Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ. ОСНОВЫ РАДИОСВЯЗИ
• 1.1 Информационно- вычислительные комплексы. Виды и классификация
• 1.2 Распространение радиоволн. Антенны. Способы расчета антенн. Модуляция сигналов.
• 1.2.1 Распространение электромагнитных волн
• 1.2.2 Энергетические характеристики антенн
• 1.2.3 Измерение диаграмм направленности
• 1.2.4 Виды модуляции
• 1.3 Выводы по первой главе
• 2. ПОЕЗДНАЯ РАДИОСВЯЗЬ
• 2.1 Назначение поездной радиосвязи
• 2.2 Принцип построения и основные параметры поездной радиосвязи
• 2.2 Рекомендации по применению стационарных антенн в поездной радиосвязи.
• 2.3 Типы радиостанций применяемых при организации поездной радиосвязи
• 2.4 Особенности приемно-передающей аппаратуры поездной радиосвязи
• 2.5 Метод определения источника радиопомех вдоль трассы железнодорожного полотна
• 2.6 Выводы по второй главе
• 3. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ
• 3.1 Организация работы по проверке поездной радиосвязи в вагоне-лаборатории
• 3.2 Структурная схема разрабатываемой системы
• 3.3. Разработка принципиальной схемы устройства декодирования кодоых сигналов
• 3.4 Реализация решающей схемы на жесткой логике
• 3.5 Реализация временных задержек в схемах на жесткой логике
• 3.6 Реализация решающего устройства на базе однокристального микроконтроллера К1816ВЕ51
• 3.7 Выводы по третьей главе
• 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
• 5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ УСТРОЙСТЫ ПО ПРОВЕРКЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ В ВАГОН-ЛАБОРАТОРИИ АВТОМАТИКИ ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Для устранения трудности работы маневровых локомотивов и ускорения обработки составов на сортировочных станциях широко используется стационарная радиосвязь, которая позволяет повысить простоту выполнения технологического процесса работы железнодорожных станций. Выполнению графика движения поездов содействует поездная радиосвязь, которая повышает безопасность движения.

Технологическая радиосвязь с подвижными объектами позволяет не только значительно повысить производительность труда и безопасность работ, но и эффективно использовать технические средства и в первую очередь локомотивный и вагонный парки. Оперативность руководства непосредственно в низовом исполнительском звене позволяет своевременно реагировать на возникшие отклонения от установленной технологии и принимать меры по их устранению.

Радиосвязь создает реальные предпосылки для выполнения перевозочного процесса в оптимальном режиме. Поэтому непрерывно расширяется сфера ее применения в различных хозяйствах железнодорожного транспорта. Радиосвязью пользуются около пятидесяти различных абонентов, устройствами поездной радиосвязи оборудовано около 95% эксплуатационной длинны железных дорог, а стационарной - практически все станции, имеющие маневровую работу.

Потребность в переговорах по поездной радиосвязи существенно зависит от напряженностью работы поездного диспетчера, размера движения, количества раздельных пунктов на участке и степени их отклонения от предусмотренной по графику. Использование радиосвязи в поездной работе уменьшает простой поездов, увеличивает техническую скорость, сокращает затраты энергетических ресурсов на тягу поездов за счет более рационального режима вождения поездов. Использование радиосвязи в станционной работе улучшает технологию обработки вагонов, благодаря чему сокращается время простоя локомотивов. Использование радиосвязи при ремонте и обслуживании линейных устройств сокращает число дополнительных сигналистов ограждения при работах в условиях плохой видимости и слышимости.

Основная задача радиосвязи на железнодорожном транспорте - обеспечение безопасности движения поездов и маневровой работы, что и указано в Правилах технической эксплуатации железных дорог.

Целью данного дипломного проекта является создание на базе аппаратуры, по проверке состояния поездной радиосвязи, находящейся в вагон лаборатории автоматики и телемеханики Белорусской железной дороги принципиально нового информационно вычислительного комплекса, обеспечивающего проверку состояния поездной радиосвязи без участия ДСП, и с возможностью автоматизированной обработки результатов измерения и сбора статистической информации о них.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ. ОСНОВЫ РАДИОСВЯЗИ

1.1 Информационно- вычислительные комплексы. Виды и классификация

Измерительная техника - один из важнейших факторов научно- технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства.

При описании явлений и процессов используются различные физические величины: электрические, магнитные, пространственные, временные и др. При этом указанные величины отличаются не только качественно, но и количественно и оцениваются различными числовыми значениями.

Установление числового значения физической величины осуществляется путем измерения. Нахождение числового значения измеряемой величины возможно лишь опытным путем, т.е. в процессе физического эксперимента.

На практике при измерении физических величин применяются электрические и неэлектрические методы.

Электрические методы измерений получили наиболее широкое распространение, так как с их помощью достаточно просто осуществлять преобразование, передачу, хранение, представление и ввод измерительной информации в ЭВМ.

Технические средства и различные методы измерений составляют основу измерительной техники. Любой производственный процесс характеризуется большим числом параметров, изменяющихся в широких пределах. Для поддержания требуемого режима технологической установки необходимо измерение указанных параметров. При этом, чем достовернее осуществляется измерение технологических параметров, тем лучше качество целевого продукта.[1.,c.4]

Наука, предметом которой являются измерения, их результат, точность, погрешность и средства измерения и т. д., носит название метрология.

Метрология- это учение о мерах, это наука о методах и средствах обеспечения единства измерений и способах достижения требуемой точности. Мера предназначена для воспроизведения физической величины.

Понятия и определения, используемые в измерительной технике, регламентируются ГОСТ 16263-70.

Измерение- это информационный процесс получения опытным путем численного отношения между данной физической величиной и некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения.

