Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Схема подключения передатчиков и приемников ЧМ-сигналов к
Линии связи При дуплексной связи (рис. 8.10) используется одна общая пара проводов для каналов как телеуправления, так и телесигнализации. В проводных линиях связи каналы с большей частотой используются для ближних пунктов КП, а с меньшей — более удаленными, так как затухание сигналов на нижних частотах меньше и дальность действия каналов больше. При дуплексной связи используются частотные каналы телеуправления и теле- сигнализации. Между каналами ТУ и ТС оставляют разграничивающую полосу, чтобы уменьшить влияние высоких уровней передатчиков на низкие уровни приходящих сигналов. Примерное распределение частот при дуплексной связи следующее: /j отводится для телеуправления разъединителями контактной сети в системах телемеханики с временным разделением каналов связи; f 2 — для ТУ подстанций и постов секционирования в системах с частотным разделением; f3 и f4 — разграничивающая полоса; f5 — резервный канал ТС (или телеизмерения по вызову); f6 — для ТС разъединителей контактной сети; f1—fn — для ТС тяговых подстанций и постов секцио- нирвоания в системах с частотным разделением каналов связи. Уровень помех при дуплексной связи оказывается более высоким, чем при симплексной, вследствие дополнительного влияния передатчиков каналов, работающих в одном направлении, на приемники каналов противоположного направления. В связи с этим дальность передачи при дуплексной связи всегда меньше, чем при симплексной. Кроме того, при дуплексной связи максимально возможное число каналов, работающих в одну сторону при том же спектре частот, всегда меньше, так как часть спектра занята каналами, работающими в другом направлении. Для уменьшения влияния передатчиков на приемники одного и того же пункта при дуплексной связи их подключают к линии через дифференциальные ДФ или групповые фильтры. Однако передатчики все-таки оказывают влияние на приемники противоположного направления соседних пунктов. Чтобы уменьшить это влияние при дуплексной связи, нужно обеспечить необходимый разнос частот между каналами, работающими в противоположных направлениях. При подключении к линии связи промежуточных пунктов затухание увеличивается из-за того, что часть энергии сигнала рассеивается на внутренних сопротивлениях аппаратуры этих пунктов. Чтобы уменьшить затухание, вносимое промежуточным пунктом, его подключают к линии через дополнительный резистор Rд (рис. 8.11). Затухание, вносимое в линию промежуточным пунктом, определяется выражением (8.17) где Zn — сопротивление линии, Ом; Ri — внутреннее сопротивление передатчика под номером i, Ом; Rд — сопротивление дополнительного резистора, Ом. Если при дуплексной связи пункты подключаются через дифференциальную систему, необходимо также учитывать вносимое ею затухание. Обычно его принимают 3, 5—5 дБ. Для исключения отраженных волн и уменьшения помех линия по концам должна быть нагружена на сопротивления, равные ее волновому сопротивлению. Поэтому сопротивление аппаратуры оконечных пунктов должно быть согласовано с сопротивлением линии связи. Такое согласование осуществляется с помощью специальных устройств. Основные сведения по аппаратуре частотных Каналов связи В системах телемеханики электрифицированных железных дорог применяют частотные каналы связи. Аппаратура позволяет образовывать до 19 каналов. Средняя частота первого канала 450 Гц, средние частоты других каналов следуют через 180 Гц. Полоса частот каждого канала составляет 140 Гц. В системах телемеханики ЭСТ-62 и МСТ-95 предусмотрено использование до 19 каналов, средние частоты которых приведены в табл. 8.1. В системе «Лисна» используется 16 каналов связи в тональном (телефонном) диапазоне частот. Информация в этой системе к границам удаленных диспетчерских кругов поступает по обходным высокочастотным каналам. Для передачи этой информации отводятся телефонные каналы, полоса частот которых не позволяет использовать каналы, частота которых превышает 3150 Гц (16 канал). Вместе с тем, в большинстве случаев для передачи телемеханической информации 16 каналов практически достаточно. Быстрый рост объема передаваемой информации потребовал увеличения числа телемеханических каналов и появления вновь в системе МСТ-95 аппаратуры для образования 17—19 каналов, как было в системе ЭСТ-62. Аппаратура каналов связи выполняется с частотной модуляцией. На схеме рис. 8.12, с представлен частотно-модулирующий передатчик, включающий в себя: модулятор М, изменяющий частоту генератора в процессе модуляции; генератор Г, создающий несущую частоту канала (см. табл. 8.1); каскад предварительного усиления ПУ; полосовой фильтр Ф; выходной усилитель мощности ВУ; линейный блок ЛБ, обеспечивающий присоединение передатчика к линии связи. Кодовая серия телемеханики с выходного устройства поступает на модулятор М, который изменяет частоту работы генератора Г, в соответствии с поступающими элементами серии. Предварительно усиленные усилителем ПУ частотные импульсы через полосовой фильтр Ф поступает на выходной усилитель ВУ. С усилителя ВУ модулированные и усиленные до необходимого уровня импульсы через линейный блок ЛБ поступают в линию связи. Приемник ЧМ сигналов (рис. 8.12, б) состоит из следующих блоков: линейного блока ЛБ; полосового фильтра Ф, усилительного каскада У; усилителей-ограничителей У01 и У02 (соответственно для ограничения сигналов с большой и малой амплитудой); дискриминатора Д; выходного триггера ТГ. Для повышения дальности передачи в комплект аппаратуры входят симплексный и дуплексный усилители. Аппаратура предназначена для работы по проводным воздушным и кабельным линиям связи и может быть использована для передачи сигналов по телефонным каналам высокочастотного уплотнения и радиорелейным линиям. Рассмотренные передатчики и приемники используются также в аппаратуре телеблокировки выключателей контактной сети. Аппаратура каналов связи системы МСТ-95 Комплект аппаратуры каналов связи, входящий в состав устройств телемеханики МСТ-95, как указывалось ранее, позволяет образовать 19 независимых каналов связи по выделенным проводным воздушным и кабельным линиям. В качестве транзитных могут быть использованы высокочастотные каналы и радиорелейные линии. Возможно использование как симплексной, так и дуплексной связи. При цепочечном расположении КП обычно применяют симплексную связь. Частотный передатчик, структурная схема которого представлена на рис. 8.13, включает в себя модулятор М, задающий генератор Г, программируемый счетчик-делитель СД, симметрирующий триггер, преобразователи прямоугольных импульсов в треугольные П/Т и треугольных — в синусоиду Т/С, полосовой фильтр ПФ, ключи для амплитудной модуляции К и выходной усилитель мощности УМ. В передатчике применен кварцевый генератор, что обеспечивает высокую стабильность частоты. Вместе с программируемым счетчиком, шинами установки частоты УЧ и симметрирующим триггером он образует синтезатор частоты каналов. Модулятор М обеспечивает необходимое изменение частоты при нанесении информации. С выхода симметрирующего триггера Т на вход С модулятора М поступает сигнал синхронизации. Благодаря этому сигналу изменение частоты при модуляции осуществляется синхронно с ее периодом. Это позволяет синтезировать гармонический частотно-модулированный сигнал со стабильным спектром, что облегчает задачу фильтрации. С целью формирования синусоидальных сигналов прямоугольные импульсы, поступающие с выхода триггера Т, предварительно преобразуются в треугольные, затем в преобразователе «треугольник-синус» Т/С они приобретают синусоидальную форму. При соответствующей настройке величина искажений не превышает 5 %, что допустимо благодаря наличию полосового фильтра ПФ. При частотной модуляции изменяется частота элементов сигнала, что в процессе преобразования может привести к непредусмотренной амплитудной модуляции (амплитуды сигналов «1» и «О» будут отличаться