автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Повышение эффективности поездной радиосвязи

На правах рукописи

Журавлев Олег Евгеньевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Специальность:

05.12.13 -Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ИЮЛ 2014

Москва-2014

005550702

005550702

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)» на кафедре «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь».

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

кафедры «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» МГУПС (МИИТ).

Официальные опноненты: Зыков Владимир Иванович д. т. н., профессор,

заведующий кафедрой СЭАСС Академии ГПС МЧС России.

Самойлов Сергей Александрович к. т. н., доцент ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский и проектно-

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

Защита состоится «30» сентября 2014 г. в 16 ч. в ауд. 301-3 на заседании диссертационного совета Д212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, ФРЭМТ.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Автореферат разослан «03» июля 2014 г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, ФРЭМТ.

Учёный секретарь диссертационного совета, д. т. н., профессор

/ А.Г. Самойлов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. На железнодорожном транспорте высок уровень помех, во всех радиостанциях (ЖР) до сих пор используется узкополосная аналоговая частотная модуляция (ЧМ) при дефиците частотного ресурса. Поэтому помехоустойчивость поездной радиосвязи (ПРС) не всегда удовлетворительная, что отрицательно сказывается на безопасности движения поездов.

Данная диссертация посвящена повышению помехоустойчивости и частотной эффективности ПРС согласно известным критериям а- и Р-эффективности, вытекающих из формулы Шеннона. Повышение помехоустойчивости ПРС осуществляется за счёт:

1) глубокого амплитудного ограничения (клиппирования) речевого сигнала

(РС) на передающей стороне с восстановлением его огибающей на

приёмной стороне;

2) повышения эффективности антенно-фидерных устройств (АФУ).

Пока цифровая передача используется только в волоконно-оптическом канале поездного диспетчера (ДНЦ). Для повышения её эффективности автором разработаны новые аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с меньшим уровнем шумов квантования.

В широко используемой за рубежом цифровой железнодорожной системе радиосвязи вЗМ-Я в передатчике ЧМ вторая ступень модуляции преобразована в однополосную фазовую манипуляцию (ОБП-ФМн) на 180°. Тем самым увеличена помехоустойчивость и частотная эффективность системы СБМ-Л в 2 раза. Предложен также способ детектирования сигнала ОБП-ФМн на 180° без обратной работы детектора. Для повышения частотной эффективности канала поездного диспетчера по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) предложено использовать клиппированные речевые сигналы.

Указанные результаты, полученные в данной работе, существенно увеличивают помехоустойчивость и частотную эффективность ПРС, что

способствует повышению безопасности движения поездов. Этим и определяется актуальность темы диссертации.

Задача работы состоит в повышении помехоустойчивости и частотной эффективности ПРС, а также усовершенствовании АФУ ПРС.

Объект исследования - способы и устройства повышения помехоустойчивости и частотной эффективности ПРС.

Предмет исследования составляют научные основы и формализованные методы повышения эффективности ПРС.

Целью диссертационной работы является повышение помехоустойчивости и частотной эффективности ПРС. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены конкретные задачи:

1) введено оптимальное клиппирование модулирующего РС с восстановлением его огибающей на приёмной стороне;

2) повышена эффективность АФУ ПРС;

3) разработаны эффективные АЦП и ЦАП;

4) разработана ОБП-ФМн на 180° для цифровой железнодорожной системы радиосвязи вБМ-Я вместо двухполосной частотной.

Методы исследований. В работе использованы методы теории информациии и помехоустойчивости, математического анализа, теории электромагнитного поля, теории волновых процессов и теории вероятностей.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке новых способов и устройств, повышающих помехоустойчивость ПРС. По итогам диссертационного исследования получены следующие основные результаты, содержащие элементы новизны и выносимые на защиту:

1. Разработана [1] корреляционная методика точного определения выигрыша У в помехоустойчивости действующей ПРС за счёт клиппирования РС при допустимом уровне его нелинейных искажений и восстановлении огибающей клиппированного сигнала на приёмной стороне, составляющем по расчётам у = 4,33 раза или у = 6,36 дБ.

2. Получена новая формула коэффициента корреляции однополосного сигнала, который является входным для амплитудного ограничителя, и уточнена формула первого слагаемого функции корреляции на его выходе для п. 1.

3. Разработан способ восстановления огибающей клиппированного РС, что позволило повысить качество ПРС.

4. Показано, что однопроводная направляющая линия, используемая для увеличения дальности ПРС, представляет собой антенну Бевереджа, и поэтому надо учитывать снижение её к.п.д. за счёт излучения в режиме передачи и увеличение помех в режиме приёма.

5. Разработаны новые аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с меньшими шумами квантования для передачи информации ДНЦ машинисту по ВОЛС диспетчерского канала ПРС [6, 7, 9].

Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что разработанные способы и устройства способствуют повышению не только частотной эффективности, но и помехоустойчивости, что благоприятно сказывается на безопасности движения поездов:

1) уточнена корреляционная методика определения минимального значения пикфактора речи;

2) разработан способ восстановления огибающей у клиппированого РС на приёмной стороне;

3) показано, что направляющая линия (НЛ) ПРС - это антенна Бевереджа, и необходимо учитывать снижение к.п.д. при работе в режиме передачи и снижение помехоустойчивости в режиме приёма;

4) предложено в качестве стационарной антенны ПРС использовать прожекторную осветительную мачту высотой 32 м в качестве четвертьволнового заземлённого вибратора с шунтовым питанием;

5) предложено использовать клиппированые РС вместо цифровых в канале ДНЦ, позволяющих теоретически повысить частотную эффективность в 8 раз;

6) разработан способ преобразования сигнала двухполосной ЧМн в цифровой системе железнодорожной радиосвязи GSM-R (GSM-R) в сигнал однополосной ФМн на 180°, что повысит её помехоустойчивость и частотную эффективность в 2 раза.

