Максимизация частотной эффективности и помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Кузюков Василий Александрович

• Кузюков Василий Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Кузюков Василий Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.1. Критерии эффективности железнодорожной радиосвязи по Шеннону

1.2. Повышение частотной эффективности (а) за счёт перехода с двухполосной на однополосную модуляцию

1.3. Повышение частотной эффективности за счёт деления полосы частот модулирующего речевого сигнала в 2П раз

1.4. Повышение частотной эффективности за счёт передачи не полного речевого сигнала, а только его составляющих

1.5. Способы повышения помехоустойчивости (в - эффективность) и частотной эффективности (а - эффективность)

1.6. Модуляция ШПС - поднесущей цифровыми сигналами

1.7. Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ МОДУЛЯТОРОВ ДЛЯ Ж.-Д. РАДИОСВЯЗИ

2.1. Вводные замечания

2.2. Разработка формирователя ОБП-ФМн на 180° по клиппированному РС

2.3. Исследование уровня нелинейных искажений при клиппировании речевого сигнала и максимизации помехоустойчивости эксплуатируемой железнодорожной радиосвязи

2.4. Эквивалентная ОБП-ФМн на 180°

2.5. Разработка ОБП-ФМн на 180° цифровой железнодорожной системы радиосвязи ОБМ-Я

о

2.6. Разработка широкополосного высокоточного фазовращателя на 90° для формирования ОБП-ФМн на 180°

2.7. Реализация и экспериментальное исследование разработанного ШФВ на

2.8. Второй вариант высокоточного ШФВ на 90° для формирования ОБП-ФМн на 180° на пассивных элементах по ЦС

2.9. Аналитичность сигнала ОБП-ФМн на 180°

2.10. Модернизация первой ступени модуляции (цифровой) передатчика ОБМ-Я

2.11. Выводы по главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ДЕМОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ ОБП-ФМН НА 180°

3.1. Вводные замечания

3.2. Разработка когерентного детектора сигналов ОБП-ФМн на 180°

3.3. Разработка способов восстановления огибающей у клиппированного РС на приёмной стороне

3.4. Реализация способа восстановления огибающей у клиппированного РС на приёмной стороне

3.5. Повышение эффективности демодулятора сигналов с двойной двухполосной ФМн на 180°

3.6. Повышение помехоустойчивости эксплуатируемой ж.-д. радиосвязи за счёт когерентного приёма ЧМ сигналов

3.7. Разработка беспорогового детектора ЧМ колебаний на базе ЧИМ

3.8. Выводы по главе

ГЛАВА 4. Разработка дополнительных способов повышения эффективности ж.-д. радиосвязи

4.1. Вводные замечания

4.2. Дополнительное повышение частотной эффективности по синтетическому методу передачи

4.3. Разработка системы передачи и приёма сигналов ОБП-ФМн на 180°с делением в 2П раза полосы частот модулирующего речевого сигнала

4.4. Повышение эффективности приёма ЧМ сигналов эксплуатируемой ж.-д. радиосвязи

4.5. Применение разработанных методов для повышения частотной эффективности и помехоустойчивости для перспективных систем радиосвязи с ШПС

4.6. Повышение точности определения параметров движения поезда за счёт повышения базы ШПС авторскими разработками

4.7. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

108

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Максимизация частотной эффективности и помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Основной проблемой радиосвязи является дефицит частотного ресурса, которая обостряется с каждым годом, так как растёт число вновь разрабатываемых радиосистем различного назначения, в том числе и на железнодорожном транспорте. Но частотный ресурс ограничен и давно распределён. В связи с этим в России вышел закон «О связи», который подробно обсуждается в журнале «Электросвязь» №9 за 2008 г. Там говорится, что надо разумно перераспределять частоты, что не всех устраивает. Поэтому данная диссертация посвящена сокращению дефицита частотного ресурса за счёт повышения эффективности использования имеющихся частотных полос путём уменьшения ширины спектра радиосигнала. При этом помехоустойчивость радиосвязи не должна уменьшаться. Это в первую очередь необходимо для железнодорожной (ж.-д.) радиосвязи, так как там высок уровень помех, и до сих пор используется аналоговая узкополосная ЧМ. Поэтому помехоустойчивость ж.-д. радиосвязи не всегда удовлетворительная, что может отрицательно сказаться на безопасности движения поездов [1]. Использование до сих пор аналоговой радиосвязи, а не цифровой объясняется тем, что их приёмники не совместимы между собой, а заменить сразу все железнодорожные радиостанции с ЧМ на цифровые затруднительно. Иначе могут быть аварийные ситуации, что небезопасно. Поэтому в данной работе повышается помехоустойчивость и частотная эффективность эксплуатируемой в настоящее время аналоговой ж. -д. радиосвязи, и будущей цифровой. Известно, что максимально возможную (потенциальную по Котельникову) помехоустойчивость обеспечивает фазовая манипуляция (ФМн) на 180°, когда модулирующим является дискретный сигнал. Именно поэтому изобретатель относительной ФМн на 180° проф. Петрович Н.Т. предложил передавать клиппированную речь с помощью ФМн на 180°. Но при клиппировании (глубоком ограничении по амплитуде) возникают дополнительные трудности: 1) расширение спектра сигнала, 2) возникновение дополнительных

нелинейных искажений, 3) снижение качества восстановленной речи. В данной диссертации эти задачи решены, что позволило уменьшить основную проблему радиосвязи - дефицит частотного ресурса при максимуме её помехоустойчивости. Этим определяется актуальность данной работы. Степень разработанности темы.

