что такое помехи в информатике
Виды помех в линиях передачи информации и способы борьбы с ними
на страницах сайта
www.electrosad.ru
В статье «Компьютер как источник помех» я попробовал рассказать о помехах с которыми приходится сталкиваться в ПК. Она была помещена на сайт в 2006 году, но последние неграмотные публикации показали что ее надо доработать, расширив раздел посвященный распространению помех по линиям передачи и борьбе с ними. Это позволит более грамотно применять защиту от помех и избежать терминов «магнитный изолятор», «активный импеданс ферритового элемента».
Современные узлы ПК используют полупроводниковые микросхемы (чипы) выполненные на основе КМОП и подобных структур и по тонким технологическим процессам, поэтому с более высоким быстродействием. Такие структуры имеют высокое входное сопротивление поэтому для исключения искажений сигнала и согласования линий передачи информации на входе ПК применяются согласующие резисторы. Для передачи информации в ПК в основном применяются два типа линий. Это коаксиальные, двухпроводные линии и экранированные двухпроводные линии.
Линии передачи информации
Как уже говорилось выше, для передачи информации в ПК применяются коаксиальные и двухпроводные линии. Последние могут быть как параллельная или скрученная пара. Причем последняя применяется чаще на длинных линиях поскольку меньше излучает вовне и имеет меньшие наводки от внешних источников помех..
Прохождение сигнала по линии
Прохождение сигнала по линии связи показаны на рис 1.
Полезный сигнал идет по линии связи от генератора G к нагрузке R н и показан стрелками. Так передается перепад напряжения. Аналогично передается сигнал и по коаксиальной линии. Только с тем отличием, что одним из проводников (обратным) является оплетка кабеля.
Но коаксиальная линия имеет существенное преимущество. Ее экран (оплетка) хоть и не совершенен, его экранирование имеет величину порядка 30 дб, но существенно ослабляет синфазную помеху (примерно на ту же величину).
Синфазная помеха
Синфазная помеха на двухпроводной линии передачи наводится, как правило, внешним источником помехи и через взаимную емкостную связь между проводниками линии.
Что касается наведенных помех в линиях передачи информации (сигнала) рекомендую почитать книгу (Список литературы [ 6 ] )
Здесь синим цветом показано прохождение полезного (информационного) сигнала по линии, а красным синфазная помеха наведенная на оба проводника линии передачи и распространяющаяся к нагрузке R н. На R н происходит суммирование обоих сигналов, что приводит к искажению сигнала.
Коаксиальная линия
КЛ используется давно и успешно как для передачи импульсных так и радиочастотных сигналов.
Прохождение сигнала по коаксиальной линии показано на рис. 3.
Как уже говорилось выше производимые сейчас гибкие коаксиальные линии имеют степень экранирования по напряженности электрического поля порядка 30 дб. Данной величины эффекта экранирования достаточно чтобы при уровне помех в бытовых, производственных помещениях и внутри ПК можно было считать что синхронные помехи в коаксиальных кабельных линиях передачи информации отсутствуют.
Кроме того на оплетку может наводиться помеха от внешних источников, которая тоже может распространяться по поверхности кабеля и в нагрузке накладываться на полезный сигнал.
Коаксиальная линия, как пишут специалисты по цифровой технике (компьютерщики), имеет существенный недостаток, ее сложно подводить к разъемам. Правда ее сложно подводит к разъемам для этого не предназначенным. Сейчас существуют конструкции разъемов лишенные этого недостатка.
Свойства ферритов
Для работы в устройствах подавления помех в кабельных линиях применяются ферриты, относящиеся к классу материалов называемых магнитодиэлектриками. Даже с большой натяжкой назвать их «магнитными изоляторами» нельзя.
На рис.4 показаны частотные характеристики ферритов.
Зависимость от частоты:
Привожу их для того чтобы Вы поняли, они имеют конечные рабочие частоты. Другие типы ферритов (высокочастотные) имеют другие граничные частоты, но их ход полностью аналогичен.
