Содержание к диссертации
Введение
1 Основные направления совершенствования устройств контроля состояния участков пути с рельсовыми линиями 14
1.1 Принципы и особенности развития систем автоблокировки с рельсовыми цепями 14
1.2 Критерии оценки устойчивости функционирования рельсовых цепей ... 18
1.3 Обзор систем управления движением поездов с тональными рельсовыми цепями 21
1.4 Выводы по разделу 36
2 Выбор параметров и структуры устройства контроля состояния участка пути 37
2.1 Обоснование выбора метода модуляции 37
2.2 Обоснование выбора структуры устройства контроля состояния участка пути 39
2.3 Оптимизация информационного тракта приемника устройства контроля< состояния участка пути 45
2.4 Выбор структуры системы синхронизации 58
2.4.1 Основные принципы построения систем синхронизации 58
2.4.2 Определение структуры системы тактовой синхронизации 59
2.4.3 Система кадровой синхронизации 68
2.5 Выводы по разделу 70
3 Анализ помехоустойчивости устройств контроля состояния рельсовой линии посредством имитационного моделирования 72
3.1. Обоснование необходимости и допустимости математического моделирования при эксперименте 72
3.2 Имитационная модель устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости 78
3.2.1 Формирователь сигналов устройства контроля состояния участка пути повып
3.2.2 Имитационная модель путевого приемника устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости 81
3.3 Имитационная модель 1111 устройства контроля состояния участка пути типа ТРЦЗ 86
3.4 Имитационная модель помех рельсовых линий 88
3.4.1 Общие требования к моделям внешних воздействий 88
3.4.2 Имитационная модель флуктуационных помех 89
3.4.3 Имитационная модель импульсных помех 90
3.5Система сбора и обработки статистической информации 103
3.6 Результаты экспериментов по определению помехоустойчивости 104
3.7 Выводы по разделу 107
4 Аппаратно-программная реализация устройства контроля состояния участка пути . 109
4.1 Общие сведения 109
4.2 Аппаратная реализация блока БКРЦ 110
4.3 Реализация ячейки формирователя комплексного сигнала 117
4.4 Программная реализация полосовых фильтров 119
4.5 Программная реализация амплитудного детектора 122
4.6 Программная реализация частотного дискриминатора 123
4.7 Программная реализация формирователя сигналов 125
Заключение 127
Список сокращений 129
Библиографический список 130
Приложение 138
- Критерии оценки устойчивости функционирования рельсовых цепей
- Оптимизация информационного тракта приемника устройства контроля< состояния участка пути
- Имитационная модель устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости
- Реализация ячейки формирователя комплексного сигнала
Введение к работе
Развитие железнодорожного транспорта непосредственно связано с решением таких вопросов, как повышение интенсивности движения, бесперебойности и экономичности перевозок, при обеспечении высокого уровня безопасности движения поездов. В этой связи перевозка пассажиров и грузов является ответственным технологическим процессом, обеспечивающим движение определенного количества поездов на строго ограниченном участке дороги.
Системы управления движением поездов (СУДП), обеспечивающие пространственный и временной интервалы между поездами, которые гарантируют остановку «головы» следующего поезда на заданном расстоянии от «хвоста» предыдущего в любых поездных ситуациях, являются основой обеспечения безопасности движения поездов.
В настоящее время на перегонах железных дорог России функцию СУДП выполняют системы автоблокировки (АБ), которые можно разделить на два основных типа: с децентрализованным (ДАБ) и централизованным (ЦАБ) размещением аппаратуры. В России обе эти системы реализованы, как правило, на релейной элементной базе. Первым и основным звеном этих систем являются путевые датчики, которые формируют информацию о состоянии участков пути (нахождение или отсутствие подвижного состава, а так же целостность и наличие рельсов). В настоящее время наибольшее распространение получили устройства контроля состояния участков пути (КСУП) с рельсовыми линиями, так называемые, непрерывные путевые датчики - рельсовые цепи (РЦ).