В данной работе снижается дефицит частотного ресурса в радиосвязи путём повышения эффективности использования имеющихся частотных полос. Этим вопросом стали заниматься давно, с 1927 г., путём перехода с двухполосной аналоговой АМ на однополосную АМ (ОБП АМ). Об этом говорят работы российских учёных М.В. Шулейкина, П.В. Шмакова, В.И. Сифорова, Е.Г. Момота, М.В. Верзунова, Г.А. Зейтленка, Б.Б. Штейна Б.Б и др., а также зарубежных авторов Ширекса, Вивера и др.

В конце двадцатого века и далее вместо аналоговых стали использовать цифровые сигналы, которые гораздо (в 8 раз) широкополоснее аналоговых. Поэтому дефицит частотного ресурса резко обострился. Для борьбы с ним однополосную модуляцию не используют по техническим причинам. Используют раздельное кодирование источника сигнала и канала связи, что сильно усложняет систему. Такими являются цифровые ж.-д. системы радиосвязи GSM-R, TETRA и др. В GSM-R используется минимальная двухполосная частотная манипуляция с предварительной гауссовской фильтрацией (GSM-R), а в TETRA - двойная относительная фазовая манипуляция на 180° со сдвигом по фазе на ^ радиан (^ — DQPSK)

В данной диссертационной работе впервые разработаны способы формирования ОБП с фазовой манипуляцией на 180° (ОБП-ФМн) по клиппированному и цифровому сигналам, что повышает не только частотную эффективность, но и помехоустойчивость радиосвязи в 2 раза. Предложены и другие, более эффективные способы. Сигнал ОБП-ФМн на 180° проще формировать по клиппированному речевому сигналу (РС), чем по цифровому сигналу, и полоса частот гораздо уже. Однако при клиппировании РС теряется

информация, заложенная в его огибающей, отчего снижается качество речи на приёмной стороне. Для устранения этого недостатка в данной диссертации разработан способ восстановления огибающей на приёмной стороне. Новизна всех разработок в диссертации подтверждена патентами РФ на изобретения.

Целью диссертационной работы является повышение помехоустойчивости и частотной эффективности железнодорожной радиосвязи. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены конкретные задачи:

1. оптимизировано клиппирование модулирующего РС на передающей стороне по критерию максимума помехоустойчивости радиосвязи и минимума нелинейных искажений;

2. разработан способ восстановления огибающей у клиппированного РС на приёмной стороне для повышения качества восстановленной речи;

3. разработан способ формирования однополосного сигнала с фазовой манипуляцией на 180° (ОБП-ФМн) по клиппированному РС для повышения помехоустойчивости и частотной эффективности в 2 раза;

4. у цифровой ж.-д. системы радиосвязи ОБМ-Я двухполосная ЧМн преобразована в однополосный сигнал с фазовой манипуляций (ОБП-ФМн) на 180° для повышения частотной эффективности и помехоустойчивости в 2 раза;

5. предложено передавать не полный РС, а только его фазовую составляющую.

Объектом исследования являются устройства повышения частотной эффективности и помехоустойчивости радиосвязи.

Принятые ограничения и допущения. До сих пор ж.-д. радиосвязь осуществляется с помощью аналоговой ЧМ в условиях высокого уровня помех. Переход на цифровую сдерживает несовместимость их приёмников. Поэтому с точки зрения безопасности движения поездов надо делать замену всех радиостанций одновременно, что затруднительно. Поэтому в диссертации предложены способы повышения частотной эффективности и помехоустойчивости и для эксплуатируемой аналоговой и для будущей цифровой ж.-д. радиосвязи.

Предмет исследования составляют научные основы и формализованные методы повышения помехоустойчивости и частотной эффективности ж. -д. радиосвязи.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Разработаны новые устройства, существенно повышающие частотную эффективность и помехоустойчивость ж.-д. радиосвязи: формирователь ОБП-ФМн на 180°, делитель полосы частот РС в 2п раз, устройство передачи не полного РС, а только его огибающей и частотной составляющей или только фазовой составляющей. Новизна этих устройств подтверждена патентами РФ на ПМ [2, 3].

2. Разработана корреляционная методика [4] определения уровня нелинейных искажений к^- при минимуме пик-фактора кпкл однополосного и речевого сигналов.

3. Уточнены формулы для количественного описания клиппированного РС [5] в этой методике.

4. Предложено когерентное детектирование ЧМ сигналов в эксплуатируемой ж.-д. радиосвязи. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на ПМ [6].

5. Разработанное [5] устройство восстановления опорного колебания по сигналу ОБП-ФМн на 180° для его когерентного детектирования без обратной работы.

