Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса: аналитический обзор источников по автоматической переездной сигнализации 10
1.1. Системы автоматической переездной сигнализации магистрального железнодорожного транспорта 10
1.2. Радиотехнические системы автоматической переездной сигнализации
1.3. Система радиоконтроля неохраняемых железнодорожных переездов ППЖТ 19
1.4. Вопросы снижения аварийности на переездах 29
1.5. Выводы по главе 1: формулировка задач исследования 33
Глава 2. Исследование возможности создания эффективной системы радиоконтроля на базе подтонального диапазона частот 34
2.1. Общие положения. 34
2.2. Исследование спектра радиокодограмм с ФМн на 180 г. 35
2.3. Минимизация ширины спектра радиоимпульса 40
2.4. Энергетическая оценка ширины спектра радиоимпульса 42
2.5. Реализация минимума ширины спектра радиокодограммы с ФМн на 180 45
2.6. Следствие реализации минимума ширины спектра радиоимпульса...49
2.7. Когерентный демодулятор коротких радиокодограмм с ФМн на 180, в котором исключена обратная работа 51
2.8. Выводы по главе 2 56
Глава 3. Разработка новых систем радиоконтроля автоматики неохраняемых переездов производственных предприятий железнодорожного транспорта 57
3.1. Общие положения 57
3.2. Система радиоконтроля с повышенным быстродействием 59
3.2.1. Аппаратура центрального поста 59
3.2.2. Аппаратура переездов 62
3.3. Система радиоконтроля с конкретизацией неисправностей автоматики переездов производственных предприятий железнодорожного транспорта 66
3.4. Новая схема фазового манипулятора 71
3.5. Формирователь-демодулятор коротких радиокодограмм с ФМн на 180 на базе оптимального согласованного фильтра 76
3.6. Выводы по главе 3 79
Глава 4. Повышение эффективности радиоконтроля автоматики переездов в условиях производственных предприятий железнодорожного транспорта 81
4.1. Уточнение поправочного множителя в формуле Введенского для определения дальности радиоконтроля 81
4.2. Повышение помехоустойчивости приема радиокодограмм за счет исключения неучитываемого побочного канала приема 87
4.3. Разработка системы аналоговой связи диспетчера ЦП и электромехаником автоматики на переезде, использующей подтональный диапазон частот 89
4.4. Система телеконтроля состояния объектов железнодорожной автоматики 96
4.5. Исследование обратной работы детектора ОФМн сигналов 99
4.6. ОФМн без кодера 104
4.7. Выводы по главе 4 106
Глава 5. Вопросы реализации системы радиоконтроля 107
5.1. Общие положения 107
5.2. Изготовление макета системы радиоконтроля и проверка полученных результатов экспериментально 108
5.3. Программирование микроконтроллера ATMEGA 162 фирмы ATMEL для использования в системе радиоконтроля 112
5.4. Способы программирования энергонезависимой памяти AVR для разрабатываемой системы радиоконтроля 117
5.5. Выводы по главе 5 125
Заключение 126
Список литературы 128
Приложения 136
- Радиотехнические системы автоматической переездной сигнализации
- Исследование спектра радиокодограмм с ФМн на 180 г.
- Система радиоконтроля с повышенным быстродействием
- Повышение помехоустойчивости приема радиокодограмм за счет исключения неучитываемого побочного канала приема
Введение к работе
Автоматическая переездная сигнализация (АПС) повышает безопасность движения не только железнодорожного, но и автомобильного транспорта и даёт большой экономический эффект. Однако в АПС могут выходить из строя её элементы и тогда не исключаются ни аварии, ни большие очереди автотранспорта у переездов. Для их минимизации необходимо срочно передавать диспетчеру информацию об этой неисправности. В случае переездов промышленных предприятий железнодорожного транспорта (ППЖТ) требуется, чтобы эта передача осуществлялась только по отдельному радиоканалу. Однако удовлетворить такое требование практически очень трудно ввиду отсутствия рабочих частот.