Важным критерием качества функционирования СУДП; является -устойчивость работы.путевых датчиков; так как именно данная часть,системы подвержена динамическому воздействию; движущегося поезда, влиянию помех;; в частности от тягового тока, и дестабилизирующим факторам, порождаемым изменениями климатических условиш
Учитывая; изложенное выше, на российских железных; дорогах РЦ являются важнейшим, элементом систем обеспечения безопасности движения поездовш поэтому уровень безопасности движения; и пропускная І способность железных дорог неразрывно связаны-с надежностью их работы.
РЦ- содержит воспринимающий , промежуточный и исполнительный-элементы,,в результате взаимодействия которых состояние пути преобразуется; в электрический сигнал. В воспринимающий элемент составнойчастью входит; ,; ограниченный участок рельсовой линии (РЛ)иг источник электрического сигнала- путевой генератор (ГП). Причем, к одному концу РЛ подключен FH, а к другому приемник сигнала — путевой приемникг(ПП). При нахождении на контролируемом участке пути подвижной единицы или? повреждении рельса изменяются первичные параметры РЛ. В результате изменяются параметры сигнала на входе ПП, который в соответствии с этим изменением: формирует на своем выходе логические сигналы (сообщения) несущие информацию о состоянии участка пути.
Все смежные и параллельно расположенные участки пути оборудованы РЦ, которые одновременно служат для передачи сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (АЛСН) и автоматического управления; торможением поездов (САУТ) вv кабину машиниста. Поэтому остро встает задача повышения их совместимости:
В: настоящее время применяется два способа разделения - смежных рельсовых цепей: с помощью изолирующих стыков и по границам естественного затухания сигнала.
Сбои в функционировании СУДП вызывают временное снижение пропускной способности участка железной дороги, что в свою очередь приводит к значительным экономическим потерям. Сбои могут порождаться воздействием электромагнитных помех, при этом работа РЦ восстанавливается после прекращения действия помех, и в связи с отказами отдельных элементов РЦ (при этом требуется их замена).
Статистические данные по сбоям в работе СУДП на сети железных дорог России показывают, что- около 60 % сбоев связаны с нарушением функционирования РЦ, а остальные 40 % - с отказом отдельных элементов систем [1]. В то же время сбой в работе РЦ, не связанный с ее повреждением, вызывает задержку в движении поездов от нескольких секунд до« одной минуты. В случае отказа элемента системы, время на поиск и замену неисправного элемента для централизованных системсоставляет 15-50 минут,, а для децентрализованных - от одного до трех часов.
Для ЦАБ возможна минимизация времени на поиск неисправности за счет введения-подсистемы диагностики технического состояния элементов и устройств. Глубина диагностики должна определяться технологическим элементом замены (блок, ячейка, элемент). Введение такой системы при использовании в СУДП релейной аппаратуры или аппаратуры на элементах низкой степени интеграции - чрезмерно сложная и дорогостоящая задача. Только использование микропроцессорной и вычислительной техники позволяет создать высокоэффективную и недорогую диагностическую систему без значительных дополнительных аппаратных затрат.
Эксплуатируемые в настоящее время СУДП были построены на основе аналоговой и релейной техники с присущими ей недостатками:
- расширенная номенклатура изделий для каждого рабочего диапазона частот и принимаемого кода;
- сложность настройки и проверки в условиях эксплуатации; - сильная зависимость электрических и временных параметров аппаратуры от внешних климатических условий;
- значительные массогабаритные показатели и потребление энергии.
Эти недостатки снижают безопасность функционирования системы и определяют низкий уровень ресурсосбережения.
До середины девяностых годов прошлого века разработка микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути сдерживалась высокой стоимостью микропроцессоров, их низкой производительностью и отсутствием системных интерфейсов, которые позволили бы организовать высоконадежную многопроцессорную структуру, обладающую высокой гибкостью. Появление и бурное развитие современных сигнальных микропроцессоров, а также, развитие теории цифровой обработки сигналов устранило указанные выше ограничения.