Вообще ферриты нормально работают до частот сотен мегагерц. Но у таких ферритов низкая диэлектрическая проницаемость μ ‘ и их эффективность при применении в рассматриваемых приложениях снижается.
На частотах до граничной частоты работы феррита они работают в режиме заградительного фильтра (см. далее), а на более высоких частотах ферриты работают на поглощение ВЧ помех и перевода их энергии в тепло. Потому что для частот выше граничной возрастают потери в них за счет появляющихся в них токах.
Борьба с помехами в кабельных линиях
Данное решение является продолжением хорошо известного и показанного на рис. 5.
 |  |
Аналогично выполняется фильтрация линий USB порта непосредственно на системной плате, отличается только тем что помехи фильтруются в 4х проводной линии.
Как в показанном на рис. 5 и 5.1, так и при использовании ферритовых трубок защита осуществляется за счет включения в линию передачи последовательной индуктивности, которая существенно снижает синфазную помеху, но не влияет на сам сигнал. Данное решение аналогично работает и с коаксиальным кабелем, существенно снижая поверхностную волну.
Эффективность ферритового кольца тем выше чем больше витков намотано на нем (чем выше индуктивность).
Главное и ферритовое кольцо и трубка должны находиться как можно ближе к приемнику сигнала. Если линия двунаправленная то надо ставить две ферритовые трубки на концах кабеля, непосредственно у разъемов. Пример такого применения трубок показан ниже.
 |  |
Заключение
Применение описанных фильтров снижает уровень помех излучаемых ПК.
Применив показанное на рис. 5 решение я избавился (по крайней мере вывел за порог слышимости) от нудного гула в колонках.
Основные виды помех и искажений в системах связи.
Помехи в системах связи
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:
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).
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
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
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:
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:
Основные источники шумов и помех и методы борьбы с ними
Мультимедиа без помех
Вы включаете телевизор, чтобы посмотреть новости или хоккей, и вдруг экран заполняется черными точками, а из динамиков вместо голоса диктора раздается противное шипение. Что это? А это ваш сосед бреется неисправной электробритвой. Бритву выключили, но стало еще хуже: экран дергается, синхронизация изображения нарушена, а в звуковом канале что-то грохочет и взрывается. А это что? – спросите вы. А это соседка сняла трубку китайского радиотелефона, который по странной случайности настроен на несущую первого метрового телевизионного канала.
В последние десятилетия проблема взаимного воздействия на радиоэлектронные уст-ройства непреднамеренных помех (специалисты говорят о проблеме электромагнитной совместимости, ЭМС) стала настолько острой, что иногда для обеспечения ЭМС приходится искусственно снижать технические характеристики аппаратуры.
Не лучше обстоит дело и при передаче на большие расстояния изображения и звука. Человеческий глаз и ухо – очень чувствительные инструменты, мгновенно замечающие малейшие нарушения качества. Инженерам приходится искать все более сложные и дорогостоящие технические решения, чтобы обеспечить передачу изображения и звука на большие расстояния без существенной потери качества.
Оставив в стороне эфирные каналы передачи информации, кратко рассмотрим источники шумов и помех в проводных линиях передачи аудио- и видеоинформации.
Итак, требуется передать сигнал (телевизионный, компьютерный, звуковой и т.д.) из одного пункта (Источник) в другой пункт (Приёмник). Если кабель короток (например, 1 метр), то многие из рассматриваемых проблем, скорее всего, не возникнут, хотя в некоторых случаях даже такое расстояние может оказаться губительным для сигнала.
Если же реальному кабелю суждено проделать длинный и извилистый путь в помещении или на открытом пространстве, сигнал в нём неизбежно подвергнется воздействию многих негативных факторов.
Основными источниками шумов и помех принято считать:
Второстепенными источниками шумов являются гальванические и электролитические процессы, трибоэлектрический эффект 1 и вибрации кабелей.