6. Разработанное [7] устройство восстановления огибающей у клиппированного РС на приёмной стороне.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследования состоит в том, что впервые:

1. Предложены три основных направления повышения частотной эффективности и помехоустойчивости ж.-д. радиосвязи в 2 и более раз. Новизна этих предложений подтверждена патентами РФ на ПМ .

2. Разработана корреляционная методика [4] определения уровня нелинейных искажений к{ при клиппировании РС с минимумом пик-фактора кпкл

однополосного и речевого сигналов. Показано, что kf =7,4%, что допустимо, кпкл=1,52=тт, обеспечивающим выигрыш в помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи с ЧМ в 4,33 раза или 6,36дБ, что хорошо совпало с экспериментальными данными.

3. Уточнены основополагающие формулы этой методики: функции корреляции однополосного сигнала Я0(т) на входе ограничителя и на его выходе В (г), что обеспечило хорошее совпадение расчёта и эксперимента.

4. Разработаны три варианта проблемного блока - широкополосного фазовращателя на 90° для формирования ОБП-ФМн на 180°, из которых - один по клиппированному РС, а два - по ЦС. Новизна разработок подтверждена патентами РФ на ПМ и публикацией [5, 2, 6].

5. Разработан аналогово-цифровой преобразователь для первой ступени модуляции системы ОБМ-Я, который обеспечивает меньший уровень шумов квантования. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на изобретение [6].

6. Разработан [5] восстановитель опорного колебания по сигналу ОБП-ФМн на 180° для его когерентного детектирования без обратной работы.

7. Разработан когерентный детектор ЧМ сигнала для эксплуатируемой железнодорожной радиостанции, что повышает помехоустойчивость в 2 раза, новизна разработки подтверждена патентом РФ на ПМ.

8. Разработан [7] восстановитель огибающей у клиппированного РС на приёмной стороне, что повысило качество речи.

9. Предложено вместо полного РС передавать только его фазовую составляющую и по ней синтезировать на приёмной стороне полный РС. По сравнению с передачей его огибающей и частотной составляющей это даёт выигрыш в полосе частот в 3 раза, а по сравнению с полным РС в 86 раз.

10. Разработаны идентичные делители полосы частот РС в 2П раз на одной поднесущей частоте что повысило частотную эффективность в это же число раз. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на изобретение [8].

Методология и методы исследования

При выполнении диссертационной работы были использованы методы математического анализа, корреляционная методика, теория вероятностей, преобразование Фурье, преобразование Гильберта.

Положения, выносимые на защиту

- разработанный формирователь однополосного колебания с фазовой манипуляцией на 180° (ОБП-ФМн) по клиппированному и по цифровому РС, обеспечивающий приемлемое для ж.-д. радиосвязи качество телефонной передачи;

- разработанная корреляционная методика [4] определения уровня нелинейных искажений;

- уточнённые формулы для количественного описания клиппированного РС;

- разработанные широкополосные фазовращатели сигнала на 90° для формирования ОБП-ФМн на 180°, обеспечивающие достаточное для ж.-д. технологической радиосвязи уровень подавления неиспользуемой боковой полосы;

- разработанное [5] устройство восстановления опорного колебания по сигналу ОБП-ФМн на 180°;

- разработанное [7] устройство восстановления огибающей клиппированного РС;

- разработанный делитель полосы частот РС в 2п раз и синтетический способ.

Степень достоверности диссертационной работы

Достоверность полученных результатов, основных научных выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, опирается на чёткость и обоснованность постановок решаемых задач, корректность разработанных устройств, патентами.

Внедрение результатов работы осуществлено в соответствующие проекты ООО НПП «АКСИОН-РТИ», ЗАО «ЦЕНТРТРАНСТЕЛЕКОМ», МОСКОВСКАЯ ДИРЕКЦИЯ СВЯЗИ ЦСС ОАО «РЖД». Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на ж.-д. транспорте» МГУПС (МИИТ) в рамках дисциплины «Каналообразующие

устройства на ж. -д. транспорте». Все результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы выполнена на:

1) 12-й и 13-й научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» в МИИТе;

2) всероссийской выставке творчества молодёжи (НТТМ) 2014 г. в Москве, на ВДНХ, где экспонат по патентам соискателя удостоен медали;

3) 10-й Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» в ВлГУ 2013;

4) научно-технических конференциях Неделя науки - «Наука МИИТа -транспорту» в 2009 г. (1 доклад); 2011 г. (1 доклад); 2012 г (1 доклад); 2013 г (1 доклад);

5) заседаниях кафедр «Радиотехника и электросвязь» и «Автоматика, телемеханика и связь на ж.-д. транспорте» МГУПС (МИИТ).

Участие в Госбюджетных НИР. Результаты диссертации изложены в отчётах г/б НИР «Перспективные технологии в средствах передачи информации железнодорожного транспорта» МГУПС (МИИТ), 2012 и 2013г.