Результат измерения - именованное число, найденное путем измерения физической величины. Результат измерения может быть принят как действительное значение измеряемой величины. Одна из основных задач измерения - оценка степени приближения или разности между истинным и действительным значениями измеряемой величины - погрешность измерения.

Погрешность измерения - это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерения является непосредственной характеристикой точности измерения.

Точность измерения - степень близости результата измерения к истинному значению измеряемой величины.

Средство измерений - это техническое устройство, используемое в измерительном эксперименте и имеющее нормированные характеристики точности.

В измерительной технике встречается большое число величин, подлежащих измерению, при этом имеются различные схемы их реализации.

Все измерения подразделяются на четыре вида: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

При прямом измерении искомую величину находят непосредственно по результатам опыта y=x, т.е. цель и объект измерения совпадают. Здесь y - выходная величина средства измерения. Примером использования прямого метода являются приборы стрелочного типа.

При косвенном измерении искомую величину находят на основе прямого измерения ряда параметров при известной функциональной связи между ними. Уравнение измерения имеет вид y=F1(x1,x2,x3,…,xn). Примером косвенного измерения может служить измерение сопротивления с помощью амперметра и вольтметра.

Косвенное измерение применяют в тех случаях, когда не применим прямой метод измерения, либо когда оно обеспечивает получение более высокой точности измерения.

При совокупном методе измерения происходит одновременное измерение одноименных величин. В этом случае искомые величины определяются на основе решения системы уравнений, число которых должно быть равно или больше числа неизвестных величин.

Совместное измерение аналогично совокупному измерению для неоднородных величин. Основные уравнения связи при совокупном и совместном измерении имеют вид (см. выражение 1.1).

F1(y1,…,yn,x1⁽¹⁾,…,xm⁽¹⁾⁾=0;

F2(y1,…,yn,x1⁽²⁾,…,xm⁽²⁾⁾=0; (1.1)

Fn(y1,…,yn,x1⁽ⁿ⁾,…,xm⁽ⁿ⁾⁾=0;

Различают также статические и динамические виды измерений. Совокупность приемов использования, принципов и средств измерения представляет собой метод измерения. Существуют следующие методы измерения: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадения.

При методе непосредственной оценки результат измерения определяется по отсчетному устройству СИ. Этот метод наиболее широко распространен в измерительной технике, на нем основаны все стрелочные устройства, но он имеет наиболее низкую точность, так как в этих приборах применяются меры ограниченной точности.

При методе сравнения с мерой измеряемую величину время от времени или в каждом опыте сравнивают с мерой. Результат измерения оценивается по сравнивающему устройству, например измерение массы на весах с помощью гирь или измерение с помощью компенсационных приборов, в которых периодически устанавливается точное значение меры.

При дифференциальном методе на вход средства измерения подается разносный сигнал между измеряемой величиной и мерой. Это очень точный метод, как правило, используется в поверочных схемах и установках.

При нулевом методе разность между измеряемой величиной и мерой с помощью специального устройства доводят до нулевого значения по сравнивающему устройству.

При методе замещения измеряемая величена, определяется путем замещения ее известной мерой.

Метод совпадения (или метод «нониуса») применяется в тех случаях, когда измеряемая величена меньше цены деления заданной меры. При этом применяются две меры с разными ценами деления, которые отличаются на размер оцениваемого разряда отсчетов.

Измерительная информационная система (ИИС) в соответствии с ГОСТ 8.437-81 представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю (в том числе для АСУ) в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуется в виде измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания (идентификации) образов (СРО). В СТД, САК и СРО измерительная система входит как подсистема.

Информация, характеризующая объект измерения, воспринимается ИИС, обрабатывается по некоторому алгоритму, в результате чего на выходе системы получается количественная информация, отражающая состояние данного объекта. Использование информации для управления не входит в функции ИИС, хотя информация, получаемая на выходе ИИС, может использоваться для принятия каких-либо решений, например для управления, конкретным экспериментом.

Каждому конкретному виду ИИС присущи многочисленные особенности, определяемые узким назначением систем и их технологически конструктивным исполнение. Ввиду многообразия видов ИИС до настоящего времени не существует общепринятой классификации ИИС [1.,c.226].

По характеру взаимодействия системы с объектом исследования и обмена информацией между ними ИИС могут быть разделены на активные и на пассивные.

Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активные, действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют автоматически и наиболее полно за короткое время изучить его поведение.

В зависимости от характера обмена информацией между объектами и активными ИИС различают ИС без обратной связи и с обратной связью по воздействию. Воздействие на объект может осуществляться по заранее установленной жесткой программе либо по программе, учитывающей реакцию объекта. В первом случае реакция объекта не влияет на характер воздействия, а, следовательно, и на ход эксперимента.

Эффективность научных исследований, испытательных, поверочных работ, организации управления технологическими процессами с применением ИИС в значительной мере определяется методами обработки измерительной информации.

Операция обработки измерительной информации выполняются в устройствах, в качестве которых используются специализированные либо универсальные ЭВМ. В некоторых случаях функции обработки результатов измерения могут, осуществляется непосредственно в тракте, т.е. измерительными устройствами в реальном масштабе времени.

В системах, которые содержат вычислительные устройства, обработка информации может, производится как в реальном масштабе времени, так и с предварительным накоплением информации в ЭВМ, т.е. со сдвигом во времени.

В зависимости от функционального назначения структуры ИИС подразделяются по принципу построения.

Собственно измерительные системы используются для различного рода комплексных исследований научного характера. Они предназначены для работы с объектами, Характеризующимися до начала эксперимента минимум априорной информации. Цель создания таких систем заключается в получении максимального количества достоверной измерительной информации об объекте для составления алгоритмического описания его поведения.

