Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблем, связанных с применением рельсовых цепей в качестве канала передачи информации, и постановка задачи исследования 11
1.1 Рельсовые цени как канал передачи информации в системе автоматической локомотивной сигнализации 11
1.2 Объект диссертации и цель исследования 24
2. Способ повышения помехоустойчивости информации, передаваемой по рельсовому каналу связи 28
2.1 Применение согласованной фильтрации для достижения потенциально возможной помехоустойчивости информации, передаваемой по рельсовой цепи 28
2.2. Анализ сигналов, получаемых путем циклической перестановки сигнала Баркера 40
2.3. Анализ применимости кодовых комбинаций, полученных путем циклической перестановки сигнала Баркера 44
2.4 Выводы но второй главе 50
3. Оценка параметров импульсных последовательностей сигналов, полученных путем циклической перестановки сигнала Баркера 52
3.1. Выбор частоты несущей для передачи фазоманипулированных сигналов по рельсовой линии 52
3.2. Расчет параметров рельсовой цени для обеспечения работы АЛС с выбранными параметрами двоичных сигналов 56
3.3 Выводы по третье главе: 64
4. Разработка структурных и принципиальных схем мпкроэлектронных устройств, обеспечивающих передачу и прием информации на релейном конце РЦ и на локомотиве 65
4.1. Общая структурная схема реализации способа передачи и приема сигналов с использованием согласованной фильтрации 65
4.2. Разработка устройства передачи информации в рельсовую цепь 68
4.2.1. Кодер, формирующий сигналы, полученные путем циклической перестановки основного сигнала Баркера: 69
4.2.2 Фазовый манипулятор передатчика-двоичных сигналов 71
4.3. Приемник помехоустойчивых сигналов из рельсовой цепи 77
4.3.1. Схема подавления импульсных помех в приемнике 78
4.3.2 СФАПЧ и деманинулятор приемника 83
4.4. Выводы по четвертой главе 92
5. Оценка параметров достоверности обнаружения полезного сигнала в рельсовом линии 93
5.1. Общий принцип оценки достоверности обнаружения полезного сигнала в рельсовой линии 93
5.2. Моделирование оптимального обнаружителя для сигналов, полученных путем циклической перестановки сигнала Баркера 98
5.3. Установление зависимости порога срабатывания от уровня помех в канале связи для обеснечения требуемых параметров безопасности (вероятность ложной тревоги и вероятность правильного обнаружения полезного сигнала) 104
5.4. Выводы по главе 121
Заключение 123
Список литературы 124
Приложения 133
- Рельсовые цени как канал передачи информации в системе автоматической локомотивной сигнализации
- Анализ применимости кодовых комбинаций, полученных путем циклической перестановки сигнала Баркера
- Фазовый манипулятор передатчика-двоичных сигналов
- Установление зависимости порога срабатывания от уровня помех в канале связи для обеснечения требуемых параметров безопасности (вероятность ложной тревоги и вероятность правильного обнаружения полезного сигнала)
Введение к работе
Актуальность проблемы. На сети железных дорог России широкое распространение получила числовая кодовая автоблокировка и система автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН). В этой системе используется один частотный канал, организованный по рельсовой линии. В зависимости от вида тяги частота несущего колебания выбирается равной 25 или 50 Гц. Передача информации осуществляется путем амплитудной манипуляции несущей и числовым кодированием. Система кодовой автоблокировки позволяет передавать три сообщения: желтый с красным (КЖ), желтый (Ж) и зеленый (З). В качестве элементной базы использованы электромагнитные реле.
В силу ограниченности функциональных возможностей, высокой энерго- и материалоёмкости аппаратуры, низкой помехозащищенности и надежности эта система не удовлетворяет возросшим требованиям, предъявляемым к современным устройствам интервального регулирования движения поездов. Число отказов и сбоев в работе системы АЛСН достаточно велико (порядка 300 тысяч в год). Анализ отказов АЛСН показывает, что более 46 % из них приходится на рельсовую цепь (РЦ). Почти половина из них вызвана её неустойчивой работой при флуктуациях сопротивления балласта и мешающим действием помех от тягового тока.