Публикации. Основные положения диссертации, опубликованы в 18 работах соискателя, из которых 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК, и 3 патента на изобретения, остальные - в других изданиях.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав, структурированных по тематическому принципу, заключения, списка использованных источников. Диссертация представлена на 111 страницах, включает в себя 1 таблицу и 48 рисунков. В библиографии насчитывается 45 наименований документальных и литературных источников.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1.1. Критерии эффективности железнодорожной радиосвязи по

Шеннону

Оценка частотной, энергетической эффективности и помехоустойчивости радиосвязи может производиться и сравниваться по различным критериям. Чаще всего используются критерии вытекающие из формулы Шенона для пропускной способности канала связи [9, 10, 11]:

Рг

С = Р^( 1+ (1.1)

где F - ширина полосы частот канала;

Рс - средняя мощность полного сигнала на выходе приёмника; Рш = Ы0Р - средняя мощность шумов.

Если разделить левую и правую часть формулы (1.1) на скорость передачи информации Я по каналу связи, то получим критерии эффективности, их взаимосвязь Именно:

С Р ( Рс

я = я М1*«^ (1-2)

где - = п - информационный КПД, то есть коэффициент использования канала по пропускной способности;

- = а - критерий частотной эффективности (а - эффективность), то есть коэффициент использования канала по полосе частот;

■р-— критерий энергетический эффективности (в - эффективность), то есть

коэффициент использования канала по отношению сигнал/шум. Тогда формула (1.2) принимает вид

11 ( а\ - = - log2(l+-) па \ В/

tj а V ß,

или

а

ц =

log2(1+f)'

Согласно теореме Шеннона [12], при соответствующих способах передачи (кодирования и модуляции) и приема (демодуляции и декодирования) величина ц может быть сколь угодно близкой к единице, при сколь угодно малой вероятности ошибки. В этом случае из условия ц = 1 вытекает предельная зависимость между а и в:

а = ^2 (1 +

или

а

ß =

2а — 1

Эта зависимость ß = f(a) представлена на рисунке 1.1. Полученная кривая (рисунок 1.1) является предельной и отражает наилучший обмен между а и ß в непрерывном канале. Отметим, что а изменяется от 0 до да, а ß - ограничена:

а 1

ßmax = lim ß = lim = — = 1,433 (1,59 дБ).

2" — 1 Ina

2 4 6 8

Рисунок 1.1 - Зависимость в от а

Из рисунка 1.1 следует:

1) минимально возможная граница энергетических затрат в канале связи, который обеспечивает высокое качество принимаемой информации, определяется величиной 0,693; при этом удельная скорость передачи информации не должна быть меньше 10;

2) в частотно-ограниченных непрерывных каналах связи удельная скорость передачи информации целесообразно выбирать равной 1 = - = 2, то есть

tf F

скорость передачи информации в два раза больше ширины полосы частот при незначительных энергетических затратах (менее 1,8 дБ);

3) реализация более высокой удельной скорости в канале приводит к резкому увеличению энергетических затрат, например, при удельной скорости, равной 4, энергетические затраты составляют 5,19 дБ.

Аналогичные предельные кривые можно построить и для любых других каналов, если вместо R в выражения для а и в подставить выражение пропускной способности С соответствующего канала связи.

Для дискретного канала [13]

Р

С = v [logm + р log-- + (1 — р) log(1 — р)],

т — 1

где p - вероятность, m - основание кода; v - коэффициент пропорциональности. Для двоичного симметричного канала (m=2) пропускная способность в двоичных единицах в секунду времени

С = V [1+plogp + (1 — р) log(1 — р)]

Коэффициент использования пропускной способности (п - эффективность):

R

71 = С'

Скорость передачи информации в системах с равновероятными дискретными уровнями L и одинаковыми вероятностями ошибок: 1

R=if [logL — Р0 log(L — 1)+ Р0 logP0 + (1 — Р0) log(1 — Р0)],

где Р0 - вероятность ошибки; T - длительность сигнала.

Для дискретных систем связи

R R0

где rq - скорость передачи при идеальном кодировании;

ц2 = ^ - эффективность системы модуляции.

Коэффициенты а,в,п называют соответственно а -, в -, п - эффективностями.

В дальнейшем в данной работе будем ориентироваться в основном на а - и в - эффективности.

В цифровых системах, наиболее распространенных на практике, например, GSM и TETRA, которые рассматриваются на предмет использования на железнодорожном транспорте, полоса частот канала Af¡¡= 25кГц > f = 18кГц для метрового диапазона полосы частот, используемого на железнодорожном транспорте. Поэтому в этом случае необходимо рассматривать не в —,а а — эффективность по вопросу сужения полосы частот цифрового сигнала (ЦС).

Рассмотрим подробнее способы повышения частотной эффективности.

1.2. Повышение частотной эффективности (а) за счёт перехода с двухполосной на однополосную модуляцию

Известно [14], что каждая из двух боковых полос АМ сигнала несет одну и ту же информацию. Поэтому для повышения а-эффективности в 2 раза целесообразно передавать только одну боковую полосу частот. Известно несколько способов формирования одной боковой полосы частот (ОБП АМ): фильтровой или метод последовательных преобразований; фазо-компенсационный метод (фазовый), фильтро-фазовый, фазофильтровой, синтетический и другие. Остановимся на первых трёх.

