автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Максимизация частотной эффективности и помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи

9 15-5/425

На правах рукописи

КУЗЮКОВ ВАСИЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МАКСИМИЗАЦИЯ ЧАСТОТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук

Москва-2015

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте».

Научный руководитель: Волков Анатолий Алексеевич д. т. н., профессор

кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» МГУПС (МИИТ) Официальные оппоненты: Шаврин Сергей Сергеевич, д. т. н., профессор,

Защита состоится 29 октября 2015 г., в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.157.05 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу: г. Москва, Красноказарменная улица, дом 17, аудитория А-402.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Россия, г. Москва, Красноказарменная улица, дом 17, Ученый совет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» www.mpei.ru.

Автореферат разослан «_»_2015 г.

ФГБОУ ВПО «Московский технический университет связи и информатики», кафедра «Многоканальная электросвязь» Овчаров Игорь Валентинович, к. т. н., старший научный сотрудник, ФГУП «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина»

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский и проектно-

конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте» (НИИАС).

Ученый секретарь диссертационного Д212.157.05 к.т.н., доцент

Куликов Р.С.

■ г ^¡ная

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ кз

Актуальность темы. Основной проблемой в радиосвязи является дефицит частотного ресурса, которая обостряется с каждым годом, так как растёт число вновь разрабатываемых радиосистем различного назначения, в том числе и на железнодорожном транспорте. Но частотный ресурс ограничен и давно распределён. В связи с этим в России вышел закон «О связи», который подробно обсуждается в журнале «Электросвязь» №9 за 2008 г. Там говорится, что надо разумно перераспределять частоты, что не всех устраивает. Поэтому данная диссертация посвящена сокращению дефицита частотного ресурса за счёт повышения эффективности использования имеющихся частотных полос путём уменьшения ширины спектра радиосигнала. При этом помехоустойчивость радиосвязи не должна уменьшаться, а наоборот - должна увеличиваться. Это в первую очередь необходимо для ж.-д. радиосвязи, так как там высок уровень помех, и до сих пор используется аналоговая узкополосная ЧМ. Поэтому помехоустойчивость ж.-д. радиосвязи не всегда Удовлетворительная, что может отрицательно сказаться на безопасности движения поездов. Использование до сих пор аналоговой радиосвязи, а не Цифровой объясняется тем, что их приёмники не совместимы межцу собой, а заменить сразу все. железнодорожные радиостанции с ЧМ на цифровые затруднительно. Иначе могут быть аварийные ситуации, что небезопасно. Поэтому в данной работе повышается помехоустойчивость и частотная эффективность эксплуатируемой в настоящее время аналоговой ж.-д. радиосвязи с ЧМ, и будущей цифровой. Известно, что максимально возможную (потенциальную по Котельникову) помехоустойчивость обеспечивает фазовая Манипуляция (ФМн) на 180°, когда модулирующим является дискретный сигнал. Именно поэтому изобретатель относительной ФМн на 180° проф. Петрович Н.Т. предложил передавать клиппированную речь с помощью ФМн на 180°. Но при клигагаровании (глубоком ограничении по амплитуде) возникают дополнительные трудности: 1) расширение спектра сигнала, 2) возникновение дополнительных нелинейных искажений, 3) снижение качества восстановленной речи. В данной диссертации эти задачи решены, что позволило уменьшить основную проблему радиосвязи - дефицит частотного ресурса при максимуме её помехоустойчивости. Этим определяется актуальность данной работы.

Степень разработанности темы

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

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

В данной диссертационной работе впервые разработаны способы формирования ОБП с фазовой манипуляцией на 180° (ОБП-ФМн) по клиппированному и цифровому сигналам, что повышает не только частотную эффективность, но и помехоустойчивость радиосвязи в 2 раза. Предложены и другие, более эффективные способы. Сигнал ОБП-ФМн на 180° проще формировать по клиппированному речевому сигналу (РС), чем по цифровому сигналу, и полоса частот гораздо уже. Однако при клиппировании РС теряется информация, заложенная в его огибающей, отчего снижается качество речи на приёмной стороне. Для устранения этого недостатка в данной диссертации разработан способ восстановления огибающей на приёмной стороне. Новизна йсех разработок в диссертации подтверждена патентами РФ на изобретения и публикациями [1-9].