Машинист при частых сбоях вынужден отключать систему и вмешиваться в ее работу. Неустойчивая работа АЛСН вызывает задержки поездов и нарушение графика исполненного движения (например, экстренное торможение, которое влечет за собой экономические потери, вызванные увеличением времени хода, перерасходом электроэнергии, утомляемостью машиниста).
Для обеспечения устойчивой работы системы АЛСН на входном конце рельсовой цепи необходимо обеспечить величину тока полезного сигнала не менее 1,5 А. Протяженность железных дорог России составляет около 150 тыс. км. При средней длине блок-участка в 2 км потребляемая мощность одной рельсовой цепи составляет 250 ВА. Эксплуатационная длина сети железных дорог России составляет 84 767,5 км. Мощность, потребляемая системой автоблокировки и АЛСН, составляет порядка 10,6 МВт, что соизмеримо с мощностью Саяно-Шушенской ГЭС.
Поэтому дальнейшее совершенствование систем АЛСН связано с переводом технических средств на современную, более надёжную микроэлектронную элементную базу. Это позволит расширить их функциональные возможности, снизить энерго- и материалоемкость аппаратуры. Применение новых, более совершенных алгоритмов обработки сигналов, реализация которых на старой элементной базе была принципиально невозможной, обеспечивает повышение устойчивости функционирования системы АЛСН в условиях воздействия помех от тягового тока.
В данный момент активно развивается движение высокоскоростных поездов. Поэтому исследование каналов передачи информации на локомотив обладающих более высоким, по сравнению с АЛСН, быстродействием и помехоустойчивостью является актуальной задачей.
Задача повышения помехоустойчивости АЛСН и качественного сокращения количества сбоев в работе этой системы является одной из стратегических направлений научно-технического развития ОАО «РЖД» до 2015 г., способствующих повышению безопасности и скоростей движения. Поэтому работы по исследованию помехозащищенных способов передачи информации по рельсовой цепи как канала связи не прекращены.
Основным направлением является применение новых способов преобразования, приема и передачи сигналов по рельсовой линии и использование современной микроэлектронной элементной базы.
Цели и задачи исследований. Целью данной диссертационной работы является повышение помехоустойчивости передачи информации по рельсовой цепи в системах железнодорожной автоматики и телемеханики.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные задачи:
1. Предложить способ преобразования, приема и передачи, а также принцип кодирования сигналов, передаваемых по РЦ, позволяющий достигнуть потенциально возможный уровень их помехоустойчивости.
2. Разработать структурные и принципиальные схемы микроэлектронных устройств, обеспечивающих кодирование информации, прием информации на релейном конце РЦ и на локомотиве.
3. Разработать имитационную модель для анализа работы предложенного принципа передачи сигналов.
4. Оценить помехоустойчивость предложенного способа передачи и приема информации по РЦ.
Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы применялись классические и современные методы исследований: теория вероятности, теория передачи сигналов, а также цифровая обработка сигналов, компьютерное имитационное и программное моделирование, корреляционный анализ.
Достоверность научных исследований подтверждается результатами теоретических исследований и результатами имитационного моделирования.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Предложен принцип кодирования сигналов, передаваемых по рельсовой цепи, и их согласованная фильтрация для обеспечения помехоустойчивости информации передаваемой по рельсовой цепи.
2. Разработан алгоритм получения двоичных сигналов для кодирования показаний путевых светофоров на базе 13-ти импульсного сигнала Баркера.
3. Определены критерии использования сигналов, полученных путем циклической перестановки 13-ти импульсного сигнала Баркера.
4. Разработан алгоритм, повышающий достоверность обнаружения полезного сигнала при использовании сигналов с сильной взаимной корреляцией, полученных при циклической перестановке 13-ти импульсного сигнала Баркера.
5. Определены пороги срабатывания решающего устройства в зависимости от отношения сигнал/шум в рельсовой цепи, обеспечивающие достоверный прием информации.
На защиту выносятся:
1. Способ повышения помехоустойчивости информации, передаваемой по рельсовой цепи, за счет применения согласованной фильтрации.
2. Алгоритм получения двоичных сигналов на базе сигнала Баркера.
3. Алгоритм, повышающий достоверность обнаружения полезного сигнала.
4. Результаты имитационного моделирования способа помехоустойчивой передачи сигналов по рельсовой цепи.
Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследований позволяют решить вопросы повышения помехоустойчивости передачи данных в системах управления движением поездов на линиях магистрального и промышленного железнодорожного транспорта, использующих рельсовые цепи для передачи информации, которые справедливы и для других каналов передачи данных в системах автоматики и телеуправления.
Технические решения, предложенные в диссертации, являются основой для инженерных разработок в данной области.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: Международной конференции ТрансЖАТ 2008 (Сочи, 2008); Международной научно-практической конференции «СвязьПромЭкспо» (Екатеринбург, 2009); Международной научно-практической конференции «СоюзПромЭкспо» (Екатеринбург, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития», посвященной 130-летию Свердловской ж.д. (Екатеринбург, 2008); Всероссийской научно-практической конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (Самара, 2009); V объединенном научно-техническом совещании ЗАО «Отраслевой центр внедрения новых технологий» и секции «Железнодорожный транспорт «Российской инженерной академии» (Москва, 2010 г); научно-практической конференции «Молодые ученые – транспорту – 2009» (Екатеринбург, 2010).
Основные положения диссертации отражены в 11 публикациях, в том числе 2-е – в журналах, рекомендованных ВАК. Получен патент РФ по теме диссертации № 2392150 МПК В61Д 3/24.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 80 наименований. Диссертация изложена на 132 страницах, содержит 59 рисунков и 5 таблиц.
Рельсовые цени как канал передачи информации в системе автоматической локомотивной сигнализации
Созданная в середине прошлого века система обеспечения безопасности движения поездов в виде совокупности числовой кодовой автоблокировки и АЛСЫ и в настоящее время способствует повышению скорости и точному выполнению графика движения поездов. Кроме этого АЛСН - это основной источник информации для машиниста о поездной ситуации. У истоков создания этих систем, использующих в качестве канала передачи информации рельсовую цепь, стояли ученые и инженеры железнодорожного транспорта: А. М. Брылеев, Н. Ф. Котляренко, Б. С. Рязанцев, Н. Ф. Пенкин, Н. В. Лупал, A. G. Переборов, В. С. Аркатов и другие [1, 2, 3, 5, 7, 9, 10, 11]. Позднее большой вклад в разработку и совершенствование систем обеспечения безопасности движения внесли А. В. Шишляков, В. С. Дмитриев, А. В. Минин, Ю. А. Кравцов и другие [6, 8, 12].
В системе АЛСН для определения положения поезда традиционно используются рельсовые цепи, как основная аппаратура контроля свободности участков пути и передачи телемеханической информации на локомотив.
Рельсовые цепи являются основным звеном современных систем управления движением поездов. На железных дорогах они выполняют функции путевого датчика информации о состоянии рельсового пути, а также телемеханического канала непрерывной передачи информации при автоблокировке, автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа, электрической централизации, диспетчерской централизации.
Как путевой датчик рельсовая цепь используется в пределах перегонов и станций для получения первичной дискретной информации о состояниях путевых участков, на основе которой автоматизируется процесс интервального регулирования движением поездов и повышается его безопасность. В качестве путевого телемеханического канала рельсовая цепь широко используется для установления беспроводной логической связи между смежными исполнительно-распорядительными пунктами (сигнальными точками) в кодовой автоблокировке и передачи оперативной информации с пути на локомотив в системах АЛС. Благодаря применению рельсовых цепей для контроля перегона повышается пропускная способность участков и безопасность движения поездов [3,7].
Определенной альтернативой аппаратуре СЖАТ с применением рельсовой цепи являются устройства счета осей [15] и автоматической локомотивной сигнализации с применением радиоканала (АЛСР) [16]. Несмотря на известные преимущества, эти устройства обладают двумя существенными недостатками, которые отсутствуют в рельсовой цепи. Первый из них заключается в отсутствии фактического (физического) контроля нахождения подвижного состава на рельсовой линии. Вторым недостатком является принципиальная невозможность реализации функции контроля целостности рельсов участка пути.