Обоснованность и достоверность выносимых на защиту результатов работы обеспечена строгим соблюдением логики проведения научных исследований, обоснованностью исходных данных и методов решения поставленных задач, непосредственным сопоставлением полученных результатов с фактическими данными.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный корреляционный анализ клиппированного однополосного сигнала.

2. Полученные формулы и произведенные расчёты нелинейных искажений, пикфактора, выигрыша в помехоустойчивости ПРС при амплитудном ограничении однополосного сигнала.

3. Предложенный способ восстановления огибающей клиппированого PC.

4. Полученную диграмму направленности напряжённости однопроводной направляющей линии, представленной как антенна Бевереджа, с определением потери мощности при излучении и дополнительных помех при приёме.

5. Разработанные АЦП и ЦАП для ПРС и временные диаграммы их работы [6, 7, 9].

6. Разработанную методику расчёта влияния опор контактной сети на ДН локомотивной антенны.

Внедрение результатов работы осуществлено в соответствующие проекты ООО НПП "АКСИОН-РТИ". Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МГУПС (МИИТ) в рамках дисциплин «Теория передачи сигналов», «Электромагнитные поля и волны». Все результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы выполнена на:

1) 9-й и 10-й Международных научно-технических конференциях «Перспективные технологии в средствах передачи информации» г. Владимир, в 2011 и 2013 гг.;

2) 65-й и 66-й научно-технических конференциях РЭС им. A.C. Попова, посвященные дню Радио, в г. Санкт-Петербург, ЛЭГИ в 2010 и 2011 гг.;

3) 12-й и 13-й научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», в г. Москва, в МИИТе в 2011 и 2012 гг.;

4) на заседаниях кафедр «Радиотехника и электросвязь» и «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» МГУПС (МИИТа) в 2010-2013 гг.

Участие в Госбюджетных НИР. Результаты диссертации использованы в НИР «Перспективные технологии в средствах передачи информации железнодорожного транспорта» МГУПС (МИИТ), 2012 г.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в девятнадцати опубликованных работах, перечень которых представлен в конце автореферата. Пять работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК России, четыре -патенты РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения, списка литературы и двух приложений.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, определяются цели и задачи исследования, её предмет, методическая и информационная база, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе определяются критерии эффективности ПРС, даётся аналитический обзор литературных источников по теме диссертации, выявивший недостатки различных составляющих ПРС и позволивший сформулировать задачи исследования, направленные на повышение

помехоустойчивости и качества ПРС, способствующие повышению безопасности движения поездов.

„„ ю

Вторая глава посвящена повышению помехоустойчивости ПРС в у =

раз путём клиппирования передаваемого РС, уменьшающего его пикфактор Кп с восстановлением его огибающей на приёмной стороне. Во избежание недопустимо больших нелинейных искажений предложено клиппировать не РС (широкополосный), а однополосный (узкополосный), сформированный по РС с последующим переносом его в тональный диапазон частот путём когерентного детектирования и подключения к низкочастотному входу передатчика ЖР. Схема передатчика с указанными блоками представлена на рисунке 1, где обозначено: ИРС - источник РС, ФОС - формирователь однополосного сигнала, Г - генератор вспомогательной несущей, ОА - ограничитель амплитуды, КД- когерентный детектор, ПРД- передатчик.

Рисунок 1 - Схема передатчика с клиппирующим устройством

Характеристика ограничителя ОА представлена на рисунке 2, функция корреляции на его выходе определяется известным выражением *):

®аш(т) = Хп=0 Ср. п) ) ^

где Д0СТ) - коэффициент корреляции входного одно полосного сигнала;

С„ — коэффициенты, определяемые амплитудной характеристикой ограничителя (рисунок 2), полиномом Эрмита Нп(х) и среднеквадратичным значением с> входного случайного РС.

*) Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники - М.: Радио и связь, 1989.-656 с.

ивых,

ио

-Ш / !

\ / 0 Ш ивх

- -По

Рисунок 2 - Характеристика амплитудного ограничителя

В работе [1] получена формула коэффициента корреляции РС:

Я0(т) = е_рысоз(й)0 + П0}т, где р = 103 Гц, а П3 = 2тг/70 = 2тт • 400 рад/с, ы0 - вспомогательная несущая частота.

Так как Сп = 0 при чётных п, и члены ряда (1) быстро убывают, то можно ограничиться двумя членами ряда:

£выХ(т) = -Мо(т) 4- Л3Я£(т), где А — коэффициенты, а А0 = С0 = О.Подставляя значения А, имеем уточнённую формулу:

вт(Г) = Щ * Я0(т) + . Д|(т)|,

где Ф(/?) = -= е~~ ^ <И - интеграл вероятностей, /? = -

относительный порог ограничения, а коэффициент А1 отличается от известного **) наличием цифр 2 и -1 в квадратной скобке.

Далее по Ввь11(г) определяется спектральная плотность мощности (СПМ) б(ы),используя теорему Винера - Хинчина. Так как ВЕЫХ(г) имеет два слагаемых, то и будет иметь столько же слагаемых: первое - это

**) Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи - М.: Воениздат, 1972.

соответственно.

спектральная плотность мощности (СПМ) полезного сигнала £, (&)}, а второе -СПМ нелинейных искажений С'хСы). По этим СПМ определяются в полосе частот однополосного сигнала средние мощности Рг и Р\ Далее по ним находится коэффициент нелинейных искажений

> <>1 2Ф(£) -1 '

пикфактор клиппированного сигнала;

к = = —= _ 1

выигрыш в помехоустойчивости:

N

10

У = —. • ki

Результаты расчёта по полученным формулам представлены в таблице 1 и на рисунке 3, из которых следует, что пикфактору fc„ = 1,52 = min соответствует коэффициенту нелинейных искажений kf = 7,4%, что вполне допустимо, а выигрыш в помехоустойчивости -У = 4,33 раза или 6,36 дБ.

