СИСТЕМА ДЛЯ РАДИОТЕЛЕФОННЫХ СООБЩЕНИЙ НА АВТОМАГИСТРАЛЯХ
SYSTEM FOR RADIO-TELEPHONE MESSAGES ON HIGHWAYS

Предлагаемая система относится к средствам обеспечения безопасности, защиты и спасения человека в условиях движения на крупных автомагистралях и на железнодорожных переездах.
Известны системы для автомагистралей и автоматического ограждения железнодорожного переезда (авт. свид. СССР №1342796,1592206, 1796521,1801849; патенты РФ №2090777, 2183351, 2319212; патенты США №4753895, 4816893 и другие).
Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система для радиотелефонных сообщений на автомагистралях» (патент РФ №2319212, G08В 25/12, 2006), которая и выбрана в качестве прототипа.
пр
с
з
В состав радиооборудования системы, устанавливаемого на железнодорожном переезде, входит супергетеродинный радиоприемник, в котором одно и то же значение промежуточной частоты ω может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω и ω, т.е.
пр
с
г
пр
г
з
ω=ω-ω и ω=ω-ω
с
з
с
пр
г
Следовательно, если частоту настройки ω принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω которого отличается от частоты ω на 2ω и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω гетеродина (фиг.4).
пр
Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость радиоприемника.
Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные, интермодуляционные и канал прямого прохождения) каналы приема.
В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:
ki
где ω - частота i -го комбинационного канала;
m, n, i - целые положительные числа.
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третьей и т.д.), так как чувствительность радиоприемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:
пр
Если несущая частота помехи равна промежуточной частоте ω, то образуется канал прямого прохождения.
п1
п
п2
п
п
Если два или более сигналов одновременно попадают в полосу частот Δω расположенную «слева» от полосы пропускания Δω радиоприемника, или в полосу частот Δω, расположенную «справа» от полосы пропускания Δω радиоприемника, то на нелинейных элементах образуются интермодуляционные частоты, которые могут попадать в полосу пропускания Δω радиоприемника, т.е. образуются интермодуляционные каналы приема (фиг.5, 6).
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения, зеркальному, комбинационным и интермодуляционным каналам приводят к снижению избирательности и помехоустойчивости радиоприемника.
Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости радиоприемника путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения, зеркальному, комбинационным и интермодуляционным каналам.
2
Поставленная задача решается тем, что система для радиотелефонных сообщений на автомагистралях, использующая, в соответствии с ближайшим аналогом солнечную энергию для электропитания радиопередатчика в дневное и ночное время и состоящая из многоячеистой панели солнечных парабодоидных концентраторов, в фокусах которых расположены арсенид-галлиевые фотоприемники, имеющие возможность преобразовывать концентрированную солнечную энергию с КПД до 20% и с удельной мощностью 200 Вт/м, по бокам солнечной батареи установлены фотодиоды в цилиндрических отражателях, имеющие возможность ориентировать батарею на солнце с помощью сельсинов с точностью ±2°, а сама батарея размещается в герметичной прозрачной полусфере, на которой сверху установлена штыревая антенна, соединенная с коробкой, на которой сверху установлена штыревая антенна, соединенная с коробкой, в которой размещены буферная щелочная батарея, первый радиопередатчик, радиоприемник, микрофоны и кнопки вызова, при этом коробки крепятся к разделительному барьеру автомагистрали на расстоянии 0,8-1 км друг от друга, первый радиопередатчик подключен к дуплексеру, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной, радиоприемник выполнен в виде последовательно включенных первого смесителя, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина и первого усилителя промежуточной частоты, последовательно включенных линии задержки, фазового детектора и блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, а выход подключен к первому и второму исполнительным блокам, звуковому и световому сигнализаторам, второй радиопередатчик выполнен в виде последовательно включенных микропроцессора, генератора высокой частоты и многоотводной линии задержки, кодовые отводы которой через фазоинверторы, обеспечивающие на своих выходах поворот фазы на 180° в соответствии с идентификационным кодом, подключены к сумматору, первый вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, а к выходу последовательно подключены телеграфный ключ, второй вход которого соединен с вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, первый радиопередатчик и радиоприемник установлены в коробке, которая крепится к разделительному барьеру автомагистрали в непосредственной близости от железнодорожного переезда, второй радиопередатчик установлен на локомотиве, отличается от ближайшего аналога тем, что радиоприемник снабжен двумя узкополосными фильтрами, тремя фазоинверторами, четырьмя сумматорами, двумя фазовращателями на 90°, вторым усилителем промежуточной частоты, перемножителем, амплитудным детектором и ключом, причем к выходу дуплексера последовательно подключены первый узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, первый полосовой фильтр, второй фазоинвертор, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй полосовой фильтр, третий фазоинвертор и третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен к первому входу первого смесителя, к второму выходу гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, второй усилитель промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90°, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, а выход подключен к входу линии задержки и ко второму входу фазового детектора.