Целью диссертационной работы является повышение помехоустойчивости и частотной эффективности железнодорожной

радиосвязи. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены

, i

Конкретные задачи:

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

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

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

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

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

Объектом исследования являются устройства повышения частотной эффективности и помехоустойчивости радиосвязи.

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

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

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Предложены три основных направления повышения частотной эффективности и помехоустойчивости ж.-д. радиосвязи: путём формирования ОБП-ФМн на 180° по дискретному сигналу (клиппированному РС или ЦС), путём передачи не полного РС, а только его огибающей и частотной составляющей или только фазовой составляющей (синтетический метод); путём деления полосы частот РС в 2" раз. Это позволяет повысить частотную

эффективность в 2 раза и более, а помехоустойчивость - в 2 раза. Новизна этих предложений подтверждена патентами РФ на ПМ [5, 7, 9].

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

3. Уточнены формулы для количественного описания клишированного РС [1] в этой методике.

4. Предложено когерентное детектирование ЧМ сигналов в эксплуатируемой ж.-д. радиосвязи. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на ПМ [10].

5. Разработано [3] устройство восстановления опорного колебания по сйгналу ОБП-ФМн на 180° для его когерентного детектирования без обратной работы.

6. Разработано [4] устройство восстановления огибающей у клиппированного РС на приёмной стороне.

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

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

2. Разработана корреляционная методика [2] определения уровня нелинейных искажений kf при клиппировании РС с минимумом пик-фактора кш однополосного и речевого сигналов. Показано, что к/=7,4%, что допустимо, кюа=],52=тт, обеспечивающим выигрыш в помехоустойчивости Железнодорожной радиосвязи с ЧМ в 4,33 раза или 6,3 6дБ, что хорошо совпало с экспериментальными данными.

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

4. Разработаны три варианта проблемного блока - широкополосного фазовращателя на 90° для формирования ОБП-ФМн на 180°, из которых - один по клишированному РС, а два - по ЦС. Новизна разработок подтверждена патентами РФ на ПМ и публикацией [3,5,10].

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

6. Разработан [3] восстановитель опорного колебания по сигналу ОБП-ФМн на 180° для его когерентного детектирования без обратной работы.

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

8. Разработан [4] восстановитель огибающей у клиппированного РС на приёмной стороне, что повысило качество речи.

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

'*•" 10. Разработаны идентичные делители полосы частот РС в 2" раз на Ьдной поднесущей частоте что повысило частотную эффективность в это же число раз. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на изобретение [9].

Методология и методы исследования

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

Положения, выносимые на защиту

- разработанный формирователь однополосного колебания с фазовой манипуляцией на 180° (ОБП-ФМн) по клиппированному и по цифровому РС;

- разработанная корреляционная методика [2] определения уровня нелинейных искажений;

- уточнённые формулы для количественного описания клиппированного

РС;

- разработанные широкополосные фазовращатели сигнала на 90° для формирования ОБП-ФМн на 180°

- разработанное [3] устройство восстановления опорного колебания по сйгИалу ОБП-ФМн на 180°

разработанное [3] устройство восстановления восстановления огибающей у клиппированного РС

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

Степень достоверности диссертационной работы

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

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

■1-4)-

Апробация работы выполнена на:

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

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

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

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

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

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

I1 >

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

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав, структурированных по тематическому принципу, заключения, списка использованных источников. Диссертация представлена на 114 страницах, включает в себя 1 таблицу и 48 рисунков. В библиографии насчитывается 45 наименований документальных и литературных источников.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и Задачи работы, перечислены основные результаты диссертации, представлены их новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен аналитический обзор источников по теме диссертации с указанием их недостатков, на основании которых сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена повышению частотной эффективности и помехоустойчивости за счёт перехода с двухполосной, на однополосную ФМн На 180° (ОБП-ФМн) [1,8] и за счёт передачи не полного РС, а только его огибающей и частотной сотавляющей. Дополнительные способы такого повышения рассматриваются в четвёртой главе.

