Букварь

Букварь
по девиации частоты.
В последнее время в связи с частыми проездами вагоновлабораторий всех уровней стал часто мелькать термин
«девиация частоты» и на его основе принимаются различные
решения. Но понимание этого термина есть не у всех, поэтому
даже в официальных документах появляются «перлы» в части
формулировок и терминов. В этой работе сделана попытка
объяснения сути проблемы в самом общем виде.
Применяемые на ж. д. транспорте радиостанции
предназначены для передачи речи от одного абонента
другому по эфиру. В дальнейшем будем рассматривать только
радиостанции поездной радиосвязи гектометрового
диапазона. Передатчик одной радиостанции (например №1)
излучает в эфир так называемую «несущую частоту», а
приемник другой радиостанции (№2), находящейся на
расстоянии нескольких километров принимает ее. Несущая
частота – это электромагнитные колебания синусоидальной
формы частотой 2130 кГц (2,13 мГц). Сама несущая никакой
информации не несет и в приемнике р.ст.№2 будет обнаружен
только факт ее наличия, а в громкоговорителе пульта будет
тишина. Для того чтобы передать с помощью этой несущей
частоты информацию, а именно речь, нужно чтобы под
воздействием речевого сигнала менялся какой либо параметр
несущей частоты, а в приемнике это изменение
отслеживалось, и восстанавливалась исходная
передаваемая информация. Процесс изменения параметра
называется модуляция, а обратный процесс - демодуляция
или детектирование.
Несущая частота как синусоидальный сигнал имеет три
параметра – амплитуда, частота и фаза. Если под
воздействием речевого сигнала будет меняться амплитуда, то
мы имеем амплитудную модуляцию (АМ). Если частота –
частотную модуляцию (ЧМ), если фаза – фазовую модуляцию
(ФМ). Частотная и фазовая модуляция имеют одно общее
название – угловая модуляция, потому что частота и фаза
взаимосвязаны, ведь частота является скоростью изменения
фазы во времени. В дальнейшем будем оперировать
термином ЧМ, подразумевая, что процессы происходят
немного сложнее.
Амплитудная модуляция применяется в радиовещании на
длинных, средних и коротких волнах, в наших радиостанциях
используется частотная модуляция, а АМ является
сопутствующей (т.е.паразитной) и в технических
характеристиках радиостанций есть соответствующий
параметр, нормирующий величину этого «паразитства».
В ж .д. радиостанциях используется узкополосная
частотная модуляция (в дальнейшем рассмотрим подробнее).
Выбор этого вида модуляции был обусловлен ее небольшим
преимуществом перед АМ в помехоустойчивости, а главное –
в отсутствии серьезных требования к линейности
передатчика, позволяющих использовать режим С в выходном
каскаде и тем самым повысить к.п.д. передатчика. Следует
отметить, что ЧМ на частотах от 0,1 до 27 мГц не применяет,
кроме нас, ни одно ведомство, поэтому постоянно возникает
проблема выбора измерителей девиации, имеющих диапазон
2,13 - 2,15 мГц.
При частотной модуляции в соответствии со звуковым
сигналом изменяется частота несущей. Отклонение несущей
частоты от номинальной называется девиацией частоты. Она
измеряется кГц. Когда мы говорим, что девиация частоты
равна, допустим 2 кГц, это значит что в эфире несущая
частота меняется от 2128 до 2132 кГц. Так как девиация
частоты измеряется в тех же единицах, что и звуковой сигнал
(в кГц) и имеет примерно те же значения (звуковой сигнал 0,3
– 3 кГц, девиация частоты 0 – 2,5 кГц) их часто путают.
Звуковой сигнал мы слышим нашими ушами, а девиацию
частоты можно увидеть только измерительными приборами, и,
как говорилось ранее, она нам нужна только для переноса
звукового сигнала от передатчика к приемнику.
