Автореферат (Максимизация частотной эффективности и помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи)

На правах рукописиКУЗЮКОВ ВАСИЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧМАКСИМИЗАЦИЯЧАСТОТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙРАДИОСВЯЗИ05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевиденияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание научной степени кандидата технических наукМосква - 20152Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Московский государственный университетпутей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Автоматика, телемеханика и связь нажелезнодорожном транспорте».Научный руководитель:Волков Анатолий Алексеевич д. т. н., профессоркафедры «Автоматика, телемеханика и связь нажелезнодорожном транспорте» МГУПС (МИИТ)Официальные оппоненты:Шаврин Сергей Сергеевич, д.

т. н., профессор,ФГБОУуниверситеттехнический«МосковскийВПОсвязии информатики»,кафедра«Многоканальная электросвязь»Овчаров Игорь Валентинович, к. т. н., старшийнаучный сотрудник, ФГУП «Всероссийскийэлектротехнический институт имени В.И.Ленина»Ведущая организация:ОАО «Научно-исследовательскийконструкторскийавтоматизацииинститути связии проектно-информатизации,на железнодорожномтранспорте» (НИИАС).Защитасостоитсядиссертационного29октябрясовета Д212.157.052015г.,в15:00назаседаниипри ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» поадресу: г.

Москва, Красноказарменная улица, дом 17, аудитория А-402.Отзывыучреждения,на авторефератв двух экземплярах,просим направлятьКрасноказарменнаяулица,заверенныепо адресу: 111250, Россия,дом 17, Ученыйпечатьюг. Москва,совет ФГБОУВО «ННУ«МЭН».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУВО «НИУ «МЭИ» www.mpei.ru.Автореферат разослан «_»-----Ученый секретарь диссертационного советаД212.157.05 к.т.н., доцент2015 г.г.,«.()t:JJl\J.L-t;UКуликов Р.С.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемы.проблемойОСНОВНОЙв радиосвязиявляетсядефицит частотного ресурса, которая обостряется с каждым годом, так какрастёт число вновь разрабатываемых радиосистем различного назначения, втомчислеи на железнодорожномтранспорте.Но частотныйресурсограничен и давно распределён. В связи с этим в России вышел закон «Освязи», который подробно обсуждается в журнале «Электросвязь»2008 г. Там говорится, что надо разумно перераспределятьвсех устраивает.дефицитаПоэтомучастотногоиспользованияданнаяресурсаимеющихсядиссертациязасчётуменьшаться,частоты, что непосвященаповышениясокращениюэффективностичастотных полос путём уменьшенияспектра радиосигнала.

При этом помехоустойчивостьа наоборот - должна увеличиваться.N~9 заширинырадиосвязи не должнаЭто в первую очередьнеобходимо для Ж.-д. радиосвязи, таккак там высок уровень помех, и до сихпориспользуетсяаналоговая·помехоустойчивостьможетЖ.-д. радиосвязиотрицательноИспользованиедоузкополоснаяпорПоэтомуне всегда удовлетворительная,сказаться . насихЧМ.безопасностианалоговойдвижениярадиосвязи,анечтопоездов.цифровойобъясняется тем, что их приёмники не совместимы между собой, а заменитьсразувсежелезнодорожныезатруднительно.ПоэтомурадиостанциирадиосвязиЧМнацифровыеИначе могут быть аварийные ситуации, что небезопасно.в данной работе повышаетсяэффективностьсэксплуатируемойс ЧМ, и будущейпомехоустойчивостьв настоящеецифровой.повремяИзвестно,Котельникову)и частотнаяаналоговойЖ.-д.что максимальновозможную(потенциальнуюпомехоустойчивостьобеспечиваетфазовая манипуляция (ФМн) на ~800, когда модулирующимявляется дискретный сигнал. Именно поэтому изобретатель относительнойФМн на 1800 проф.

Петрович Н.Т. предложил передавать клиппированнуюречьс помощьюограниченииФМннапо амплитуде)1800.Новозникаютприклиппированиидополнительные(глубокомтрудности:1)расширение спектра сигнала, 2) возникновение дополнительных нелинейныхискажений,3)снижениедиссертацииэти задачикачестварешены,восстановленнойчто позволилоречи.уменьшитьВданнойосновную4проблемурадиосвязипомехоустойчивости.- дефицит частотногоресурса при максимумееёЭтим определяется актуальность данной работы.Степень разработанностиTeI\JbI'В данной работе снижается дефицит частотного ресурса в радиосвязипутём повышенияэффективностииспользованияимеющихсячастотныхполос. Этим вопросом стали заниматься давно, с 1927 г., путём перехода сдвухполоснойаналоговой АМ на однополосную АМ (ОБП АМ).

