Способ обработки сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия и устройство для его реализации

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики. Предварительно в память измерительного средства записывают энергетические спектры образцовых кодовых сигналов АЛСН. Сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию. Вычисляют автокорреляционную функцию сигнала. Осуществляют дискретное преобразование Фурье с последующим определением энергетического спектра сигнала. Определяют максимальное значение, соответствующее текущему значению несущей частоты в энергетическом спектре принятого сигнала АЛСН. Сравнивают значения несущих частот принятого и образцового сигналов. При отклонении несущей частоты принятого сигнала от несущей частоты образцового сигнала осуществляют сдвиг по частоте энергетического спектра принятого сигнала до совпадения значений несущих частот сравниваемых энергетических спектров сигналов. Осуществляют подавление несущих частот в спектрах принятого и образцового сигналов. Определяют значения коэффициентов корреляции между энергетическим спектром принятого сигнала и энергетическими спектрами образцовых сигналов, и по максимальному коэффициенту корреляции определяется принятый из рельсовой цепи кодовый сигнал с последующим его отображением на индикаторе. Устройство содержит блок приема сигналов, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, первый цифровой коррелятор, сигнальный процессор, арифметико-логическое устройство, второй цифровой коррелятор, устройство выбора максимального коэффициента корреляции, блок сравнения, блок индикации. Вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу блока приема сигналов. Ко вторым входам второго цифрового коррелятора и блока сравнения подключено запоминающее устройство. Технический результат заключается в обеспечении высокой достоверности обработки сигналов. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Группа изобретений относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики.

Известен способ обработки сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН), основанный на приеме периодических сигналов АЛСН переменного тока с заданной несущей частотой из рельсовой цепи, формировании на их основе синхронизированных кодовых посылок (кодовых циклов, разделенных синхронизирующей паузой) и последующем различении их путем последовательного счета числа импульсов и пауз в каждом кодовом цикле, например при помощи реле-счетчиков, и определении принятого из рельсовой цепи кодового сигнала по количеству возбужденных счетчиков к концу кодового цикла. Устройство, реализующее указанный способ обработки сигналов АЛСН, включает в себя последовательно соединенные блок приема сигналов АЛСН, в состав которого входят приемные локомотивные катушки, усилитель и фильтр, блок преобразования кодовых сигналов, в состав которого входят формирователь синхронизированных кодовых посылок и счетчик числа импульсов и пауз в каждом кодовом цикле, и блок индикации (кн. Вахнин М.И. и др. Путевая блокировка и авторегулировка. М.: Транспорт, 1974, с.333-344 - прототип).

Недостатком известного способа обработки сигналов АЛСН, а также устройства, реализующего этот способ, является невозможность правильной обработки сигнала и последующей его идентификации при нарушении цикловой синхронизации кодовых комбинаций, а также отсутствие в этих технических решениях автоматической настройки приемника на новую несущую частоту при перемещении локомотива на другой участок железной дороги.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении высокой достоверности обработки сигналов АЛСН при нарушениях цикловой синхронизации кодовых комбинаций принятых сигналов, а также при девиации или смене их несущей частоты.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе обработки сигналов АЛСН, основанном на преобразовании кодового сигнала АЛСН, принятого из рельсовой цепи, и его последующем определении, в отличие от прототипа предварительно в память измерительного средства записывают энергетические спектры образцовых кодовых сигналов АЛСН, принятый из рельсовой цепи сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию, производят вычисление автокорреляционной функции сигнала, осуществляют дискретное преобразование Фурье с последующим определением энергетического спектра сигнала, определяют максимальное значение, соответствующее текущему значению несущей частоты в энергетическом спектре принятого сигнала АЛСН, сравнивают значения несущих частот принятого и образцового сигналов, при отклонении несущей частоты принятого сигнала от несущей частоты образцового сигнала осуществляют сдвиг по частоте энергетического спектра принятого сигнала до совпадения значений несущих частот сравниваемых спектров сигналов, после чего осуществляют подавление несущих частот в спектрах принятого и образцового сигналов, затем определяют значения коэффициентов корреляции между энергетическим спектром принятого сигнала и энергетическими спектрами образцовых сигналов, и по максимальному коэффициенту корреляции определяется принятый из рельсовой цепи кодовый сигнал с последующим его отображением на индикаторе.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для обработки сигналов АЛСН, содержащем блок приема сигналов, блок преобразования кодовых сигналов и блок индикации, в отличие от прототипа блок преобразования кодовых сигналов выполнен в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, первого цифрового коррелятора, сигнального процессора, арифметико-логического устройства, второго цифрового коррелятора, устройства выбора максимального коэффициента корреляции, блока сравнения и блока индикации, при этом вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу блока приема сигналов АЛСН, выход блока сравнения соединен с блоком индикации, а ко вторым входам второго цифрового коррелятора и блока сравнения подключено запоминающее устройство.

На фиг.1 представлена схема устройства для обработки сигналов АЛСН.