Индустриальные помехи – эти помехи, называемые также промышленными помехами, проявляют себя в местностях, где работают электростанции и различные электрические установки, аппараты и приборы: электродвигатели, аппараты электросвязи, медицинские приборы, ЭВМ, электросварочные аппараты, электрические звонки, системы электрического зажигания двигателей внутреннего сгорания. Помехи, создаваемые приему другими радиостанциями также можно отнести к индустриальным помехам.
Наводки от соседних цепей возникают в тех случаях, когда сигнальный провод или кабель попадает в зону действия электромагнитного поля, создаваемого другим проводом или кабелем. Например, если в квартире рядом проложены телефонный провод и радиотрансляционная линия, то, сняв телефонную трубку, иногда можно будет услышать музыку или речь. Это и есть наводки от соседних цепей. Особенно чувствительны к таким наводкам кабели для небалансных сигналов (например, коаксиальные) с невысоким качеством экранировки (один слой небрежно выполненной оплётки).
Разъемы низкого качества обычно плохо экранированы, но это еще полбеды. Основным источником шумов в разъемах бывают так называемые контактные шумы, которые возникают вследствие несовершенства контакта между материалами штыря и гнезда. Контактные шумы прямо пропорциональны величине протекающего через контактную пару тока, а плотность распределения мощности шумов обратна частоте. Если разъем совсем скверного качества, то возможно даже возникновение «дребезга» и искрение. Если материалы в разъеме подобраны неправильно, без учета их взаимного положения в гальваническом ряду, то между ними может возникнуть своеобразный электрохимический элемент, создающий шумы и ускоряющий коррозию.
Сам по себе кабель, особенно если он экранированный, не является источником существенных шумов, однако, от его качества сильно зависит затухание сигнала в линии, а от индуктивных и емкостных (реактивных) характеристик – искажения передаваемого сигнала. Любой кабель имеет проходное омическое сопротивление, ёмкость и индуктивность. Последние два параметра, равно как и потери в диэлектрике кабеля (tgδ) и некоторые другие факторы особенно сильно влияют на качество передачи высокочастотных составляющих сигнала – информации о мелких деталях и цвете в аналоговом видео, фронтов импульсов в цифровом сигнале. Чем длиннее кабель и чем шире спектр передаваемого сигнала, тем больше будут потери.
Характерное для кабеля волновое сопротивление может колебаться по его длине (за счёт его недостаточного качества или ошибок в прокладке), что приводит к возникновению отражений и «размытию» и ряби на картинке.
Неправильно заземленный кабель – мощный источник искажений и помех.
Режим электрической цепи, при котором сопротивление приемника равно сопротивлению линии, называется режимом согласованной нагрузки. Если нагрузка несогласованна, то часть передаваемого сигнала не поступит в приемник, а отразится в виде обратной волны, снижая уровень передаваемого сигнала и создавая искажения.
Неправильно спроектированное питание аппаратуры (от разных фаз сети переменного тока) и неправильно организованные контуры заземления способны вызвать появление мощных помех, борьба с которыми в уже смонтированной аппаратуре чрезвычайно сложна и малоэффективна. Подключение «земли» сигнального кабеля к общему контуру заземления (или зануления) в нескольких точках приводит к образованию «петель» заземления, а запитывание приёмника и источника сигнала от разных фаз сети переменного тока может даже при полностью исправных источниках питания устройств вызвать появление значительной разности напряжений между ними (и небольших токов, которые будут «выравниваться» через экран сигнального кабеля, создавая характерный фон переменного тока).
Все вышеуказанные факторы приводят к уменьшению расстояния, на который можно передать сигнал без заметных искажений (с допустимым уровнем качества). На практике, при использовании только пассивных мер по обеспечению качества передачи (о них – далее), обычно достигаются следующие расстояния:
Аналоговое видео
Композитный видеосигнал – передаётся по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом, используются байонетные разъёмы (BNC, в бытовой технике используются «тюльпаны» – RCA). Спектр стандартного сигнала не превышает 6 МГц, а расстояние передачи достигает 50-100 метров. Ограничивает расстояние, в основном, затухание сигнала (падение его амплитуды). Толстый коаксиальный кабель с толстым одножильным центральным проводником обеспечивает лучшие результаты. Падение амплитуды до некоторой степени парируется регулятором яркости, при дальнейшем увеличении расстояния в сигнале теряется синхронизация.