Результаты расчёта Таблица 1

ß „-0.5Д» ФО?) 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 2Д 2,27

Клишированные сигналы несут только фазу РС, восстановить на приёмной стороне его огибающую синтезировать неискажённый переданный РС

по которой надо U (t) и по ним

Рисунок 3 - Графики результатов расчёта

Предложено восстанавливать огибающую у клиппированного РС способом детектирования сигналов с дельта-модуляцией, реализованным с помощью интегратора И с ФНЧ на его выходе и дополнительными элементами, показанными на рисунке 4. Дискретизатор ДСК преобразует разнополярный клиппированный сигнал в сигнал с дельта-модуляцией, который в интеграторе И преобразуется в исходный РС с огибающей ступенчатой формы. Последняя преобразуется в плавную кривую на выходе ФНЧ, амплитуда которой обратно пропорциональна частоте РС. Дифференциатор ДФ устраняет эту зависимость и фазовый сдвиг на 90° за счёт интегрирования.

~ЦДСК|......

ДФ

■ь

ги

Рисунок 4 - Приёмник клиппированных сигналов с восстановлением их

огибающей

Третья глава посвящена исследованию эффективности антенно-фидерных устройств ПРС.

Для увеличения дальности ПРС используют однопроводную направляющую линию (НЛ), индуктивно связанную с горизонтальным проводом П-образной локомотивной антенны. НЛ - это тоже горизонтальный провод параллельный рельсам, подвешенный на высоте 2-2,5 метра, имеющий длину I много большую длины волны Л = 141 м ПРС (рисунок 5).

Рисунок 5 - Направляющая линия с П-образной локомотивной антенной

Один конец НЛ подключен к ЖР, а к другому её концу подключено активное сопротивление нагрузки, равное волновому сопротивлению провода. Расстояние г НЛ от локомотивной антенны не более 10 м, т.е. г« А, а это -зона индукции антенны. Так как длинна I > А, то НЛ - длинная линия, по которой распространяется электромагнитная энергия и связанные с ней электромагнитные волны. С другой стороны, НЛ - это антенна Бевереджа, имеющая точно такую же конструкцию, хотя её длина I ^ А. Раз это антенна, то в режиме приёма она принимает дополнительные радиопомехи, а в режиме передачи излучает электромагнитную энергию, уменьшая к.п.д. НЛ, который и без этого низкий. Эти дополнительные потери НЛ ранее не рассматривались. Учесть их можно, используя диаграмму направленности антенны Бевереджа, которая в горизонтальной плоскости равна ***):

/О) - у 8т[—(СОЗУ-О],

С05<р~$ 2

где ^ = ~ - коэффициент замедления скорости V волны в линии по

отношению к скорости света С. При £ = 1 нормированная ДН:

***) Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства - М.: Связь, 1972. - 462

т.! со«<р-1

2 соя гр

Бт[— (СОБ<р - 1)].

.т!

(2)

Рассчитанные по (2) ДН представлены на рис. 6 в полярной системе координат для длины НЛ 1г равной длине волны (1% = Я = 141м) и длины НЛ 1г = 10 км соответственно:

Рисунок 6 - Диаграммы направленности направляющей линии

Как следует из этого рисунка, ДН хотя и разные, но в обоих случая имеет место и приём, и излучение радиоволн. Это значит, что НЛ принимает внешние помехи, ухудшая качество ПРС, и понижает к.п.д. в режиме передачи из-за излучения (согласно ДН) и потерь в сопротивлении нагрузки, равным волновому сопротивлению НЛ. Эти антенные показатели в НЛ ранее нигде не рассматривались.

В третьей главе также определено влияние опор контактной сети на ДН локомотивной антенны при движении поезда, так как расстояние между ними незначительное (=3,1 м). Такие задачи решаются методом наведённых ЭДС, если пассивный и активный вибратор являются полуволновыми. В данном случае опора имеет высоту пять метров, а локомотивная антенна - один метр. В диссертации использован малоизвестный метод ****), когда пассивный вибратор имеет бесконечную длину, а активный - конечную, и расположены они согласно рисунку 7. В этом случае электромагнитное поле антенны (рисунок 7) определяется в результате комбинации интеграла и ряда Фурье.

****) Уэйт Дж.Р. Электромагнитное излучение из циллиндрических систем/ Пер. с англ. под ред. Г.В. Кисунько; - М.: Советское радио, 1963.- 240 с.

40

1г - 141 м

12 = 10 км

Окончательное решение задачи имеет вид произведения уровня поля активного вибратора в свободном пространстве на поправочный комплексный множитель:

оо

М(8, ф) = ^Ет eos m-O - (p0)ejm2[Im(kp0 sin9)

7П = 0

- -Hf£(kp0 sin 9)lm{kasin Q)]¡H^'{kasin8~) где коэффициенты Em= 0 = 1, a En>0 = 2; <p0 = arctg^ - азимут антенны (рисунок 6); /¡„ (i") - формула Бесселя первого рода гп-го порядка от аргумента х; - функция Ханкеля второго рода n-го порядка от аргумента X; к = —-

- волновое число; а - эквивалентный радиус опоры.

Рисунок 7 - Геометрия опоры и локомотивной антенны

Этот множитель М(в, (р) определяет ДН локомотивной антенны в горизонтальной (экваториальной) плоскости. На рисунке 8 представлены амплитудная ДН ¡М(^)| = (М;^ 4- М|н)0'5 и фазовая ДН ф(<р) = агс1д(-^)

для метрового и гектометрового диапазонов волн. Из этого рисунка следует, что опора больше влияет на фазовую ДН, чем на амплитудную, и это влияние больше в метровом диапазоне, чем в гектометровом.

Для ПРС ГМВ диапазона в качестве стационарных антенн используются Г -образная антенна, антенна типа «наклонный луч» с высотой Н < 15 — 20 м.

На некоторых участках высота Я ещё меньше, что снижает дальность ПРС. Строительство антенн с высотой Н > 20 м связано с большими капитальными

Рисунок 8 - Диаграмма направленности локомотивной антенны с учётом опоры контактной сети

затратами. Поэтому для увеличения дальности ПРС предложено в качестве стационарных антенн ПРС использовать имеющиеся станционные заземлённые металлические прожекторные мачты наружного освещения высотой Я = 24 —32м как вертикальный заземлённый четвертьволновый вибратор с шунтовым питанием.