Обратная связь системы с объектом отсутствует или носит вспомогательный характер. Как отмечалось, информация на выходе ИИС, может использоваться для принятия каких-либо решений, состояния возмущающих воздействий, но не для управления объектом. ИИС предназначена для создания дополнительных условий проведения эксперимента, для изучения реакции объекта на эти воздействия. Следовательно, использование информации не входит в функции ИИС. Эта информация представляется человеку-оператору и поступает в средства автоматической обработки информации.

Для измерительных систем характерны:

Более высокие по отношению к системам другого вида требования к метрологическим характеристикам;

Более широкий спектр измеряемых физических величин и в особенности их количество (число измерительных каналов);

Необходимость в средствах представления информации; это связано с тем, что основной массив информации с выхода систем передается человеку для принятия им решения об изменении условий проведения эксперимента, его продолжении и прекращении. Поэтому определяющим требованием является неискаженное, наглядное и оперативное представление текущей информации с учетом динамики ее обновления и быстродействия системы, обеспечивающее удобство восприятия и анализа человеком;

Большой объем внешней памяти для систем, в которых обработка и анализ результатов выполняются после завершения процесса эксперимента с помощью набора различных средств обработки и представления информации.

Разновидности измерений представлены на рис.1.1.

Входными в ИС для прямых измерений являются величины, воспринимаемые датчиками или другими входными устройствами системы. Задача таких ИС заключаются в выполнении аналого-цифровых преобразований множества величин и выдаче полученных результатов измерения.

1.2 Распространение радиоволн. Антенны. Способы расчета антенн. Модуляция сигналов.

антенна поездной радиосвязь модуляция

Распространение электромагнитных волн

Электромагнитные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света. В отличие от звуковых, электромагнитные волны могут распространяться и в безвоздушном пространстве. При этом они теряют часть своей энергии и постепенно затухают, и степень этого затухания зависит от длинны волны.

Таблица 1.1 Диапазоны радиоволн

Наименование Диапазона	Длина волны	Частота
ДВ	735,3…2000м	408…150кГц
СВ	186,9…571,4 м	1605…525кГц
КВ	24,8…75,5м	12,1…3,95МГц
УКВ	4,11…4,56м	73…65,8 МГц

Длиной электромагнитной волны называют расстояние, на которое она распространяется за период T одного колебания тока в антенне, т.е. =CT.

Зная длину волны, можно определить частоту колебаний тока в антенне: f=C/.

В зависимости от особенностей распространения радиоволн различной длинны (или частоты) их условно подразделяют на несколько диапазонов: длинные (ДВ), средние (СВ), короткие (КВ) и ультракороткие (УКВ). Длина радиоволн и их частота, используемые при работе радиостанций в этих диапазонах, имеет значения приведенные в табл.1.1 [3.,c.71].

Энергетические характеристики антенн

Являясь важнейшим звеном радиолинии, антенны в значительной мере определяют ее потенциальные свойства, т.е. отношение сигнал шум и следующие из него вероятностные характеристики выполнения требуемой задачи. В этом плане представляют особенный интерес так называемые энергетические характеристики антенн - коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, коэффициент полезного действия, шумовая температура.

Антенны служат для перераспределения в пространстве излученной мощности с целью увеличения ее плотности потока в требуемом направлении. Приемные антенны соответствующим образом перераспределяют чувствительность приемника относительно направлений, с которых поступает на антенну поток мощности, излучаемый удаленными источниками.

Направленные свойства антенн определяются видом их диаграмм направленности. Численная характеристика направленных свойств антенны выражается коэффициентом направленного действия (КНД) и коэффициентом усиления. Для оценки этих характеристик сравнивают свойства направленной антенны и гипотетического изотопного, т.е. всенаправленного, излучателя.

Введем характеристику излучения антенны-k -относительную плотность потока мощности, приходящуюся на единицу телесного угла, которая совпадает с диаграммой направленности по мощности, нормированной к полной излученной мощности. Для направленной антенны:

(1.2)

где,P(,)-ненормированная диаграмма направленности по мощности;

Q-полная мощность, равная интегралу по мощности по полному телесному углу.

Для изотопной антенны:

K=P₀/Q=-1/4 (1.3)

Величина равная отношению выходной мощности (т.е. излученной в пространство) к мощности на входе антенны, называется коэффициентом полезного действия (КПД) антенны. Учет потерь является важным фактором при оценке реальных свойств направленных антенн [6.,c.97].

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз мощность антенны без потерь, должна превышать полую мощность на входе антенны с потерями для получения равных значений излученной в направлении ,, мощности, отнесенной к единице телесного угла.

Всякая радиолиния как система, предназначенная для передачи информации от излучателя электромагнитных колебаний к удаленному от него приемнику сигналов, содержит антенны, т. е. радиотехнические устройства, согласующие передатчик и приемник со свободным пространством. Кроме согласования антенны также повышают эффективность радиолинии, соответствующим образом перераспределяя в пространстве излученные радиоволны и увеличивая чувствительность приемника в нужном направлении.

Передающая антенна является преобразователем энергии тока высокой частоты поступающего от передатчика, в энергию электромагнитных волн, излучаемых в заданных направлениях. Приемная антенна является обратным преобразователем.

В реальных антеннах ток вдоль антенны распределен неравномерно. Антенну, получающую питание в основании от передатчика, совместно с ее зеркальным изображением можно рассматривать как отрезок развернутой линии, разомкнутой на конце.

Действующей длинной антенны

(1.4)

называют такую длину антенны с равномерным распределением тока I_н, которая создает такую же напряженность поля, как и реальная антенна с неравномерным распределением тока. В этой формуле l1 полная длинна антенны. При малой длине антенны (меньше четверти длинны волны)

(1.5)

Не вся мощность, передаваемая антенне, расходуется на излучение. Часть ее теряется в активном сопротивлении проводов, изоляторах и т.д. все виды потерь характеризуются мощностью потерь P_n.