Формирователь ОБП АМ по фильтровому методу состоит из перемножителя сигналов и полосового фильтра, принципиальная схема которого показана на рисунке 1.2. Здесь перемножитель выполнен на диодном кольцевом балансном модуляторе (КБМ) УБ, а полосовой фильтр - электромеханический (ЭМФ).

но® А О

31 At

tlOeuк (t) —

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема формирователя ОБП АМ фильтровым

способом

Согласно определению аналитического сигнала речевой сигнал (РС) можно представить в квазигармоническом виде un(t) = U(t) cosy(t), где U(t) , ty(t) - огибающая и фаза соответственно, напряжение несущей частоты uH(t) = UH(t) cos Mt, то на выходе перемножителя напряжение

u0(t) = un(t) UH(t) = U(t) cos p(t) UH(t) cos vt = 0,5 UUH(t) cos[wt + y(t)] + 0,5 UUH(t) cos[wt - y(t)] .

Полосовой фильтр пропускает на выход только одну боковую полосу, например верхнюю u0(t)BUX = CU(t) cos[wt + <p(t)] , где С = 0.5U -постоянный коэффициент. Из этого выражения следует, что колебание, соответствующее одной из боковых полос АМ-сигнала, есть колебание с амплитудно-фазовой модуляцией [15].

Верхняя боковая полоса ш + соответствует прямому

d<p(t) -Р,

однополосному сигналу, а нижняя ы--— инвертированному. В

формирователях сигналов ОБП AM используют следующие полосовые

фильтры: типа LC; кварцевые; электромеханические; пьезокерамические,

подавляющие нерабочую боковую примерно -60 дБ по отношению к

сигналу рабочей боковой полосы. В связи с этим фильтр должен обладать

значительной крутизной ската кривой затухания, которая

характеризуется ослаблением сигнала при изменении частоты на 1%:

а

S =

fwo

где а — затухание, дБ; А£ = 2Ешш - разнос по частоте боковых полос; f — несущая частота.

Наибольшее значение 8 (примерно 104 дБ на 1% изменения частоты) имеет в полосовых кварцевых фильтрах. Поскольку рабочая частота передатчика, как правило, больше рабочих частот полосового фильтра, то требуется не одно, а несколько преобразований частоты. Поэтому фильтровый метод формирования ОБП АМ имеет и другое название — метод последовательных преобразований. Структурная схема простейшего формирователя ОБП АМ методом последовательных

преобразований (рисунок 1.3) включает в себя два преобразования частоты (возможно и больше).

Рисунок 1.3 - Структурная схема формирователя сигнала ОБП АМ методом последовательных преобразований

Как правило, в ней используется верхняя боковая полоса. У первого преобразователя, состоящего из перемножителя П1, полосового фильтра ПФ1 и генератора Г1, самая низкая модулирующая частота F. Поэтому и первая поднесущая /1 самая низкая (для ЭМФ /1 = 500 кГц). Для перемножителя П2 минимальная модулирующая частота Г2т1п = /1 + Ртп что значительно выше, чем Поэтому вторая поднесущая выше первой, и требования к крутизне скатов ПФ2 ниже, чем у ПФ1. Очевидно, что ПФ могут быть выполнены и на LC-элементах. Если их добротность примерно 100, то максимальная поднесущая частота

определяется соотношением /Н =

(1,5-2)10-2

. Для связи = 2¥тЫ = 600 Гц и

/Н1 = 30 ^ 40 кГц.

Метод последовательных преобразований является наиболее распространенным методом формирования ОБП АМ. Этот метод эффективен для мощных стационарных передатчиков, когда сложность схем и стоимость не являются определяющими, а требования к устойчивости работы и подавлению ненужных частотных компонентов особенно велики.

Формирователь сигналов ОБП AM фазокомпенсационным методом. Алгоритм данного метода следует из выражения однополосного сигнала: и0(0 = 0,5 ии(г) ± ф(г)] = 0,5 Яе {иифе^^™} =

0,5 [tftf(t)cos^(t)coswt + UU (t)sinp(t)smwt}]. (1.3)

В этом выражении верхний знак соответствуют верхней боковой полосе, а нижний - нижней. Выражение (1.3) определяет структурную схему формирователя сигнала ОБП AM фазокомпенсационным методом (рисунок 1.4), в которой: ФВШ

- фазовращатель на 90° широкополосный; П1, П2 — перемножители сигналов; Г -генератор несущей; ФВ — фазовращатель на 90° колебания несущей частоты; ФИ

— фазоинвертор; Е — сумматор. На выходе перемножителя П1 формируется первое слагаемое суммы в квадратных скобках выражения (1.3), а на выходе П2 — второе, которое в ФИ меняет знак с плюса на минус.