В третьей главе также предложен точный измеритель напряжённости электромагнитного поля гектометрового диапазона волн в зоне индукции антенны, новизна которого подтверждена патентом РФ на изобретение [8].

Четвёртая глава посвящена повышению помехоустойчивости и частотной эффективности цифровых систем железнодорожной радиосвязи. Разработаны аналого-цифровой преобразователь и цифро-аналоговый преобразователь с пониженным уровнем шумов квантования для канала поездного диспетчера. В отличие от ИКМ-30 уровень шумов квантования понижен за счёт непрерывного компандирования.

На рисунке 9 представлена разработанная автором структурная схема связи, где обозначено: ИС - источник сообщения; ДЧ - делитель частоты в 2 раза; АИМ-1 - дискретизатор по времени; Г - генератор импульсов; ДВ -двухполупериодный выпрямитель; К - компрессор; АИМ-2 — амплитудно-импульсный преобразователь сигнала АИМ-1 в сигнал АИМ-2; БЗ - блок временной задержки импульсов; Код - кодер; ПК-1 - преобразователь

параллельного кода в последовательный; Умер - усилитель передатчика; ЛС -линия связи; У.пр - усилитель приёмника; Р - регенератор импульсов; 11К2 -преобразователь последовательного кода в параллельный; Дек - декодер; Э -экспандер; П - перемножитель сигналов; ФНЧ - фильтр нижних частот; УЧ -удвоитель частоты РС; ПС- получатель сообщения.

Рисунок 9 - Структурная схема цифровой связи

В системе связи (рисунок 9) цифровой сигнал передаётся знаком отсчёта в первом разряде кодового слова, а модуль из блока ДВ — в остальных семи разрядах.

В передатчике цифровой железнодорожной системы радиосвязи GSM-R преобразован частотный модулятор в формирователь однополосного цифрового сигнала с фазовой манипуляцией на 180° фазовым способом путём изменения только связей его элементов. Преобразованная схема цифрового частотного модулятора показана на рисунке 10, где обозначено: ИЦС -источник цифрового сигнала; ГФ - фильтр Гаусса; И - интегратор; Д -дифференциатор; БЗ - блок задержки по времени; ФИ - фазоинвертор; Z -сумматор; Я — перемножитель сигналов; Г - генератор колебания несущей частоты; ФВ - фазовращатель на 90°. Блоки, объединённые пунктирной линией, образуют широкополосный фазовращатель (ШФВ) на 90°, а вся схема -формирователь однополосного сигнала фазовым способом. При перемножении в блоках П цифрового знакопеременного сигнала с гармоническим колебанием несущей частоты образуется двухполосный сигнал с ФМн на 180°, а на выходе Е2 - однополосный сигнал с ФМн на 180°. Схема на рисунке 10 позволяет

сократить полосу частот радиоканала как минимум в 2 раза. Кроме того, данная схема позволяет увеличить помехоустойчивость приёма сигналов в 2 раза, выраженную как отношение мощности сигнала к мощности шума.

Рисунок 10 - Преобразованная схема частотного модулятора цифровой

системы С8М-11

Проблема получения высокоточного, широкополосного низкочастотного фазовращателя на 90° здесь решена с помощью интегратора И и дифференциатора Д, выполненных на операционных усилителях (на рисунке 10 обведены пунктиром). Их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) <р(Р) представлены на рисунке 11.

Рисунок 11 - Кривые АЧХ и ФЧХ разработанного фазовращателя

Эксперимент, проведённый с помощью компьютерного моделирования показал (рисунок 11), что в разработанном фазовращателе фазовый сдвиг на

угол (р = 90° с погрешностью Л<р < 0,2° имеет место в диапазоне частот от 0 до 100 кГц, чему соответствует степень подавления нерабочей боковой полосы а = —201д0,5&<р = —бОдБ. Известные фазовращатели обеспечивают (р = 90° в диапазоне частот 300-3400 Гц с погрешностью > 1°. Это соответствует [а|<40дБ, что неприемлемо. Неравномерность суммарной АЧХ устраняется путём амплитудного ограничителя сигнала в блоке ОА. Предложен также новый способ формирования опорного колебания из входного ОБП-ФМн сигнала для его когерентного детектирования [3].

Для существенного увеличения частотной эффективности ВОЛС канала ДНЦ в работе предложено использовать клиппированные аналоговые РС, исследованные во второй главе. От этого выигрыш составляет 8 раз, т.к. полосы

частот цифрового А/ц и аналогового Д/^ РС связаны соотношением = где п = 8 — разрядность кодового слова цифрового сигнала ЦС. При этом упрощается и удешевляется аппаратура, а качество связи не ухудшается.

Пятая глава посвящена снижения потребления электроэнергии радиостанции ПРС. Для этого предложено повышать к.п.д. передатчика гектометровых волн ПРС с помощью третьей гармоники. Так как при угле отсечки в = 90° третья гармоника отсутствует в импульсе коллекторного тока, то предложено получить её с помощью дополнительного утроителя частоты, подключённого параллельно предоконечному усилительному каскаду передатчика для снижения потребления им мощности. При этом утроитель потребляет мощность в 10 раз меньшую, чем если бы он был подключён к оконечному каскаду. Если утроитель частоты выполнить на варакторе, то он практически не будет потреблять мощности от источника питания, что дополнительно повысит к.п.д. передатчика. В результате исследования получено оптимальное значение отношения третьей гармоники коллекторного напряжения к первой, равное 0,25, при котором к.п.д. оконечного каскада передатчика максимален и равен 89%. Это приблизительно на 20% больше, чем в используемом критическом режиме без третьей гармоники.