При организации радиосвязи в диапазонах декаметровых волн и УКВ целесообразна максимальная концентрация излучения в сторону приемной станции за счет применения остронаправленных антенн. Зависимость напряженности поля излучения от направления называют характеристикой, или функцией направленности антенны, а представленную на графике зависимость диаграммой направленности.

Основные параметры и характеристики передающей антенны:

Сопротивление излучения R - коэффициент пропорциональности между мощностью излучения P и квадратом действующего значения тока в основании антенны.

P=RI² (1.6)

Сопротивление излучения характеризуется способностью антенны отдавать энергию в пространство.

Сопротивление потерь R_п - коэффициент пропорциональности между мощностью, расходуемой на нагревание проводов антенны и теряемой в изоляторах, мачтах и оттяжках, земле, и квадратом тока у основания (или в пучности).

Коэффициент полезного действия:

=P/(P+P_n)=R/(R+R_n); (1.7)

Входное сопротивление R_вх - сопротивление между точками подключения антенны к передатчику. На железнодорожном транспорте применяются направленные антенны. Если мощность излучателя оставить неизменной, то напряженность поля в месте приема при направленной антенне будет больше, чем при ненаправленной. Направленная антенна концентрирует энергию подобно прожектору.

Коэффициент направленности D - отношение плотности потока энергии волн, движущихся в направлении максимального излучения, к плотности потока энергии изотропного излучателя при той же мощности излучения.

D=S_max/S_ср (1.8)

Коэффициент усиления - произведение коэффициентов направленности и полезного действия.

Простейшей антенной для диапазонов километровых и гектометровых волн является вертикальный провод с горизонтальной частью (Г- или Т -образные антенны).

Любую антенну можно рассматривать как заданную в пространстве систему переменных во времени токов (или зарядов), амплитуды и фазы, возбуждения которых выбирают из условия выполнения требуемого пространственного распределения излучения генератора или чувствительности приемника. Если невзаимные элементы отсутствуют, имеет место эквивалентность приемных и передающих антенн и свойства любой из них можно рассматривать при ее работе либо на излучение, либо на прием, в зависимости от удобства.

Излученное антенной поле можно определить непосредственно интегрированием по системе заданных токов (для вибраторных, щелевых антенн, антенн бегущей волны и т. д.) либо суммированием полей дискретных излучателей (для фазированных антенных решеток).

В других случаях удобнее рассматривать систему векторных электрических и магнитных полей, формируемую на излучающей поверхности антенны, называемой апертурой или раскрыв ом. К апертурным относят антенны оптического (зеркальные, линзовые) и акустического (рупорные) типов, в непосредственной близости, от которых можно выделить участок плоской поверхности (раскрыв) с заданным распределением поля. Эффективный плоский раскрыв можно выделить и для неапертурных антенн, однако, для них анализ формируемых на нем полей значительно усложняется [6.,c.237].

Если в некотором объеме V задана система электрических токов j, поле излучения этих токов удобно представить через некоторый вспомогательный вектор П, называемый электрическим вектором Герца:

(1.9)

Измерение диаграмм направленности

Измерение методом вышки в дальней зоне наиболее распространено при разработке облучающих устройств крупногабаритных антенн, испытания антенн на моделях, исследованиях антенн, не слишком больших по сравнению с длинной волны, размеров.

Данный метод измерений является одним из основных.

Диаграммой направленности антенны называется распределение по угловым координатам характеристик излучаемых антенной (либо поглощаемой ею падающей плоской волны) электромагнитного поля модуля и фазы комплексной амплитуды, плотности потока мощности.

При этом обычно под диаграммой направленности понимается графическая зависимость этих характеристик от угловых координат. При этом антенна помещается на вышку и, изменяя ее положение, определяют некоторый характерный уровень диаграммы, главный максимум. Затем, изменяя угловое положение, определяют диаграмму направленности в данном сечении. Методы измерения характеристик антенн в ближней зоне разработаны для преодоления технических трудностей, связанных с удаленностью источника излучения от испытуемой антенны[6.,c.221].

Виды модуляции

Для передачи информации на расстояние применяются сигналы, эффективно излучаемые с помощью антенных устройств, обладающие способностью распространения радиоволн в среде, разделяющей отправителя и получателя информации. Такими сигналами являются высокочастотные колебания. Передаваемая информация должна быть тем или иным способом заложена в высокочастотное колебание, называемое несущим. Частота ₀ этого колебания выбирается в зависимости от расстояния, на которое должна передаваться информация, от условий распространения радиоволн и рада других технических и экономических факторов. Но в любом случае частота ₀ должна быть велика по сравнению с наивысшей частотой спектра передаваемого сообщения.

В самом общем случае радиосигнал, несущий в себе информацию, можно представить в виде:

 (1.10)

в котором амплитуда A или фаза изменяются по закону передаваемого сообщения.

Если A и - постоянные величины, то выражение (1.10) описывает простое гармоническое колебание, не содержащее в себе никакой информации. Если A и (следовательно, и ) подвергаются принудительному изменению для передачи сообщения, то колебание становиться модулированным.

В зависимости от того, какой из двух параметров изменяется - амплитуда A или угол - различают два основных вида модуляции: амплитудную и угловую. Угловая модуляция, в свою очередь, подразделяется на два вида: частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ). Эти два вида модуляции между собой тесно связаны, и различие между ними проявляется лишь в характере изменения во времени угла при одной и той же модулирующей функции[2.,c.134].