Рисунок 1.4 - Структурную схема формирователя сигнала ОБП AM фазокомпенсационным методом

В этом случае на выходе сумматора образуется верхняя боковая полоса. Если же из схемы исключить ФИ (ключом К), то будет сформирована нижняя боковая полоса. Если перемножители представляют собой кольцевой балансный модулятор (КБМ), в которых имеются трансформаторы, то сумматор представляет собой последовательное включение вторичных обмоток их выходных трансформаторов. Меняя точки, соединения этих обмоток, можно получить верхнюю или нижнюю боковую полосу без использования специального ФИ.

В качестве полосового фазовращателя на 90° можно использовать ФОС фильтровым способом, к выходу которого подключены параллельно два квадратурных когерентных детектора. В этом случае погрешность фазового сдвига

на 90° будет Аф<1°, и степень подавления нерабочей боковой полосы а>40 дБ в полосе частот полосового фильтра. Такой способ ФОС называется фильтрофазовым, который подробно рассмотрен в главе 2.

Отметим, что однополосная аналоговая модуляция ОБП АМ является линейной не прямой, а амплитудная (АМ), балансная (БМ) - линейной прямой. Угловая аналоговая модуляция (ЧМ, ФМ) - нелинейные.

ОБП АМ повышает частотную эффективность только в 2 раза. Для дальнейшего повышения частотной эффективности предложены другие способы.

1.3. Повышение частотной эффективности за счёт деления полосы частот модулирующего речевого сигнала в 2П раз

Данный способ деления полосы частот речевого сигнала в 2П раз был разработан на кафедре «Радиотехника и электросвязь» МИИТа [16]. Схема этого устройства - делителя полосы частот речевого сигнала в 2 раза - представлена на рисунке 1.5, а временные диаграммы, поясняющие его работу - на рисунке 1.6. На рисунке 1.5 обозначено: АС - источник аналогового сигнала, ФОС -формирователь однополосного сигнала, Г- генератор колебания несущей частоты, ФВ - фазовращатель на 90°, Х-сумматор, ДО - детектор огибающей, УО -усилитель-ограничитель амплитуды, П - перемножитель сигналов, ДЦ -дифференцирующая цепочка, ТГ - триггер, ДЧ - делитель частоты в 2 раза, КД -когерентный детектор.

л

Uo(t)

u[t) =U[t) cos q>(t)

Uo(t

АС

ФОС

Z

П

U(t)

ДО

ФВ УО ДЦ ТГ

90°

КД

и г = и COS а>01

Вых

и дч (t) ---и cos о,5 fifct

ДЧ

Рисунок 1.5 - Структурная схема делителя полосы частот речевого сигнала

в 2 раза

Работа схемы происходит следующим образом.

Аналоговый речевой сигнал u(t) = U(t) cos ф(£) (его квазигармоническая модель) поступает из блока АС на один вход формирователя однополосного сигнала ФОС, на второй вход которого подается гармоническое колебание uT(t) = U cos w0t с генератора Г.

На выходе ФОС имеет место однополосное колебание u0(t) = 0,5 UU(t) cos[te0t + <p(t)], из которого выделяется в блоке ДО его огибающая 0,5 UU(t) и складывается с этим колебанием в сумматоре D. На выходе сумматора D будет сигнал

u^(t) = 0,5UU(t)[l + cos[v0t + v(t)]}

Это суммарное колебание не пересекает оси абсцисс, а имеет с ней только точки касания, как показано на рисунке 1.6, где для упрощения принято

0,5UU(t) = l = const. Так как »

dp(t) dt

то однополосный сигнал очень близок

к гармоническому колебанию. На рисунке 1.6 показан квадратурный однополосный сигнал щ^), т.е. сдвинутый по фазе на 90° по отношению к щ^) в блоке ФВ. Этот сигнал щ^) усиливается и ограничивается по амплитуде в блоке

Г

УО, после чего дифференцируется по времени в блоке ДЦ. На выходе ДЦ имеют место короткие разнополярные импульсы, как показано на рисунке 1.6. Из этого рисунка следует, что отрицательные импульсы с выхода ДЦ совпадают с точками касания сигнала оси абсцисс. По этим отрицательным импульсам, как по фронтам, триггер ТГ формирует отрицательные импульсы большой длительности, равной периоду колебаний Т0 однополосного сигнала. На рисунке 1.6 они показаны с пунктирной вершиной. Эти однополярные импульсы подаются на вход перемножителя П через последовательный конденсатор большой емкости, который на рисуке 1.6 не показан. Этот конденсатор устраняет постоянную составляющую, отчего импульсы прямоугольной формы на входе П оказываются разнополярными. В блоке П эти импульсы перемножаются с суммарным сигналом ые(1) и последний на своем периоде, совпадающем с длительностью импульса противоположного знака от перемножения, меняет свою полярность на противоположную. От этого его период увеличивается в 2 раза, как показано на рисунке 1.6.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузюков Василий Александрович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лисенков, В. М. Статистическая теория безопасности движения поездов: Учеб. Для вузов. / В. М. Лисенков - М.: ВИНИТИ РАН, 1999. - 332 с.

2. Волков, А.А. Формирователь цифровым сигналом однополосного колебания с фазовой манипуляцией на 180°. Патент РФ №125790 [Текст] / А.А. Волков, В.А. Кузюков.

3. Патент РФ на ПМ №14505 Формирователь сигнала с фазовой манипуляцией на 180° // А.А.Волков, В.А.Кузюков Приоритет от 12.02.2014. Опубл. в БИ№26 за 2014г.

4. Волков, А.А. Оптимальное клиппирование речевого сигнала для максимизации помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи [Текст] /

A.А. Волков, Г.В. Карпова, В.А. Кузюков, О.Е. Журавлёв // Проектирование и технология электронных средств №4 2011г -С.26.

5. Волков, А.А. Повышение эффективности цифровой железнодорожной системы радиосвязи GSM-R [Текст]/ А.А. Волков, О.Е. Журавлёв, В.А. Кузюков // «Успехи современной радиоэлектроники» №7 2013г -С.32-36.

6. Волков, А.А, Детектор частотно-модулированных колебаний / А.А. Волков, М.А. Лаптев, В.А. Кузюков. Заявка на ПМ.

7. Волков, А.А. Способ восстановления огибающей у клиппированного сигнала. [Текст] / А.А. Волков, В.А. Кузюков, О.Е. Журавлёв // Проектирование и технология электронных средств. №4 2013г -С.51-54.

8. Положительно решение на выдачу патента РФ на ПМ Формирователь цифровым сигналом однополосного колебания с фазовой манипуляцией на 180°/ А.А.Волков, Морозов М.С., В.А.Кузюков, Самойлов В.Е.

9. Зюко, А.Г. Теория электрической связи [Текст] / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский,

B.И. Коржик, М.В. Назаров. -М.: Радио и связь, 1999. - 432 с..

10. Горелов, Г.В. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. транспорта [Текст] / Г.В. Горелов, А.А. Волков, В.И. Шелухин -М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007.

11. Шеннон, К. Работы по теории информации и кибернетике [Текст] / К. Шеннон -.М.:Издательство иностранной литературы, 1963. - 832с.

12. Левин, Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. - 3-е изд., перераб. и доп. [Текст] / Б.Р, Левин. - М.: Радио и связь, 1989. - 656 с.

13. Величкин, А.И. Теория дискретной передачи непрерывных сообщений [Текст]/ А.И. Величкин. Советское радио, 1970.- 296 с.

14. Горелов, Г.В. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте: учебник [Текст] / Г.В. Горелов, А.Ф. Фомин, А.А. Волков, В.К. Котов. О.Н. Ромашкова -М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. -532 с.

15. Зейтленок, Г.А Радиопередающие устройства / Г.А.Зейтленок 1969 г., М.: Связь, 1969. -С.542.

16. Волков, А.А. Метод принудительного деления полосы частот речевого сигнала [Текст]/ А.А. Волков // Электросвязь № 11/2008. -С.48-49..

17. Марков, В.В. Малоканальные радиорелейные линии связи / Марков В.В. -М.: Советское радио, 1963 , -704 с.

18. Фомин, Н.Н. Радиоприёмные устройства [Текст] / Н.Н. Фомин, Н.Н. Буга, О.В. Головин - М.: Радио и связь, 2003. - 520 с.

19. Фомин, А.Ф. Информационно-телекоммуникационные системы и сети (эволюция, современность, будущее). А.Ф. Фомин — М.: МИИТ, 2010. - 158 с.

20. Волков, А.А. Синтетический метод цифровой передачи речевых сигналов [Текст]/ А.А. Волков // Электросвязь №7/2004.- С.36 - 38.

21. Верзунов, М.М. Однополосная модуляция в радиосвязи [Текст]/ М.М. Верзунов. - М.: Военное издательство МО СССР, 1972.- 296 с.

22. Зюко, А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации [Текст] / А. Г. Зюко, А. И. Фалько, И. П. Панфилов, Л. В. Банкет, П. В. Иващенко; Под ред А. Г. Зюко. - М: Радио и связь, 1985 - 272 с..

23. Петрович, Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. [Текст]/ Н.Т. Петрович. Советское радио, 1965.- 264 с.

24. Петрович, Н.Т. Козленко Н.И. Передача клиппированных речевых сигналов с помощью фазовой телеграфии [Текст]/ Н.Т. Петрович, Н.И. Козленко; - М.: «Радиотехника», 1964.- № 11.- т. 19.

25. Варакин, Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами [Текст]/ Л.Е. Варакин. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

26. Котов, В.И. Радиочастотный спектр: определения платы и оценка эффективности использования [Текст] / В.И. Котов // Электросвязь 9/2008.

27. Зюко, А.Г. Теория передачи сигналов: учебник для вузов [Текст] /А.Г. Зюко, Ю.Ф. Коробов. - М.: Связь, 1972. - 282 с.

28. Игнатов, В.А Теория информации и передачи сигналов: учебник для ВУЗов [Текст] / В.А. Игнатов. - М.: Советское радио, 1979. - 280 с.

29. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение [Текст] / Б. Скляр, -.М.: Вильямс, 2007. - 1106с.

30. Волков, А.А. Радиопередающие устройства. Учебник для техникумов и колледжей [Текст] / А.А. Волков. - М.: Маршрут, 2002, - 352 с.

