СИСТЕМА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ
RAILWAY RADIO COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к области железнодорожной радиосвязи, являющейся единственным средством связи с движущимся поездом.
Известны системы ж.д. радиосвязи, описанные в различных источниках, например:
1. Горелов Г.В., Волков А.А., Шелухин В.И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи. - М.: ГОИ, 2007.
2. Ваванов Ю.В. и др. Радиотехнические системы железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1991.
3. Рамлау П.Н. и др. Радиосвязь на железнодорожном транспорте. - М.: Транспорт, 1983.
По технической сущности наиболее близкой к изобретению является система, описанная в первом источнике, которая по этой причине и принимается за ее прототип. В остальных источниках - аналоги изобретения.
Прототип: система состоит на передающей стороне из последовательно включенных микрофона, передатчика аналоговых ЧМ сигналов, антенно-фидерного тракта, а на приемной стороне - из последовательно соединенных атенно-фидерного тракта, приемника аналоговых ЧМ сигналов, громкоговорителя.
Основным недостатком прототипа является невысокая помехоустойчивость приема сигналов в условиях высокого уровня помех, что имеет место на ж.д. транспорте и что связано с безопасностью движения поездов.
Техническим результатом изобретения является увеличение помехоустойчивости приема речевых сигналов в 3,3 раза без ухудшения качества речи.
Сущность изобретения состоит в том, что в систему ж.д. радиосвязи, состоящей на передающей стороне из последовательно включенных микрофона, передатчика аналоговых ЧМ сигналов, антенно-фидерного тракта, а на приемной стороне - из последовательно включенных антенно-фидерного тракта, приемника аналоговых ЧМ сигналов, громкоговорителя, дополнительно введены на передающей стороне генератор вспомогательной несущей частоты и последовательно подключенные к выходу микрофона усилитель, перемножитель сигналов, двусторонний усилитель-ограничитель амплитуды сигнала, полосовой фильтр, когерентный детектор, выход которого подключен к низкочастотному (н.ч.) входу передатчика ЧМ сигналов; выход генератора вспомогательной несущей частоты подключен к высокочастотному (в.ч.) входу перемножителя и к опорному входу когерентного детектора, а на приемной стороне дополнительно введены генератор импульсов и последовательно подключенные к выходу приемника ЧМ сигналов дискретизатор по времени, интегратор по времени, фильтр нижних частот (ФНЧ), усилитель звуковой частоты, выход которого подключен к входу громкоговорителя; выход генератора импульсов подключен к в.ч. входу дискретизатора сигнала по времени.
Существенным отличием изобретения являются введенные элементы и их связи.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема радиопередающего устройства, а на фиг.2 - радиоприемного устройства радиосистемы.
На фиг.1 обозначено: 1 - микрофон, 2 - микрофонный усилитель, 3 - перемножитель сигналов, 4 - генератор колебания вспомогательной несущей частоты, 5 - усилитель-ограничитель амплитуды сигналов, 6 - полосовой фильтр, 7 - когерентный детектор, 8 - передатчик ЧМ сигналов.
На фиг.2 обозначено: 9 - приемник ЧМ сигналов, 10 - дискретизатор по времени, 11 - генератор импульсов, 12 - двусторонний усилитель-ограничитель амплитуды сигнала, 13 - интегратор по времени, 14 - ФНЧ, 15 - усилитель звуковой частоты (УЗЧ), 16 - громкоговоритель. Введенные элементы обведены пунктирной линией.
Работа схемы происходит следующим образом.
Введенные элементы на передающей стороне (фиг.1), обведенные пунктирной линией, представляют собой глубокий двусторонний ограничитель амплитуды (клиппирующее устройство) речевого сигнала без гармоник его частотных составляющих, что и определяет существенный выигрыш в помехоустойчивости без ухудшения качестве речи. В эксплуатируемых ж.д. радиостанциях при нормальной громкости разговора ограничение амплитуды сигнала отсутствует. Если же громкость будет значительно выше нормы (крики), то соответствующий сигнал большого уровня ограничивается по амплитуде во избежание увеличения девиации частоты выше нормы, создающей помехи соседним частотным каналам. Введенные элементы на передающей стороне глубоко ограничивают по амплитуде сигнал не только большой, но и средней, и малой громкости. Конечно, глубоко ограниченный по амплитуде (клиппированный) сигнал имеет более низкую натуральность, но на приемной стороне введенные элементы устраняют этот недостаток.