Сигналы с амплитудной модуляцией

Амплитудная модуляция является наиболее простым и очень распространенным в радиотехнике способом заложения информации в высокочастотное колебание. При амплитудной модуляции огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с законом изменения передаваемого сообщения, частота же и начальная фаза колебания поддерживается неизменными. Поэтому для амплитудно-модулированного сигнала общее выражение (1.11) можно заменить следующим:

(1.11)

Характер огибающей A(t) определяется видом передаваемого сообщения. Огибающая A(t) изменяется по закону, воспроизводящему сообщение S(t).

Основным параметром амплитудно-модулированного колебания является глубина модуляции.

Определение этого понятия особенно наглядно для тональной модуляции, когда модулирующая функция является гармоническим колебанием.

(1.12)

огибающую модулированного колебания при этом можно представить в виде:

(1.13)

где, - частота модуляции;- начальная фаза огибающей; к_ам - коэффициент пропорциональности; A_ам - амплитудные изменения огибающей;

Отношение:

М=А_m/A₀ (1.14)

Носит название коэффициента модуляции, спектральная диаграмма колебания при тональной модуляции представлена на рис.1.2.



Ширина спектра в этом случае равна удвоенной частоте модуляции 2, а амплитудные колебания боковых частот не могут превышать половины немодулированного колебания (при М1).

Сигналы с угловой модуляцией

Сигналы с угловой модуляцией это радиосигналы, которые получаются за счет того, что в несущем гармоническом колебании

(1.15)

передаваемое сообщение S(t) изменяет либо частоту , либо начальную фазу ; амплитуда U_m остается неизменной, поскольку аргумент гармонического колебания , называемый полной фазой, определяет текущее значение фазового угла, такие сигналы получили название сигналов с угловой модуляцией.

Для рассмотрения видов угловой модуляции предположим, что полная фаза (t) связана с сигналом S(t) зависимостью.

Сигналы с угловой модуляцией это радиосигналы, которые получаются за счет того, что в несущем гармоническом колебании U_нес(t)=U_mcos(t+) передаваемое сообщение S(t) изменяет либо частоту , либо начальную фазу ; амплитуда U_m остается неизменной. Поскольку аргумент гармонического колебания (t)=t+, называемый полной фазой, определяет текущее значение фазового угла, такие сигналы получили название сигналов с угловой модуляцией. Для рассмотрения видов угловой модуляции предположим в начале, что полная фаза (t) связана с сигналом S(t) зависимостью:

(t)=₀t+ks(t) (1.16)

где, ₀ - значение частоты в отсутствии полезного сигнала; k - некоторый коэффициент пропорциональности;

модуляцию, отвечающую соотношению (2.1.) называют фазовой модуляцией (ФМ).

U_фм(е)=U_mcos [₀t+ks (t)] (1.17)

Если сигнал S(t)=0, то ФМ - колебание является простым гармоническим колебанием. С увеличением значения сигнала S(t) полная фаза (t) растет во времени быстрее, чем по линейному закону. При уменьшении значений модулирующего сигнала происходит спад во времени (t).

В момент времени, когда сигнал S(t) достигает экстремальных значений, абсолютный фазовый сдвиг между ФМ - сигналом и немодулированным гармоническим колебанием оказывается наибольшим. Предельное значение этого фазового сдвига называется девиацией фазы . В общем случае одно-тонального сигнала ЧМ- сигнала мгновенная частота:

(t)=₀+cos(t+₀) (1.18)

где, - девиация частоты сигнала.

(1.19)

где,₀ -некоторый постоянный фазовый угол.

Отсюда видно, что величина

(1.20)

называется индексом одна тональной модуляции, представляет собой девиацию фазы такого сигнала, выраженную в радианах.

Рассмотрим спектральное разложение ФМ - сигналов. Задачу о представлении сигналов с угловой модуляцией посредством суммы гармонических колебаний решается следующим образом, представим, что индекс угловой модуляции во много раз меньше 1 (m«1). Поэтому:

U(t)=U_mcos(₀t+msint)=U_mcos(msint)cos₀t-U_msin(msint)sin₀t (1.21)

Поскольку индекс угловой модуляции мал, воспользуемся приближенными равенствами:

cos (msint)1; sin (msint) msint

на основании равенства (2.5) получаем:

 (1.22)

таким образом, показано, что при m 1 в спектре сигнала с угловой модуляцией содержаться несущие колебания и две боковые составляющие (верхняя и нижняя) на частотах ₀+ и ₀-. Индекс m играет здесь такую же роль, как и коэффициент амплитудной модуляции М. Однако можно обнаружить и существенное различие спектров АМ - сигнала и колебания с угловой. Для спектральной диаграммы (рис.1.3) построенной по формуле (1.22) характерно то, что нижние боковое колебание имеет дополнительный фазовый сдвиг на 180⁰.

Более точный вид спектральной диаграммы можно получить, воспользовавшись двумя членами ряда в разложении гармонических функций малого аргумента. При этом формула (1.23) будет выглядеть так:

(1.23)

Эта формула свидетельствует о том, что в спектре сигнала с одно-тональной угловой модуляцией, помимо известных составляющих, содержаться так же верхние и нижние боковые колебания, соответствующие гармоникам частоты модуляции. Поэтому спектр такого сигнала сложнее спектра аналогичного АМ - сигнала. Отметим так же, что возникновение новых спектральных составляющих приводит к перераспределению энергии по спектру.

Сигналы с частотной модуляцией

При частотной модуляции частота несущего колебания изменяется прямо пропорционально значению передаваемого сообщения, фаза сигнала изменяется по другому закону:

U_н=U_m0cos (₀t+₀) (1.24)

Это выражение представляет собой сигнал переносчик. Ниже представлено сообщение, которое поступает на вход частотного модулятора.

U(t)=U_m cost (1.25)

Предположив, что ₀-высокочастотный сигнал, а - низкочастотный, и проведя математические преобразования, получим:

U_чм(t)=U_m0cos((₀+₁(t))t+₀) (1.26)

где ₁(t)- составляющая частоты, которая изменяется пропорционально мгновенному значению передаваемого сообщения.