Разработан формирователь ОБП-ФМн на 180° по клиппированному РС, структурная схема которого представлена на рисунке 1. Его новизна подтверждена патентом РФ на ПМ [7]. На этом рисунке обозначено: ИРС -источник речевого сигнала, ФОС - формирователь однополосного сигнала фильтровым способом, Г- генератор колебания вспомогательной несущей частоты; УО - усилитель-ограничитель амплитуды сигнала, КД - когерентный детектор, ФВ - фозовращатель не 90°, П - перемножитель сигналов, I -сумматор; ФИ - фазоинвертор.

Блоки до перемножителей П (ФОС, введённый УО, КД1, КД2 с ФВ1) образуют проблемный ранее узел - широкоплосный высокотонный ФВ на 90° (обведён пунктирной линией), для формирования далее сигнала ОБП-ФМн на 180° фазовым способом.

0

Рисунок 1

В работе показано, что при перемножении в блоках П Н.Ч. знакопеременного дискретного сигнала прямоугольной формы с гармоническим колебанием несущей частоты имеет место двухполосная ФМн на 180е, а на выходе сумматора £ - ОБП-ФМн на 180°:

%(0 = -

COS (D0 — nßt

71=1,3,5...

Для количественного определения нелинейных искажений от клиппирования использована корреляционная методика, в которую внесены авторские уточнения, упрощения. В результате чего получено:

де- 0,5 р2

кг = 0,25 2ф р коэффициент нелинейных искажений,

- пик-фактор клишированного сигнала,

2,08

+0,13e~ß2

2 -в -t2

где Ф ß = — 0 е 2dt — интеграл вероятностей,

ß- относительный порог ограничения (/? = —)

fforp

Попутно определён выигрыш от клиппирования в помехоустойчивости эксплуатируемой ж.-д. радиосвязи у —

Результаты расчёта по полученным формулам представлены в таблице 1 и на рисунке 2.

Из таблицы 1 и рисунка 2 следует, что пик-фактору к„ = 1,52 = min соответствует коэффициент нелинейных искажений kf = 7,4%, что вполне

допустимо, а выигрыш от клиппирования в помехоустойчивости эксплуатируемой ж.-д. радиосвязи составляет у = 4,33 раза или 6,3 дБ, что совпало с экспериментальными данными.

Элементы клиппирования рисунка 1 (ФОС, Г1, УО, КД1) можно объединить в отдельный внешний блок, через который подаётся РС с ИРС (микрофон) к микрофонному входу передатчика эксплуатируемой железнодорожной радиостанции. Таблица 1

у, раз.

р kf, % К У, раз

1 0,607 0, 6827 41 1,74 3,3

•2 0,1353 0, 9545 7,4 1,52 4,33

3 0,0111 0,9973 0,8 2,1 2,27

А Р"э

1 2 Рисунок 2

Для снижения дефицита частотного ресурса в диссертации преобразована ЧМ во второй ступени модуляции передатчика цифровой ж.-д. системы радиосвязи GSM-R в ОБП-ФМн на 180° фазовым способом по ЦС, что увеличило частотную эффективность и помехоустойчивость (энергетически) в два раза. Новизна данного устройства подтверждена патентом РФ на ПМ [5]. На рисунке 3 представлена схема широкополосного высокоточного фазовращателя (ШФВ) на 90° для ЦС, на котором обозначено: ГФ -Гауссовский фильтр, Д - дифференциатор, И - интегратор, ФИ - фазоинвертор, X - сумматор, БЗ - блок задержки по времени, УО - усилитель ограничитель. Полная схема формирователя ОБП-ФМн на 180° для GSM-R представлена на рисунке 1, если в ней заменить имеющийся ШФВ на 90° на данный.

На рисунке 4 представлены АЧХ и ФЧХ такого ШФВ на 90°.