Общий вид предлагаемой системы изображен на фиг.1. Структурная схема второго радиопередатчика, устанавливаемого на локомотиве, представлена на фиг.2. Структурная схема радиооборудования, устанавливаемого в коробке на железнодорожном переезде, изображена на фиг.3. Частотные диаграммы, поясняющие образование дополнительных каналов приема, представлены на фиг.4, 5 и 6.
Второй радиопередатчик содержит последовательно включенные микропроцессор 13, генератор 14 высокой частоты и многоотводную линию задержки 15, некоторые отводы которой через фазоинверторы 16 j (j=1,…,m), обеспечивающие на своих выходах поворот фазы на 180° в соответствии с идентификационным кодом M(t), подключены к сумматору 17, первый вход которого соединен с выходом генератора 14 высокой частоты, а к выходу последовательно подключены телеграфный ключ 18, второй вход которого соединен со вторым выходом микропроцессора 13, усилитель 19 мощности и передающая антенна 20.
К выходу первого радиопередатчика 21 последовательно подключены дуплексер 22, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной 11, и радиоприемник 35 состоящий из последовательно подключенных к выходу дуплексера 22 первого узкополосного фильтра 36, первого фазоинвертора 37, первого сумматора 38, второй вход соединен с выходом дуплексера 22, первый полосовой фильтр 39, второй фазоинвертор 40, второй сумматор 41, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 38, второй полосовой фильтр 42, третий фазоинвертор 43, третий сумматор 44, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 41, первый смеситель 24, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 23, первый усилитель 25 промежуточной частоты, четвертый сумматор 49, перемножитель 50, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора 44, второй узкополосный фильтр 51, амплитудный детектор 52, ключ 53, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 49, линия задержки 26. Фазовый детектор 27, второй вход которого соединен с выходом ключа 53, блок 29 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока 28 памяти, а выход подключен к первому 30 и второму 31 исполнительным блокам, звуковому 33 и световому 34 сигнализаторам. Звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы размещаются на сигнальной панели 32, которая устанавливается на железнодорожном переезде так, чтобы приближающийся участник движения мог в любое время заметить ее перед въездом на железнодорожные пути.
Солнечная батарея 1 представляет собой набор солнечных параболоидных оптических концентраторов 2, сфокусированных на арсенид-галиевые преобразователи, размещенные на тыловой стороне планок 3. Для азимутально-зенитальной ориентации по бокам батареи установлены фотодиоды 4 с отражателями 5, управляющие сельсинами 6.
Батарея установлена в герметичном прозрачном полусферическом колпаке 7 на герметичной коробке 8, внутри которой расположены буферная щелочная батарея, радиопередатчик 21, дуплексер 22 и радиоприемник 35, а на противоположных стенах коробки размещены микрофоны 9 и кнопки вызова 10. Штыревая приемо-передающая радиоантенна 11 установлена в верхней части полусферы, а вся система закреплена на разделительном барьере 12 автомагистрали в непосредственной близости от железнодорожного переезда.
Система работает следующим образом.
При возникновении дорожно-транспортного происшествия его участники нажимают кнопку 10 и через микрофон 9 сообщают в дежурную часть о подробностях случившегося.
В течение дня солнечную батарею ориентируют на солнце (или на наиболее освещенную часть неба) при помощи фотодиодов 4 с отражателями 5, которые на основе достижения равносигнальной зоны управляют сельсинами 6. При этом подзаряжают буферную батарею для работы в ночное время.
При приближении локомотива к железнодорожному переезду на определенном расстоянии R микропроцессор 13 включает радиопередатчик и генератор 14 высокой частоты, который формирует радиоимпульс
с
с
с
и
где U, ω, φ, τ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и
длительность радиоимпульса.
Сформированный импульс с выхода генератора 14 высокой частоты поступает на первый вход сумматора 17 и на вход многоотводной линии задержки 15.i (1=1, 2,…,n). В многоотводной линии задержки 15.1 время задержки между ближайшими соседними отводами равно длительности радиоимпульса . В некоторых отводах линии задержки включены фазоинверторы 16.j (j=1,2,…,m), обеспечивающие на своих выходах поворот фазы на 180° в соответствии с идентификационным кодом M(t). На выходе сумматора 17 образуется сложный фазоманипулированный (ФМн) радиосигнал в виде алгебраической суммы радиоимпульсов со всех отводов линии задержки 15 л (i=1,2,,…,n) и с выхода генератора 14 высокой частоты
k
k
и
и
и
где φ(t)={0,π} манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (радиоимпульсами) (k=1,…,n);
и
с
с
и
τ, n - длительность и количество элементарных радиоимпульсов, из которых составлен сигнал длительностью Т (Т=τn).
