Кто шумит? Зачем шумит? Почему это вредно?
Итак, поговорим о шумах. Понятие о шуме есть у каждого читателя, правда, у каждого свое. Один под шумом понимает визг и скрежет трамвая, проходящего ночью под его окнами, другой — равномерный гул голосов, мешающий читать лекцию, и так далее. Во всех этих примерах есть одна общая черта. Здесь в качестве шума выступает звуковой процесс, воздействующий на наши слуховые органы. Но наблюдение и обработка сигналов производится в радиолокационной станции в абсолютной тишине. Что же здесь является шумом, мешающим наблюдению сигнала?
Началось все, по-видимому, с радистов, которые вылавливали морзянку из свиста, завываний, тресков, шорохов, щелчков и других звуков, раздававшихся в наушниках и мешавших приему. Для них это был шум в привычном для нас смысле слова. В радиолокации, которая развивалась на базе радиотехники и заимствовала используемые в ней понятия, этот термин сохранился. Его стали использовать для обозначения любого случайного процесса, мешающего приему сигнала. Если обнаружение сигнала выполняет оператор, наблюдающий за экраном индикатора, то для него шумом будут случайные выбросы луча развертки, образующие бахрому. Когда она невелика по амплитуде, то ее ласково называют «травкой» (посмотрите на рисунок на стр. 84.
Похоже, не правда ли?). Если случайные выбросы достаточно высоки, а отраженный сигнал слаб, то могут произойти два неприятных события. Во-первых, мы можем не заметить слабый полезный сигнал среди шумовых выбросов. Это пропуск цели со всеми вытекающими отсюда последствиями. Какими? Пусть каждый читатель представит себе в меру своей фантазии.
Во-вторых, один из сильных шумовых выбросов мы можем принять за полезный отраженный сигнал и доложить об этом по команде. В этом случае произойдет ложная тревога. Событие тоже не из приятных. Правда, опытнее операторы иногда могут обнаруживать сигналы, уровень которых ниже уровня шума. Дело в том, что шумовые импульсы случайны, они то появляются, то исчезают, а сигнал, даже слабый, в некотором роде стабилен и появляется в одном и том же месте (если не учитывать перемещения цели). Вот по этому признаку его и обнаруживает опытный оператор. В этом смысле операторы с большим стажем как бы представляют собой весьма неплохие фильтрующие системы. Однако надежность такого обнаружения все-таки мала.
Откуда же берется эта травка и что заставляет луч развертки метаться вверх и вниз вместо того, чтобы спокойно двигаться по горизонтали? В наше время эфир в любой точке земного шара насыщен электромагнитными излучениями. Радиоволны, возникающие при грозовых разрядах в атмосфере или во время полярных сияний, при работе различных электрических систем от мощных энергоустановок до систем зажигания автомобилей (именно этот случай и показан на рисунке), передачи мощных вещательных станций и сигналы коротковолновых передатчиков радиолюбителей — вот далеко не полный перечень виновников возникновения шумов и помех. Складываясь, все эти сигналы создают на антенне шумовое напряжение, величина которого случайно меняется во времени. В какой-то момент интенсивность посторонних сигналов на антенне будет мала и луч развертки практически не отклонится от горизонтальной линии; в следующий момент интенсивность шума возрастет и луч резко отклонится от горизонтали. Так мы и получаем «травку» на экране индикатора.
Существует и другой вид шума — тепловой шум в элементах схемы[16]. Особенно заметную роль он играет во входных каскадах приемника, так как полезный сигнал слаб и тепловой шум может быть сравним с ним по величине. В последующих каскадах и сигнал, и тепловой шум будут одинаково усиливаться. Поэтому чем ближе источник теплового шума ко входу приемника, тем больше каскадов усиления проходит шум и тем более вредное действие он оказывает на работу станции. Специалисты применяют все возможные способы уменьшения теплового шума, вплоть до охлаждения первых каскадов приемника. Снижение температуры уменьшает уровень теплового шума, однако полностью избавиться от него невозможно, и тепловой шум всегда вносит свой вклад в травку на экране индикатора.
Уж если мы хотим составить полный список виновников возникновения шумов, то надо упомянуть и космические шумы. Это случайные электромагнитные излучения, приходящие к нам из просторов Вселенной. Работе обычных радиоприемников они чаще всего помех не создают, так как интенсивность их невелика. Но чувствительные антенны радиолокаторов улавливают и эти слабые сигналы, мешающие приему отраженных сигналов радиолокатора.
Интенсивность шума непрерывно изменяется. Поэтому для характеристики шума обычно используют величины, полученные в результате той или иной операции усреднения амплитуд отдельных шумовых выбросов. Чаще всего используют среднее значение шума (то есть величину, полученную усреднением амплитуды шумовых выбросов за длительный период) и дисперсию шума. Последняя величина характеризует отклонение амплитуды шума от среднего значения и позволяет оценить вероятность появления очень больших и очень малых шумовых выбросов.
Возьмем запись какого-нибудь шумового процесса и проведем линию, соответствующую его среднему значению, потом еще две линии: одну выше среднего значения, другую ниже. Расстояние между этими линиями и средним значением примем равным утроенному корню квадратному из дисперсии (то есть утроенному среднеквадратичному отклонению). При этом окажется, что амплитуды практически всех шумовых выбросов окажутся внутри этой полосы. В среднем только пять выбросов из тысячи могут превысить заданные нами границы. Значит, если полезный сигнал настолько велик, что значительно превышает верхнюю границу шумовой полосы, то мы практически всегда отличим его от шумового выброса. Если полезный сигнал мал и его уровня достигает большое число случайных выбросов, а некоторые даже превосходят его, то обнаружить полезный сигнал очень трудно, а иногда и невозможно.
У полезного сигнала кроме шума есть и еще один враг — помехи. Чем отличается помеха от шума? Обратимся к примеру. Вы сидите в зрительном зале перед началом спектакля. Занавес еще не поднят, и в зале стоит равномерный шум. Он складывается из негромких разговоров сидящих в зале, шума шагов зрителей, которые спешат занять свои места, поскрипывания кресел и так далее. Это шум. Он не мешает Вам вести приятную беседу с соседкой. Но вот начался спектакль и в зале установилась тишина. Вы напряженно следите за действием пьесы, и вдруг рядом с Вами кто-то вполголоса начинает оценивать прическу или костюм главной героини. Говорит всего один человек и, казалось бы, негромко, но слушать уже, что происходит на сцене, невозможно. Разговор соседей не только мешает, но и раздражает. Так вот, шум зала — это случайные шумы в приемнике, а разговор соседей — это помеха. Точно таким же примером помехи может служить назойливый знакомый, вмешивающийся в мирную беседу двух друзей, чтобы рассказать бородатый анекдот.
Итак, на техническом языке помехой называют достаточно сильный и не случайный сигнал какой-либо посторонней станции, который мешает работе приемного устройства. Хорошо еще, если нам будет мешать только одна станция, чаще же источников помех оказывается довольно много.
Иногда шумы и помехи различают и по их частотным свойствам. Если интенсивность шума равномерно распределена в большой области частот, то есть его мощность одинакова для любого участка диапазона частот, то специалисты говорят о «белом» шуме. Если мощность шума в одних участках полосы частот больше, а в других меньше, то тогда мы имеем дело с «цветным» шумом. При выборе таких названий важную роль сыграла аналогия с электромагнитными волнами светового диапазона. Если в излучении равномерно представлены все частоты видимого диапазона, то мы видим белый свет. Если преобладает какая-то одна частота или группа частот, то световой пучок представляется нам окрашенным в какой-либо цвет.
Радиотехники любят «белый» шум и очень не любят цветных шумов. Тут ни при чем расовые предрассудки радистов. Просто и методы расчета характеристик приемника, и способы уменьшения влияния шума лучше разработаны для случая белого шума, поскольку расчеты в этом случае проще, а при цветных шумах все значительно сложнее.
Тепловой шум обычно можно считать «белым», а вот суммарный шум от посторонних источников радиоизлучения может быть и цветным. Так бывает, когда в каком-то одном участке диапазона частот источников шумов больше или они интенсивнее, чем в других.