Ввиду важности данной проблемы разрешено использовать для этого одну из частот станционной (железнодорожной) радиосвязи (СРС) на вторичной основе. Чтобы радиоконтроль был независимым предложено использовать не тональный, а подтональный диапазон частот 0 - 300Гц, свободный в эксплуатируемых железнодорожных радиостанциях (ЖР). При этом колебания средней частоты подтонального диапазона манипулируется по фазе на 180° короткой информационной видеокодограммой, после чего фазоманипулированное (ФМн) колебание преобразуется на частоту СРС. Так как число переездов может быть значительным, то такая система радиоконтроля является многоканальной, имеющей радиальную структуру: центральный пост (ЦП) и переезды по радиусам от него. Она должна быть быстродействующей, поскольку переезды опрашиваются последовательно, а спектры радиокодограмм - адресов переездов не должны попадать в тональный диапазон. Поэтому необходимо минимизировать ширину спектра этих коротких радиокодограмм с ФМн на 180°.
В условиях ППЖТ имеет место тяжёлая помеховая обстановка, особенно в промышленных городах, а также велико экранирующее действие зданий и других предметов, что снижает дальность радиоконтроля. Поэтому необходимо найти дополнительные меры подавления помех и исследовать затухание радиоволн в этих условиях.
Решение названных вопросов и определяет актуальность данной работы.
Первая система радиоконтроля автоматики неохраняемых 14-и переездов ППЖТ работала по принципу «запрос-ответ». Она позволила выявить основные её недостатки и более конкретно сформулировать цель и задачи исследования.
Целью диссертации является разработка новых методов радиоконтроля работы автоматики неохраняемых переездов ППЖТ, повышающих безопасность движения железнодорожного и автодорожного транспорта, минимизирующих простои последнего у переездов.
Основными задачами диссертации являются:
1. Разработка новых, эффективных систем радиоконтроля работы автоматики неохраняемых переездов ППЖТ на базе подтонального диапазона частот;
2. Минимизация ширины спектра коротких радиокодограмм с фазовой манипуляцией (ФМн) на 180° с целью исключения попадания его в тональный диапазон;
3. Максимизация помехоустойчивости приема кодограмм;
4. Исследование дальности радиоконтроля в условиях ППЖТ.
Реализация результатов исследования. Результаты исследования, полученные в диссертационной работе, использованы в ПРОМТРАНСНИИПРОЕКТе (работа № 0615), во ВНИИАСе МПС РФ (тема 325/06), на ППЖТ г. Электросталь тема № 2Н/98, в учебном процессе кафедр «Радиотехника и электросвязь» МГУПС, «Автоматика и телемеханика на железной дороге» РГОТУПС.
Методы исследований. В работе использована теория модуляции и демодуляции, помехоустойчивости приёма сигналов, спектрального анализа, компьютерное и физическое моделирование.
Результаты работы. Основные теоретические и практические результаты диссертации были получены автором в ходе выполнения научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Радиотехника и электросвязь» Московского государственного университета путей сообщения в период с 2001 по 2007г.г.
Новизна результатов подтверждена пятью патентами РФ на, полезные модели и 12-ю публикациями две из которых опубликованы в журналах рекомендованных ВАК РФ.
Научная новизна диссертации состоит в том, что:
1. Получена формула спектральной характеристики коротких радиокодограмм с фазовой манипуляцией (ФМн) на 180°.
2. Показано, что ширина спектра радиокодограмм минимальна при условии, что нули огибающей радиоимпульса совпадают с нулями его высокочастотного заполнения при целом числе его периодов в огибающей.
3. Показано, что в условиях ППЖТ множитель ослабления в формуле Введенского равен 0,1 вместо рекомендованного 0,2 - 0,4, по которой дальность радиоконтроля работы автоматики переездов ППЖТ определять проще, чем по формуле Окумура-Хата.
