УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

Полезная модель относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и может быть использована в устройствах автоматической локомотивной сигнализации, в которой применяются числовые кодовые сигналы.
Известно устройство для дешифрации числовых кодовых сигналов автоматической локомотивной сигнализации, содержащее последовательно соединенные приемник сигналов, блок счетчиков, блок цикловой синхронизации, дешифратор числа импульсов за период циклического повторения кодовой комбинации. (Ю.А.Кравцов и др., «Системы железнодорожной автоматики и телемеханики» М., Транспорт, 1996, с.146, 154). Устройство обладает серьезным недостатком, заключающимся в невозможности дешифрации кодовых сигналов при нарушении цикловой синхронизации вследствие воздействия помех от электроподвижного состава.
Известно устройство для дешифрирования сигналов автоматической локомотивной сигнализации, принятое в качестве прототипа, содержащее последовательно соединенные приемник, блок оцифровки, а также дешифратор, выполненный в виде последовательно соединенных между собой блока дискретного преобразования Фурье, блока вычисления коэффициентов корреляции между амплитудным спектром принятого сигнала и амплитудными спектрами образцовых сигналов, блока определения кодового сигнала автоматической локомотивной сигнализации и блока индикации. (RU 2327592, B61L 25/06, 27.06.08). Недостатками этого устройства является недостаточная точность и сложность технической реализации. Как показывает практика точность быстрого преобразования Фурье (БПФ) колеблется в пределах 5-10%, поэтому при близких максимальных значениях коэффициента взаимной корреляции амплитудных спектров двух или нескольких образцовых сигналов вероятность ошибки (принятия ложного решения) возрастает. Метод БПФ требует от вычислителя высокой производительности. Его реализация возможна только на специализированном матричном вычислителе (или на сигнальном процессоре), с производительностью 1500-2000 MIPS и большим числом вспомогательных чипов. При этом следует иметь в виду, что для реализации безопасного решения требуется, как минимум, двойной комплект вычислителей (дублирование). В связи с усложнением устройства уменьшается его надежность, возрастают трудозатраты и себестоимость.
Технический результат полезной модели заключается в повышении надежности работы устройства и обеспечении точности дешифрации числовых кодовых сигналов автоматической локомотивной сигнализации при нарушении цикловой синхронизации кодовых комбинаций.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для обработки сигналов автоматической локомотивной сигнализации, содержащем приемник сигналов автоматической локомотивной сигнализации, к выходу которого подключен аналого-цифровой преобразователь, и дешифратор кодовых сигналов, выход которого является выходом устройства, согласно предложению введены вычислитель коэффициентов корреляции, блок памяти, в котором записаны образцовые двоичные сигналы с временным сдвигом относительно начала отсчета, блок выделения двоичных сигналов, блок выбора максимальных значений коэффициентов корреляции, анализатор временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета и вычислительный блок, при этом первый и второй входы вычислителя коэффициентов корреляции подключены соответственно к блоку памяти, в котором записаны образцовые двоичные сигналы с временным сдвигом относительно начала отсчета, и выходу блока выделения двоичных сигналов, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход вычислителя коэффициентов корреляции соединен с входом блока выбора максимальных значений коэффициентов корреляции, первый выход которого подключен к первому входу вычислительного блока, а второй выход - подключен к входу анализатора временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета, соединенного со вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом дешифратора кодовых сигналов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства для обработки сигналов автоматической локомотивной сигнализации.
Устройство для обработки сигналов автоматической локомотивной сигнализации, содержит приемник 5 сигналов автоматической локомотивной сигнализации, к выходу которого подключен аналого-цифровой преобразователь 4, и дешифратор 9 кодовых сигналов, выход которого является выходом устройства, а также вычислитель 2 коэффициентов корреляции, блок 1 памяти, в котором записаны образцовые двоичные сигналы с временным сдвигом относительно начала отсчета, блок 3 выделения двоичных сигналов, блок 6 выбора максимальных значений коэффициентов корреляции, анализатор 7 временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета и вычислительный блок 8, при этом первый и второй входы вычислителя 2 коэффициентов корреляции подключены соответственно к блоку 1 памяти, в котором записаны образцовые двоичные сигналы с временным сдвигом относительно начала отсчета, и выходу блока 3 выделения двоичных сигналов, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 4, выход вычислителя 2 коэффициентов корреляции соединен с входом блока 6 выбора максимальных значений коэффициентов корреляции, первый выход которого подключен к первому входу вычислительного блока 8, а второй выход - подключен к входу анализатора 7 временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета, соединенного со вторым входом вычислительного блока 8, выход которого соединен с входом дешифратора 9 кодовых сигналов.