Основные выводы и результаты

1. Разработана [1] корреляционная методика точного определения выигрыша у в помехоустойчивости действующей ПРС за счёт клиппирования РС при допустимом уровне его нелинейных искажений и восстановлении огибающей у клиппированного сигнала на приёмной стороне [4]. Этот выигрыш равен у = 4,33 раза или 6,36 дБ.

2. Получена новая формула коэффициента корреляции однополосного сигнала, который является входным для амплитудного ограничителя, и уточнена формула первого слагаемого функции корреляции на его выходе для п.1.

3. Разработан способ восстановления огибающей у клиппированного РС, что повысило качество ПРС.

4. Показано, что однопроводная направляющая линия, используемая для увеличения дальности ПРС, представляет собой антенну Бевереджа, и поэтому надо учитывать дополнительные потери энергии за счёт излучения в режиме передачи и увеличения помех в режиме приёма.

5. Предложено для увеличения дальности ПРС в качестве стационарной антенны ПРС использовать станционную прожекторную мачту как заземлённый четвертьволновый вибратор с шунтовым питанием. Её высота 32 м превышает больше чем в 2 раза высоту стандартной станционной антенны, что увеличивает её к.п.д. на 25 % и входное сопротивление на 12 Ом.

6. Теоретически определено влияние опор контактной сети на диаграмму направленности локомотивной антенны. Показано, что это влияние больше в метровом диапазоне волн, чем в гектометровом, причём, больше влияет на фазовую ДН, чем на амплитудную ДН.

7. Разработан измеритель напряжённости электромагнитного поля гектометровых волн ПРС в зоне индукции, погрешность измерения

которого уменьшилась в 4 раза и составляет 10%. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на изобретение [8].

8. Разработаны АЦП и ЦАП с уменьшенными шумами квантования для передачи цифровых сигналов по каналу BOJIC поездного диспетчера. Новизна разработок подтверждена тремя патентами РФ на изобретение [6, 7,9].

9. В передатчике цифровой железнодорожной системы радиосвязи GSM-R преобразована вторая ступень модуляции из частотной в однополосную фазовую манипуляцию (ОБП-ФМн) на 180° путём изменения связей её элементов. Это позволило увеличить помехоустойчивость и частотную эффективность в 2 раза.

Ю.Показано, что увеличить частотную эффективность канала ДНЦ можно в 8 раз, используя клиппированные речевые сигналы.

11.Для повышения энергоэффективности ПРС путём увеличения к.п.д. передатчика на 20 %, выходной каскад которого работает в критическом режиме при угле отсечки 9 = 90°, предложено использовать дополнительный утроитель частоты, подключенный параллельно к предоконечному каскаду передатчика.

Список публикаций

Печатные работы в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Волков A.A., Карпова Г.В., Журавлев O.E. Повышение помехоустойчивости радиосвязи [Текст]/ A.A. Волков, Г.В. Карпова, O.E. Журавлев// Мир транспорта. - 2012. - №3. - с.31-33.

2. Волков A.A., Карпова Г.В., Кузюков В.А., Журавлев O.E. Оптимальное клиппирование речевого сигнала для максимизации помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи [Текст]/ A.A. Волков, Г.В. Карпова, В.А. Кузюков, O.E. Журавлев// Проектирование и технология электронных средств. -2011. - № 4 - с.26-30.

3. Волков A.A., Журавлев O.E., Кузюков В.А. Повышение эффективности цифровой железнодорожной системы радиосвязи GSM-R [Текст]/ A.A. Волков, O.E. Журавлев, В.А. Кузюков // Успехи современной радиоэлектроники; - М.: Радиотехника,- 2013.- № 9 - с.32-36.

4. Волков A.A., Кузюков В.А., Журавлев O.E. Способ восстановления огибающей у клиппированного речевого сигнала [Текст]/ A.A. Волков, В.А. Кузюков, O.E. Журавлев// Проектирование и технология электронных средств. - 2013. -№ 4. -с.51-52.

5. Журавлева Л.М., Новожилов A.B., Кручинин A.C., Журавлев O.E. Потенциальные возможности повышения пропускной способности оптического канала связи [Текст]/ JI.M. Журавлева, A.B. Новожилов,

A.C. Кручинин, O.E. Журавлев// Успехи современной радиоэлектроники. - М.: «Радиотехника», 2013. - №9. - с.11-16.

Патенты на полезную модель

6. Патент РФ на полезную модель № 92586 Многоканальный аналого-цифровой преобразователь сигналов [Текст]/ A.A. Волков, Г.В. Долганова, O.E. Журавлев; - Опубл. 20.03.2010. - Бюл., 2010. -№8.

7. Патент РФ на полезную модель № 102443 Многоканальный цифро-аналоговый преобразователь сигналов [Текст]/ A.A. Волков, Г.В. Долганова, O.E. Журавлев; - Опубл. 27.02.2011. - Бюл., 2011. -№6.

8. Патент РФ на полезную модель №110194 Измеритель уровня напряжённости электромагнитного поля в зоне индукции [Текст]/ A.A. Волков, A.A. Шаров, O.E. Журавлев;- Опубл. 10.11.2011. - Бюл., 2011. -№31.

9. Патент РФ полезную модель №114247 Аналого - цифровой преобразователь речевого сигнала [Текст] / A.A. Волков, O.E. Журавлев,

B.А. Кузюков; - Опубл. 10.03.2012. - Бюл., 2012,- №7.

Печатные работы в других изданиях

10. Волков A.A., Долганова Г.В., Журавлев O.E. Аналого-цифровой преобразователь на базе широтно-импульсной модуляции [Текст]/ A.A. Волков, Г.В. Долганова, O.E. Журавлев// Труды 65-й научно-технической конференции посвященной Дню радио - СПб.: СПб НТО РЭС им. Попова, 2010.-Т.1.

11. Волков A.A., Карпова Г.В., Журавлев O.E. Модернизированные АЦП и ЦАП [Текст]/ A.A. Волков, Г.В. Карпова, O.E. Журавлев// Труды 66-й научно-технической конференции посвященной Дню радио - СПб.: СПб НТО РЭС им. Попова, 2011.-Т.2.