4. Разработан механизм преобразования AM в ФМ в приёмнике ЧМ (ФМ) сигналов, позволивший исключить неучитываемый побочный канал приёма помех.
Практические результаты диссертации. 1. Разработана система радиоконтроля работоспособности автоматики неохраняемых переездов ППЖТ на базе подтонального диапазона частот и использовании на вторичной основе частоты станционной (железнодорожной) радиосвязи, что позволило:
- исключить мешающее действие системы тональному диапазону частот, в котором ведётся работа на первичной основе;
- уменьшить в 1,9 раза период опроса всех контролируемых переездов;
- обеспечить возможность экстренной передачи на центральный пост информации о неисправности автоматики переезда, что минимизирует очередь автотранспорта у переездов и максимизирует безопасность движения. Новизна системы защищена патентом РФ на изобретение.
2. Разработан вариант предыдущей системы, в которой конкретизированы передаваемые неисправности автоматики переезда. Для этого освобождены 2П-3 кодограммы, где п - их информационная разрядность, а для периодического опроса переездов используется только две кодограммы и временная селекция по ним номеров переездов. Новизна этой разработки подтверждена патентом РФ на изобретение.
3. Разработано устройство исключения «обратной работы» когерентного детектора радиокодограмм с фазовой манипуляцией (ФМн) на 180°, позволившее перейти с относительной (ОФМн) на абсолютную ФМн на 180°. При этом уменьшилась вероятность ошибки приема кодограмм в 2 раза и упростилась аппаратура за счет исключения кодера и декодера ОФМ. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на изобретение.
4. Разработан пассивный без (питания) апериодический фазовый манипулятор на 180°, упрощающий аппаратуру радиоконтроля. Новизна данного манипулятора защищена патентом РФ на изобретение.
5. Для обеспечения возможности экстренной передачи на центральный пост (ЦП) информации о неисправности автоматики переездов предложено использовать в их аппаратуре двойную фазовую манипуляцию (ДФМн) на 180°, при которой по синфазному каналу передается кодограмма переездов об исправной работе автоматики, а по квадратурному - эта же кодограмма о неисправной работе.
Радиотехнические системы автоматической переездной сигнализации
По статистике дорожных происшествий около 60% всех аварий на. железных дорогах происходит на переездах [7, 8, 9]. Поэтому вопросам разработки эффективных ограждающих устройств на переездах уделяется большое внимание, как в России, так и за рубежом [10]. Наиболее широкое распространение получили системы звуковой и световой (проблесковой) автоматической переездной сигнализации. На активнодействующих переездах применяются автоматические шлагбаумы. На охраняемых переездах устанавливаются заградительные светофоры, управление которыми осуществляется обслуживающим персоналом.
Тем не менее, из-за низкой дисциплины и невнимательности водителей безрельсового транспорта число аварий даже на оборудованных переездах остается большим. По данным министерства транспорта США за последнее время на 100 огражденных переездов приходится около 9 аварий [11]. Быстрый рост числа автомобилей и повышение интенсивности движения поездов приводит к непрерывному увеличению числа аварий на переездах. Особенно велико их число на необорудованных переездах. На переездах, оснащенных только звуковой и проблесковой сигнализацией, аварий в б + 10 раз больше, чем на оборудованных автошлагбаумами. Недостатком существующих систем ограждения переездов является то, что они предназначаются для предупреждения безрельсового транспорта о приближающихся поездах и не имеют обратного канала передачи информации о состоянии переездов на локомотивы.
В связи с этим в ряде стран ведутся разработки новых средств ограждения переездов, использующих различные физические принципы. Так в Японии в последнее время происходят испытания устройства радиолокационного типа [12], устанавливаемые на поездах для обслуживания на путях посторонних предметов.
