Естественные помехи

Естественные помехи — это электромагнитные излучения, сигналы и шумы, возникающие в природной среде без участия человека и способные нарушать работу радиотехнических, электронных и телекоммуникационных систем. Они относятся к классу непреднамеренных помех и являются одним из основных факторов, ограничивающих дальность, помехоустойчивость и достоверность передачи информации. В отличие от искусственных помех (создаваемых техническими устройствами), естественные помехи имеют случайный, нестационарный характер и широкий спектральный состав, что делает их компенсацию и подавление технически сложной задачей.

Классификация

Естественные помехи подразделяются на несколько основных типов в зависимости от их происхождения и физической природы:

• Атмосферные помехи — возникают в результате электрических разрядов в атмосфере (грозовые разряды, молнии). Являются наиболее мощным источником естественных помех в диапазоне частот от единиц герц до десятков мегагерц. Импульсные помехи от молний могут распространяться на тысячи километров.
• Космические (галактические) помехи — электромагнитное излучение, приходящее на Землю из космоса. Включают излучение Солнца, других звёзд, галактик, пульсаров, а также реликтовое излучение. Наиболее интенсивны в диапазоне от 10 МГц до 10 ГГц.
• Тепловые (шумовые) помехи — обусловлены хаотическим тепловым движением электронов в проводниках и элементах радиоаппаратуры. Описываются формулой Найквиста и имеют равномерный спектр (белый шум) в широком диапазоне частот. Являются фундаментальным ограничением чувствительности приёмников.
• Сейсмические и геофизические помехи — возникают в результате землетрясений, извержений вулканов, движения земной коры. Могут создавать низкочастотные акустические и электромагнитные колебания, влияющие на работу сейсмических станций и геофизических приборов.
• Помехи от метеорологических явлений — вызваны дождём, снегом, градом, туманом, пылевыми бурями. Рассеивают и поглощают радиоволны, особенно на частотах выше 10 ГГц, что приводит к затуханию сигнала и появлению дополнительного шума.

Характеристики

Естественные помехи характеризуются рядом параметров, важных для оценки их воздействия на радиосистемы:

• Спектральная плотность мощности — распределение мощности помехи по частоте. Для теплового шума она постоянна (белый шум), для атмосферных и космических помех — спадает с ростом частоты.
• Интенсивность — уровень помехи, измеряемый в децибелах относительно единицы мощности (дБм) или напряжённости поля (мкВ/м). Интенсивность атмосферных помех может достигать десятков вольт на метр вблизи грозового фронта.
• Временная структура — импульсные помехи (молнии) имеют длительность от микросекунд до миллисекунд, непрерывные (тепловой шум) — постоянны во времени.
• Угловое распределение — космические помехи приходят со всех направлений, атмосферные — преимущественно из областей с грозовой активностью.

Влияние на радиосистемы

Естественные помехи ограничивают предельную чувствительность радиоприёмных устройств. Для оценки этого влияния введено понятие шумовой температуры — эквивалентной температуры, при которой тепловой шум сопротивления источника равен мощности помехи на входе приёмника. Шумовая температура антенны складывается из вкладов атмосферы, космоса и Земли.

На низких частотах (до 30 МГц) доминируют атмосферные помехи. На частотах от 30 МГц до 1 ГГц основную роль играют космические помехи. Выше 1 ГГц преобладает тепловой шум атмосферы и собственный шум приёмника. В диапазоне миллиметровых волн (30–300 ГГц) существенное влияние оказывают метеорологические явления (дождь, туман).

Методы борьбы

Для снижения влияния естественных помех применяются следующие методы:

• Увеличение мощности передатчика — повышение отношения сигнал/шум на входе приёмника. Ограничено энергетическими и нормативными требованиями.
• Применение помехоустойчивых кодов и модуляции — использование кодов с исправлением ошибок, широкополосных сигналов (например, с расширением спектра методом прямой последовательности).
• Фильтрация — частотная селекция сигнала, подавление помех вне полосы пропускания. Для импульсных помех применяются адаптивные фильтры и ограничители амплитуды.
• Пространственная селекция — использование направленных антенн, уменьшающих приём помех с нежелательных направлений. Для подавления космических помех применяются антенны с узкой диаграммой направленности.
• Разнесённый приём — приём сигнала на несколько антенн, разнесённых в пространстве, с последующим сложением или выбором наилучшего сигнала.
• Усреднение и накопление — многократное повторение передачи и накопление сигнала во времени, что позволяет выделить полезный сигнал на фоне случайного шума.

Примеры воздействия

• Радиосвязь на коротких волнах — в грозовой период атмосферные помехи могут полностью блокировать приём сигналов на частотах 3–30 МГц.
• Спутниковая связь — солнечные вспышки вызывают резкое увеличение космического шума, что приводит к сбоям в работе спутниковых систем на частотах 1–10 ГГц.
• Радиолокация — отражения от дождя и града создают ложные цели на экранах метеорологических и авиационных радаров.
• Астрономические наблюдения — тепловое излучение атмосферы ограничивает чувствительность радиотелескопов, особенно в миллиметровом диапазоне.

Интересные факты

• Первые радиоприёмники начала XX века испытывали сильные помехи от гроз, что привело к разработке первых методов помехоустойчивого кодирования.
• Реликтовое излучение, открытое в 1965 году, является космической помехой для радиосвязи, но одновременно — ценным источником информации о ранней Вселенной.
• В диапазоне частот 1–10 ГГц уровень космических помех минимален, поэтому этот диапазон наиболее активно используется для спутниковой связи и радиоастрономии.
• Вблизи экватора, где грозовая активность максимальна, уровень атмосферных помех может быть в 10–100 раз выше, чем в полярных широтах.

Источники

• Долуханов М. П. Распространение радиоволн. — М.: Связь, 1972.
• Гуревич А. В., Шварцбург А. Б. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. — М.: Наука, 1973.
• Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. — М.: Вильямс, 2003.
• ITU-R Recommendation P.372-16. Radio noise. — Geneva: International Telecommunication Union, 2022.
• Быховский М. А. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. — М.: Радио и связь, 1988.