Данный радиосигнал с выхода сумматора 17 через телеграфный ключ 18 и усилитель 19 мощности поступает в передающую антенну 20, излучается ею в эфир, улавливается приемо-передающей антенной 11 и через дуплексер 22 и сумматоры 38, 41, у которых работает только одно плечо, поступает на первые входы смесителей 24 и 46, на вторые входы которых подается напряжение гетеродина 23:
На выходе смесителей 24 и 46 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 25 и 47 выделяются напряжение промежуточной (разностной) частоты
где
пр
с
г
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр
с
г
φ=φ-φ
пр2
Напряжение u(t) с выхода усилителя 47 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 48 на 90°, на выходе которого образуется напряжение:
пр1
пр3
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 49, на выходе которого образуется суммарное напряжение
где
1
Это напряжение подается на второй вход перемножителя 50, на первый вход которого поступает принимаемый сигнал u(t) с выхода сумматора. На выходе перемножителя 50 образуется гармоническое напряжение
где
которое выделяется узкополосным фильтром 51, детектируется амплитудным детектором 52 и подается на управляющий вход ключа 53, открывая его. В исходном состоянии ключ 53 всегда закрыт.
н1
пр
н1
пр
Частота настройки ω узкополосного фильтра 36 выбирается равным промежуточной частоте ω (фиг.4) ω=ω.
н2
п1
Частота настройки ω полосового фильтра 39 и полоса частот Δω выбираются равными (фиг.5):
н3
п3
Частота настройки ω полосового фильтра 42 и полоса частот Δω выбираются равными (фиг.6):
н3
г
н3
г
Частота настройки ω узкополосного фильтра 51 выбирается равным частоте ω гетеродина 23 ω=ω.
3
и
3
и
Суммарное напряжение  с выхода сумматора 49 через открытый ключ 53 поступает на первый вход фазового детектора 27 непосредственно и на второй вход фазового детектора 27 через линию задержки 26, время задержки τ которой выбирается равным длительности τ радиоимпульса (τ=τ).
В фазовом детекторе 27 сравнивается фаза предыдущего радиоимпульса с фазой последующего радиоимпульса. Если указанные радиоимпульсы имеют одинаковые фазы, то формируется положительный видеоимпульс. Если указанные радиоимпульсы имеют разные фазы, то формируется отрицательный видеоимпульс. На выходе фазового детектора 27 формируется низкочастотное напряжение
где
2
К - коэффициент передачи фазового детектора, пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение поступает на первый вход блока 29 сравнения кодов, на второй вход которого подается модулирующий код M(t), заранее записанный в блок 28 памяти. Так как на два входа блока 29 сравнения кодов поступают идентичные коды, то на его выходе формируется постоянное управляющее напряжение, которое поступает на управляющие входы двух исполнительных блоков 30 и 31, звукового 33 и светового сигнализаторов.
Исполнительные блоки 30 и 31 срабатывают и обеспечивают опускание двух шлагбаумов, препятствующих с двух сторон движению транспорта через железнодорожный переезд.
Звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы срабатывают и извещают о приближении к железнодорожному переезду локомотива.
сл
Для повышения достоверности приема ФМн-сигнала последний дублируется несколько раз с интервалом, например в 5 секунд. Это обеспечивается микропроцессором 13, который замыкает цепь телеграфного ключа 18 через тот же интервал времени. При этом звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы работают в проблесковом режиме с периодом следования Т=5 с.
2
При достижении локомотивом второго рубежа R (критического) микропроцессор 13 замыкает цепь телеграфного ключа 18 накоротко. При замкнутой накоротко цепи телеграфного ключа 18 звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы посылают в пространство непрерывные звуковой и световой сигналы.
При проследовании локомотива через железнодорожный переезд, шлагбаумы опускаются, а звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы прекращают свою работу.
При приближении локомотива к очередному железнодорожному переезду работа системы происходит аналогичным образом.
с
Описанная выше работа системы соответствует приему полезных ФМн-сигналов по основному каналу на частоте ω (фиг.4).
пр
Если ложный сигнал (помеха) принимается по каналу прямого прохождения на частоте ω
то он выделяется узкополосным фильтром 36 и инвертируется по фазе на 180° фазоинвертором 37
п
п
Напряжения u(t) и u'(t), поступающие на два входа сумматора 38, на его выходе компенсируются.