12. Волков A.A., Карпова Г.В., Журавлев O.E. Повышение энергоэффективности поездной радиосвязи [Текст]/ A.A. Волков, Г.В. Карпова, O.E. Журавлев O.E. // Труды одиннадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» - М.: МИИТ, 2010.-С. VIII-8.

13. Волков A.A., Журавлев O.E. Влияние опор контактной сети на диаграмму направленности локомотивной антенны [Текст]/ A.A. Волков, O.E. Журавлев// Материалы 9-й Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» - г. Владимир.: ВлГУ,2011. -т.2,- с. 122-125.

14. Волков A.A., Журавлев O.E., Кузюков В.А. Эффективная цифровая железнодорожная система радиосвязи GSM-R [Текст]/ A.A. Волков, O.E. Журавлев, В.А. Кузюков // Материалы 10-й Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» - г. Владимир.: ВлГУ, 2013. - т. 1.-е. 51-55.

15. Волков A.A., Журавлев O.E. Повышение электромагнитной совместимости [Текст]/ A.A. Волков, O.E. Журавлев // Труды двеннадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» - М.: МИИТ, 2011. - C.VIII-1.

16.Волков A.A., Журавлев O.E., Кузюков В.А. Восстановление огибающей у клиппированного речевого сигнала [Текст]/ A.A. Волков, O.E. Журавлев,

B. А. Кузюков // Труды четырнадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» - М.: МИИТ, 2013. -

C.XIV.

17. Журавлев O.E., Кузюков В.А. Повышение помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи при минимизации нелинейных искажений [Текст]/ O.E. Журавлев, В.А. Кузюков// Труды тринадцатой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» - М.: МИИТ, 2012. -С. VII-2.

18. Журавлев O.E., Матикова Е.В. Повышение к.п.д. передатчика ПРС [Текст]/ O.E. Журавлев, Е.В. Матикова // Труды научно-практической конференции Неделя науки - 2011 «Наука МИИТа - Транспорту»; -М.:МИИТ, 2011,- C.II.- 70.

19.Журавлев O.E., Головихина Т.А. Повышение электромагнитной совместимости поездной радиосвязи [Текст]/ O.E. Журавлев, Т.А. Головихина// Труды научно-практической конференции Неделя науки -2011 «Наука МИИТа - Транспорту»; - М.:МИИТ, 2011,- C.II.- 70.

Подписано в печать 30.06.2014 Формат 60 84/16. Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ 160 Издательство

Московского государственного университета путей сообщения. 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

0^201460959 ЖУРАВЛЕВ ОЛЕГ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Специальность: 05.12.13. - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Волков Анатолий Алексеевич

Москва-2014

Оглавление:

Введение...............................................................................................5

Глава 1 Аналитический обзор литературных источников по эффективности поездной радиосвязи.............................................................................10

1.1 Определение критериев эффективности поездной радиосвязи.....................10

1.2 Помехоустойчивость поездной радиосвязи............................................13

1.3 Анализ работы стационарных антенн....................................................15

1.4 Дальность поездной радиосвязи...........................................................18

1.5 Расчёт дальности поездной радиосвязи при использовании направляющей линии...........................................................................................................................19

1.6 Анализ влияния опор контактной сети на диаграмму направленности локомотивной антенны...........................................................................22

1.7 Исследование второй ступени модуляции в передатчике цифровой железнодорожной радиостанции системы вБМ-Я........................................23

1.8 Анализ эффективности АЦП и ЦАП в передатчике ИКМ-30 для передачи информации по ВОЛС канала ДНЦ...........................................................26

1.9 Выводы по главе.................................................................................28

Глава 2 Максимизация помехоустойчивости поездной радиосвязи по критерию минимума пикфактора речевого сигнала.....................................................30

2.1 Вводные замечания..........................................................................30

2.2 Вывод формулы коэффициента корреляции однополосного сигнала на входе амплитудного ограничителя...................................................................31

2.3 Функция корреляции однополосного сигнала на выходе амплитудного ограничителя......................................................................................32

2.4 Спектральная плотность мощности сигнала и основные показатели поездной радиосвязи на её основе...............................................................................34

2.5 Синтез огибающей и неискаженного речевого сигнала по его фазе...................................................................................................39

2.6 Минимизация влияния акустических шумов локомотива на качество поездной радиосвязи..........................................................................................40

2.7 Выводы по главе.............................................................................43

Глава 3 Исследование антенно-фидерных устройств поездной радиосвязи.........45

3.1 Вводные замечания...........................................................................45

3.2 Исследование направляющей линии.....................................................46

3.3 Эффективная стационарная антенна поездной радиосвязи......................49

3.4 Исследование влияния опор контактной сети на диаграмму направленности локомотивной антенны.........................................................................54

3.5 Разработка высокоточного измерителя напряжённости электромагнитного поля КВ диапазона в зоне индукции........................................................58

3.6 Выводы по главе..............................................................................68

Глава 4 Повышение эффективности АЦП и ЦАП........................................69

4.1 Вводные замечания........................................................................69

4.2 Повышение помехоустойчивости и частотной эффективности цифровой системы радиосвязи ОЗМ-И........................................................................69

4.3 Повышение эффективности многоканального передатчика цифровых сигналов............................................................................................76

4.4 Повышение эффективности многоканального приёмника цифровых сигналов............................................................................................81

4.5 Исследование возможности передачи клиппированных сигналов по ВОЛС канала ДНЦ........................................................................................83

4.6 Выводы по главе..............................................................................90

Глава 5 Повышение энергоэффективности поездной радиосвязи за счёт 3-й гармоники выходного сигнала передатчика................................................91

5.1 Вводные замечания..........................................................................91

5.2 Способ получения 3-й гармоники сигнала требуемой амплитуды.............................................................................................94

5.3 Варакаторный утроитель частоты для дополнительного повышения к.п.д. передатчика........................................................................................95