В США ведутся работы по созданию систем обнаружения приближающегося поезда радаром [13]. Последний может быть установлен около переезда на матче над рельсами и направлен в сторону приближающегося поезда. В ФРГ, прошло испытание устройство автоматического контроля свободностш опасного пространства с применением лазерного излучения и электромагнитных волн [14].
В Московском государственном университете инженеров V железнодорожного транспорта (МИИТ) разработана новая система автоматической переездной сигнализации, предназначаемой для предупреждения машинистов локомотивов о возникновении на переездах аварийных ситуаций.
С этой целью в непосредственной близости к переезду устанавливается радиолокационная станция (РЛС), с помощью которой обнаруживаются все предметы [15], находящиеся в зоне железнодорожного полотна и, в случае, если какой-нибудь из этих предметов будет угрожать безопасности движения поездов, автоматически подается команда на заградительный светофор.
Небольшое расстояние между радиолокационной станцией и переездом, ограниченная площадь обзора и относительное большое время, в течение которого может производиться анализ отраженных от препятствий сигналов, позволяют существенно упростить схему и конструкцию РЛС и сделать ее пригодной для установки даже на неохраняемых переездах с малой интенсивностью движения безрельсового транспорта.
Основная трудность при создании таких РЛС заключается в том [16, 17], что наибольшую угрозу для поездов представляют неподвижные препятствия с весьма небольшой эффективной площадью рассеяния (сельскохозяйственный инвентарь, автомашины, фургоны и т.п.), которые будут маскироваться местными предметами, обладающими хорошими отражающими способностями (рельсы, опоры контактной сети, ограждения переезда, зеленые насаждения).
Обнаружение таких препятствий может быть осуществлено с помощью доплеровской [18] радиолокационной станции (РЛС) с корреляционной обработкой сигналов, отраженных от предметов, находящихся на переезде. Передатчик и приемник РЛС располагаются на разных сторонах железнодорожного , полотна (рис. 1.1). Передатчик, излучает электромагнитную энергию сантиметрового диапазона волн в направлении переезда и покрывает всю территорию, в пределах которой не должны находиться посторонние предметы. Сюда же направлена и приемная антенна.
При наличии на переезде каких-либо объектов в приемник попадают отраженные от них сигналы, которые сравниваются с сигналами передатчика. Для этого между передатчиком и приемником имеется связь, которая осуществляется с помощью волновода или высокочастотного кабеля.
Более сложной задачей является выделение неподвижного объекта, находящегося на переезде (т.е. в зоне действия РЛС). Этому будут препятствовать отражения от местных предметов, размеры которых соизмеримы с обнаруживаемым препятствием. Если потребовать, чтобы РЛС обнаруживала препятствия, отражающая поверхность которых составляет всего 0,2 м2 (мелкий сельскохозяйственный инвентарь, мотоциклы, автоколяски и т.п.), то местные предметы будут обладать отражающей поверхностью в десятки раз большей и отражения от них будут маскировать сигнал, отраженный от препятствия.
Исследование спектра радиокодограмм с ФМн на 180 г.
Радиокодограммы с фазовой манипуляцией (ФМн) на 180 используются в разрабатываемой системе радиоконтроля работоспособности автоматики неохраняемых переездов ППЖТ [29].
Согласование радиокодограмм с каналом состоит в том, что ширина AFCспектра такой кодограммы, должна быть меньше или равна ширине полосы частот AFK канала (AFC AFK).
Полоса частот AFK канала известна. В эксплуатируемых железнодорожных радиостанциях (ЖР) она находится в подтональном диапазоне частот от 67 до 250,3Гц (AFK = 183,3Гц).
Оптимальный согласованный с кодограммой фильтр определяется по ее спектру. Так как спектр радиокодограмм с ФМн на 180 ранее не исследовался, то остановимся на нем подробнее.