В настоящее время основную часть стоимости эксплуатируемой аппаратуры составляет стоимость электромагнитных реле, трансформаторов, путевых трансмиттеров и других приборов, содержащих медь, серебро и редкоземельные металлы. К примеру, стоимость одного реле первого класса надежности на опасный отказ более чем в два раза превышает стоимость DSP-процессора, способного реализовать два унифицированных ПП.
Использование микропроцессорной элементной базы позволяет получать значительную экономию электрической энергии, при расширении функциональных возможностей системы, сокращать номенклатуру изделий и, за счет самодиагностики, снижать затраты на их обслуживание. Например, внедрение ДАБ системы АБ-ЧКЕ [2] показывает ее высокую экономическую эффективность в сравнении с ранее разработанными системами.
Для систем ЦАБ можно ожидать еще более высокого эффекта, за счет значительного снижения эксплуатационных расходов. Это явилось толчком для научной разработки и создания микропроцессорной ЦАБ. с тональными рельсовыми цепями (ТРЦ), которая получила условное название АБТЦ-М (микропроцессорная автоблокировка с централизованным размещением аппаратуры и тональными РЦ).
Прототипом этой системы явилась система с тональными рельсовыми цепями ТРЦЗ, построенная на базе релейных элементов и элементов низкой степени интеграции.
Ориентация на использование в качестве базовых элементов ПП микропроцессоров и апробированных принципов цифровой обработки-сигналов и теории передачи данных [3] позволило максимально приблизить их параметры по помехоустойчивости к предельно возможным, а показатель безопасности - к требуемому уровню для железных дорог России.
Однако, специфические требования к параметрам рельсовой» линии, недостаточный математический аппарат описания, статистических параметров помех в РЛ, а также жесткие ограничения по времени обнаружения сигнала, не позволяют реализовать многие алгоритмы «тонкой» обработки сигналов. Поэтому во многих случаях требуется, робастный принцип при1 выборе основных параметров с учетом допустимых предельных разбросов. Это позволяет обеспечить устойчивость работы рельсовых цепей и всей системы в целом в условиях значительного изменения контролируемых параметров при внешних механических и климатических воздействиях.
Для системы АБТЦ-М разработано, микропроцессорное устройство контроля состояния участка пути. Оценка качества разработанного устройства делает актуальной задачу сравнительного исследования помехозащищенности применяемой в настоящее время аппаратуры типа ТРЦЗ и вновь разработанного устройства, построенного на микропроцессорной элементной базе.
Традиционные методы исследования связаны с определенными трудностями, т.к. требуется проведение значительного объема статистических экспериментов на физических объектах с учетом большого количества факторов, в том числе случайных, что обуславлрівает значительные затраты времени и средств. Кроме того, в этом случае затруднен контроль условий проведения экспериментов. В большинстве случаев проведение экспериментов в реальных условиях эксплуатации не представляется возможным, так как может привести к сбоям в работе действующих СИРДП и, как следствие, к нарушению графика движения поездов. Поэтому необходимо применение таких методов исследования, которые позволили бы решить эту задачу с высокой эффективностью и одновременно позволили бы определить потенциальные возможности разработанных принципов построения РЦ.
Целью данной работы является разработка принципов построения устройства контроля состояния участка пути посредством оптимизации параметров его приемного тракта и системы тактовой синхронизации частотно-манипулированного сигнала, позволяющих повысить его помехоустойчивость.
В соответствии с целью работы были поставлены и решены следующие задачи:
- анализ известных способов повышения помехоустойчивости и совместимости систем передачи данных и на основе этого разработан способ построения устройства контроля состояния участка пути;
- установление связи между дисперсией совместной фазовой ошибки приемного тракта и системы тактовой синхронизации для оптимизации параметров путевого приемника (1111) устройства контроля состояния участка пути;
- разработка микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости с целью его применения в микропроцессорной СУДЕТ;
- разработка обобщенной модели1 импульсных помех в рельсовой линии, создаваемых тяговым током в процессе движения локомотива для проведения сравнительных испытаний на помехоустойчивость микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути с прототипом;
- создание имитационной модели стенда и проведение сравнительных исследований помехоустойчивости прототипа и разработанного устройства при воздействии флуктуационньгх, импульсных и синусоидальных помех.