Из этого рисунка следует, что погрешность Д<р фазового сдвига н.ч. сигнала на 90° не превышает 0,2° (Д<р<0,2°) в диапазоне частот от 0 до ЮОкГц,

чему соответствует степень подавления нерабочей полосы а = 60 дБ, что приемлемо, как и у фильтрового метода формирования однополосного сигнала (ФОС). В полосе частот речевого сигнала степень подавления нерабочей боковой полосы а = —20 lg 0,5 sin hcp =73 дБ при использовании разработанного ШФВ на 90°. В диссертации предложен второй вариант ШФВ на 90°, выполненный на двух RC - цепочка (рисунок 5). к Ф

3,73

Üt^b О,С

i ШФВ на 90* Рисунок 3

40 60

Рисунок 4

Сигналы на выходе этих цепочек сдвинуты по фазе между собой на 90°, что определяет символ ] в сопротивлении конденсатора хс = Уровни их

напряжений равны между собой только на частоте Е0, при которой емкостное сопротивление хс равно активному сопротивлению Л. При других частотах эти уровни разные, как показано на рисунке 6 и рисунке 7.

ФЧХ (р = <р(/), а так же отношение напряжений а = — = — = — =

и с IXс Хс

2^tfRC такого ШФВ представлены на рисунке 7. При Я = хс значение а = 1.

Рисунок 5

0 10 20 30 40 50 во 64 f, кГц

Рисунок 7

Рисунок 6

Отметим, что разработанная вторая ступень модуляции ОБП-ФМн по ЦС и первая ступень ЦС [5,6] можно считать импортозамещением зарубежной системы ОвМ-Я.

При использовании синтетического метода передаётся не полный РС, а только его огибающая и частотная составляющая, полоса частот каждой из которых принимается равной 100 Гц. Уплотнив их по времени и сформировав цифровой сигнал (ЦС) предложенным автором устройством [2], можно сформировать сигнал ОБП-ФМн на 180° согласно рисунку 1, отчего его полоса

частот сократится в =31 раз. Дополнительные способы повышения

частотной эффективности рассмотрены в четвёртой главе.

Третья глава посвящена когерентному детектированию сигналов, рассмотренных во второй главе, восстановлению огибающей у клиппированного РС.

На рисунке 8 представлена разработанная [3] схема формирования опорного колебания и когерентного детектирования сигнала ОБП-ФМн на 180°, где обозначено: ПФ - полосовой фильтр, БЗ - блок задержки, КД -когерентный детектор, УО - усилитель-ограничитель амплитуды сигнала, ЧД -частотный детектор, У - усилитель, ФИ - фазоинвертор, В - варикап, АГ -автогенератор, ДЧ —1 делитель частоты, П — перемножитель сигналов, ФНЧ — фильтр нижних частот.

Рисунок 8

Его основой является синтезатор частот с фазовой автоподстройкой частоты, в которой опорное колебание и модулирующий сигнал для генератора, управляемым напряжением (ГУН), базируются на входном сигнале. Видно, что отсутствует обратная работа такого детектора.

В этой главе предложено [10] преобразованный ЧМ сигнал в АЧМ детектировать его когерентно, а не по огибающей, как обычно, что

дополнительно увеличивает помехоустойчивость эксплуатируемой ж.-д. радиосвязи в 2 раза. С учётом клиппирования помехоустойчивость эксплуатируемой ж.-д. радиосвязи увеличивается в 2 • 4,33 = 8,66 раза или на 9,36 дБ.

Кроме того, предложено [4] восстанавливать огибающую у клиппированного РС способом детектирования сигнала с дельта-модуляцией, т.е. с помощью интегратора с ФНЧ на его выходе с подключением к последнему полосового фазовращателя на 90°. От этого повышается качество клиппированной речи. Указанные блоки являются внешними по отношению к приёмнику эксплуатируемой железнодорожной радиостанции и подключаются между его выходом телефоном.

Четвёртая глава посвящена дальнейшему повышению частотной эффективности и помехоустойчивости ж.-д. радиосвязи. Показано, что АЧХ частотной составляющей РС остаётся практически постоянной после 36 Гц и даже после 100 Гц из-за того, что она является производной по времени от фазовой составляющей. Поэтому предложено вместо огибающей и частотной составляющей РС передавать только его фазовую составляющую, занимающей полосу частот от 0 до 36 Гц1. При этом выигрыш в полосе частот по отношению к предыдущему случаю равен трём, а по отношению к полному РС он составляет 86. На рисунке 9 представлена разработанная соискателем структурная схема выделения фазовой составляющей из РС, новизна которой подтверждена патентом РФ на ПМ. На этом рисунке обозначено:

М - микрофон, МУ - микрофонный усилитель, ФОС - формирователь

1 .■

бднополосного сигнала, Г - генератор колебания вспомогательной несущей частоты, ОА - ограничитель амплитуды сигнала, ЧД - частотный демодулятор, Й - интегратор сигнала по времени.