друг от друга). Для ее устранения предусмотрена цепь корректировки амплитуды КА, идущая с выхода модулятора М на вход А преобразователя П/Т. После преобразования сигналы через полосовой фильтр поступают на усилитель мощности УМ. Уровень напряжения передачи устанавливается с помощью встроенного в УМ регулятора. В передатчике предусмотрена возможность амплитудной модуляции при работе с аппаратурой других систем телемеханики (вход AM). Частотный приемник (рис. 8.14) содержит согласующий входной элемент СВ, полосовой фильтр ПФ, ограничитель амплитуды Ог, частотный детектор ЧД и фиксирующий узел ФУз. Согласующий входной элемент СВ ослабляет сигналы, спектр которых находится вне рабочего диапазона частот каналов всей системы. Полосовой фильтр ПФ из поступившей на его вход суммы сигналов различных каналов и помех выделяет сигналы только своего канала. Его параметры обеспечивают заданную характеристику при достаточном подавлении сигналов соседних каналов. Сигнал с выхода полосового фильтра ПФ поступает на ограничитель амплитуд Ог. Ограничение начинается с уровня сигнала данного канала связи на входе приемника, равного 3 мВ. Синусоидальный сигнал с непредусмотренной амплитудной модуляцией на входе Ог преобразуется в сигналы прямоугольной формы, свободные от паразитной амплитудной модуляции. Ограничитель Ог подавляет также импульсные помехи. Ограниченный сигнал поступает на частотный детектор, содержащий два узкополосных фильтра. Один из них настроен на частоту^ — 45 Гц, второй — на частоту Уд + 45 Гц (где /0 — средняя частота канала). Уровень сигналов на их выходах зависимь от поступающей в данный момент частоты. Таким образом, ЧМ сигналы, поступающие на входы частотного детектора ЧД, преобразуются в AM сигналы. Каждый из них поступает на свой детектор и далее — на сумматор, входящий в состав ЧД. С выхода ЧД разность сигналов, свободная от несущей частоты, поступает в фиксирующий узел ФУз. Фиксирующий узел устраняет возможность искажения длительности следующих друг за другом импульсов и пауз и формирует последовательность уровней, соответствующих логическим сигналам «О» и « 1 », тождественных поступающим на вход передатчика импульсам. Электрические фильтры Электрическими фильтрами называются устройства, пропускающие токи одной частоты или полосы частот и задерживающие токи всех других частот. В телемеханических приемно-передающих устройствах каналов связи электрические фильтры используются широко. На рис. 8.15 приведены характеристики затухания идеальных фильтров. Фильтры нижних частот (рис. 8.15, а) пропускают без ослабления токи всех частот ниже некоторой граничной fг р и задерживают токи всех частот выше ее. Фильтры верхних частот (рис. 8.15, б) пропускают без ослабления токи всех частот выше граничной fгр и задерживают токи всех частот ниже ее. Полосовые фильтры (рис. 8.15, в) пропускают без ослабления токи определенной полосы частот между граничными верхней fгр В и нижней fгр и не пропускают токи всех остальных частот. Режекторные (заградительные) фильтры (рис. 8.15, г) пропускают токи всех частот, кроме некоторой полосы, лежащей между fгр н и fгрв Реальные фильтры вносят некоторое затухание для токов частот, лежащих в полосе прозрачности, а затухание токов частот, соответствующих полосе непрозрачности, никогда не достигают бесконечности. Переход от полосы прозрачности к полосе непрозрачности происходит не скачком, как у идеальных фильтров, а постепенно. При этом за полосу прозрачности принимают полосу ∆ f при которой затухание не превышает 3 дБ, что соответствует снижению мощности сигнала в 2 раза. На рис 8.16. приведена характеристика затухания реального полосового фильтра. Затухание а фильтра обычно выражается в децибелах (дБ). Чем выше качество фильтра, тем круче ветви характеристики, тем ближе она к прямоугольной. Это качество фильтра характеризуется коэффициентом прямоугольности: где ∆ f — полоса частот фильтра на уровне 3 дБ; ∆ f' — полоса частот фильтра на