Величина девиации частоты зависит в основном только
от величины модулирующего (звукового) сигнала и не зависит
от частоты модулирующего сигнала. В действительности она,
конечно от частоты зависит. Это связано с введением
предкоррекции в передатчик и послекоррекции в приемник для
повышения помехоустойчивости радиостанций. Но эта
зависимость рукотворная т.е. введена для изменения уровня
звукового сигнала, подаваемого на модулятор в зависимости
от модулирующей частоты. И величина девиации частоты
меняется только потому, что сигналы разных частот подаются
с разными уровнями.
Теперь о термине узкополосная ЧМ. Частотная
модуляция, у которой девиация частоты меньше, чем
максимально возможная модулирующая частота называется
узкополосной. Она применяется в системах радиосвязи,
предназначенных для передачи речи, потому, что занимает в
эфире минимум частотного ресурса. В широкополосной ЧМ
девиация частоты превышает самую высокую модулирующую
частоту в разы. Так в УКВ ЧМ радиовещании и в тракте
звукового сопровождения аналогового телевидения девиация
частоты составляет + - 50 кГц, а максимальная модулирующая
частота –12,5 кГц. В этом случае происходит «обмен»
занимаемого в эфире места на улучшения соотношения
сигнал/шум на выходе приемника.
Переходим непосредственно к конкретным
радиостанциям. В настоящее время в нашем РЦС
применяются три типа стационарных радиостанций поездной
радиосвязи гектометрового диапазона:
РС-46М
РС-46МЦ
РВС-1-12
Они предназначены для передачи речи и сигналов
взаимодействия с другими радиостанциями – вызовов.
Источниками сигналов речи являются:
- пульты управления дежурных по станциям (ДСП), в разных
радиостанциях они называются по разному, но назначение
у них одно и то же.
- микротелефонная трубка электромеханика.
- линейный 2-х или 4-х проводной канал тональной частоты
от поездного диспетчера (ДНЦ), кроме радиостанции
РВС-1-12, у которой этот канал цифровой.
- аппаратура, подключаемая ко входу ТУ-ТС.
На рис. 1,2 и 3 приведены для примера амплитудночастотные характеристики (АЧХ), т.е. зависимости девиации
частоты передатчика от напряжения на соответствующем
входе радиостанции РС-46М.
Чтобы передавать речь с минимальными искажениями и
максимальной разбочивостью необходимо, чтобы эта
зависимость была линейной, т.е. во сколько раз увеличился
или уменьшился уровень сигнала на входе, во столько же раз
должна увеличиться или уменьшится девиация частоты
передатчика.
Как видно из графика рис.1 от точки1 до точки 2
это требование соблюдается, а выше точки 2 начинается
ограничение. Почему так сделано? Вернемся опять к нашей
несущей частоте 2,13 мГц. Она попадает в диапазон коротких
волн КВ. Во всем мире в этом диапазоне установлена сетка
частот с интервалом 5 кГц. То есть на частотах 2,125 и 2,135
мГц уже могут работать другие радиостанции, поэтому
девиация частоты нашей радиостанции не должна превышать
2,5 кГц. Поэтому в передатчике установлен ограничитель
уровня модулирующего сигнала, подающегося на модулятор.
В радиостанции имеется соответствующий параметр –
максимальная девиация частоты, который проверяется в РТУ
при ежегодной проверке параметров радиостанции. На рис.2 и
рис.3 приведены те же АЧХ, но для других речевых входов.
Позже рассмотрим и эти характеристики.
Отметим, что вынужденное введение ограничения
максимальной девиации частоты приводит к снижению
динамического диапазона речи. Динамический диапазон – это
отношение самого громкого к самому тихому звуку.
Максимальный динамический диапазон получается, когда
один человек (абонент) говорит другому непосредственно из
уст в уши. Как только этот же разговор начинает передаваться
с помощью радиостанций динамический диапазон
уменьшается и это приводит к ухудшению разборчивости
речи. Чтобы уменьшить до минимума снижение
динамического диапазона как раз и требуется не выходить за
пределы линейной части АЧХ.
