.

Термін сигнал/завада спочатку виник в області розробки схем як спеціальний кількісний параметр, однак саму концепцію справедливо застосовувати до кожного методу зв’язку.

Разом з корисним вимірюваним сигналом на вхід пристрою, як правило, діє і завада. Звичайно сигнал і завада взаємодіють між собою адитивно, додаються. Іноді між ними має місце і мультиплікативна взаємодія. Необхідно вилучити або послабити дію завади на предмет вимірювання. Визначемо вплив завади на основні характеристики сигналу при адитивній взаємодії в трьох основних випадках:

1. Якщо сигнал x(t) і завада є квазідетермінованими, то сумарний сигнал

Припустимо, що x(t) і - імпульси. Тоді спектр сумарного сигналу (1.15):

(1.15)

Де спектри відповідно x(t) і .

Енергія сумарного сигналу:

Де - енергія взаємодії сигналу і завади.

Якщо =0, то сигнал і завада ортогональні, кореляційна функція такого сумарного сигналу в такому випадку буде (1.16):

(1.16)

2) Якщо сигнал є квазідетермінованим, а завада випадкова, то сумарний сигнал (1.17):

(1.17)

Можливо також розглядати як не стаціонарний сигнал, у якого математичне сподівання є функцією часу. Сигнал і завада в такому випадку взаємозалежні, тому кореляційна функція сумарного сигналу (1.18):

(1.18)

Якщо сигнал періодичний, то є періодичною функцією, а Це використовується для виділення періодичного сигналу із випадкової завади.

Якщо сигнал і завада є випадковими, то (1.19)

(1.19)

В цьому випадку щільність ймовірності (x) сигналу буде рівною звертанню розподілень p(x) та p :

Кореляційна функція сумарного сигналу

Якщо X(t) та не корельовані, то

і

Способи боротьби з завадами залежать в значній мірі від їх спектру. По відносному спектральному складу розпізнають наступні три види завад: високочастотну с періодом повторень, значно меншим часу вимірювання; з періодом повторення близьким до часу вимірювання; низькочастотну з періодом повторення значно перевищуючим час вимірювання.