Работа схемы не требует

пояснений, кроме введённых

элементов, обведённых Пунктирной линией.

м МУ ФОС 1 ОА ЧД и

1 1

ф0)

Рисунок 9

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

Однополосный сигнал и(1)=и(^со8[о)1 +<р(г)], с выхода блока ОА поступает на вход ЧД, входной контур которого настроен в резонанс на частоту его входного сигнала со. Поэтому на выходе ЧД колебание ичд(0=кс19(1)/ск. В блоке И это колебание интегрируется по времени и поэтому на его выходе сигнал ии0)=к<р(1).

В этой главе разработан синтезатор полного РС на приёмной стороне по фазовой его составляющей [4], структурная схема которого представлена на рисунке 10.

А

ПРМ

выхода сигнал

приемника фазовой

составляющей PC: и„

t =

Рисунок 10

k<p(t) поступает на н.ч. вход аналогового фазового

модулятора ФМ. На его в.ч. вход подаётся колебание высокой частоты иг t = U cos ù)t с генератора Г.

На выходе ФМ образуется колебание Пфм t — U cos (cot + (р t ) , которое когерентно детектируется в фазовом детекторе ФД в сигнал t = U cos (р t .По этому сигналу затем восстанавливается огибающая в блоке ВО способом детектирования сигнала с дельта модуляцией.

Разработан также делитель полосы частот PC в 2" раз, новизна которого подтверждена патентом РФ на ПМ [8]. Особенность схемы: все п её делители идентичны между собой (с клиппироваными выходными однополосными сигналами на одной и той же поднесущей частоте), что упрощает делитель при п>1. На рисунке 11 представлен только один (п=1) делитель полосы частот PC на 2, где обозначено:

1 M - микрофон; МУ - микрофонный усилитель; П1, П2, ПЗ -перемножители сигналов; Гн - генератор колебания вспомогательной несущей частоты; ПФ - полосовой фильтр; ФВ - фазовращатели сигнала на 90°; А01, À02 - амплитудные ограничители сигналов, ИПН - источник постоянного напряжения; Сум - сумматор аналоговый; Диф - дифференциатор по времени; %еп - делитель частоты в 2 раза; Т - триггер; БЗ - блоки временной задержки сигнала; ФВБП - фильтр верхней боковой полосы частот сигнала.

Работа схемы на рисунке 11 поясняется временной диаграммой на рисунке 12, на которой обозначено положительное напряжение 1/с на выходе сумматора, и разделённое напряжение на выходе ФВБП в 2 раза.

Рисунок 11 Рисунок 12

После делителя полосы частот аналогового РС в передатчике идёт АЦП. Автором диссертации разработан АЦП с меньшим уровнем шумов квантования [5], который подробно рассмотрен в диссертации.

Схема детектирования клиппированного сигнала с разделённой в п раз его полосы частот и восстановлением огибающей совпадает со схемой на рисунке 10, если после формирователя однополосного сигнала (ФМ) включить умножитель частоты в 2" раз.

Разработанные устройства наибольший эффект в системах радиосвязи с шумоподобными сигналами (ШПС). Заключение.

В качестве заключения сформированы выводы по диссертации, полученные автором в результате исследования и разработок по повышению частотной эффективности и помехоустойчивости для железнодорожной радиосвязи.

: 1. Предложены три основных направления повышения частотной эффективности и помехоустойчивости ж.-д. радиосвязи: путём формирования бБП-ФМн на 180° по дискретному сигналу (клиппированному РС или ЦС), йутём передачи не полного РС, а только его огибающей и частотной составляющей или только фазовой составляющей (синтетический метод); путём деления полосы частот РС в 2" раз. Это позволяет повысить частотную эффективность в 2 раза и более, а помехоустойчивость - в 2 раза. Новизна этих предложений подтверждена патентами РФ на ПМ.