Видеосигнал S-video (YC) – передаётся по двум параллельным коаксиальным кабелям. Имеет почти такие же спектральные параметры, что и композитный. Передаётся чуть хуже, т.к. может возникать некоторый разбег фаз между сигналами в двух кабелях.
Компонентный видеосигнал (YUV/YPbPr, RGB, RGBS, RGBHV/VGA) – передаётся по нескольким (3-5) параллельным коаксиальным кабелям. Сигнал имеет гораздо более широкий спектр (до 30 МГц для YUV/RGBS, более 300 МГц для VGA/UXGA). Ограничивает расстояние (5-30 метров) подавление ВЧ-составляющих (потеря резкости), затухание сигнала, разбег фаз сигналов. Максимальное расстояние (до 30-60 метров) достигается только при очень качественных и толстых (дорогих) кабелях.
Цифровое видео
Цифровой видеосигнал SDI (Serial Digital Interface) передаётся по толстым коаксиальным кабелям с волновым сопротивлением 75 Ом, используются байонетные разъёмы (BNC). Стандартный видеосигнал имеет полосу до 270 Мбит/с (фактически – МГц), сигналы телевидения высокой чёткости HDTV могут иметь полосу до 1300 Мбит/с. Несмотря на столь широкую полосу сигнала, SDI обычно удаётся передавать на расстояние до 50-200 метров, ограничиваемое, в основном, затуханием сигнала и нарастанием джиттера (дрожания фаз цифровых импульсов). Для сигнала HDTV расстояния обычно значительно меньше.
Цифровой видеосигнал DVI (Digital Video Interface) передаётся по специальному кабелю из медных витых пар. Ширина спектра сигнала – до 165 МГц (для двух каналов получается в сумме до 330 МГц), при этом расстояние передачи ограничено 5 метрами.
Аудиосигналы
Небалансные аудиосигналы обычно передаются по экранированному кабелю, с разъёмами RCA («тюльпаны», иногда используются и другие соединители). На входе приёмника согласованная нагрузка не используется (вход должен быть высокоомным). При спектре сигнала до 20 кГц реально не стоит передавать такие сигналы более чем на 10-30 метров.
Балансные аудиосигналы чаще всего транслируются по экранированным витым парам проводов с разъёмами XLR. Такие сигналы гораздо устойчивее к воздействию помех и наводок, поэтому часто используются для подключения микрофонов. Сигналы большего уровня (линейного и выше) можно передавать на расстояние до 200 м и более.
Все возможные источники помех следует предусматривать на этапе проектирования и тогда же закладывать в систему методы и средства противодействия им.
Различают пассивные и активные методы борьбы с шумами и помехами.
Пассивные методы борьбы с шумами и помехами состоят:
Активные методы борьбы с шумами и помехами состоят:
Если возможности пассивного решения проблемы доставки сигналов исчерпаны (или не дают полной гарантии качества), следует ввести в схему дополнительные активные элементы.
При работе на длинную линию связи многие источники сигнала могут оказаться неспособными «вытянуть» такую линию. К тому же в них обычно не предусмотрено никаких регулировок, способных скомпенсировать потери сигнала в линии. Решением может быть добавление усилителя мощности на выходе источника сигнала.
Использование усилителя мощности
В таком усилителе обычно предусматривается как регулировка усиления (амплитуды сигнала на выходе), позволяющая скомпенсировать омическое сопротивление кабеля, так и регулировка амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области высоких частот – для компенсации высокочастотных потерь в кабеле из-за его проходной ёмкости, индуктивности и диэлектрических потерь.
Использование витой пары (UTP)
Иногда использование коаксиальных кабелей не даёт нужного результата – расстояние оказывается слишком большим, помехи – слишком сильными, а проблемы с «петлями» по контуру заземления – трудноразрешимыми. В этом случае следует с помощью специальных устройств преобразовать сигнал в балансный и передавать его по кабелям из обычной витой пары – и при этом избавляться от перечисленных проблем.