Разложим радиокодограмму с ФМн на 180 (рис. 2.1. график б) на два амплитудно - манипулированных (АМн) сигнала равных с ней по амплитуде: АМн1 и АМн2. Сигнал АМн1 (рис.2.1., график в) соответствует видеоимпульсам (рис. 2.1., график а) и совпадает по фазе с соответствующими им импульсами радиокодограммы. Сигнал АМн2 (рис. 2.1., график г.) соответствует паузам видеокодограммы (рис. 2.1., график а) и противофазен сигналу АМн1.
Если в видеокодограмме (рис. 2.1., график а) общее число импульсов равно п, то в радиокодограмме их будет 2п - 1, (рис. 2.1., график б) поскольку ФМн на 180 - система с активной паузой.
В АМн1 сигнале (рис. 2.1., график в) импульсы соответствуют нечетным импульсам радиокодограмме с ФМн на 180 (рис. 2.16), т.е. Li = 2п - 1, где n = 1,2,...,п, а в сигнале АМн2 (рис. 2.1г) - четным, т.е. L2 = 2п — 2. Видно, что четных импульсов на единицу меньше, чем нечетных. Такое соотношение будет при любом п — четном или нечетном. Определим спектр АМн1 — сигнала, состоящего из п нечетных радиомпульсов кодограммы, запаздывающих друг относительно друга на постоянный отрезок времени Г = т„+т„.
Заметим, что ФМн - колебания можно представить АМн — сигналом с в 2 раза большей амплитудой плюс противофазное АМн сигналу колебание несущей частоты с амплитудой, равной амплитуде ФМн сигнала. При определении спектра ФМн колебания такое его представление сводится к рассмотренному выше. Отсюда ясно, что получить рассмотренный АМн1 сигнал можно путем сложения ФМн колебания с синхронным с ним колебанием несущей частоты, а АМн2 - путем сложения ФМн колебания с противофазным ему колебанием несущей частоты. В обоих случаях амплитуда колебания несущей частоты равна амплитуде ФМн колебания. Из формулы (2.2) следует, что ширина спектра радиокодограммы с ФМн на 180 определяется шириной спектра J C/to) его первого радиоимпульса. Поэтому исследуем этот вопрос подробнее. 23. Минимизация ширины спектра радиоимпульса
Из графиков (рис.2.4) видно, что в пределах главного лепестка спектра Дг = 0,5+1,5 сосредоточено более 0,98 энергии всего радиоимпульса при синусоидальном его заполнении и только 0,88 - при косинусоидальном его заполнении. Если использовать только синусоидальное заполнение радиоимпульса с нулевой начальной фазой ф = 0 и целым числом ее периодов к, то влияние тональному диапазону частот практически полностью отсутствует.
Система радиоконтроля с повышенным быстродействием
В исходном состоянии (при включении источника питания ЖР 12,6В и микросхем 5В) железнодорожная радиостанция (ЖР) находятся в режиме дежурного приема и работают мультивибратор (MB) и таймер (Т). Когда на выходе Т появится сигнал, реле (Р) сработает и своим контактами подключит MB к постоянно запоминающему устройству (ПЗУ), источник питания ЖР (ИП) и антенну А к передатчику.
На выходе постоянно запоминающего устройства ПЗУ формируется кодограмма, состоящая из синхроимпульса (СИ) и четырех бит кодовой информации (на 15 переездов: 24 - 1), где все импульсы имеют прямоугольную форму. Полная длина кодограммы составляет 5 бит причем, впереди СИ имеется пустая позиция. Эта кодограмма поступает на один вход фазового манипулятора (ФМн), на другой вход которого подается поднесущая частота около fm = 160Гц с генератора (Г). Фазоманипулированное колебание (ФМн) на 180 с блока ФМн переносятся в преобразователе (БМ) на рабочую частоту передатчик f0 = 154,6 МГц, которая поступает с выхода предоконечного каскада (ПРД) передатчика ЖР.