условном уровне 30 или 50 дБ в зависимости от качества фильтра. Чем ближе характеристика к прямоугольной, тем ближе к единице коэффициент прямоугольнос ти. Для качественных фильтров Кп — 0, 5 0, 7 (по уровню 50 дБ). Наибольшее применение в устройствах телемеханики получили полосовые фильтры. Простейшие полосовые фильтры представляют LC-контуры: последовательный (рис. 8.17, а) и параллельный (рис. 8.17, б). Ток Iк в последовательном контуре (рис. 8.17, в) и напряжение UK в параллельном контуре (рис 8.17, г) имеют значительную зависимость от частоты и достигают максимума Iрез Uрез и при резонансной частоте Iрез. Полоса прозрачности контура ∆ f определяется на уровне 0, 7Iрез или Uрез, что соответствует снижению мощности сигнала в 2 раза, т.е. соответствует примерно 3 дБ. Качество контура характеризуется его затуханием а или добротностью Q=1/a . Обычно а одиночный LC-контур не обеспечивает необходимого затухания в полосе непрозрачности (недостаточная крутизна его характеристики, а коэффициент прямоугольности на уровне 30 дБ составляет от 0, 05 до 0, 15). Поэтому применяют более сложные фильтры с большим числом элементов, т.е. фильтры более высоких порядков. На рис. 8.18. приведена зависимость полного сопротивления Z последовательного LC-контура от частоты. Если пренебречь активным сопротивлением контура, то его полное сопротивление можно записать: (8.19) где xL — сопротивление катушки L при частоте f; хс — сопротивление конденсатора С при частоте f При f= fрез xL = хс, a-Z = 0. При f= 0 и xL = 0, хс -» ∞, aZ — хс -»∞ При частотах меньших f^e3 полное сопротивление носит емкостной характер и ведет себя так же как емкость, сопротивление которой х'с = х, - хс. При частотах выше преобладает индуктивное сопротивление xL, сопротивление контура носит индуктивный характер и ведет себя как индуктивность, сопротивление которой x'L=xL-xc. Если увеличивать индуктивность и пропорционально снижать емкость так, чтобы не менялась резонансная частота то крутизна характеристики контура будет возра- стать, т. е. характеристика контура при L = L2 будет круче, чем при L = Ly, если L2 > L 1 (рис. 8.18). В нагрузке, включенной последовательно с LC-конту- ром, при частоте источника в пределах зоны I, носящей емкостной характер, ток будет опережать напряжение на фазе. В зоне II сопротивление контура носит индуктивный характер, и ток в нагрузке отстает от напряжения. При частоте fpe3 ток и напряжение совпадают по фазе. Теперь рассмотрим характеристики двух LC-контуров, резонансные частоты которых f1 и f2 отличаются (рис. 8.19). При этом получаем три зоны: в зоне I сопротивления контуров носят емкостной характер; в зоне II сопротивление первого контура индуктивноеxLy, а второго — емкостное хc2; в зоне III сопротивление обоих контуров индуктивное, причем xL! | значительно больше хL2. Если эти два контура включаются на нагрузку параллельно, то в зонах I и III их токи будут складываться, а в зоне II — вычитаться. Если эти два контура включены в разные плечи дифференциального трансформатора (LI, С1 и L2, С2 на рис. 8.20), то напряжения на них подаются в противофазе, и токи в зонах I и III будут вычитаться, а в зоне II — складываться. Шестиэлементный дифференциалыю-мостиковый фильтр шестого порядка (рис. 8.20) включает в себя шесть элементов (три индуктивности и три емкости) и дифференциальный трансформатор. Емкости и индуктивности образуют три последовательных LC-контура (L1., C1; L2, C2; L3, C3), два из которых включены параллельно в одно плечо дифференциального трансформатора и один контур L2, С2 — в другое плечо. Характеристики сопротивлений контуров приведены на рис. 8.21, а. Наименьшую резонансную частоту fy имеет контур LI, С1, наибольшую f3 — контур L3, СЗ. В зоне I сопротивление контура L3, СЗ очень большое и ток через него практически на нагрузку не проходит. Токи двух других контуров LI, С1 и L2, С2 носят емкостной характер, но так как контуры в разных плечах трансформатора и напряжения сдвинуты