Теперь рассмотрим сигналы вызова. Как упоминалось
выше эти сигналы предназначены в основном для
взаимодействия радиостанций друг с другом, т.е. для
перевода вызываемой радиостанции из режима «дежурный
прием» в режим «прием», для подключения радиостанции к
каналу ТЧ, для формирования ответного сигнала на вызов
вагона-лаборатории и т.д. Такими сигналами являются:
- вызов ДНЦ – 700 и 2100 Гц
- вызов ДСП - 1400 Гц
- вызов машиниста локомотива (ТЧМ) -1000 Гц
- подтверждение приема вызова ДСП –900 Гц
- подтверждение приема вызова от вагона-лаборатории –
900 Гц
- передача сигналов аппаратуры передачи данных (АПД) и
взаимодействия с железнодорожными АТС (ЖАТС). Эти
вызывные сигналы сейчас не применяются.
Как видно, сигналы вызова представляют собой
тональные частоты различной длительности. Но, в отличие от
сигналов речи они формируются самой радиостанцией,
проходят по другим цепям и для них не требуется линейный
участок на АЧХ. Поэтому девиация частоты для вызывных
сигналов выбрана выше, чем для разговорных и ограничена
только максимальным значением 2,5 кГц. Из-за этого в
радиостанциях введен отдельный параметр «девиация
частоты при модуляции вызывными частотами».
Рассмотрим параметры радиостанции, имеющие
отношение к девиации частоты. Этих параметров всего три:
1). Чувствительность модуляционных входов.
2). Максимальная девиация частоты.
3). Девиация частоты при модуляции вызывными частотами.
Первый и второй параметры относятся к разговорному
тракту, третий только к вызывному.
Как видно из рис.1-3 уровни сигналов, подающихся на
разные входы различны от 35 мВ до 1,39 В. Чтобы обеспечить
одинаковую громкость на приемной стороне необходимо,
чтобы девиация частоты от всех входов была примерно
одинакова и находилась на линейном участке АЧХ. Для этих
целей и служит параметр чувствительность модуляционного
входа. Он измеряется следующим образом. На вход подается
сигнал частотой 1000 Гц с уровнем, обеспечивающим
девиацию частоты 1,5 кГц. На АЧХ это точка 3. Если этот
уровень попадает в интервал, ограниченный точками 4 и 5,
значит радиостанция удовлетворяет требованиям, этот
уровень и будет являться чувствительностью
соответствующего входа. Затем полученный уровень
увеличивается на 10 дБ (примерно в 3 раза) и частота
меняется в пределах от 0,3 до 3 кГц, измеряя величину
девиации частоты. Максимальное измеренное значение и
будет результатом по пункту 2 и оно не должно превышать
значение 2,5 кГц. Таким образом, все модуляционные входы
привязываются к одной точке 3 т.е. к девиации 1,5 кгц.
Следует отметить, что в этих измерениях девиация 1,5 кГц
является только точкой отсчета при измерении
чувствительности, она не является параметром и выбрана
достаточно произвольно ближе к верхней границе линейного
участка АЧХ. Так, для радиостанции РС-46МЦ завод выбрал в
качестве точки отсчета девиацию 1,7 кГц. Частота 1000 Гц при
измерении этих параметров не является вызывной, хотя
совпадает с частотой вызова ТЧМ, она является частью
разговорной речи и просто позволяет провести измерение.
Проверка девиации частоты при модуляции вызывными
сигналами (по п.3) производится путем нажатия
соответствующей кнопки на пульте управления и измерения
девиации. Как уже говорилось эти сигналы формируются
самой радиостанцией и никак не связаны модуляционными
входами, поэтому для них и предусмотрен отдельный
параметр в технических характеристиках радиостанции.
Девиация частоты по этому параметру должна находиться в
пределах 1,5 - 2,5 кГц, т.е. ближе к максимальным значениям.