Объектом исследования являются устройство контроля состояния участка пути системы управления движением поездов и его помехоустойчивость.
Предмет исследования составляют метод повышения помехоустойчивости устройства контроля состояния- участка пути и его экспериментальная проверка.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Получено аналитическое выражение, позволяющее установить зависимость дисперсии фазовой ошибки на выходе решающего устройства реального приемника частотно-манипулированных сигналов от отношения мощностей сигнала и помехи, полосы пропускания приемного тракта и параметров системы синхронизации, дающее возможность совместной оптимизации параметров приемного тракта и системы тактовой синхронизации путевого приемника в условиях малых соотношений сигнал/помеха.
2. Разработана математическая модель импульсных помех, создаваемых тяговым током при движении локомотива, которая позволяет проводить
Уравнительную оценку помехоустойчивости для различных устройств при их воздействии, а так же дает предпосылки для разработки единой методики нормирования величин импульсных помех для всей сети железных дорог. 3. Предложена передаточная характеристика петли обратной связи системы фазовой автоподстройки частоты, позволяющая значительно уменьшить время вхождения в режим синхронизма системы тактовой синхронизации по малому числу выборок и обеспечить относительно небольшую фазовую ошибку в режиме синхронизма.
Все основные научные результаты и результаты статистического моделирования на ЭВМ, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
— разработаны функциональные схемы генератора и приемника микропроцессорного устройства контроля состояния участка пути с повышенной помехозащищенностью; позволяющие уменьшить затраты вычислительных ресурсов процессора при их реализации;
- на основе разработанных функциональных схем и выбранных оптимальных параметров путевого приёмника разработано программное обеспечение, которое позволило реализовать, устройство контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости;
- на основе полученной математической модели импульсных помех создана имитационная модель импульсных помех, позволяющая проводить сравнительные испытания на помехоустойчивость различных устройств контроля состояния участка пути;
— определена потенциальная помехоустойчивость разработанного устройства контроля состояния участка пути для различного класса помех, что позволяет нормировать допустимые уровни помех на участках, оборудованных СУДП типа АБТЦ-М (микропроцессорная автоблокировка с тональными рельсовыми цепями и централизованным размещением аппаратуры); - создано серийно выпускаемое изделие, которое в составе системы АБТЦ-М внедряется на железных дорогах России и стран GHF.
В настоящее время ведется проектирование системы АБТЦ-М для семи участков железных дорог, включая Сочи-Красная Поляна.
Повышенная помехоустойчивость, устройства позволяет значительно снизить количество сбоев в работе; СУДШ и, как следствие, повысить эффективность перевозок.
Реализация и внедрение результатов; Результаты; исследований использованы во ОАО-«НИИАС» при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:
— по теме. №: 1651. «Создание современных систем управления1 движением поездов и обеспечения безопасности движения (КНП-5). Система интервального регулирования движения поездов: с подвижными- блок-участками . на/ базе тональных рельсовых цепей; на участке Ногинск-Металлург»;
— по теме «Модернизация серийно выпускаемого оборудования № 41571-801-00 «Блок; контроля состояния рельсовых . цепей; микропроцессорный»
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ определения дисперсии ошибки на входе решающего устройства приемника частотно-манипулированных сигналов от отношения мощностей; сигнала и помехи, полосы пропускания приемного тракта и параметров системы синхронизации в условиях малых соотношений сигнал/помеха.
2. Принцип построения системы тактовой синхронизации: на основе фазовой автоподстройки частоты; с передаточной характеристикой петли обратной связи с относительно малым временем вхождения в режим синхронизма по малому числу выборок и малой фазовой ошибкой в режиме синхронизма.
3. Принцип построения устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости.