2. Разработана корреляционная методика [2] определения уровня нелинейных искажений к/ при клиппировании РС с минимумом пик-фактора кпы однополосного и речевого сигналов. Показано, что к;=7,4%, что допустимо, кт=1,52=тт, обеспечивающим выигрыш в помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи с ЧМ в 4,33 раза или 6,36 дБ, что хорошо совпало с экспериментальными данными.

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

4. Разработаны три варианта проблемного блока - высокоточного широкополосного фазовращателя на 90° для формирования ОБП-ФМн на 180°, из которых — один по клиппированному РС, а два — по ЦС. Новизна разработок Подтверждена патентами РФ на ПМ и публикацией [3,5,10].

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

6. Разработан [3] восстановитель опорного колебания по сигналу ОБП-ФМн на 180° для его когерентного детектирования без обратной работы.

7. Разработан когерентный детектор ЧМ сигнала для эксплуатируемой аналоговой железнодорожной радиосвязи, что повышает её помехоустойчивость в 2 раза. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на ПМ[10].

8. Разработан [4] восстановитель огибающей у клиппированного РС на приёмной стороне, что повысило качество речи.

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

10. Разработаны идентичные делители полосы частот РС в 2П раз на одной поднесущей частоте, что повысило частотную эффективность в это же число раз. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на изобретение [9].

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

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

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

2. Волков, A.A. Оптимальное клиппирование речевого сигнала для максимизации помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи [Текст] / A.A. Волков, Г.В. Карпова, В.А. Кузюков, O.E. Журавлёв // Проектирование и технология электронных средств №4 2011г -С.26-29.

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

4. Волков, A.A. Способ восстановления огибающей у клиппированного сигнала. [Текст] / A.A. Волков, В.А. Кузюков, O.E. Журавлёв // Проектирование и технология электронных средств. №4 2013г -0.51-54.

Изобретения:

5. Патент РФ на ПМ №125790 Формирователь цифровым Сигналом однополосного колебания с фазовой манипуляцией на 180°/ A.A. Волков, В.А. Кузюков. Приоритет от 14.09.2012. Опубл. в БИ№7 за 2013г.

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

7. Патент РФ на ПМ №145405 Формирователь сигнала с фазовой манипуляцией на 180° // А.А.Волков, В.А.Кузюков. Приоритет от 12.02.2014. Опубл. в БИ№26 за 2014г.

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

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

10. Положительное решение на выдачу патента РФ на ПМ: Детектор частотно-модулированных колебаний / АА-Волков, М.А. Лаптев, ВАКузюков. Приоритет от 16.05.2014

В других изданиях: - 11. Волков A.A., Журавлёв O.E., Кузюков В.А. Эффективная цифровая система радиосвязи GSM-R// Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации» г. Владимир, июнь 2013

12. Кузюков В.А. Волков A.A. Повышение помехоустойчивости и частотной эффективности железнодорожной радиосвязи //Научно-техническая конференция «Безопасность движения поездов 2011»

13. Кузюков В.А. Журавлёв O.E. Волков A.A. Повышение помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи при минимизации нелинейных искажений, радиосвязи //Научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов-2012»

14. Плющев, С.И., Kj-зюков В.А. Частотный модулятор на микросхемах// Научно-практическая конференция «Неделя науки-2009»

15. Кузюков В.А. Сжатие полосы частот радиосигнала путём непосредственной передачи клиппированной речи // Научно-практическая конференция «Неделя науки-2011»

16. Морозов М.С., Кузюков В.А. Высокоточный полосовой фазовращатель сигнала на 90°. // Научно-практическая конференция «Неделя нйуки-2013»

17. Кузюков В.А., Храмов К.Г. Аналитичность однополосного сигнала // Научно-практическая конференция «Неделя науки-2013»

18. Кузюков В.А. Линейный компрессор направляющей линии ПРС // Научно-практическая конференция «Неделя науки-2012»

Подписано в печать Зак. M/üjm, У0 п.л. /. ^

Типография Издательства МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

2015675489

2015675489