5.4 Определение оптимального значения отношения Uk3/Ukl........................96

5.5 Расчёт к.п.д. оконечного каскада передатчика с учётом введённого утроителя частоты..............................................................................................97

5.6 Выводы по главе............................................................................100

Заключение........................................................................................101

Список сокращений.............................................................................104

Список литературы............................................................................106

Приложение А. Акт об использовании результатов кандидатской работы в ООО

НПП "АКСИОН-РТИ" .........................................................................111

Приложение Б. Акт о внедрении в учебный процесс результатов кандидатской работы в МГУПС (МИИТ) «Московский государственный университет путей сообщения».......................................................................................112

Введение

Актуальность работы обуславливается тем, что на железнодорожном транспорте высок уровень помех. Во всех радиостанциях (ЖР) до сих пор используется узкополосная аналоговая частотная модуляция (ЧМ) при дефиците частотного ресурса. Поэтому помехоустойчивость поездной радиосвязи (ПРС) не всегда удовлетворительная, что отрицательно сказывается на безопасности движения поездов.

Данная диссертационная работа посвящена повышению помехоустойчивости и частотной эффективности ПРС согласно известным критериям а- и (3-эффективности, вытекающих из формулы Шеннона. Повышение помехоустойчивости ПРС осуществляется за счёт:

1) глубокого амплитудного ограничения (клиппирования) речевого сигнала (РС) на передающей стороне с восстановлением его огибающей на приёмной стороне;

2) повышения эффективности аптенпо-фидерных устройств (АФУ);

3) перехода с аналоговой ПРС на цифровую.

Пока цифровая передача используется только в волокопио-оптическом канале поездного диспетчера (ДНЦ). Для повышения её эффективности автором разработаны новые аиалого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с меньшим уровнем шумов квантования. Их новизна подтверждена тремя патентами РФ на изобретение.

В широко используемой за рубежом цифровой железнодорожной системе радиосвязи ОБМ-Я в передатчике ЧМ его вторая ступень модуляции преобразована в однополосную фазовую манипуляцию (ОБП-ФМн) на 1800. Тем самым увеличена помехоустойчивость и частотная эффективность системы ОБМ-II в 2 раза. Предложен также способ детектирования сигнала ОБП-ФМн на 180° без обратной работы. Для повышения частотной эффективности канала поездного

диспетчера по ВОЛС предложено использовать клиппированные речевые сигналы вместо цифровых.

Указанные результаты, полученные в данной работе, существенно увеличивают помехоустойчивость и частотную эффективность ПРС, что способствует повышению безопасности движения поездов. Этим и определяется актуальность темы диссертации.

Объектами исследования являются способы и устройства повышения помехоустойчивости и частотной эффективности ПРС.

Предметами исследования являются научные основы и формализованные методы повышения эффективности ПРС.

Целью диссертационной работы является повышение помехоустойчивости и частотной эффективности ПРС. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены конкретные задачи:

1) введено оптимальное клиппирование модулирующего РС с восстановлением его огибающей на приёмной стороне;

2) повышена эффективность АФУ ПРС;

3) разработана эффективные АЦП и ЦАП;

4) разработана ОБП-ФМн на для цифровой железнодорожной системы радиосвязи ОБМ-Я вместо двухполосной частотной.

Методы исследований. В работе использованы методы теории помехоустойчивости, математического анализа, теории электромагнитного поля, теории волновых процессов и теории вероятностей.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке новых способов и устройств, повышающих помехоустойчивость ПРС и безопасность движения поездов. По итогам диссертационного исследования получены следующие основные результаты, содержащие элементы новизны и выносимые на защиту:

1) разработана корреляционная методика точного определения выигрыша в помехоустойчивости действующей ПРС за счёт клиппирования РС при

допустимом уровне его нелинейных искажений и восстановлении огибающей у клиппированного сигнала на приёмной стороне. Этот выигрыш или, что точно совпало с экспериментальными данными;

2) получена новая формула коэффициента корреляции однополосного сигнала, который является входным для амплитудного ограничителя, и уточнена формула первого слагаемого функции корреляции на его выходе для п.1.;

3) разработан способ восстановления огибающей у клиппированного РС, что позволило повысить качество ПРС;

4) показано, что однопроводная направляющая линия, используемая для увеличения дальности ПРС, представляет собой антенну Бевереджа и поэтому надо учитывать снижение её к.п.д. за счёт излучения при передаче и увеличение помех в режиме приёма;

5) разработаны новые аналого-цифровой преобразователь и цифро-аналоговый преобразователь с меньшими шумами квантования для передачи информации ДНЦ машинисту по ВОЛС диспетчерского канала ПРС. Новизна разработок подтверждена тремя патентами на изобретение;

Практическая значимость результатов исследования состоит в том, что разработанные способы и устройства способствуют повышению не только частотной эффективности, но и помехоустойчивости, что благоприятно сказывается на безопасности движеиия поездов:

1) уточнена корреляционная методика определения мипималыюго значения пикфактора речи, при максимальном коэффициенте нелинейных искажений;

2) разработан способ восстановления огибающей у клиппированного РС на приёмной стороне, что повысило качество речи;

3) показано, что направляющая линия (НЛ) ПРС - это антенна Бевереджа, и необходимо учитывать снижение к.п.д. при работе в режиме передачи и снижение помехоустойчивости в режиме приёма;

4) предложено в качестве стационарной антенны ПРС использовать прожекторную осветительную мачту высотой 32 м в качестве четвертьволнового заземлённого вибратора с шунтовым питанием;

5) предложено использовать клиппированые РС вместо цифровых в канале ДНЦ, использующего ВОЛС, позволяющих теоретически повысить частотную эффективность в 8 раз;

6) разработан способ преобразования сигнала двухполосной ЧМн в цифровой системе железнодорожной радиосвязи вБМ-Я в сигнал однополосной ФМн на, что повысит её помехоустойчивость и частотную эффективность в 2 раза.