4. Математическая модель импульсных помех, создаваемых локомотивом в процессе движения.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 19 печатных работах, включая 13 статей (из них одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК), 4 патента на полезную модель, одно свидетельство об официальной регистрации интеллектуального продукта в ФГУП и одно свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ.
Работа выполнена на кафедре «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» Самарского государственного университета путей сообщения.
Критерии оценки устойчивости функционирования рельсовых цепей
Так как подвижная единица оказывает посредством своих колесных пар шунтирующее воздействие на РЛ, то основным информационным параметром сигнала РЦ является его уровень, который рассчитывается по критериям шунтовой (Кшн) и контрольной чувствительности (Кор) [8, 9]. Величины этих критериев определяются из следующих выражений: где Z„o, Znoum , ZmK - комплексные сопротивления передачи схемы замещения рельсовой линии в нормальном, шунтовом и контрольном режимах, соответственно; М- аппаратурный коэффициент. Работоспособность РЦ обеспечивается при выполнении следующих условий При расчете критериев шунтовой и контрольной чувствительности в систему уравнений (1.1) априорно закладываются первичные параметры РЛ, которые учитывают наиболее неблагоприятные условия эксплуатации для каждого режима. В выражение (1.1) введен аппаратурный коэффициент М, учитывающий нестабильность параметров путевого генератора, колебания напряжения источника питания, а также пороговые свойства решающего устройства (РУ) ПП.
Для эксплуатируемых в настоящее время РЦ, построенных на релейных элементах где Кгп- коэффициент, учитывающий наличиеизменения напряжения сигнала на выходе путевого генератора; Ки - коэффициент нестабильности напряжения источника питания; Квн- коэффициент надежного возврата РУ ПП; который так же учитывает разбросы параметров передающей и приемной аппаратуры. Как правило, для аналоговых и релейных устройств М 2, что для выполнения условия (1.2) приводит к необходимости пропорционального увеличения величины сигнального тока в РЦ. Это вызывает увеличение потребляемой мощности РЦ, а следовательно снижение ее КПД. Для систем с цифровым способом формирования и обработки сигнала амплитуда формируемого сигнала, пороговая чувствительность и коэффициент возврата РУ приемника являются высокостабильными, заранее известными величинами. В результате можно принять, что Кгп и Ки равны 1, а Квн можно принять равным 0,85. При этом величина Мне превышает 1,18. Принимая во внимание, что современная элементная база позволяет создавать систему питания и аппаратуру формирования сигналов РЦ на основе принципов импульсного преобразования, обладающего высоким КПД (около 95%), общий выигрыш по мощности, потребляемой от первичного источника питания, составит более 50%. При-этом надежно обеспечивается выполнение критериев работоспособности РЦ. На электрифицированных железных дорогах дополнительным фактором, дестабилизирующим работу РЦ, является воздействие помех, создаваемых тяговыми токами электроподвижного состава и ЛЭП. В эксплуатируемых системах это приводит к ложному срабатыванию или несрабатыванию РУ ПП, что вызывает возникновение опасных поездных ситуаций. Это снижает надежность РЦ, как датчика состояния контролируемого участка пути, и в целом СИРДП. В эксплуатируемых РЦ основным, критерием оптимальности приема сигналов является минимизация ошибок ложного обнаружения при воздействии флуктуационной помехи с нормальной плотностью-распределения мгновенных значений, и сосредоточенных помех. Однако при воздействии импульсных помех помехоустойчивость резко і падает за- счет . возникновения на выходе полосового фильтра приемника откликов на скачки напряжения на его входе. Результаты исследований, приведенные в работах и отчетах ВНИИАС МПС, по исследованию помех [10-14], создаваемых новым подвижным составом (ЭП1, ЭП10, ЭР9, «Сокол»), показали, что в общем случае эти помехи представляют собой смесь сосредоточенных по спектру, флуктуационных и мощных импульсных помех. Необходимо отметить, что с увеличением мощности электроподвижного состава и переводом его на тиристорно-импульсное управление существенно возрастает процент регулярных импульсных помех, создающих «гребенку» сосредоточенных помех, частота которых плавно изменяется в зависимости от режима тяги. При разработке систем с рельсовыми цепями, как правило, принимается, что РЛ имеет линейную амплитудно-частотную характеристику, и на, нее воздействует аддитивный белый шум с нормальной плотностью распределения вероятностей мгновенных значений. В реальных условиях это не так. Элементы РЦ могут иметь существенные нелинейности АЧХ, которые зависят, в частности, от величины тягового тока [12-14]. В результате присутствия в РЛ различных помех и сигналов, передаваемых по ней, создаются комбинационные помехи со сложной амплитудной и фазовой структурой, к тому же коррелированные между собой. Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что в этих условиях необходимо применение робастньгх принципов обработки сигналов с учетом специфики функционирования РЦ, которая заключается в жестких требованиях к времени обнаружения сигнала ( 2 с) при низкой скорости передачи, в необходимости измерения амплитуды сигнала с высокой точностью ( 10%) и низкой вероятностью трансформации априорно известного кода ( 10" ).