С выхода блока БМ ФМн колебание усиливается в блоке оконечного каскада передатчика (ОК) и через антенное согласующее устройство (АСУ) поступает в антенну А и излучается.
С выхода ПЗУ кодограмма поступает также на двухполупериодный выпрямитель (ДВ), который питает реле (Р1) с задержкой. После излучения кодограммы сигнал с Р1 сбрасывает в ноль Т и ПЗУ. От этого обесточивается реле Р, отчего его контакты отключают MB, переключают ИП и антенну ЖР к приемнику. Передающая часть ЦП оказывается в исходном состоянии и ждет сигнала с таймера Т. Излученная радиокодограмма принимается радиоприемниками ЖР всех переездов. 3.2.2. Аппаратура переездов Структурная схема аппаратуры переезда разработанная автором [42] представлена нарис. 3.2, где обозначено: ПРД - передатчик без предоконечного и оконечного каскада; УЗЧ - усилитель звуковой частоты приёмника; ГОЖ - предоконечный каскад передатчика; ЧД - частотный детектор приемника; MB - мультивибратор; К - кодер центрального поста; ФМ - фазовый манипулятор на 180 (однократный); ИП - источник питания; ФДм - фазовый демодулятор; ДВ - двухполупериодный выпрямитель; ОК - оконечный каскад передатчика.
Антенны всех переездов (рис. 3.2) улавливают этот сигнал, который через антенно-согласующее устройство (АСУ) поступает на вход линейного приёмника (ЛП). С выхода последнего каскада усилитель промежуточной частоты (УПЧ) блока ЛП радиосигнал на промежуточной частоте поступает на вход фазового детектора (ФД), на выходе которого имеет место кодовая комбинация, переданная с ЦП. В блоке декодера-опознавателя (Д) она преобразуется в импульс, который задерживается на заданное время в блоке реле (РВ), после чего в блоке одновибратора (ОВ) преобразуется в импульс прямоугольной формы соответствующей длительности. С помощью этого импульса устройство переключения источника питания (УПШТ) переключает источник питания (ИП) с приёмника на передатчик ЖР. Теперь с помощью мультивибратора (MB) в кодере (К) (рис. 3.2) формируется кодовая комбинация данного переезда, которая поступает на один вход схем совпадений (И1) и (И2). Датчик состояния автоматики переезда (та же схема совпадения И) своим выходом подключен ко второму входу блока схемы совпадения И1 непосредственно и ко второму входу блока схемы совпадения И2 через цифровой инвертор (ЦИ). Если все контролируемые источники информации исправны, то на выходе блока датчика исправности работы автоматики (схема И) будет логическая единица (напряжение 0) и сработает схема совпадения И1, от чего кодовая комбинация с блока К поступает на н.ч. вход фазового манипулятора (ФМ). При этом на втором входе схемы совпадения И напряжение равно нулю (лог.О) и кодовая комбинация с блока К на ФМ не поступит. На второй вход блока ФМ подаётся непосредственно колебание несущей частоты с выхода предоконечного каскада (ПОК) передатчика ЖР непосредственно. С выхода ФМ колебание несущей частоты через блоки сумматор (схема ИЛИ), оконечный каскад (ОК), АСУ поступает в антенну А ЖР переезда и излучается.
Повышение помехоустойчивости приема радиокодограмм за счет исключения неучитываемого побочного канала приема
В диссертации исследуется неучитываемый побочный канал приема в приёмнике ЖР с частотной или фазовой модуляцией. Всегда считалось, что паразитная амплитудная модуляция (AM) у ЧМ [62, 63] сигналов устраняется амплитудным ограничителем и дробным детектором приёмника и поэтому AM на помехоустойчивость приёма ЧМ сигналов не влияет. Однако экспериментальные зависимости выходного напряжения детектора UBUX от глубины амплитудной модуляции М входного сигнала (рис. 4.2) говорят об обратном [64]. Кривые 1-3 получены при входном напряжении UBJt= ЗООмкВ и разной чувствительности приёмника. Кривая 4 при подачи непосредственно на контур дробного детектора AM сигнала частоты f„p = 456кГц амплитуды 0,6В в режиме молчания.