на 180°, то токи в нагрузке вычитаются, т. е. затухание сигнала в этой зоне большое, а при частоте/н оно стремится к бесконечности (рис. 8.21, б). В точке п характеристики Zy и Z2 пересекаются, сопротивления и токи равны, токи в нагрузке направлены встречно, сигнал отсутствует — полное затухание. По мере увеличения частоты от fн до fy увеличивается разность сопротивлений, а значит и разность токов в нагрузке, т. е. возрастает мощность сигнала. В зоне II сопротивление Z3 по-прежнему очень велико и ток в контуре L3, СЗ практически отсутствует. Сопротивление Zy в этой зоне носит уже индуктивный характер, токи первого и второго контуров складываются, а затухание резко снижается. В зоне III сопротивление Z1 становится значительным и ток в первом контуре практически отсутствует, а сопротивление Z3 существенно снижается, носит емкостной характер. Сопротивление Z2 в этой зоне уже становится индуктивным, т. е. токи второго и В зоне IV сопротивления всех трех контуров носят индуктивный характер и возрастают с увеличением частоты, а токи снижаются. Так как ток на нагрузке определяется разностью токов второго и третьего контуров, то он резко снижается, затухание сигнала быстро нарастает и в точке т при частоте fB ∞ оно стремится к бесконечности. При частотах меньших fн ∞ и больше fB ∞ токи контуров LI, Cl; L2, С2; L3, СЗ неодинаковы, их разность не равна нулю, поэтому затухание, вносимое фильтром, на этих частотах остается достаточно большим. В аппаратуре каналов связи телемеханики «Лисна» используют сдвоенные шестиэлементные дифференциально- мостиковые фильтры двенадцатого порядка (рис. 8.22). Принцип их работы аналогичен выше рассмотренному, но они имеют лучшие характеристики затухания. Активные RC-фильтры быстро вытесняют LC-фильтры. Последние в диапазоне тональных частот имеют большие размеры и массу, трудоемки в изготовлении, обладают недостаточной температурой и временной стабильностью. Вследствие этого, а также в связи с развитием интегральной технологии активные RC-фильтры приобретают большое значение (рис. 8.23). Активными такие фильтры называются потому, что они всегда имеют усилители и обратные связи. Принцип действия фильтра основан на методе аналогового моделирования математических операций, используемых при передаче. В него входят: сумматор, выполненный на операционном усилителе У01; два интегратора ОУ2 и ОУЗ. В схеме одновременно реализуются функции высокочастотного ВЧ-фильтра, полосового ПФ и низкочастотного НЧ. Так как в каждом звене на выходе включен усилитель с малым выходным и большим входным сопротивлением, можно считать, что звенья полностью развязаны между собой. В этом случае передаточная функция каждого звена не зависит ни от предыдущего, ни от последующего звена и может рассматриваться вне связи с другими. В практических схемах фильтров, разработанных в виде толстопленочных микросборок применены гибридные одновходовые усилители. Настройка частоты и добротности фильтра осуществляется подгонкой пленочных резисторов с помощью лазера. Сопротивления резисторов R, R0, Rl, R3 влияют на частоту и добротность фильтра, а сопротивление резистора R2 — только на добротность. Настройку фильтра начи- нают с настройки частоты. Грубую подгонку частоты осуществляют с помощью резистора R или конденсатора С (при изготовлении фильтра), точную подгонку — с помощью резисторов R0 и R3. После настройки частоты необходимую добротность устанавливают с помощью резистора R2, включенного последовательно с одним из конденсаторов С. Для получения фильтров более высоких порядков рассмотренные фильтры включают последовательно. Цифровые фильтры в последнее время привлекают большое внимание в виду высокой стабильности, независящей от каких-либо параметров схемы (рис. 8.24). Цифровой фильтр содержит входной аналоговый фильтр АФ аналого-цифрового преобразователя АЦП, микроЭВМ (либо микропроцессор), цифро-аналоговый преобразователь ЦАП и фильтр нижних частот ФНЧ. С помощью АФ АЦП выбираются