=₀+₁(t)=₀+kU_mcost (1.27)

₁(t)=kU_mcost+KU_m(t)

=₀+cost

где выражение = kU_m есть ничто иное, как отклонение частоты от среднего значения, т.е. девиация частоты. Однако при частотной модуляции происходит изменение и фазы сигнала.

(1.28)

где, - индекс фазовой модуляции при частотной модуляции.

(1.29)

Выражение (1.29) представляет собой пиковый индекс ЧМ, от него зависит занимаемая полоса ЧМ сигнала и помехоустойчивость систем связи. Он показывает, на сколько девиация частоты больше, полосы занимаемой сообщением. В зависимости от значения М различают узкополосную (при М_чмп1) и широкополосную (при М_чмп1) частотную модуляцию.

В общем, виде спектры ЧМ и ФМ сигналов являются подобными (похожими). Они занимают бесконечную полосу частот и находятся с помощью функции Бесселя. Ширина спектров сигнала зависит от индекса частотной модуляции. Для простейшего модулированного сообщения имеющего только одну частоту, спектр ЧМ сигнала имеет несколько боковых частот верхних и нижних. Однако составляющие, номер которых превышает значение индекса модуляции можно пренебречь.

На практике пользуются понятием эффективной полосы частот, под которой понимается полоса частот, в которой размещается 90% полной энергии ЧМ сигнала и обозначается f_эфчм.

(1.30)

где, f_д - девиация частоты сигнала.

Если сообщение является полосовым, то появляются в спектре сигнала боковые полосы частот. В этом случае ширина спектра ЧМ сигнала находится по упрощенной формуле:

f_эфчм=2fв(М_чмп+1) (1.40)

Однако во многих системах связи применяется узкополосная частотная модуляция, с М_чмп1, f_эфчм2fв.

Таким образом, ЧМ сигнал занимает полосу частот такую же, как и сигнал амплитудной модуляции и имеет только 2 боковые полосы частот [4.,c.98].

Применение узкополосной модуляции позволяет организовать большее число каналов при заданной полосе частот. Достоинством ЧМ является высокая помехоустойчивость приема сообщения, поэтому она применяется в системах связи, которые работают в условиях действия сильных помех.

1.3 Выводы по первой главе

В первой главе были рассмотрены виды и структуры информационно-вычислительных комплексов, их особенности достоинства и недостатки, рассмотрели параметры распространения радиоволн, основные виды модуляции применяемые в радиомеханике и средствах связи, были проведены их спектральные характеристики, а также, рассмотрели способы расчета и определения вида диаграмм направленности.

Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать вывод, что проектирование и эксплуатация радиосвязи требует очень мощного математического и физического аппарата. От ее надежности и стабильности зависит безопасность движения на железной дороге, а, следовательно, процесс проверки поездной радиосвязи, на предмет наличия «мертвых зон» и уровня сигнала является обязательной процедурой. Процедурой трудоемкой, и имеющей очень важное значение.

2. ПОЕЗДНАЯ РАДИОСВЯЗЬ

2.1 Назначение поездной радиосвязи

Поездная радиосвязь ПРС предназначена для служебных переговоров поездного и локомотивного диспетчеров, дежурных по станциям и других работников, связанных с движением поездов, с машинистами поездных локомотивов, а также между собой машинистов и дежурных по станциям.

Поездная радиосвязь построена по принципу линейной радиосвязи. Вдоль пути следования поезда располагаются стационарные радиостанции РС, соединенные между собой и распорядительной станцией каналом связи образованным по воздушной кабельной или радиорелейной линии. ПРС делят на диспетчерские круги, в пределах которых диспетчер руководит движением поездов. Связь поездного диспетчера с машинистами локомотивов комбинированная.

Система ПРС предназначена для оперативного управления перевозочным процессом и повышения безопасности движения поездов. Ею пользуются работники, участвующие в перевозочном процесс, обеспечивающие безопасность движения и находящиеся на стационарных пунктах, в поездах и на перегонах вдоль пути следования поезда.

Диспетчерские участки в зависимости от технической оснащенности и размеров движения оборудуются системой ПРС, организованной в следующих диапазонах волн: гектометровом, метровом и дециметровом; гектометровом и метровом; метровом и дециметровом; гектометровом.

Радиосети, организованные в гектометровом и метровом диапазонах волн, работают в симплексном режиме, в дециметровом - в дуплексном режиме.

При оснащении диспетчерских участков радиостанциями трех диапазонов дециметровый и гектометровый диапазоны волн используются для организации линейных радиосетей, причем дециметровый диапазон служит для организации основного канала связи, а гектометровый для резервного. Гектометровый диапазон используется в линейных и зонных радиосетях для радиосвязи с локомотивами, не оборудованными радиостанциями дециметрового диапазона. Метровый диапазон предназначен для организации зонных радиосетей [7.,c.7].

При оснащении диспетчерских участков двухпозиционными радиостанциями, работающими в гектометровом, метровом или дециметровом диапазонах волн, дециметровый диапазон используется для организации линейных радиосетей, гектометровый - линейных и линейно-зонных, метровый - зонных.

При оснащении диспетчерских участков однодиапозонными радиостанциями гектометрового диапазона волн линейные и зонные радиосети организуются в одном диапазоне (линейно-зонные радиосети).

Симплексные линейные радиосети ПРС-С обеспечивают:

Взаимный групповой вызов и ведение переговоров между поездным (ДНЦ) диспетчером, локомотивным (ТНЦ) диспетчером, энергодиспетчером (ЭЧЦ) и машинистами поездных локомотивов (ТЧМ) находящимся в любой точке диспетчерского участка;

Возможность документированной регистрации всех ведущихся переговоров с помощью магнитофона и регистрацией текущего времени;

Автоматический и ручной диагностический контроль стационарной и возимой аппаратуры с визуальным отображением результатов (при использовании аппаратуры системы транспорт).

