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 -» ∞, aZхс -»∞

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.


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 1863; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.039 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь