Шумы и спектры

На рисунке 5, а дана запись шума. Но это не обязательно шум зрителей на трибунах стадиона или шум автотранспорта на улицах города. Если установить ручку настройки радиоприемника так, чтобы ни одна станция не была слышна, а потом включить максимальную громкость, можно услышать шум и треск, хотя никто не создает его специально, - наоборот, от него стараются избавиться.

Физики называют шумом любое сложное, непериодическое колебание, не обязательно звуковое. Бывают и неслышные шумы. Шумы есть всегда -ведь кроме шумов, создаваемых вольно или невольно людьми и различными механизмами и приборами, в природе всегда есть свои колебания, которые обычно носят беспорядочный, хаотический характер. Эти беспорядочные колебания и создают шумы. Например, в радиолампах сила анодного тока, т. е. количество электронов, попадающих на анод за единицу времени, неточно соответствует изменениям напряжения, управляющего работой лампы. Всегда есть флуктуации, т. е. случайные отклонения силы анодного тока от среднего значения, которые вызваны неравномерностью вылета электронов из катода. А в кристаллах полупроводниковых приборов атомы совершают беспорядочные тепловые колебания вблизи узлов кристаллической решетки, что отражается на работе приборов.

Таким образом, радиоаппаратура обладает собственными, или внутренними, шумами. Внешние шумы создаются атмосферными помехами (грозами и другими процессами в атмосфере) и различными электроустановками. Радиоволны от них улавливаются антенной вместе с полезным сигналом.

Рис. 5. Сигнал с наложенными на него шумами: а — слабый сигнал почти неразличим на фоне шумов; б — сигнал велик по сравнению с шумами.

Если полезный сигнал велик, шумы почти не мешают (рис. 5, б). Слабый сигнал различить на фоне шумов трудно. Трудно, но можно. Подадим синусоидальный сигнал с наложенным на него шумом на колебательный контур и начнем перестраивать собственную частоту контура. Сильные колебания возникнут в контуре лишь на частоте, равной частоте сигнала, "спрятанного" в шум.

Если сигнал совсем слабый, то и этот метод не помогает его различить. Тогда нужно начинать борьбу с шумами. Например, внутренние шумы можно уменьшить благодаря применению специальных входных каскадов приемника, охлаждаемых до температуры, близкой к абсолютному нулю. При охлаждении беспорядочные тепловые колебания атомов в твердых телах почти прекращаются, а ведь они являются одним из основных источников внутренних шумов. Чтобы уменьшить влияние внешних шумов, применяют узконаправленную антенну, ориентированную в ту сторону, откуда приходит сигнал. Шумов, приходящих с других направлений, такая антенна не чувствует. Кроме того, самые чувствительные радиоприемные устройства (например, для дальней космической связи) размещают вдали от городов и промышленных предприятий, т. е. от мест, где много электродвигателей и других электрических устройств, создающих шумы.

Полностью избавиться от шумов невозможно,, поэтому существует большая область радиофизики -статистическая радиофизика, одной из основных задач которой является разработка методов выделения сигналов из шумов. В основе этих методов лежит анализ частотных спектров сигнала и шума.

Оказывается, колебание любой сколь угодно сложной формы можно представить как сумму большого числа простых синусоидальных колебаний с различными амплитудами и частотами. Например, .сложное колебание (рис. 6, а) получилось при сложении четырех синусоидальных колебаний разных амплитуд и частот. Если это сложное колебание подать на перестраиваемый колебательный контур, то в контуре будут возникать резонансные колебания каждый раз, когда его частота будет совпадать с частотой одной из синусоид, причем амплитуда колебаний будет пропорциональна амплитуде соответствующей синусоиды (рис. 6, б).

Рис. 6. Спектры радиосигналов: а - сложное колебание А является суммой четырех простых колебаний с частотами f₁,f₂, f₃и f₄; б - колебания в перестраиваемом контуре, на вход которого подан сложный сигнал А.

Обычно вместо резонансных кривых рисуют просто "частокол" линий разной длины. Этот частокол и есть частотный спектр сигнала. Колебательный контур выделяет из спектра ту линию, на которую он настроен (рис. 7). Простая синусоида имеет частотный спектр в виде одной линии. Такая синусоида не несет в себе никакой информации. Для передачи информации колебание модулируют, а модулированное колебание уже обладает сложным спектром. Сложнее информация - шире спектр передаваемых колебаний.

При передаче речи или музыки по радио ширина спектра сигнала, т. е. разница частот между крайними линиями спектра, - 10 кГц, а при телевизионной передаче - около 5 МГц. Телевизионная станция занимает на шкале частот в 500 раз больше места, чем радиостанция.

Рис. 7. Анализ спектра сложного сигнала: а - частотный спектр сложного сигнала А, показанного на рисунке 6; б - резонансная кривая колебательного контура, настроенного на одну из линий спектра сигнала; в - спектр сигнала после прохождения его через колебательный контур -это спектр одной синусоиды с частотой f₃

Понятие спектра имеет столь же всеобщий характер, как и понятие резонанса. В спектр можно разложить не только радиоколебания, но и свет. Это широко используется в спектральном анализе (см. ст. "Свет"). Можно получить спектр звуковых и любых других колебаний.

перейти к началу страницы