В настоящее время, на сети магистральных железных дорог эксплуатируются более 300 разновидностей рельсовых цепей, призванных обеспечить безопасность движения поездов в конкретных условиях эксплуатации с использованием простых технических решений, требующих минимальные средства на оборудование и содержание устройств. Применение того или иного вида определяется различными факторами, в том числе и видом тяги: автономной или электрической, переменного и постоянного тока. Формы сигналов, передаваемых по рельсовой цепи, определяются источником питания: постоянного или переменного тока. Постоянный ток применяется только при автономной тяге. Форма сигнала в этом случае представляет собой последовательность прямоугольных импульсов.
При источнике питания переменного тока несущая частота сигнала, передаваемого по рельсовой цепи, имеет гармоническую форму. Это обеспечивает лучшую помехозащищенность рельсовой цепи от внешних помех, воз можность организации более надежной защиты от взаимного влияния рельсовых цепей, возможность организации нескольких каналов передачи информации по одной рельсовой линии [17].
Сигнал рельсовой цепи получается путем применения одного из видов модуляции несущей. Наиболее распространена в системах автоматической блокировки амплитудная манипуляция (АБ постоянного тока, числовая кодовая АБ переменного тока и числовая кодовая АБ системы АБ-ЧКЕ). Также в АБ-Е2 применяется двукратная фазоразностная модуляция, что обеспечивает повышение помехозащищенности системы.
Большое влияние на принцип функционирования рельсовой цепи оказывает также параметр сигнала, несущий информацию о текущей поездной ситуации и состоянии рельсовой линии.
Чаще всего в качестве такого параметра используется амплитуда сигнала (импульсные рельсовые цепи постоянного тока, числовые кодовые переменного тока и тональные), другой параметр - фаза (в фазочувствительных рельсовых цепях). При этом фаза как информационный параметр является более помехоустойчивой по сравнению с амплитудой.
В условиях воздействия разнообразных помех (электромагнитные поля, электростатические разряды, взаимное влияние рельсовых цепей), помехозащищенность на данное время становится одним из основных критериев оценки работы системы в целом. И, соответственно, большое внимание должно уделяться способам приема и обработки сигналов, передаваемых в рельсовой цепи в сложной помеховой обстановке, и в том числе выбору наиболее помехозащищенных параметров сигнала для передачи ответственной информации.
Правильно рассчитанные рельсовые цепи, как канал передачи информации, должны устойчиво работать и обеспечивать надежное действие АЛСЫ.
При действии АЛСЫ показания пуіевьіх светофоров передаются по рельсовым цепям на локомотив непрерывно, в течение всего времени следо вания поезда по перегонам и станциям. При этом осуществляется фактический (физический) контроль нахождения подвижного состава на рельсовой линии.
Дешифрация полезного сигнала происходит по длительности импульсов и интервалов кодового цикла на переменном токе малой частоты (25, 50 Гц), различение кодовых сигналов - путем последовательного счета числа импульсов и пауз в кодовом цикле.
В настоящее время на участках железных дорог переменного тока используется в основном частота АЛСН 25 Гц. При посылке кодовых сигналов с питающего конца используется общий источник для питания путевого приемника в нормальном режиме работы рельсовой цепи и локомотивного приемника в режиме АЛС. Минимальный кодовый ток, который необходимо обеспечить на приемном конце рельсовой цепи, и который может восприниматься приемными катушками локомотива для разных видов тяги и рода тока составляет от 1,2 А (для автономной тяги), 2 А (для тяги постоянного тока) и 1,4 А (для тяги переменного тока).
После получения сигнала из рельсовой цепи смена огней локомотивного светофора происходит с запаздыванием на 5 - 6 с, что соответствует времени дешифрации кодового сигнала. При сильном искажении принятого сигнала это время может увеличиться до 7 с лишним секунд. Это время обеспечивает прием не менее трех серий кодовых импульсов и делает систему относительно инерционной, но это же обеспечивает ей работоспособность в условиях действия интенсивных помех.
К главным достоинствам системы обеспечения безопасности с применением АЛСН и использованием в качестве канала передачи информации рельсовых цепей относят [18]:
- функцию контроля целостности рельсовых нитей участка пути;
- непрерывную передачу на локомотив сигналов автоматической локомотивной сигнализации. В процессе эксплуатации, однако, наблюдается стабильно большое количество сбоев (рисунок 1.1) в работе АЛСН, а их классификация, анализ и причины являются в настоящее время одними из самых обсуждаемых вопросов у специалистов, занимающихся разработкой и обслуживанием систем СЦБ.