Это нужно для того, чтобы улучшить прохождение вызова при
больших дальностях связи и при работе в условиях сильных
помех.
Особенности измерения девиации частоты из вагоналаборатории.
Из вагона-лаборатории или передвижного диагностического
комплекса в настоящее время можно произвести только
измерение девиации частоты вызывными сигналами нажатием
на пульте управления соответствующей кнопки вызова или по
подтверждению радиостанцией приема вызова от вагоналаборатории частотой 900 Гц длительностью 8 С. Сигнал
подтверждения специально предусмотрен в радиостанции для
этих целей.
Возникает естественное желание проконтролировать
разговорные тракты из вагона, чтобы оценивать не на слух, а
иметь результаты измерений. К сожалению, произвести
измерение разговорного тракта со входа пульта управления
без больших затрат невозможно, т.к. необходимо на каждой
станции при проезде вагона ко входу пульта подключать
генератор с частотой 1000 Гц. Но по входу со стороны каналов
ТЧ и по входу ТУ-ТС это реально. С пульта DX-500 у ДНЦ
путем нажатия кнопки «вызов локомотива» можно подать на
модуляционный вход радиостанции частоту 1000 Гц с
известным постоянным уровнем. Из речевого информатора
РИ-1М тоже в течение 3 С подается частота 1000 Гц. Но. . .
Измеряя параметр чувствительность модуляционного входа
мы изменяем уровень сигнала 1000 Гц до достижения
фиксированного оговоренного значения девиации частоты 1,5
или 1,7 кГц. Здесь же обратная задача – уровень сигнала 1000
Гц фиксирован, а изменяется девиация частоты. Если
перевести допустимые значения чувствительности в
соответствующие значения девиации частоты, то мы по
существу будем измерять соответствующий разговорный
тракт радиостанции. Дело за малым – составить
технологическую карту и утвердить допустимые пределы
изменения девиации частоты.
К сожалению, этим путем никто не идет. Просто взяли в
качестве нормы параметр из пункта 3 (тот самый, который
действует для вызывных сигналов) и стали применять его, по
существу, для проверки радиостанции по пункту 1.
И сразу же возникла куча проблем и нестыковок. Нижняя
граница девиации частоты стала 1,5 кгц. Все, что ниже 1,5 кгц
обЪявлено крамолой.
Давайте снова вернемся к рис.2. Чувствительность
радиостанции по четырехпроводному входу в соответствии с
технческими характеристиками, данными заводом составляет
4 плюс минус 1 дБ, т.е. от 3 до 5 дБ, по напряжению это от
1,11 до 1,39 В. Такая же норма действует и во всех связевых
инструкциях. Измеренная чувствительность оказалась 1,25 В,
что полностью соответствует норме, но все, что ниже этого
уровня уже оказывается не в норме. Чувствительность может
оказаться и 5дБ (1,39 В), и в этом случае радиостанция
соответствует требованиям и будет выпущена из РТУ как
исправная. На линейной станции уровень может быть
выставлен 3 или 4 или даже 4,9 дБ, а девиация все равно
буде менее 1,5 кГц. Обратите внимание, никто ничего не
нарушил, все выполнено в соответствии с нормативными
документами, а брак получен.
Еще хуже ситуация со входом ТУ-ТС. По техкарте
радиостанции чувствительность может быть в пределах от 150
до 250 мВ. По техкарте №2 п.1.2.7. на обслуживание речевого
информатора РИ-1М на станции электромеханик должен выс –
тавить напряжение в пределах 180 – 220 мВ, т.е. возможен
случай, когда ни при каких допустимых значения уровня
сигнала на входе радиостанции девиация частоты не
превысит 1,5 кГц и опять никто не может быть назван
виновным – все выполнили свои обязанности должным
образом.
Электромеханик РВБ-13 (РТУ) Яковлев В.Н.
11 сентября 2012 г.