Помехи тоже можно различать по их частотным свойствам и по длительности. Может встретиться узкополосная (занимающая узкий участок диапазона частот) непрерывная помеха. На звуковых частотах примером такой помехи является монотонный вой сирены, для радиочастот — синусоидальное колебание, которое непрерывно излучает какой-нибудь посторонний генератор. Если этот сигнал будет достаточно сильным и попадет в полосу частот радиолокатора, то он может вызвать засветку горизонтальной полосы, перекрывающей всю ширину экрана индикатора. Высота такой полосы зависит от характеристики помехи. В этом случае оператор часто не может обнаружить цель.
Нередко в радиолокации сталкиваются и с другим видом помех — импульсными помехами. Уже из названия ясно, что в этом случае сигналы мешающей станции имеют вид коротких импульсов. Спектр короткого импульса занимает большую область частот, и чем короче импульс, тем шире эта область. Поэтому такие сигналы могут мешать станциям, работающим на разных частотах. На экране индикатора в момент прихода к антенне сигнала импульсной помехи возникает всплеск луча развертки, который вполне можно принять за полезный сигнал от цели. Чем больше таких импульсов и чем они мощнее, тем труднее оператору опознать полезный сигнал.
Как ни странно, но работающая радиолокационная станция иногда создает помехи для самой себя. Это так называемые «отражения сигнала от местных предметов». Если их много, то и на экране радиолокатора появится много отметок от неподвижных объектов (таких как крупные здания, холмы, трубы заводов и так далее). На фоне этих отметок очень трудно вести наблюдение за истинными целями. Можно, конечно, не опускать антенну радиолокатора так, чтобы местные предметы не попадали в поле зрения. Но тогда выпадает из поля зрения очень большой сектор пространства. Американские специалисты выбрали, например, другое решение. На полигоне Уайт-Сэнде они возвели вокруг радиолокационной станции металлический забор высотой 32 метра, окружность его равна 670 метрам. Укрепленная на стальном каркасе стальная сетка с ячейками размером 1,27Х1,27 сантиметров надежно защищает станцию от радиосигналов, отраженных от окружающих гор и крупных зданий.
Есть, конечно, и другие виды помех и все они так или иначе затрудняют работу радиолокационной станции. Помеха может возникнуть и случайно. Ну, например, какой-нибудь радиолюбитель заберется в чужую область частот и начнет передавать в эфир джазовую музыку или халатный шофер поставит около станции свою машину с неисправной системой зажигания. Это чисто случайные явления, которые заранее не предусмотришь. А вот в чем можно быть уверенным заранее, так это в том, что при возникновении какого-нибудь конфликта противник непременно постарается создать искусственные помехи, да еще такие, которые оказались бы наиболее вредными для радиолокационных станций. Ну об этом мы еще поговорим.
В первые годы существования радиоприемников радисты просто слушали или смотрели, есть сигнал или нет. Не было шума — хорошо, появляется шум — морщились, но терпели как неизбежное зло. Шла эра непротивления шумам и помехам. Потом начали думать, как избавиться от помех. Создали селективный (избирательный) частотный фильтр, а затем и оптимальный согласованный фильтр — убрали часть помех и шумов, частоты которых отличались от частот полезного сигнала. Но и такой фильтр пропускал все-таки много помех. Тогда решили накапливать сигнал. Идея накопления такова. Можно взять два последовательно пришедших сигнала, первый задержать, а потом сложить с только что пришедшим вторым сигналом. При этом суммарный полезный сигнал будет иметь удвоенную величину, так как оба сигнала одинаковы. Но шумы, мешающие нам в различные моменты времени, различны. И там, где у шума, пришедшего с первым сигналом, был положительный выброс, у шума, сопровождающего второй сигнал, может быть отрицательный выброс. В сумме они скорее всего дадут небольшую величину. Поэтому суммарный шум в большинстве случаев будет меньше искажать суммарный сигнал. И чем больше сигналов мы складываем, тем сильнее подавляются шумы и тем выше поднимается уровень суммарного сигнала над уровнем суммарного шума. Однако такой метод не всегда можно применять. Поэтому мы пока что займемся одиночным сигналом. Вот мы и вернулись на магистральный путь нашего изложения и будем снова, используя наши знания о шумах, разбираться в том…