Анализ применимости кодовых комбинаций, полученных путем циклической перестановки сигнала Баркера
Как показано в п. 2.2, полученные путем циклической перестановки кодовые комбинации удовлетворяют требованиям, предъявленным к сигналам для кодирования показаний путевого светофора.
Основную проблему применимости найденных комбинаций могут создать их взаимнокорреляционные функции при воздействии на соседние СФ. Таким образом, необходимо исследовать совместимость полученных сигналов между собой.
Форма используемых сигналов должна быть таковой, чтобы обеспечить минимум боковых выбросов периодической взаимнокорреляционной функции на СФ, используемых для приема других показаний путевого светофора, не активных в данный момент времени [47].
Главное условие, которому должны отвечать кодовые комбинации: если один из выбранных сигналов является активным, то амплитуда его лепестков ВКФ на остальных неактивных СФ не должна превышать заданный порог срабатывания и фиксироваться как полезный сигнал, то есть быть близкой по значению к АКФ не активных в данный момент сигналов.
Амплитуда лепестков ВКФ сигналов, полученных путем циклической перестановки основного сигнала Баркера, может быть определена по (24). В качестве первого сомножителя берутся амплитуды парциальных импульсов сигнала, согласованного с фильтром, в качестве второго сомножителя берутся амплитуды парциальных импульсов сигнала, поступившего на вход СФ.
По формуле (24) произведем расчет амплитуды лепестков ВКФ сигналов, полученных путем циклической перестановки, на выходе СФ с импульсной характеристикой, согласованной с основным сигналом Баркера. При этом наибольший интерес представляют номера перестановок, главные пики которых имеют наименьшую по отношению к АКФ сигнала Баркера амплитуду. На рисунке 2.7 видно, каким образом происходит изменение максимума амплитуды боковых лепестков, в зависимости от номера перестановки.
Как видно из рисунка 2.7, сигналы, расположенные на перестановочной таблице рядом друг с другом, нельзя использовать для кодирования показаний путевых светофоров, поскольку они имеют главные пики практически одинаковой высоты.
Все остальные соседние комбинации дают похожий результат. Это объясняется их сильной взаимной коррелированностью.
Сигналы 1-ой, 2-ой, 11-ой, 12-ой перестановок по максимальному уровню боковых лепестков близки к амплитуде главного пика сигнала Бар-кера и при определенных условиях могут быть восприняты как полезный сигнал, что также недопустимо.
Таким образом, остаются сигналы с 3-ой по 10-ую перестановки. Рассчитав их ВКФ и влияние между собой, можно будет выбрать наиболее отвечающие условиям взаимного влияния их между собой.
Проведем анализ возможности применения сигналов, разнесенных друг от друга по структуре. К таким можно отнести пару 4-ой и 9-ой перестановки или пару 3-ей и 10-ой перестановки. Рассмотрим, как формируется ВКФ между 4-ой и 9-ой и между 3 и 10-ой перестановками (рисунок 2.9).
Из рисунка 2.9 видно, что расположенные напротив друг друга на рисунке 2.7 сигналы, полученные путем циклической перестановки сигнала Баркера, имеют по отношению друг к другу ВКФ, позволяющую совместно использовать их в для передачи по рельсовому каналу и приема на СФ для, кодирования показаний путевых светофоров. ВКФ для этих комбинаций имеют зеркальный вид относительно друг друга.
Дополнительно проведен эксперимент по анализу ВКФ между 4-ой и 10-ой перестановками и 3-ей и 9-ой перестановками. Получены следующие результаты (рисунок 2.10). Таким образом, допускается использовать эти пары сигналов, полученных путем циклической перестановки, для кодирования показаний путевых светофоров.
Важно отметить, что амплитуды ВКФ на рисунке 2.9 и рисунке 2.10 не превышают значения 8, в лучшем случае дают значение 7 (для 3-ей и 10-ой перестановок), что на фоне высоты главного пика АКФ вполне допустимо при пороге обнаружения полезного сигнала более 9.
Все рассмотренные кодовые комбинации допустимо отнести к относительно слабо коррелированным между собой. Поэтому возможно применить их для кодирования показаний путевого светофора. Все остальные способы использования полученных сигналов должны применяться только в совокуп ности с дополнительными мерами по разделению этих сигналов между собой и уменьшению их взаимной корреляции.