входные сигналы, которые преобразуются в цифровую форму. МикроЭВМ обрабатывает поступающие цифровые выборки сигнала по специальной программе. С выхода микроЭВМ цифровой сигнал поступает на ЦАП, где из цифровой формы вновь превращается в аналоговую. Так как работа АФ ЦАП и ЦАП всегда сопровождается появлением паразитных высших гармоник, то они отфильтровываются простым фильтром нижних частот ФНЧ. В таком фильтре средняя частота, добротность, порядок фильтра полностью определяются программой обработки сигнала в микроЭВМ и не зависят от каких-либо параметров схемы фильтра, поэтому имеют очень высокую стабильность. Следует отметить, что для применения в простых устройствах автоматики и телемеханики подобные фильтры достаточно сложны и дороги. Квазицифровые фильтры наряду с цифровыми имеют практическое применение. В них обработка сигнала осуществляется как бы (квази) цифровая аналоговым способом. В аппаратуре телемеханики МРК на интегральных схемах применены квазицифровые фильтры на основе коммутируемых конденсаторов. На рис. 8.25, а представлена структурная схема квазицифрового фильтра. С помощью схемы управления, на которую поступают стабильные по частоте импульсы от внешнего кварцевого генератора КГ, осуществляется поочередное подключение конденсаторов с частотой Nf0 (N— число конденсаторов). Вблизи частоты^ схема ведет себя как звено полосового фильтра второго порядка со средней частотой^). Пусть частота включения каждого конденсатора (Cl, С2, СЗ и С4) в точности равно входной частоте fвх = f(), а момент включения первого конденсатора С1 совпадает с моментом перехода входного напряжения UBX через нуль (рис. 8.25, б). Если процесс осуществляется продолжительное время, то на каждом конденсаторе устанавливается напряжение U С, равное среднему напряжению синусоиды на данном отрезке времени, в течение которого включается конденсатор под
номером 1. Так как конденсаторы подключаются последовательно во времени, то и напряжение, поступающее с них на выход Uвых, будет представлять собой последовательность прямоугольных разнополярных импульсов. Если частота входного напряжения UBx отличается от частоты переключений конденсаторов, то на каждый конденсатор при каждом его включении будет поступать напряжение обеих полярностей, его среднее значение при этом будет стремиться к нулю. Следовательно, на выходе фильтра появляется напряжение только на частоте, совпадающей с частотой переключений конденсаторов. Характерной особенностью фильтра является то, что кроме основной полосы вокруг f0 фильтр имеет полосу прозрачности (пропускания) около нуля, а также вокруг частот 2f0 , Зfо и т.д., т.е. схема имеет гребенчатую характеристику пропускания (рис. 8.25, в). Выходной сигнал фильтра имеет несинусоидальную форму, представляет собой последовательность импульсов почти прямоугольной формы. Чтобы получить на выходе синусоидальный сигнал, на входе и выходе квазицифрового фильтра КФ применяются дополнительные аналоговые фильтры АФ1 и АФ2 (рис. 8.25, г). При этом аналоговые фильтры могут быть более простые и менее стабильные, чем в случае чисто аналоговой фильтрации, так как паразитные полосы частот гребенчатой характеристики лежат значительно дальше от основной частоты, чем полосы соседних каналов. Создать аналоговый фильтр, подавляющий паразитные частоты в этом случае гораздо проще, чем для полосы соседнего канала. Например, пусть f0 = 3000 Гц, каналы телемеханики на электрифицированных железных дорогах отстоят друг от друга на интервал частот 180 Гц, в то время как ближайшая соседняя полоса 2f0 будет отстоять от f0 на 3000 Гц, подавить эту полосу сравнительно не очень сложно. Квазицифровой фильтр должен иметь аналоговую фильтрацию сигнала на входе и выходе. Учитывая, что основная фильтрация сигнала в приемнике осуществляется входным фильтром в дискриминаторе, аналоговые фильтры на входе не применяются. Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 1957; Нарушение авторского права страницы