4
4
Речевой сигнал (PC) является широкополосным, так как его полоса частот ΔΩ больше средней частоты его спектра. Поэтому непосредственное ограничение по низкой частоте (н.ч.) сопровождается попаданием в его полосу частот гармоник его частотных составляющих, начиная со второй и до одиннадцатой для 300 Гц. Это сильно и необратимо ухудшает разборчивость речи на выходе приемника. Для исключения этого недостатка широкополосный н.ч. PC с микрофонного усилителя 2 (фиг.1) преобразуется в узкополосный в.ч. сигнал в перемножителе 3, для чего он поступает на его н.ч. вход. На в.ч. вход блока 3 поступает колебание вспомогательной несущей частоты u=Ucosωt с генератора 4. Речевой сигнал с выхода блока 2 можно представить в общем виде проекцией аналитического сигнала на вещественную ось комплексной плоскости:
u(t)=U(t)cosφ(t), где U(t) - огибающая, φ(t) - его фаза. На выходе перемножителя 3 имеет место колебание
которое является узкополосным в.ч. колебанием, так как его полоса частот 2ΔΩ<<ω.
3
3
5
Колебание u(t) поступает на вход двустороннего амплитудного усилителя-ограничителя 5, на выходе которого будет не только первая, но и более высокие гармоники, находящиеся вне ее спектра. ФНЧ 6 пропускает на свой выход только первую гармонику, которая представляет собой колебание u(t), но только постоянной амплитуды U. Сигнал с выхода ФНЧ 6 когерентно детектируется в блоке 7 для получения н.ч. неискаженного гармониками PC постоянной амплитуды. Для этого на опорный вход блока 7 подается колебание вспомогательной несущей частоты с генератора 4. Когерентный детектор 7 состоит из перемножителя сигналов с подключенным к его выходу ФНЧ. На выходе перемножителя блока 7 колебание
7
7
7
6
4
ФНЧ блока 7 пропускает на свой выход только первое слагаемое u(t)=Ucosφ(t), где U=0,5UU которое и представляет собой н.ч. широкополосный клиппированный PC без гармоник его частотных составляющих. Этот сигнал поступает на микрофонный вход передатчика 8, с выхода которого ЧМ колебание излучается антенной А.
На приемной стороне (фиг.2) ЧМ сигнал с выхода приемной антенны А поступает на вход приемника 9, где он опять преобразуется в н.ч. речевой сигнал (PC) постоянной амплитуды. Введенные элементы 10-15, обведенные пунктирной линией на фиг.2, восстанавливают амплитуду U(t) речевого сигнала и тем самым восстанавливают натуральность речи. Данное восстановление амплитуды осуществляется по принципу дельта-модуляции (ДМ) с поправкой. Поправка заключается в следующем. В известной ДМ передается знак приращения Δf функции PC. Но при очень малом приращении аргумента Δt приращение функции практически равно дифференциалу df этой функции по времени: Δf=df=(df/dt)Δt. Это значит, что знак приращения функции f(t) определяется знаком ее производной df/dt. Дискретизируя по времени эту производную, а затем предельно ограничивая по амплитуде дискретный сигнал, получим в чистом виде сигнал ДМ. Детектором этого сигнала является интегратор по времени с ФНЧ на его выходе. Сигнал на выходе ФНЧ представляет собой PC с огибающей. Если операцию дифференцирования исключить, то на выходе детектора-интегратора с ФНЧ будет такой PC с такой же огибающей, как и при дифференцировании, но сдвинутый по фазе на 90°. Это подтвердил компьютерный эксперимент по программе «Elektroniks Workbench». Ухо человека не реагирует на начальную фазу речи и поэтому можно использовать такую ДМ без дифференцирования (фиг.2).
9
С блока 9 речевой сигнал постоянной амплитуды u(t)=U cosφ(t) поступает на н.ч. вход дискретизатора по времени 10, на в.ч. вход которого подаются импульсы с генератора 11. Дискретизированный сигнал с блока 10 предельно и двусторонне ограничивается по амплитуде (клиппируется) в блоке 12, после чего интегрируется по времени в блоке 13, где восстанавливается PC с огибающей U(t). Далее этот PC поступает через ФНЧ 14 и УЗЧ 15 на громкоговоритель 16, где он преобразуется в звук.
Помехоустойчивость приема PC определяется обобщенным выигрышем [1]
n
, где m - индекс ЧМ, а К - пик-фактор PC. Если PC не ограничен по амплитуде, то . При глубоком ограничении амплитуды PC значение . Это значит, что данное изобретение обеспечивает выигрыш в помехоустойчивости приема PC в  раза без ухудшения качества речи.
Технико-экономическим эффектом изобретения является повышение в 3,3 раза помехоустойчивости приема сигнала без ухудшения качества речи. Введенные элементы на фиг.1,2 являются внешними по отношению к радиостанции и поэтому их можно использовать и в эксплуатируемых радиостанциях.