Оптимизация информационного тракта приемника устройства контроля< состояния участка пути
Учитывая ограничительное условие для выражения (2.4), из которого следует, что 2 Р0Ш всегда будет меньше 1, то есть его логарифм является отрицательным числом, подкоренное выражение будет положительным числом. Выражение (2.5) характеризует предельную помехоустойчивость приёмника без учета межсимвольной интерференции и ряда других объективных факторов. Таким образом, оно может характеризовать степень приближения реального приёмника к оптимальному. В рассматриваемой системе, как говорилось выше, отсутствует возможность организации отдельного канала синхронизации, а принята концепция выделения синхроимпульсов из информационного потока. При этом точность определения фазы информационного сигнала будет иметь погрешность, которая, в свою очередь, зависит от аппаратной погрешности и соотношения сигнал/помеха на выходе частотного детектора. Поэтому при оптимизации параметров реального приемника необходимо определить связи между ними: - зависимость отношения сигнал/помеха на выходе ЧД для заданной полосы пропускания приемного тракта от скорости передачи информации (В), которую можно оценить по дисперсии дрожания фронтов информационных импульсов; — зависимость погрешности синхронизации от отношения сигнал/помеха на выходе ЧД, а следовательно, дисперсия- фазовой ошибки синхронизации; - взаимная дисперсия фазовых ошибки на входе решающего устройства. При частотной манипуляции в симметричном канале, где частоты манипуляции юн и юв расположены симметрично по отношению к средней частоте канала, переходной процесс огибающей на выходе ЧД, который возникает при скачкообразном изменении частоты от сон до сов, если соблюдается неразрывность фазы [34], определяется выражением где U — действующее напряжение сигнала; сод- круговая частота манипуляции; К(а „) - коэффициент передачи приемного тракта относительно центральной частоты; tnp — время, приведенное к полосе пропускания приемного тракта; p(tnp) и q(tnp) - интегральные синус и косинус переходного процесса, соответственно.
При использовании полосовых фильтров с коэффициентом прямоугольности, близким к 1 с неравномерностью в полосе пропускания до 3 дБ и выполнении условия, что сон и сов находятся в полосе пропускания фильтра (в реальных каналах эти условия выполняются практически всегда), можно принять коэффициент передачи К(сон) равным 1. При этом график функции (2.6), рассчитанный числовым методом, соответствует зависимости (1), приведенной на рис.2.3. Необходимо отметить, что выражение (2.6) содержит табличные интегралы p(tnp) и q(tnp), которые не позволяют получить пригодного для практического применения аналитического выражения. В то же время, в Полученная характеристика для большего интервала имеет ещё одно дополнительное прикладное значение. В проведенных нами исследованиях [35] было показано, что нелинейная обработка сигнала при воздействии мощных импульсных помех с падающей характеристикой ограничителя может дать устойчивый выигрыш в помехозащищённости по сравнению с другими типами ограничителей для широкого класса негауссовских помех. Полученные результаты хорошо согласуются с основными выводами исследований по нелинейным и робастным методам- обработки сигналов, приведенных в работах [40-42].