пр
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω подавляется с помощью фильтра-пробки, состоящего из узкополосного фильтра 36, фазоинвертора 37, сумматора 38 и реализующего фазокомпенсационный метод.
п1
п
п1
п
Если два или более ложных сигналов (помех) одновременно принимаются в полосе частот Δω (фиг.5), расположенной «слева» от полосы пропускания Δω радиоприемника и попадание в которую приводит к образованию интермодуляционных каналов, то они выделяются полосовым фильтром 39, инвертируются по фазе на 180° фазоинвертором 40 и поступают на два входа сумматора 41, на выходе которого они компенсируются. Следовательно, ложные сигналы (помехи) одновременно принимаемые в полосе частот Δω, расположенной «слева» от полосы пропускания Δω радиоприемника, подавляются с помощью фильтра-пробки, состоящего из полосового фильтра 39, фазоинвертора 40, сумматора 41 и реализующего фазокомпенсационный метод.
п2
п
п2
п
Если два или более ложных сигналов (помех) одновременно принимаются в полосе частот Δω (фиг.6), расположенной «справа» от полосы пропускания Δω радиоприемника и попадание в которую приводит к образованию интермодуляционных каналов, то они выделяются полосовым фильтром 42, инвертируются по фазе на 180° фазоинвертором 43 и поступают на два входа сумматора 44, на выходе которого они компенсируются. Следовательно, ложные сигналы (помехи) одновременно принимаемые в полосе частот Δω расположенной «слева» от полосы частот Δω радиоприемника, подаются с помощью фильтра-пробки, состоящего из полосового фильтра 42, фазоинвертора 43, сумматора 44 и реализующего фазокомпенсационный метод.
3
Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте Δω (фиг.4):
то усилителями 25 и 47 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
где
пр
Г
з
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр4
Г
з
ω=φ-φ.
пр5
Напряжение U(t) с выхода усилителя 47 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 48 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
пр4
пр6
Напряжения u(t) и u(t), поступающие на два входа сумматора 49, на его выходе компенсируются.
з
Следовательно, ложный сигнал (помеха) принимаемый по зеркальному каналу на частоте ω, подавляется с помощью «внешнего кольца», состоящего из гетеродина 23, смесителей 24 и 46, усилителей 25 и 47 промежуточной частоты, фазовращателей 45 и 48 на 90°, сумматора 49 и реализующего фазокомпенсационный метод.
k1
По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω (фиг.4).
k2
Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω
то усилителями 25 и 47 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
где
пр
k2
г
ω=ω-2ω - промежуточная частота;
пр7
k2
г.
φ=φ-φ
пр8
Напряжение u(t) с выхода усилителя 47 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 48 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
пр7
пр9
Напряжения u(t) и u(t) поступают на два входа сумматора 49, на выходе которого образуется суммарное напряжение
где
k2
Это напряжение подается на второй вход перемножителя 50, на первый вход которого поступает принимаемый ложный сигнал (помеха) u(t). На выходе перемножителя 50 образуется гармоническое напряжение
где
k2
которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 51, ключ 53 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω, подавляется с помощью «внутреннего кольца», состоящего из перемножителя 50, узкополосного фильтра 51, амплитудного детектора 52, ключа 53 и реализующего метод узкополосной фильтрации.
Предлагаемая система обеспечивает своевременное предупреждение о приближении поезда к железнодорожному переезду. Для этого используется сигнальная панель со звуковой и световой сигнализацией, которая монтируется на железнодорожном переезде так, чтобы приближающийся участник движения мог в любое время заметить ее перед выездом на железнодорожные пути.
На локомотиве устанавливается радиопередатчик, который работает на определенной частоте и излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией. Указанные сигналы обладают энергетической и структурной скрытностью и позволяют использовать структурную селекцию ФМн-сигналов среди других сигналов и помех. Работой радиопередатчика управляет микропроцессор, в памяти которого имеются все железнодорожные переезды.
Предлагаемая система, имеющая автономный источник электрической энергии, может быть смонтирована на любом железнодорожном переезде, независимо от того, где он находится. Можно быть также уверенным, что звуковая и сигнальная сигнализации обязательно сработают при приближении локомотива к железнодорожному переезду в любую погоду (туман, дождь, снег, солнце) и, следовательно, предупредят всех участников движения о приближении поезда.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом обеспечивает повышение избирательности и помехоустойчивости радиоприемника, установленного на железнодорожном переезде. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по каналам прямого прохождения, зеркальному, комбинационным и интермодуляционным каналам.