Устройство работает следующим образом.
От приемника 5 сигналов автоматической локомотивной сигнализации поступает сигнал числового кода автоматической локомотивной сигнализации. Аналого-цифровой преобразователь 4, считывая состояние входного сигнала через равные интервалы времени Δt (шаг дискретизации), формирует последовательность чисел, принимающих два возможных значения: -1 (пауза) или +1 (импульс). Такие числа по аналогии с 0 и 1, будем называть битами. Таким образом, принятый сигнал числовой кодовой комбинации на выходе аналого-цифрового преобразователя 4 преобразуется в последовательность бит, поступающих с фиксированной скоростью, равной частоте дискретизации.
Величина шага дискретизации Δt влияет на точность измерений и объем вычислений. Для наглядности описания алгоритма работы устройства для обработки сигналов автоматической локомотивной сигнализации, будем полагать, что Δt=10 мс, что соответствует частоте дискретизации 100 Гц.
В системе автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН) применяется 6 кодовых комбинаций, формируемых двумя датчиками КПТ7 и КПТ5: КПТ7-З, КПТ7-Ж, КПТ7-КЖ, КПТ5-З, КПТ5-Ж, КПТ5-КЖ.
В таблице 1 приведены параметры кодовых комбинаций АЛСН, при этом длительности элементов сигнала выражены количеством бит при условии, что каждый бит соответствует временному интервалу, равному 10 мс.
Таблица 1
№ п/п
Название кодовой комбинации
Период повторения Т, бит
Число импульсов за период повторения
Длительности выделенных двоичных сигналов N, бит
Длительности импульсов и пауз на периоде повторения, бит
1-я пауза
1-й импульс
2-я пауза
2-й импульс
3-я пауза
3-й импульс
1
КПТ7-З
190
3
190
84
32
15
22
15
22
2
КПТ7-Ж
190
2
190
84
32
15
59
-
-
3
КПТ7-КЖ
95
1
190
68
27
-
-
-
-
4
КПТ5-З
160
3
160
60
32
15
19
15
19
5
КПТ5-Ж
160
2
160
75
35
15
35
-
-
6
КПТ5-КЖ
80
1
160
60
20
-
-
-
-
Для кодовой комбинации с периодом повторения, равным T бит, имеется T различных вариантов образцовых двоичных сигналов. Каждый вариант представляет собой последовательность, сдвинутую относительно начала отсчета на f бит. Величина сдвига f образцового двоичного сигнала кодовой комбинации может принимать любые значения от 0 до T-1. Вычислительные процедуры упрощаются, если величина сдвига между соседними образцовыми двоичными сигналами является постоянной. В качестве примера при описании работы устройства рассматривается вариант, при котором величина сдвига между соседними образцовыми двоичными сигналами составляет один бит.
Образцовые двоичные сигналы числовых кодовых комбинаций с временным сдвигом относительно начала отсчета хранятся в блоке 1 памяти. Непрерывная последовательность бит с выхода аналого-цифрового преобразователя 4 поступает в блок 3 выделения двоичных сигналов. Периодически, например, через 400 мс (40бит) выделяются двоичные сигналы, равные по длительности одному периоду повторения кодовых комбинаций зеленого огня «З» или желтого огня «Ж» или двум периодам повторения кодовых комбинаций желтого с красным огня «КЖ» и составляют 190 бит (для датчика КПТ7) или 160 бит (для датчика КПТ5) (фрагменты непрерывной последовательности бит на выходе аналого-цифрового преобразователя 4).
Выделенные двоичные сигналы блоком 3 и из блока 1 памяти образцовые двоичные сигналы с временным сдвигом относительно начала отсчета поступают в вычислитель 2 коэффициентов корреляции.
Коэффициент корреляции Kf выделенного двоичного сигнала и образцового двоичного сигнала с временным сдвигом f относительно начала отсчета рассчитывается по формуле (1)
где N - длительность выделенного и образцового двоичного сигнала в битах (значения для различных кодовых комбинаций приведены в таблице 1);
Ef - образцовый сигнал с временным сдвигом f относительно начала отсчета;
R[i] - значение i-го бита (-1 или+1) выделенного двоичного сигнала (номера бит i лежат в диапазоне от 0 до N-1).
Значение коэффициента корреляции зависит от типа и временного сдвига относительно начала отсчета образцового двоичного сигнала, поэтому рассчитывается 6N значений коэффициента корреляции по всем типам и временным сдвигам относительно начала отсчета образцовых двоичных сигналов. Результаты расчета из вычислителя 2 коэффициентов корреляции поступают в блок 6 выбора максимального значения коэффициента корреляции.