Имитационная модель устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости
Для функционирования имитационной модели устройства контроля состояния участка пути повышенной помехоустойчивости необходимо формирование контролируещего сигнала и помех, создаваемых в РЛ, а также прием и дешифрация этого сигнала. Поэтому в данном разделе, рассмотрены имитационные модели формирователя сигнала и путевого приемника.
Формирователь сигналов устройства контроля, состояния участка пути повышенной помехоустойчивости
Разработанный формирователь сигналов РЦ представляет собой ЧМ-модулятор, основанный на управляемом генераторе пилообразного сигнала, который в свою очередь реализован на сумматоре. В основу формирования синусоидального сигнала из пилообразного положен метод преобразования с помощью ряда Тейлора [66, 67]. Функциональная схема модулятора представлена на рис.3.1. Модулятор содержит следующие функциональные блоки из библиотеки SIMULINK: AF, FH, Код, А- константы, задающие входные параметры сигнала: девиацию, центральную частоту, однобайтную кодовую комбинацию и амплитуду, соответственно;
Таким образом, модулятор имеет четыре входных параметра, значения которых определяют параметры выходного сигнала: центральную частоту канала, величину девиации частоты, однобайтный код и амплитуду. Сумматоры вычисляют значения частот, соответствующих логическим значениям кода. В зависимости от значения элемента кода в текущем интервале переключатель выбирает необходимое значение частоты, которое с помощью масштабирующего усилителя, в свою очередь, преобразуется в радианы. Получаемые значения накапливаются в дискретном интеграторе. Таким образом, на выходе интегратора формируется кусочно-линейная дискретная функция времени, из которой с помощью блока Sin формируется синусоидальная функция с амплитудой равной 1 В. Так как функция времени на выходе интегратора имеет переломы без разрывов в моменты изменения логического состояния кодовой последовательности, то на выходе блока Sin будет формироваться частотно-манипулированный сигнал с мгновенным изменением частоты без разрыва фазы.
Как правило, ЧМ-сигнал формируется- с помощью контура с коммутируемой емкостью, цифровым способом с последующей фильтрацией всех внеполосных составляющих или коммутацией двух генераторов [38, 43]. Первые два способа содержат фильтрующие устройства как обязательный элемент схемы. При третьем способе формально фильтр не требуется, однако наличие разрывов фазы при коммутации генераторов создает широкий спектр гармоник частоты манипуляции, которые при наличии соседних частотных каналов- необходимо подавлять с помощью полосового фильтра.
Отличительной чертой разработанного устройства является то, что оно безфильтровым способом формирует ЧМ-сигнал, который не имеет разрывов фазы. Качество полученного сигнала можно оценить по его спектрограмме, представленной на рис.3.2, из которой видно, что сигнал имеет ярко выраженные две боковые полосы, подавленную на 6 дБ несущую частоту, а паразитные составляющие подавлены более чем на 10 дБ. Монотонное убывание спектральных составляющих свидетельствует о том, что в сигнале отсутствуют моменты разрыва фазы, при которых возникают спектральные составляющие, кратные скорости манипуляции с амплитудами убывающими по закону е", где п — номер гармоники.
Отличительной чертой данного модулятора является то, что все основные функциональные блоки (кроме формирователя Sin) имеют в DSP процессорах эквивалентные ассемблерные команды, что позволяет его программно реализовать с малыми затратами ресурсов процессора. Благодаря предложенному решению экономятся ресурсы процессора. В результате этого предложенный алгоритм может использоваться в высокоскоростных приложениях. Функциональная схема имитационной модели ПП представлена на рис.3.3 и полностью повторяет структуру реального ПП повышенной помехоустойчивости.