Помимо предложенных кодовых комбинаций можно подобрать другие сигналы с «хорошей» АКФ. Например, были найдены следующие кодовые комбинации: сигнал длиной 15 парциальных импульсов: 11111000110010ІИЄГО АКФ: 1 0 1 1 -1 -2 1 -2 1 0 -1 -2 -1 2 15 сигнал 17 парциальных импульсов: 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 и его АКФ 2 1 2 1 0 -1 -2 -1 -2 -1 0 1 0 -1 0 -1 17
В обоих случаях высота главного пика намного превышает высоту боковых лепестков, что делает эти сигналы более эффективными даже по сравнению с сигналами, полученными путем циклической перестановки основного сигнала Баркера и при определенных условиях позволяет применить их для передачи полезной информации по рельсовой цепи при использовании метода согласованной фильтрации. Важным свойством ВКФ от сигналов, полученных путем циклической перестановки, оказалось то, что на окончание действия сигнала не приходится максимум боковых лепестков (рисунок 2.11). Амплитуда последнего пика всегда мала. Это свойство может позволить устранить, при необходимости, влияние ВКФ на решающие устройства.
Фазовый манипулятор передатчика-двоичных сигналов
При выборе способа передачи информации по рельсовой цепи в данной диссертационной работе отдано предпочтение фазовой манипуляции.
Заметим, что обычно при передаче дискретных сигналов используется во избежание обратной работы приемников относительная фазовая манипуляция [62]. В начале 50-х годов советским ученым Петровичем Н. Т. была изобретена фазоразностная модуляция (относительная) модуляция ФРМ [64, 65]. При ФРМ устраняется нестабильность начальной фазы посылок сигнала, приводящая к искажению приема и к «обратной работе», когда происходит перепутывание начальной фазы и инверсный прием сообщения. Информационным параметром, на который реагирует приемник ФРМ сигналов, является разность фаз двух следующих друг за другом сообщений. Данный способ впоследствии был применен, как отмечено в первой главе, при создании системы АЛС-ЕН. Задачей передатчика системы ФРМ является создание сигналов с определенными значениями разности фаз. Задачей приемника системы с ФРМ является определение принятой разности фаз и по ней переданной посылки.
Однако в способе передачи по рельсовой линии дискретных двоичных сигналов заданной структуры и приема их на СФ предлагается использовать фазовую манипуляцию (ФМн), выгодно отличающуюся от относительной фазовой манипуляции по энергетике и компактности спектра. Еще одни достоинством ФМн является простота реализации модулятора [65, 66].
Главным недостатком данного вида модуляции является появление эффекта обратной работы, когда передаваемая информация вследствие изначально неправильного определения начальной фазы может быть принята в обратном коде. Предотвращение обратной работы приемников при ФМн обеспечивается на основе когерентной фазовой деманипуляции, реализованной на основе применения в приемнике ФМн сигналов системы фазовой автоподстройки частоты (СФАПЧ).
Структурная схема фазового манипулятора несложна (рисунок 4.5). Между источником колебаний несущей частоты/, и входом усилителя мощности включается фазовое звено ФЗ. ФЗ выполнено так, что вносит в передачу фазовый сдвиг, величина которого зависит от величины напряжения модулирующего напряжения UM(f), поступающего с выхода кодера, рфз = mU(t).
ФЗ может быть образовано последовательным соединением резистора R и параллельного LC-контура, к емкости которого параллельно присоединен варикап, управляемый модулирующим сигналом (рисунок 4.6).
Показанный на рисунке 4.6 резистор R2 позволяет установить рабочую точку в пределах линейной части вольтампернои характеристики варикапа (рисунок 4.7), а измерение величины модулирующего сигнала позволяет изменить емкость варикапа относительно ее величины, соответствующей рабочей точке.
Изменение емкости варикапа модулирующим сигналом приводит к изменению комплексного сопротивления контура на несущей частоте/, и поэтому к изменению фазы сигнала, снимаемого с контура.
Поведение контура при изменении емкости варикапа показано на рисунке 4.8.