Радиосредствами линейных радиосетей могут пользоваться дежурные по станции (ДПС).

Дуплексные линейные радиосети ПРС_Д в пределах диспетчерского участка обеспечивают:

.взаимный вызов с применением индивидуального, группового и циркулярного вызова и ведение переговоров между ТЧМ, ДНЦ, ТНЦ, ЭЧЦ;

передачу с отображением на индикаторном табло команд и сообщений (команды передаются от диспетчера к машинистам, сообщения от машинистов к диспетчеру);

передачу в необходимых случаях поездным диспетчером команды экстренной остановки поезда и передачу машинистом аварийного вызова диспетчера при занятости канала радиосвязи;

автоматическую передачу данных между управляющими вычислительными машинами диспетчерского пункта управления и локомотива;

автоматическую ил ручную передачу номера поезда или локомотива из специально установленных локальных зон или при входе поезда в пределы диспетчерского контроля.

2.2 Принцип построения и основные параметры поездной радиосвязи

Поездная радиосвязь ПРС предназначена для служебных переговоров поездного и локомотивного диспетчеров, дежурных по станциям и других работников, связанных с движением поездов, с машинистами поездных локомотивов, а также между собой машинистов и соседних дежурных по станциям.

ПРС построена по принципу линейной радиосвязи. Вдоль пути следования поезда располагают стационарные радиостанции PC, соединенные между собой и с распорядительной станцией каналом связи, организованном по воздушной, кабельной или радиорелейной линии. ПРС делят на диспетчерские круги, в пределах которых диспетчер руководит движением поездов. Связь поездного диспетчера ДНЦ с машинистами локомотивов, оборудованных локомотивными радиостанциями ЛР, комбинированная: от ДНЦ до ближайшей к локомотиву PC по проводам (или каналам РРЛ) и от PC до РЛ по радио, так как протяженность диспетчерского круга достигает 120--160 км, а радиус действия радиостанций составляет 7--15 км. Для нормального функционирования системы ПРС одновременно могут работать только две радиостанции: PC и РЛ (переговоры между ДНЦ и машинистом). Передатчики остальных радиостанций выключены для исключения мешающих воздействий других радиостанций (интерференции).

При вызове машиниста диспетчер ДНЦ должен подключить к линии нужную PC в зависимости от местоположения вызываемого поезда, так, как ему известно, на каком перегоне и ближе к какой станции находится в данный момент, интересующий его поезд. При вызове ДНЦ со стороны машиниста сигнал вызова могут принять несколько PC, поэтому необходимо выбрать и подключить к линии одну из них, уровень сигнала на входе которой наибольший.

Принцип работы устройства автоматического выбора стационарной радиостанции заключается в следующем. При приеме вызова от РЛ несколькими PC в них начинается отсчет времени, длительность которого зависит от уровня приходящего сигнала. Чем больше уровень сигнала на входе приемника СР, тем быстрее подключается PC к линии с одновременной посылкой сигнала, блокирующего подключения остальных PC.

При организации поездной радиосвязи на радиостанциях ЖР-ЗМ. у диспетчера устанавливают устройства, обеспечивающие посылку сигналов вызова машинистов и управления радиостанциями промежуточных пунктов при ведении переговоров; блок распорядительной поездной радиосвязи БРПС-62М (плату поездной радиосвязи ППРС), а на промежуточных железнодорожных станциях -- шкафы радиопроводной связи ШРПС-62М с пультами управления дежурного по станции. На локомотивах монтируют радиостанции ЖР-ЗМ. Нормально радиостанции, находящиеся в шкафу ШРПС-62, отключены от проводной цепи поездной диспетчерской связи ПДС. Стационарные радиостанции к диспетчерской цепи подключаются радиопроводными переходными устройствами.

Аппаратура ШРПС обеспечивает: совместную работу каналов радиосвязи и существующей поездной диспетчерской связи; избирательное подключение стационарных радиостанций к цепи ПДС, осуществляемое с распорядительной станции при совместном использовании для этой цели существующих устройств избирательного вызова поездной диспетчерской связи; получение акустического или светового контроля на распорядительной станции о подключении стационарной радиостанции к цепи ПДС; дистанционное управление режимами работы стационарных радиостанций (прием и передача), осуществляемое со стороны распорядительного пункта; вызов диспетчера с локомотивной радиостанции и получение при этом на локомотиве контрольного сигнала о прохождении вызова на распорядительную станцию; автоматическое или неавтоматические отключение стационарных радиостанций от цепи ПДС по окончании переговоров.

Абоненты поездной радиосвязи вызывают друг друга посылкой сигналов различных тональных частот: машинистов локомотивов -- сигналом частотой 1000 Гц, дежурных по станциям -- 1400 Гц и диспетчера -- 700 Гц. При приеме стационарной радиостанцией сигнала частотой 700 Гц, переданного с локомотивной радиостанции, к цепи ПДС подключается аппаратура ШРПС-62М. Подключить к цепи ПДС и отключить от нее аппаратуру ШРПС-62М могут диспетчер и дежурный по станции. Предусмотрено также автоматическое отключение ШРПС-62М от цепи ПДС через определенное заранее установленное время после окончания переговоров. В течение всего времени подключения ШРПС-62М к цепи ПДС диспетчер прослушивает тональные посылки длительностью 0,25--0,5 с через каждые 4--6 с.