Формирующий фильтр осуществляет преселекцию рабочего диапазона частот (от 400 до 1000 Гц) и обеспечивает подавление внеполосных сосредоточенных по спектру помех. Это позволяет заметно ослабить гармонические составляющие от тягового тока, сигналов АЛСН и АЛС-ЕН, которые находятся вне рабочей полосы частот, используемых в системе АБТЦ-М. Благодаря этому увеличивается рабочий динамический диапазон линейного тракта приемника и, как следствие, устойчивость его работы.
Реализация ячейки формирователя комплексного сигнала
Обеспечивая управление и контроль выходного сигнала ячейка ФКС так же осуществляет отключение УМ; в случае возникновения опасного аппаратного или программного отказа в данных устройствах. Приемник сигналов КРЛ как отмечено выше, имеет возможность выбора одной из десяти рабочих частот с помощькь набора полосовых фильтров. Это обуславливает универсальность БКРЩ в; системе АБ; Выбор конкретного фильтра; определяется рабочей частотой канала на этапе проектирования, и записывается системными: средствами при, первоначальной установке или замене БКРЦ в, память блока в соответствии с его уникальным номером. Ограниченный ресурс памяти процессора обуславливает применение рекурсивных фильтров, количество коэффициентов которых при одинаковых параметрах избирательности в 40 - 50 раз меньше, чем у нерекурсивных, что обеспечивает пропорциональную экономию памяти и ресурсов процессора. Фильтры выполнены на рекурсивных звеньях второго порядка с функцией передачи [82-84]? где а иЬ - коэффициенты передачи ветвей биквадратного звена; z - оператор. Данная функция реализована биквадратным звеном в форме 1, структурная схема которого представлена на рис.4.8.
В [85] показано, что для данного звена всегда можно обеспечить условие устойчивости, а с помощью нормировочных коэффициентов К0 обеспечить общую устойчивость фильтра высокого порядка. Звенья объединяются в последовательную цепь, которая обеспечивает требуемую функцию передачи. На рис.4.9 представлена блок-схема алгоритма, реализующего заданную структуру, а на рис.4.10 представлены относительные амплитудно-частотные характеристики фильтров для всех частотных каналов, полученные на реальном устройстве. По оси абсцисс отложена расстройка относительно центральной частоты канала. Подпрограмма, выполняющая функции БИХ фильтра, представлена в листинге П1.2 приложения 1. Р1, Р2 А, В, С, СІсІ, га - служебные переменные; _Pointer_Date - указатель на массив отсчетов; _Pointer_Koeff - указатель на массив коэффициентов; КО - масштабирующий коэффициент; N - число звеньев в фильтре; МЕМ( ) - ячейка памяти. Амплитудный детектор представляет собой двухполупериодный выпрямитель, который реализуется оператором вычисления абсолютного значения (ABS), и полифазный фильтр, с передаточной функцией согласно выражения (4.2) где п - порядок полифазного фильтра; di - текущий отсчет сигнала, z - оператор / - номер текущего отсчета. Частотный дискриминатор реализован на основе двух БИХ фильтров (листинг П1.2), на выходах которых установлены двухполупериодные выпрямители. Выпрямленные сигналы поступают на амплитудные детекторы (4.2). Результирующий сигнал получается путем вычитания продетектированных сигналов. На рис.4.11 представлена блок-схема алгоритма, реализующего частотный дискриминатор. Полученная экспериментально статическая дискриминационная характеристика частотного детектора при расстройке относительно центральной частоты канала представлена на рис.4.12. Полученная характеристика обеспечивает высокую крутизну в зоне перехода и низкую чувствительность к флуктуации частоты в зонах частот манипуляции. Если сравнить ее с характеристикой приведенной на рис.3.5, то можно заметить, что характеристика имеет меньшую неравномерность на пологих участках. Это связано с флуктуацией частоты измерительного генератора, погрешностями измерений частот, а так же воздействием аппаратных шумов. Следует отметить, что неравномерность на пологих участках характеристики заметно не влияет на качество детектирования сигнала, так как на этих участках многократно превышен порог принятия решения. В целом имитационная модель и реальный дискриминатор имеют очень схожие передаточные характеристики.