Максимальное значение коэффициента корреляции Km имеет место при некотором временном сдвиге m образцового двоичного сигнала относительно начала отсчета. Действия, осуществляемые при выборе значения Km коэффициента корреляции описываются формулой (2):
Временной сдвиг m, при котором коэффициент корреляции Km максимален, поступает в анализатор 7 временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета.
При неискаженной передаче, после выделения двоичного сигнала с временным сдвигом m относительно начала отсчета, следующий выделенный двоичный сигнал, который из блока 3 выделения двоичного сигнала поступает в вычислитель 2 коэффициентов корреляции через 400 мс (40бит), будет иметь максимальное значение Km коэффициента корреляции при временном сдвиге относительно начала отсчета, рассчитываемом по формуле (3):
Анализатор 7 временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета на основании реального значения m временного сдвига очередного i-го выделенного двоичного сигнала, поступившего из вычислителя 2 коэффициентов корреляции с учетом формулы (3) рассчитывает абсолютную погрешность временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета Δm:
При незначительных искажениях сигнала абсолютная погрешность временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета Δm близка к 0. При приеме случайного (шумоподобного) сигнала значения абсолютной погрешности Δm будут значительно отличаться от 0.
На основе параметра Δm анализатор 7 временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета вычисляет весовой коэффициент Q, отражающий точность расположения текущего выделенного двоичного сигнала относительно предыдущего выделенного двоичного сигнала и принимающий числовые значения от 0 до 1, нелинейно зависящие от величины расстройки Δm. Он рассчитывается по формуле (5):
В соответствии с выражением (5), весовой коэффициент Q=1, если Δm=0 и Q=0, если модуль Am больше или равен 1/8 периода повторения T.
С выхода блока 6 выбора максимальных значений коэффициентов корреляции выбранное значение Km максимального коэффициента корреляции, а с выхода анализатора 7 временного сдвига выделенных двоичных сигналов относительно начала отсчета значения Q поступают в вычислительный блок 8.
Характеристика V выделенного двоичного сигнала, позволяющая считать его кодовой комбинацией, учитывает максимальную степень совпадения с кодовой комбинацией (максимальное значение коэффициента корреляции Km) и оценку точности повторения временного сдвига относительно начала отсчета выделенных двоичных сигналов - Q, которая является связующим звеном между последовательностью выделенных двоичных сигналов..
Характеристика V рассчитывается по формуле (6):
Формула (5) задает достаточно жесткие требования к точности повторения временного сдвига относительно начала отсчета у выделенных двоичных сигналов: значение Δm в 1/8 периода и более дают нулевой коэффициент Q. Это объясняется стремлением по возможности максимально отбраковать “чужую” кодовую комбинацию. При приеме “своей” кодовой комбинации абсолютная погрешность Δm является незначительной, и поэтому параметр Q практически никогда не равен 0. Зато для “чужих” кодовых комбинаций и на шумах, параметр Q будет часто равен 0, что позволяет игнорировать случайные всплески значений коэффициента корреляции Km.
В вычислительном блоке 8 через 400 мс формируется шесть значений параметра V=Q∗Km, которые хранятся во вспомогательном буфере соответствующего размера. На основе значений V, хранящихся в буфере, формируются средние значения характеристик Vsr за последние Sots отсчетов выделенных двоичных сигналов:
где V[0] - значение параметра V в самом последнем (“свежем”) выделенном двоичном сигнале;
V[1] - значение параметра V в выделенном двоичном сигнале, зафиксированном на 400 мс раньше, чем отрезок с V[0] и т.д.
Величина Sots является параметром алгоритма, характеризующим максимальное число выделенных двоичных сигналов, участвующих при формировании Vsr. Общее время необходимое для обработки Sots выделенных двоичных сигналов характеризует инерционность системы при смене принимаемой последовательности кодовой комбинации. В эксплуатируемой системе автоматической локомотивной сигнализации АЛСН задержка в смене сигнального показания при изменении принимаемой кодовой комбинации составляет 5.5-6 секунд.
Через каждые 400 мс на выходе вычислительного блока 8 формируется 6 значений Vsr[i], где i=0…5 номер кодовой комбинации. Значения Vsr[i] передаются в дешифратор 9 кодовых комбинаций, где определяется максимальное значение Vm среди Vsr[i], а также индекс кодовой комбинации, в которой достигается текущий максимум по средним значениям:
Эффективность описанной полезной модели для обработки сигналов автоматической локомотивной сигнализации подтверждена во время лабораторных испытаний.
Повышение надежности работы устройства и обеспечение точности дешифрации числовых кодовых сигналов автоматической локомотивной сигнализации при нарушении цикловой синхронизации кодовых комбинаций повышает безопасность движения на железной дороге.