Левой части (рисунок 4.8) соответствует поведение контура при уменьшении емкости варикапа (при модулирующем сигнале отрицательной полярности), а правый - поведение контура при положительной полярности модулирующего сигнала. Видно, что в левой части (Асо 0) сопротивление контура приобретает индуктивный характер (pck 0), а для правой (Асо 0) — емкостной (х/, 0), и, вносимая фазовым звеном, фаза становится положительной либо отрицательной (±ФФ5).
Выразив величину через изменение емкости варикапа Св(/М), нетрудно определить пределы изменения вносимой ФЗ фазы при изменении величины модулирующего сигнала.
Недостатком реализации ФЗ на параллельном Z-C-контуре является наличие в ФЗ индуктивности, для выполнения которой требуется выбор определенного магнитного материала, диаметра проводов, чтобы обеспечить высокую добротность контура.
Индуктивность L-контура можно заменить гиратором - реализованным на ИМС преобразователем емкости в индуктивность. Эквивалентная схема гиратора приведена на рисунке 4.9
Удобно, что величина емкости Сг-т оказывается соизмеримой с величиной емкости варикапов в пределах управляемого напряжения. Добротность индуктивности L, преобразованной к емкости Сг-т (Q = — ) получается достаточно большой (Q 40) [64]. Хотя на эту величину влияние оказывает добротность емкости варикапа. Температурная зависимость параметров гиратора и варикапа оказывается достаточной для применения в ФМн. Применение гиратора освобождает от намоточной детали катушки индуктивности, упрощает и удешевляет реализацию фазового манипулятора.
Установление зависимости порога срабатывания от уровня помех в канале связи для обеснечения требуемых параметров безопасности (вероятность ложной тревоги и вероятность правильного обнаружения полезного сигнала)
Во второй главе при анализе применимости сигналов, полученных путем циклической перестановки, для кодирования показаний путевых светофоров показано, что для кодирования показаний путевых светофоров можно воспользоваться следующими комбинациями:
— основной сигнал Баркера;
— 4-я перестановка и 9-я перестановка;
— 3-я перестановка и 10-я перестановка.
Согласно рисунку 5.1 минимальное отношение сигнал/шум для обеспечения достоверного обнаружения на фоне помех должно быть не менее 7,5 для обеспечения D=0,99.
Изменяя параметры канала связи, изучим поведение порога срабатывания по каждому из каналов для определения их взаимного влияния, то есть появления эффекта ложной тревоги от комбинаций, соответствующих другим показаниям путевого светофора (обнаружения эффекта взаимной корреляции сигналов, выбранных для кодирования показаний путевого светофора). Результаты моделирования приведены в [80].
1. Первый этап моделирования - использование основного сигнала Баркера в качестве информационного сигнала, кодирующего одно из показаний путевого светофора. Для остальных сигналов выбрано кодирование 4-ым, 9-ым, 3-им и 10-ым сигналами, полученными путем циклической перестановки. Выбор обусловлен минимально возможным уровнем боковых лепестков ВКФ для таких сигналов по отношению к основному.
В имитационной модели данного этапа полезный сигнал, зашумленный помехами, принимается на ограничитель амплитуды и далее на согласованный фильтр. При этом предварительная обработка системой ШОУ не выполняется. Вероятность достоверного обнаружения для различных порогов решающего устройства приведена на рисунке 5.4.
В результате получено, что 10-ая перестановка основного сигнала Баркера дала наихудшие результаты. По отношению к основному сигналу СФ эта перестановка дала наибольшее число ложных срабатываний. Также в ходе эксперимента неудовлетворительный результат дала 3-я перестановка. Причем не только в виде высоких лепестков ВКФ по отношению к сигналу Баркера, но и в ВКФ на согласованные фильтры 4-ой и 10-ой перестановки.
Из анализа рисунка 5.4 видно, что при пороге срабатывания меньше 9 обеспечивается достоверное обнаружение полезного сигнала, но при этом очень высока ошибка первого рода.
Вероятность ложного срабатывания на 4 и 9 перестановки основного сигнала Баркера при приеме без дополнительных способов обработки сигнала показана на рисунке 5.5 и очень высока.