Машинист имеет возможность вызвать диспетчера без участия дежурного по станции, а также через дежурного по станции. При приеме диспетчером вызывного сигнала машинист получает акустический контроль прохождения вызова. Для установления связи с вызывающим машинистом диспетчер кратковременно нажимает кнопку «Радио» и в линию посылается импульс тональной частоты. Под действием этого импульса к линии подключается стационарная радиостанция, к которой был послан вызов машинистом. Дежурного по станции машинист вызывает также посылкой сигнала тональной частоты с последующим вызовом голосом (групповой избирательный вызов)-

Для надежной радиосвязи диспетчера с машинистами локомотивов дальность действия каждой стационарной радиостанции должна быть не меньше половины длины прилегающего к ней наибольшего перегона.

В зависимости от протяженности перегонов на промежуточных пунктах для передачи электромагнитной энергии применяют различные устройства: антенны «Наклонный луч» и Г-образные, а также устройства, канализирующие высокочастотную энергию вдоль железнодорожного полотна. К последним относятся воздушные линии связи, имеющие в своем составе цветные цепи, а на участках с электрической тягой -- волноводный провод, подвешиваемый на опорах контактной сети, и провода продольного электроснабжения потребителей (провода ДПР). Это так называемый индуктивный способ передачи электромагнитной энергии, при котором "энергия передатчиков не излучается в пространство, а подводится к направляющим линиям, идущим вдоль полотна железной дороги [9.,с.218].

Дальность удовлетворительной связи между стационарной и локомотивной радиостанциями с антеннами «Наклонный луч» на промежуточных пунктах участков с автономной и тепловозной тягой достигает 8--9 км, а на электрифицированных участках -- 2--3 км.

На участках с автономной тягой дальность действия радиосвязи с использованием воздушных линий связи может достигать 30 км при удалении их от железнодорожного полотна на расстояние 11 м и 25 км при удалении на 20 м. На участках без скоростного движения с электротягой на постоянном токе дальность действия радиосвязи может составлять 18 км при расстоянии между воздушной линией и осью пути не более 10 м и 15 км, если это расстояние не превышает 20 м.

Пучок проводов воздушной линии связи канализирует высокочастотную энергию вдоль железнодорожного полотна, уменьшает затухание ее на участке промежуточный пункт -- локомотив и благодаря этому увеличивается радиус действия стационарных радиостанций. Дальность действия связи между стационарными и локомотивными радиостанциями при использовании пучка проводов воздушной линии связи с цветными цепями может быть 15--30 км в зависимости от удаления линии связи от железнодорожного полотна на перегонах, а также от расстояния между линией связи и помещением, где находится радиостанция.

Дальность действия радиосвязи при применении волноводного провода на электрифицированных участках и скоростном движении поездов достигает 12 км, на участках с электротягой на переменном токе без скоростного движения поездов--до 18 км, на участках с электротягой на постоянном токе без скоростного движения -- до 20 км.

При организации ПРС на радиостанциях ЖРУ на распорядительной станции у ДНЦ устанавливают пульт поездной радиосвязи ППР-2, шкаф РСПР, микрофон М и громкоговоритель Гр, на промежуточных станциях у ДСП -- стационарную радиостанцию ЖР-У-СП с приемником избирательного подключения. Принцип действия ПРС здесь тот же, что и с радиостанциями ЖР-ЗМ.

2.3 Рекомендации по применению стационарных антенн в поездной радиосвязи

При выборе стационарной антенны для организации поездной радиосвязи необходимо исходить из условий получения требуемой дальности радиосвязи, обеспечения электромагнитной совместимости с другими радиосредствами и возможности установки на требуемой высоте.

Непосредственно на дальность радиосвязи влияет такой параметр антенны, как коэффициент усиления, поэтому с целью увеличения дальности радиосвязи желательно применять антенны с более высокими значениями этого коэффициента.

Диаграммы направленности применяемых антенн должны, возможно, лучше соответствовать плану железнодорожных путей района, охватываемого радиосвязью. Например, однонаправленные антенны целесообразно применять на тупиковых станциях с разделением диспетчерских кругов. В этих случаях основная часть высокочастотной энергии будет излучаться антенной вдоль железнодорожных перегонов, обслуживаемых каждым из диспетчеров.

Двунаправленные антенны следует применять на большинстве промежуточных пунктов. Если трасса железной дороги достаточна, прямолинейна, то следует устанавливать антенны с диаграммой направленности в форме «восьмерки».

На криволинейных участках, которые характерны для горной местности, следует применять двунаправленные синфазные антенны с управляемыми диаграммами направленности (например, антенны типа АС-4). При этом юстировка обеих половин антенны должна производиться из условия получения максимального излучения вдоль соответствующего перегона, примыкающего к станции.

На узловых станциях может оказаться, что применение двунаправленной или однонаправленной антенны не обеспечивает радиосвязью примыкающие перегоны. В этом случае целесообразно использовать антенны с круговыми диаграммами направленности.

2.4 Типы радиостанций применяемых при организации поездной радиосвязи

Поездную радиосвязь организуют на радиостанциях ЖР-ЗМ, работающих в гектометровом диапазоне на фиксированных частотах, а также на стационарных радиостанциях ЖР-УК-СП и локомотивной ЖР-УК-ЛП, работающих в метровом и гектометровом диапазонах. Две первые буквы ведомственного шифра обозначают железнодорожную радиостанцию, одна или две последующие -- диапазоны, в которых работает радиостанция (У--УКВ и К -- коротковолновый, т. е. гектометровый), предпоследняя буква--место установки станции, (С -- стационарная, Л -- локомотивная), последняя буква -- назначение (П -- для поездной, С -- для станционной радиосвязи). Радиостанции железнодорожной технологической радиосвязи иногда обозначают как, комплекс ЖРУ (железнодорожные радиостанции унифицированные). Унификация сводится к использованию отдельных блоков в локомотивных и стационарных радиостанциях поездной и станционной радиосвязи.