Обоснованность и достоверность выносимых на защиту результатов работы обеспечена строгим соблюдением логики проведения научных исследований, обоснованностью исходных данных и методов решения поставленных задач, непосредственным сопоставлением полученных результатов с фактическими данными.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) разработанный корреляционный анализ клиппированиого однополосного сигнала;

2) полученные формулы нелинейных искажений, пикфактора, выигрыша в помехоустойчивости ПРС при амплитудном ограничении однополосного сигнала и результаты расчёта по ним;

3.) способ восстановления огибающей клиппированиого РС;

4) однопроводная направляющая линия ПРС рассмотренная как антенна Бевереджа с расчётом её диаграммы направленности, определяющей потери мощности при излучении и приёме дополнительных помех;

5) разработанные автором АЦП и ЦАП для ПРС и временные диаграммы их работы;

6) разработанная методика расчёта влияния опор контактной сети на ДН локомотивной антенны;

7) разработанный высокоточный измеритель напряжённости электромагнитного поля гектометровых волн в зоне индукции.

Внедрение результатов работы осуществлено в соответствующие проекты ООО НПП "АКСИОН-РТИ". Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)) в рамках дисциплин «Теория передачи сигналов», «Электромагнитные поля и волны». Все результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Глава 1 Аналитический обзор литературных источников по эффективности

ноездной радиосвязи

1.1 Определение критериев эффективности поездной радиосвязи

Критерии эффективности ПРС вытекают из формулы Шеннона для пропускной способности канала связи [1]:

где Р - ширина полосы частот канала;

Рс - средняя мощность полного сигнала на выходе приёмника; Рш = - средняя мощность шумов.

Если разделить левую и правую части формулы (1.1) на скорость передачи информации Д по каналу связи и сделать соответствующие преобразования в её круглой скобке, то получим критерии эффективности и их взаимосвязь:

коэффициент использования канала по полосе частот;

д

р^— — Р — критерий энергетической эффективности ((3 - эффективность), то

есть коэффициент использования канала по отношению сигнал/шум. Тогда формула (1.2) принимает вид:

(1.1)

по пропускной способности;

- = а - критерий частотной эффективности (а - эффективность), то есть

1

11 ^ . «ч

V

или

а

Г] =

1ое2(1+|)'

Согласно теореме Шеннона, при соответствующих способах передачи (кодировании и модуляции) и приёма (демодуляции и декодирования) величина г| может быть сколь угодно близкой к единице, при сколь угодно малой вероятности ошибки. В этом случае из условия 77 = 1 вытекает предельная зависимость между а и ß:

а = log2(l

или

Эта зависимость ß = /(«) представлена на рисунке 1.1. Полученная кривая (рисунок 1.1) является предельной и отражает наилучший обмен между а и ß в непрерывном канале. Отметим, что а изменяется от 0 до оо, a ß - ограничена сверху:

ßmax = Hm /? - lim—= 7^-= 1,443 (1,59 дБ) а->0 а->0 ¿а — 1 In а

Рисунок 1.1 - Предельная кривая зависимости (3 (а) в непрерывном канале

Из рисунка 1.1 вытекает следующее:

1) Минимально возможная граница энергетических затрат в канале связи, который обеспечивает высокое качество принимаемой информации, определяется

величиной 0,693, при этом удельная скорость передачи информации не должна быть меньше 10.

2) В частотно - ограниченных непрерывных каналах связи удельную скорость

1 r

передачи информации целесообразно выбрать равной - = - = 2, то есть скорость

передачи информации в два раза больше ширины полосы частот при незначительных энергетических затратах (менее 1,8 дБ).

3) Реализация более высокой удельной скорости в канале приводит к резкому увеличению энергетических затрат, например, при удельной скорости, равной 4, энергетические затраты составляют 5,19 дБ.

Аналогичные предельные кривые можно построить и для любых других каналов, если вместо R в выражении для а и (3 (1.1 и 1.2) подставить выражение пропускной способности С соответствующего канала связи. Для дискретного канала:

V

С = v[\ogm + р log-- + (1 — р) log(l — р)],

т — 1

где р — вероятность, т — основание кода; \) — коэффициент пропорциональности.

Для двоичного симметричного канала (т. = 2) пропускная способность в двоичных единицах в единицу времени:

С = ъ>[1 + р logp + (1 - р) log(l - р)], Коэффициент использования пропускной способности (г) - эффективность):

R

4 = 0

Скорость передачи информации в системах с равновероятными дискретными уровнями L и одинаковыми вероятностями ошибок:

Я = \ ■ Hog L - Р0 log(L - 1) + Р„ log Р0 + (1 - Р0) log(l ~ P0)L

Р0 - вероятность ошибки, Т - длительность сигнала. Для дискретных систем связи:

Я Я о

Г1 = Т0'Т = 71^

где #0 - скорость передачи при идеальном кодировании; т]2 = ~~~ эффективность системы модуляции.

Коэффициенты а, Р, г| называют соответственно а (3 - и ц -эффективностями.

Такими критериями являются: 1) отношение мощности сигнала к мощности

рс

шума — на выходе приемника, что определяет его помехоустойчивость;

рш

2) полоса частот канала;

3) информационный к.п.д.

1.2 Помехоустойчивость поездной радиосвязи

На железнодорожном транспорте используются радиостанции с узкополосной аналоговой частотной модуляцией (ЧМ), помехоустойчивость которых определяется обобщённым выигрышем системы. Для таких радиостанций с ЧМ обобщённый выигрыш системы:

2

т

3 =31¿2"' кп

где т - индекс ЧМ;

кп - пикфактор речевого сигнала.

т —

F

1 max

где Afg < 3 кГц - дивиация частоты, Fmax = 3400 Гц - максимальная частота модулирующего речевого сигнала. Отсюда:

т < — < 0,8.

3,4

Пикфактор кп- это отношение максимального выброса сигнала Umax к эффективному значению а:

7, _ Углах

Кп~ а •

Из курса математики известно, что для нормального процесса имеет место правило трёх сигм, т.е. �