31. Шахгильдян , В.В. Радиопередающие устройства [Текст] / В.В. Шахгильдян -.М.: Радио и связь , 2003. -560с.

32. Фельдбаум, А.А. Теоретические основы связи и управления [текст]/ А.А. Фельдбаум, А.Д. Дудыкин, А.П. Мановцев, Н.Н. Миролюбов. М.: Государственное физикоматематическое издательство. 1963. - С.116.

33. Быховский, М. А. О необходимости проведения реформы системы управления РЧС в России / М. А. Быховский // Электросвязь. - 2008. - N 9. - С. 7-10.

34. Быховский, М.А. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем [Текст] / М.А. Быховский, А.Л. Бузов Учебное пособие - М.: Эко-Трендз , 2006. - 376 с.

35. Быховский, М.А. Мировые тенденции в области реформирования системы управления РЧС [Текст] / М.А. Быховский, Е.Е. Девяткин // Электросвязь 3/2008.

36. Клягин, Л.Е. Широкополосные фазовращатели [Текст] / Л.Е. Клягин., -М.: Связь, 1973.

37. Морозов, М.С., Высокоточный полосовой фазовращатель сигнала на 90°. [Текст] / М.С. Морозов, В.А. Кузюков // Научно-практическая конференция «Неделя науки-2013».

38. Авраменко, В. Л. Электрические линии задержки и фазовращатели Справочник. Под ред. А. Ф. Белецкого. [Текст] / В. Л. Авраменко, Ю. П. Галямичев, А. А. Ланнэ , -М.: «Связь», 1973. 107 с.

39. Морозов, М.С., Пассивный широкополосный фазовращатель для формирования ОБП-ФМн 180°.[Текст] / М.С. Морозов, В.Е. Самойлов, В.А. Кузюков // Научно-практическая конференция «Неделя науки-2014».

40. Патент РФ на ПМ №114247. Аналого-цифровой преобразователь речевого сигнала // А.А.Волков, О.Е.Журавлёв, В.А.Кузюков Приоритет от 07.10.2011. Опубл. в БИ№7 за 2012г..

41. Волков, А.А. Повышение эффективности передачи клиппированных речевых сигналов [Текст] / А.А. Волков, В.А. Кузюков // Мир Транспорта №5. 2013 -С.38-43.

42. Положительно решение на выдачу патента РФ на изобретение Передатчик ШПС / А.А.Волков , В. А. Кузюков Приоритет от 25.06.2013.

43 Волков, А.А, Передатчик ШПС / А.А. Волков, В.А. Кузюков. Положительное решение на патент.

44. Гантмахер, В. Е. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка [тескт] / В. Е. Гантмахер, Н. Е. Быстров, Д. В. Чеботарев - М.: Наука и техника, 2005. - -400 с.

45. Патент РФ на ПМ №135464 Формирователь однополосного клиппированного сигнала с фазовой манипуляцией на 180° /А.А. Волков, В.А. Кузюков, Храмов К.Г. Приоритет 24.05.2013. Опубл. 10,12,2013 в БИ№34.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

ООО НПП «АКСИОН-РТИ» Радио, Телевидение, Информатика

^¿¿^г Научно-производственное предприятие

Россия, 109004, Москва. Пестовский пер., д. 16. стр. 2, тел.:/факс [phone], mail «axion-rti.i

11.06.2014 г. №_52

Акт

об использовании результатов диссертации Кузюкова В.А. на тему «Максимизация частотной эффективности и помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи».

Настоящим актом комиссия в составе:

1. Директор к.т.н. с.н.с. Сычёв Б.В.

2. Главный инженер Яблокова JI.A.

3. Главный специалист Саввотин А.Д.

подтверждает, что результаты исследований диссертации «Максимизация частотной эффективности и помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи» будут использованы при проектировании сети ПРС.

Председатель комиссии: Б.В. Сычев

Т'

Л.А. Яблокова А.Д. Саввотин

УТВЕРЖДАЮ Первый проректор университета -'проректор по учебной работе

Виноградов

Акт

Об использовании результатов диссертационной работы аспиранта Кузюкова ВА. «Максимизация частотной эффективности и помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи» в учебном процессе Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Комиссия в составе ниже подписавшихся заведующего кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь на ж.-д. транспорте» (АТС на ж.-д. тр-те) д.т.н., профессора В.М. Лисенкова, учёного секретаря кафедры к.т.н, доцента А.Е. Ваныпина и к.т.н., доцента кафедра кафедры Л.М. Журавлёвой составили настоящий акт 11 марта 2015 г. следующего содержания.

Разработанные в данной диссертации устройства повышения частотной эффективности и помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи используются в материалах лекций, лабораторных работах и на практических занятиях по дисциплине «Каналообразующие устройства на ж,-д. транспорте», а так же в дипломном проектировании.

Зав. кафедрой

«АТС на ж.-д. тр-те» /

д.т.н., профессор В.М. Лисенков

Доцент кафедры _

к.т.н., доцент

.Е. Ваньшин

Доцент кафедры к.т.н.

Л.М. Журавлёва