Увеличивая порог срабатывания, можно уменьшить вероятность ложного срабатывания на взаимнокоррелированные комбинации. Однако для обеспечения заданных показателей по вероятности обнаружения необходимо увеличивать отношение сигнал/шум в канале до 7 дБ, что практически нецелесообразно. При этом, как сказано раньше, реальные отношения сигнал / шум в рельсовых цепях находятся в пределах 5 дБ и меньше.
Усиливая входной сигнал, будут увеличены ошибки первого рода, поскольку мощность сигналов взаимнокоррелированных функций также возрастет.
2. Второй этап моделирования - использование основного сигнала Баркера в качестве информационного сигнала, кодирующего одно из показаний путевого светофора. Остальные сигналы кодируются 4-ым и 9-ым. Два других отобранных сигнала при их использовании без дополнительных мер разграничения от влияния взаимной корреляции показали худшие результаты по вероятности ложной тревоги более 0,9, что недопустимо.
При усилении полезного сигнала получены следующие результаты (рисунок 5.6). Из рисунка видно, что обнаружение полезного сигнала на фоне помех уменьшается с увеличением порога обнаружения до 10,5 и более. Ниже 10,5 вероятность обнаружения полезного сигнала не зависит от порога срабатывания. Все обнаруживается с вероятностью 1. Но при этом серьезно усиливается ошибка первого рода при поступлении на СФ взаимно-коррелированных сигналов (более чем на 10%).
Таким образом, применение предложенной схемы во второй главе непосредственно в описанном виде (использование циклических перестановок основного сигнала Баркера без дополнительных параметров идентификации их между собой), несмотря на достоверное обнаружение полезного сигнала, дает высокую вероятность ошибки первого рода по другим каналам.
Устранение данного недостатка возможно только алгоритмическим путем с учетом свойств сигналов полученных путем циклической перестановки сигнала Баркера.
Во второй главе отмечено, что максимальные амплитуды боковых лепестков сигналов, полученных путем циклической перестановки, не приходятся на момент окончания действия сигнала, то есть если выделять только 13 лепесток АКФ или хотя бы 3 последних лепестка АКФ, то таким образом можно свести в ноль ошибку первого рода. Это же свойство при использовании данного алгоритма позволило бы увеличить количество используемых комбинаций для кодирования показаний путевых светофоров практически до числа сигналов, полученных путем циклической перестановки.
Это свойство усложнит структуру приемника и изменит алгоритм дешифрации, но однозначно увеличит его помехозащищенность от воздействия на СФ взаимнокоррелированных сигналов.
Комбинация кодовой последовательности может быть декодирована определенным образом, если известно ее начало. Передачу на устройство информации о начале кодовой комбинации можно обеспечить за счет специального сигнала синхронизации (групповая синхронизация или цикловое фазирование). Для асинхронного режима передачи информации может быть реализована передача преамбул перед информационной посылкой для определения момент начала полезного сигнала и выделения соответствующей области АКФ и ВКФ на выходе согласованного фильтра. При этом структура преамбулы должна быть отличной от структуры самого сигнала. Как вариант может быть применено построение самосинхронизирующихся кодов.
Для примера можно показать осциллограммы сигнала АКФ основного сигнала Баркера и ВКФ 4-ой перестановки (рисунок 5.7). Из рисунка 5.7 видно, что пики ВКФ, вызывающие ложное срабатывание решающего устройства, исключатся при выделении 13 лепестка корреляционной функции.
3. Третий этап программного моделирования - использование основного сигнала Баркера в качестве информационного сигнала, кодирующего одно из показаний путевого светофора. Остальные сигналы кодируются 4-ым и 9-ым. При приеме выделяется 13 лепесток корреляционной функции и сравнивается с порогом срабатывания.
Для выделения заданной позиции корреляционной функции на выходе согласованного фильтра используется алгоритм (рисунок 5.8)
Из рисунка 5.9 видно, что ошибка первого рода, вызываемая скачками лепестков ВКФ по соседним каналам при выделении области интереса - лепестка корреляционной функции - устраняется практически полностью. Сигнал будет обнаруживаться с заданной вероятностью не зависимо от отношения сигнал/шум в канале до порога 11. Минимальное отношение 3 дБ. Ошибки типа ложной тревоги от взаимнокоррелированных сигналов отсутствуют, начиная с порога 10,5 и выше.