Видно, что эти кривые имеют значительный линейный участок. Это значит, что частотный (дробный) детектор воспринимает как полезный ЧМ сигнал с помехой, так и дополнительную помеху, содержащуюся в его огибающей (паразитная AM). Последняя воспринимается приёмником не из-за плохой работы ограничителя амплитуды. На выходе дробного детектора сигнал всегда равен нулю при подачи на его вход AM колебания, что вытекает из принципа работы дробного детектора. Значит, AM до дробного детектора преобразует в ФМ. В работе предложен следующий механизм этого преобразователя. Все резонансные системы приемника выполнены на ферритах, петля гистерезиса которых B=f(H) (рис. 4.3) имеет только незначительно линейный участок в окрестности точки Н=0 и сравнительно большой нелинейный участок при // 0. Здесь В - магнитная индукция, Н -напряженность магнитного поля. Производная, т.е. магнитная проницаемость \i = — = и(Я) (рис. 4.3) изменяется соответственно петли гистерезиса, имея линейный участок.
Если рабочая точка Но будет находиться на середине этого линейного участка, то амплитудная модуляция несущей будет изменять линейно р и, значит, индуктивность L колебательного контура, так как L пропорциональна ц. От этого согласно фазо-частотной характеристике (ФЧХ) контура изменяется фаза выходного сигнала относительно входного, т.е. имеет место преобразования AM в ФМ [65, 66]. Такое преобразование наиболее существенно в тракте ПЧ, где уровень сигналов значительный. Так как каскады ПЧ соединены последовательно между собой, то индекс ФМ пропорционален числу этих каскадов, что подтверждают кривые (рис. 4.2). Помехи прошедшие к частотному или фазовому детектору через огибающую, добавляются к помехам, имеющимся в ЧМ или ФМ сигналах, уменьшая помехоустойчивость их приёма. Исключить этот дополнительный побочный канал приём можно, используя каскады УПЧ с параллельным питанием по коллектору транзисторов, исключающих прохождение постоянного тока через катушку контура и, тем самым, выход на нелинейный участок петли гистерезиса. Сделать это можно также и путём увеличения массы ферритов, увеличивая тем самым линейный участок петли гистерезиса.
Как уже отмечалось, подтональный диапазон частот простирается от О до 300 Гц. Однако для практики целесообразно использовать его частоты выше 50 Гц, поскольку на этой частоте 50 Гц работает вся электросеть России, создавая очень большие помехи для системы передачи информации [98, 99, 100]. Поэтому с учетом расфильтровки используют частоты от 67 до 250, 3 Гц, т.е. полосу частот AF = 250,3- 67 = 183ДП/ вместо 300 Гц. В такой полосе частот не может быть передан непосредственно речевой сигнал (PC), поскольку он находится в тональном диапазоне частот 300 - 3400 Гц, занимая полосу частот AF = 3400 -300 = 3100Л/ = 3,1кП/. Однако можно передавать огибающую и частотную составляющую PC, по которым на приемной стороне синтезируется исходный PC [67, 68, 97]. Каждая из этих составляющих занимает полосу частот от 0 до 35 Гц как минимум, хотя их спектральная плотность мощности (СПМ) асимптотически стремится к нулю с ростом частоты довольно медленно. По этому для увеличения качества синтезируемого PC целесообразно ограничиваться максимальной частотой больше 35 Гц. Полоса канала 183,3 Гц позволяет ограничиться максимальной частотой указанных составляющих PC 90 Гц, т.е. считать, что полоса их AFC = 90Л/ частот. Огибающую и частотную составляющую целесообразно уплотнить по фазе путем балансной модуляции (БМ): для одной их них осуществить БМ1 на синфазной поднесущей, а для другой БМ2 - на квадратурной поднесущей. Далее эти БМ складываются. Поднесущую частоту необходимо выбрать в середине рабочего подтонального диапазона, т.е. у = 158,6Л/ = 160Л/. Полоса частот сигнала БМ равна удвоенной полосе модулирующего сигнала, т.е. А/ , =180Л/. При суммировании квадратурных сигналов БМ полоса частот не увеличивается, т.е. остается равной 180 Гц 183,3 Гц. Далее суммарный сигнал БМ переносится на несущую частоту f0 = 154,6 МГц эксплуатируемой радиостанции (ЖР) путем дополнительной БМ. На рис. 4.4 показаны спектры сигналов модуляции и их согласование со спектром ЖР: а) спектр огибающей и частотной составляющей; б) сигнал (1 — ступень БМ); в) сигнал второй ступени БМ и сигнал ЖР с ЧМ.