Специальный передатчик преобразует входной сигнал в сигнал для стандартного кабеля UTP категории 5 или выше (используется для прокладки компьютерных сетей Ethernet), приёмник на другом конце линии связи осуществляет обратное преобразование. Для связи используется только неэкранированный кабель (Unshielded Twisted Pair, UTP), экранированный кабель STP работать не будет (у него слишком большая проходная ёмкость). Кабель UTP много дешевле высококачественного коаксиального кабеля, и при больших длинах линии связи (даже с учётом цены дополнительных передатчика и приёмника) тракт передачи сигнала в целом оказывается даже дешевле. Кабели UTP обычно закладываются в современных зданиях уже на этапе проектирования, то есть во многих случаях для передачи сложных видео и аудиосигналов можно воспользоваться уже имеющейся проводкой, что дополнительно удешевляет проект. Использование специального балансного сигнала и качественной витой пары позволяет передавать сигналы на очень большие расстояния: композитный или S-video – до 1 км, VGA – более 300 м, при этом уменьшаются и проблемы с наводками и помехами по «земле».
Использование ВОЛС
Если нужно передавать видеосигнал на особо длинные расстояния, можно перейти к использованию волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). При этом проблем с помехами и контурами заземления не возникает в принципе. При использовании многомодового кабеля композитный сигнал можно передавать на расстояние до 5 км, а при использовании одномодового кабеля – до 25 км.
Выводы:
Таблица. Ограничение по расстоянию передачи
Что такое помехи в информатике
Используя ресурсы Интернет, найти ответы на вопросы:
1. Что представляет из себя процесс передачи информации?
Передача информации — физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве. Записали информацию на диск и перенесли в другую комнату. Данный процесс характеризуется наличием следующих компонентов:
Схема передачи информации:
Источник информации – информационный канал – приемник информации.
Информация представляется и передается в форме последовательности сигналов, символов. От источника к приёмнику сообщение передается через некоторую материальную среду. Если в процессе передачи используются технические средства связи, то их называют каналами передачи информации (информационными каналами). К ним относятся телефон, радио, ТВ. Органы чувств человека исполняют роль биологических информационных каналов.
Процесс передачи информации по техническим каналам связи проходит по следующей схеме (по Шеннону):
Термином «шум» называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Такие помехи, прежде всего, возникают по техническим причинам: плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемой по одним и тем же каналам. Для защиты от шума применяются разные способы, например, применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума.
Клодом Шенноном была разработана специальная теория кодирования, дающая методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным. За счет этого потеря какой-то части информации при передаче может быть компенсирована. Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведёт к задержкам и подорожанию связи.
2. Общая схема передачи информации
3. Перечислите известные вам каналы связи
Канал связи (англ. channel, data line ) — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.
По типу среды распространения каналы связи делятся на:
5. Что такое пропускная способность канала передачи информации?
Пропускная способность — метрическая характеристика, показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации, предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел.
В информатике определение пропускной способности обычно применяется к каналу связи и определяется максимальным количеством переданной/полученной информации за единицу времени.
Пропускная способность — один из важнейших с точки зрения пользователей факторов. Она оценивается количеством данных, которые сеть в пределе может передать за единицу времени от одного подсоединенного к ней устройства к другому.
Скорость передачи информации зависит в значительной степени от скорости её создания (производительности источника), способов кодирования и декодирования. Наибольшая возможная в данном канале скорость передачи информации называется его пропускной способностью. Пропускная способность канала, по определению, есть скорость передачи информации при использовании «наилучших» (оптимальных) для данного канала источника, кодера и декодера, поэтому она характеризует только канал.
5. В каких единицах измеряется пропускная способность каналов передачи информации?
Может измеряться в различных, иногда сугубо специализированных, единицах — штуки, бит/сек, тонны, кубические метры и т. д.