Об этомм.в. Шулейкина, П.В. Шмакова, В.И.говорят работы российских учёныхСифорова, Е.Г. Момота, М.В. Верзунова, Г.А. Зейтленка, Б.Б. Штейна Б.Б идр., а также зарубежных авторов Ширекса, Вивера и др.В конце двадцатого века и далее вместо аналоговых стали использоватьцифровые сигналы, которые гораздо (в 8 раз) широкополо сне е аналоговых.Поэтому дефицит частотного ресурса резко обострился. Для борьбы с нимоднополоснуюмодуляциюне .используютпо техническимпричинам.Используют раздельное кодирование источника сигнала и канала связи, чтосильноусложняетрадиосвязисистему.ТакимиявляютсяцифровыеЖ.-д. системыGSM -R, TETRA и др. В GSM -R используетсядвухполоснаячастотнаяфильтрациейманипуляция(GSM-R),а в TETRAс-минимальнаяпредварительнойгауссовскойдвойнаяотносительнаял:л:44фазоваяманипуляция на 1800 со сдвигом по фазе на - радиан (- - DQPSK)В даннойформированиядиссертационнойОБП с фазовойклиппированномуицифровомучастотную эффективность,работе впервыеманипуляциейсигналам,разработаныспособына 1800 (ОБП-ФМн)чтоповышаетно и помехоустойчивостьнепотолькорадиосвязи в 2 раза.Предложены и другие, более эффективные способы.

Сигнал ОБП-ФМн на1800 проще формировать по клиппированному речевому сигналу (РС), чемпоцифровомуклиппированиисигналу,и полосачастотРС теряется информация,гораздозаложеннаяуже.Однакоприв его огибающей,отчего снижается качество речи на приёмной стороне. Для устранения этогонедостаткавданнойдиссертацииразработанспособвосстановленияогибающей на приёмной стороне. Новизна всех разработок в диссертацииподтверждена патентами рф на изобретения и публикациями [1-9].Цельюдиссертационнойпомехоустойчивостиичастотнойработыявляетсяэффективностиповышениежелезнодорожной5радиосвязи. Для достижения поставленной цели сформулированы и решеныконкретные задачи:1.оптимизированопередающейсторонеклиппированиепокритериюРемодулирующегомаксимуманапомехоустойчивостирадиосвязи и минимума нелинейных искажений;2.разработанклиппированногоспособРена приёмнойсторонедляуогибающейвосстановленияповышениякачествавосстановленной речи;3.разработанспособфазовой манипуляциейформированияоднополосногосигналаРена 1800 (ОБП-ФМн) по клиппированномусдляповышения помехоустойчивости и частотной эффективности в 2 раза;4.у цифровой ж.-д.

системы радиосвязи GSM-R двухполосная ЧМнпреобразована в однополосный сигнал с фазовой манипуляций (ОБП-ФМн)на 1800 для повышения частотной эффективности и помехоустойчивостив2раза;предложено передавать не полный ре, а только его фазовую5.составляющую.Объектом исследования являются устройства. повышения частотнойэффективности и помехоустойчивости радиосвязи.Принятые ограниченияосуществляетсяи допущения. До сих пор ж.-д. радиосвязьс помощью аналоговой ЧМ: в условиях высокого уровняпомех.

Переход на цифровую сдерживает несовместимость их приёмников.ПоэтомувсехСточки зрения безопасности движения поездов .надо делать заменурадиостанцийодновременно,что.затруднительно.Поэтомувдиссертации. предложены способы повышения частотной эффективности ипомехоустойчивостии для эксплуатируемойаналоговойи для будущейцифровой ж.-д. радиосвязи.Предметформализованныеисследованияметодысоставляютповышениянаучныепомехоустойчивостиосновыии частотнойэффективности ж.-д.

радиосвязи.Научная новизна работы определяется следующими результатами:1.Предложены: три основных направления повышения частотнойэффективностиформированияИ·помехоустойчивости.ОБП-ФМн. на .1800ж.-д.. порадиосвязи:дискретномупутём.сигналуб(клиппированному РС или ЦС), путём передачи не полного РС, а только егоогибающей и частотной составляющей или только фазовой составляющей(синтетическийпозволяетПметод); путём деления полосы частот РС в 2повыситьпомехоустойчивостьэффективностьв 2 разаи более,а- в 2 раза.