Уплотненные по фазе сигналы БМ легко разделяются на приемной стороне с помощью двух когерентных квадратурных детекторов, что позволяет затем по ним синтезировать исходный PC. На рис. 4.5 представлена структурная схема передающей (а) и приемной (б) сторон.
Работа схемы происходит следующим образом. На передающей стороне блоки: микрофон М, микрофонный усилитель МУ, преобразователь Ш, генератор Г1 вспомогательной несущей частоты го, полосовой фильтр ПФ образуют формирователь однополосного колебания « = /(/)-cos[a)r+(p(0] по PC с микрофона в(г). Любой сигнал можно представить как проекция аналитического сигнала на вещественную ось комплексной плоскости Z, в том числе и PC e(t) = /(/) cos ф(7), где U(t) - его огибающая, а (p(t) - фаза. Это так называемая квазигармоническая модель PC.
На приемной стороне (рис. 4.56) сигнал с антенны Апр проходит линейную часть приемника ПРМ ЖР (до его частотного детектора ЧД), после чего поступает на первую ступень демодуляции и разделения, состоящей из перемножителей ПІ, П2, формирователя опорного колебания ФОК, фазовращателя ФВ на 90. На выходе ФОК образуется колебание поднесущей частоты передатчика ЖР, которое поступает на опорный вход Ш непосредственно на опорный вход Ш - через ФВ на 90. Перемножитель входного сигнала и колебания ФОК, а также ФНЧ образуют когерентный детектор, который не чувствует входного квадратурного колебания. Поэтому на выходе ФНЧ, имеет место БМ - колебание с частотной составляющей П(т) (рис. 4.56), а на выходе ФНЧ - БМ - колебание с огибающей U(t). Вторая ступень демодуляции аналогична первой и состоит из перемножителей ПЗ, П4, ФОК2, ФВ2 на 90. Однако здесь на информационные входы ПЗ и П4 подаются разные сигналы. На выходе ФНЧ 3 имеет место частотная составляющая щл - к, а на выходе ФНЧ 4 - огибающая U(t) PC.
Частотная составляющая интегрируется по времени в блоке И, по этому на его выходе имеет место фаза PC u„(t) = ф(т). Далее (p(t) поступает на один вход аналогового фазового модулятора ФМ, на другой вход которого подается колебание ur(t) вспомогательной несущей частоты ю; ur(t) = Ucoscot; На выходе ФМ имеет место ФМ - колебание ІІФМФ = U cos [cot + cp(t)], которое когерентно детектируется в блоке КД, отчего на его выходе имеет место косинус фазы икд(г) = cos p(t). Это колебание поступает на один вход перемножителя П5, а на другой его вход подается огибающая U(t) PC с ФНЧ 4. На выходе П5 имеет место исходный PC B(t) = U(t)cos p(t), который далее усиливается по напряжению в блоке УЗИ и поступает на телефон Т.