Новизна этих предложений подтвержденапм [5,7,9].патентами РФ на2.частотнуюраз. ЭтоРазработанакорреляционнаяметодика [2] определения уровнянелинейных искажений kf при минимуме пик-фактора knкл однополосногоИречевого сигналов.3.Уточненыформулыдляописанияколичественногоклиппированного РС [1] в этой методике.4.ПредложеноэксплуатируемойкогерентноеЖ.-д. радиосвязи.детектированиеНовизнаЧМразработкисигналоввподтвержденапатентом РФ на ПМ [10].5.Разработано [3] устройство восстановления опорного колебанияпо сигналу ОБU-ФМн на 1800 для его когерентногодетектированиябезобратной работы.6.Разработано[4]устройствовосстановленияогибающейуклиппированного РС на приёмной стороне.Теоретическаяипрактическаязначимостьрезультатовисследования состоит в том, что впервые:1.Предложены три основных направления повышения частотнойэффективностии помехоустойчивостиЖ.-д. радиосвязи в 2 и более раз.Новизна этих предложений подтверждена патентами РФ на ПМ.2.Разработана корреляционнаяметодика [2] определения уровнянелинейных искажений kf при клиппировании РС с минимумом пик-фактораknкл однополосногоИречевогосигналов.Показано,что kf =7,4%,чтодопустимо, knкл= l,52=min, обеспечивающим выигрыш в помехоустойчивостижелезнодорожнойрадиосвязи с ЧМ в 4,33 раза или 6,36дБ, что хорошосовпало с экспериментальными данными.3.Уточнены основополагающиекорреляции однополосногоформулы этой методики: функциисигнала, Ro (Т) на входе ограничителя и на еговыходе В(т), что обеспечило хорошее совпадение расчёта и эксперимента.74.Разработаныширокополосноготривариантафазовращателяпроблемногона 900 для формирования1800, из которых ,- один по клишшрованномублокаОБП-ФМн наРС, а два - по ЦС.

Новизнаразработок подтверждена патентами рф на ПМ и публикацией [3,5,10].5.ступениРазработанмодуляциианалогово-цифровойсистемы. GSM-R,преобразователькоторыйдля первойобеспечиваетменьшийуровень шумов квантования. Новизна разработки подтверждена патентом РФна изобретение [6].6.ОБП-ФМнРазработан [3] восстановительопорного колебания по сигналуна 1800 для его когерентногодетектированиябез обратнойработы.7.Разработанэксплуатируемойкогерентныйдетектор. железнодорожнойЧМрадиостанции,сигналачтодляповышаетпомехоустойчивость в 2 раза, новизна разработки подтверждена патентом РФнаПМ."'.8.Разработан [4] восстановитель огибающей у клиппированного Рена приёмной стороне, что повысило качество речи.9.Предложено вместо полного Ре передавать только его фазовуюсоставляющую и по ней синтезировать на приёмной стороне полный ре.

Посравнению с передачей его огибающей и частотной составляющей это даётвыигрыш в полосе частот в 3 раза, а по сравнению с полным Ре в 86 раз.10.Разработаны идентичные делители полосы частот Ре в 2 раз наПодной поднесущей частоте что повысило частотную эффективность в это жечисло раз. Новизна разработки подтверждена патентом РФ на изобретение[9].Методологияи методы исследованияПри выполнении диссертационной работы были использованы методыматематическогоанализа, корреляционнаяметодика, теория вероятностей,преобразование Фурье, преобразование Гильберта.Положения,выносимые- разработанныйна защитуформировалель однополосного колебания с фазовойманипуляцией на 1800 (ОБП-ФМн) по клиппированному и по цифровому Ре;- разработаннаянелинейных искажений;корреляционнаяметодика[2] определенияуровня8уточнённыеформулыдляколичественногоописанияклиппированного РС;- разработанныеширокополосныефазовращатели сигнала на 900 дляформирования ОБП-ФМн на 1800- разработанное [3] устройство восстановления опорного колебания посигналу ОБП-ФМн на 1800разработанное[3]устройствоогибающей у клиппированноговосстановлениявосстановленияРе- разработанный делитель полосы частот РС в 2П раз и синтетическийспособ.Степень достоверноетидиссертационной работыДостоверность полученных результатов, основных научных выводов ирекомендаций,сформулированныхобоснованностьв диссертации, опирается на чёткость ипостановок решаемых задач, корректность разработанныхустройств, патентами.Внедрениепроекты000МОСКОВСКАЯрезультатовнппработы осуществлено«АКСИОН-РТИ»,ДИРЕКЦИЯв соответствующиеЗАО «ЦЕНТРТРАНСТЕЛЕКОМ»,СВЯЗИЦССОАО«РЖД».Отдельныерезультаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры«Автоматика, телемеханика и связь на ж.-д.