На фиг.2 представлен спектр мощности сигнала с несущей частотой.

На фиг.3 представлены спектры мощности образцового сигнала и принятого сигнала. У принятого сигнала значение несущей частоты выше значения несущей частоты образцового сигнала.

На фиг.4 изображен спектр мощности сигнала с подавленной несущей частотой.

Устройство для обработки сигналов АЛСН содержит блок приема сигналов 1, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, первый цифровой коррелятор 3, сигнальный процессор 4, арифметико-логическое устройство (АЛУ) 5, второй цифровой коррелятор 6, устройство выбора максимального коэффициента корреляции 7, блок сравнения 8 и блок индикации 9, вход АЦП 2 подключен к выходу блока приема сигналов 1, ко вторым входам второго цифрового коррелятора 6 и блока сравнения 8 подключено запоминающее устройство (ЗУ) 10.

Устройство для обработки сигналов АЛСН работает следующим образом.

Блок приема сигналов 1 АЛСН, в состав которого входят приемные локомотивные катушки, соединенные с усилителем, осуществляет прием из рельсовой цепи сигналов АЛСН. Принятый и усиленный сигнал поступает с блока 1 приема сигналов АЛСН на вход АЦП 2, который производит оцифровку принятых сигналов АЛСН. Далее оцифрованный сигнал с выхода АЦП 2 поступает в первый цифровой коррелятор 3, в котором осуществляется вычисление автокорреляционной функции (АКФ) принятого сигнала. Полученный массив данных поступает в сигнальный процессор 4, в котором осуществляется вычисление энергетического спектра сигнала. Далее сигнал поступает в АЛУ 5, которое позволяет осуществить разделение значений энергетического спектра на несколько частотных областей, в каждой из выделенных областей выполняются операции автоматической подстройки (сдвига частоты) и подавления несущих в энергетических спектрах образцового и принятого сигналов. После этого информационные сигналы поступают во второй цифровой коррелятор 6, в котором с использованием образов энергетических спектров, хранящихся в ЗУ 10, вычисляются коэффициенты корреляции между энергетическим спектром принятого сигнала и энергетическим спектром каждого из образцовых сигналов. С помощью устройства 7 выбора максимального коэффициента корреляции определяется максимальный коэффициент корреляции, по которому в устройстве сравнения 8 производится определение кода сигнала, информация о котором поступает из ЗУ 10. После определения кода принятого сигнала он отображается с помощью блока индикации 9.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, может быть выполнено на основе широко используемой в настоящее время элементной базы, в частности, с использованием сигнальных процессоров или микросхем программируемой логики.

Аналоговый сигнал s(t), принимаемый локомотивными катушками, преобразуется в дискретную последовательность {s(t_m)} равноотстоящих друг от друга отсчетов, причем полное число отсчетов на отрезке времени [0;Т], равное М, должно быть кратно целой степени n числа 2, т.е. М=2ⁿ, m∈[0, M-1], Т - период обработки сигнала, определяемый частотой дискретизации и числом М.

После этого производится вычисление автокорреляционной функции (АКФ) сигнала:

где р=-(М-1), ..., (М-1), при этом если p+k<0 или p+k≥M, то s_p+k=0, i=0, 1, ..., 2М-2. Для дальнейшей обработки сигнала необходимо дополнить массив значений R_i до 2М элементов. Для этого выполняется операция присвоения нулевого значения элементу с индексом 2М-1, R_2M-1=0.

Далее производится обработка АКФ с применением весовой (оконной) функции, например функции Хэмминга:

где N=2М; i=0, 1, 2, ... 2M-1.

Над полученным таким образом массивом данных осуществляется дискретное преобразование Фурье (ДПФ) по формуле (3):

Так как коэффициенты С_n являются комплексными числами

C_n=Re(C_n)+Im(C_n),

где Re(C_n) и Im(C_n) - соответственно действительная и мнимая части коэффициентов С_n, то по определению энергетического спектра сигнала его составляющие A_n вычисляются следующим образом

Передача кодовых сигналов осуществляется с помощью амплитудной манипуляции на несущих частотах 25 Гц, 50 Гц, 75 Гц. Для обеспечения автоматической настройки (совмещения несущих частот спектральных портретов принятого и образцового сигналов) полученный массив данных А_n распределяется по нескольким частотным областям, в частном случае по трем частотным областям [12.5-37.5] Гц, [37.5-62.5] Гц, [62.5-87.5] Гц. Далее алгоритм обработки одинаков для каждой частотной области. На фиг.2 представлен энергетический спектр сигнала для одной из таких областей.

Предварительно в память измерительного средства записывают энергетические спектры образцовых кодовых сигналов автоматической локомотивной сигнализации. Для совмещения полученного спектрального портрета сигнала с образцовым, исключения погрешностей, вызванных цифровой обработкой сигнала и девиацией несущей, необходимо совместить энергетический портрет принятого сигнала с портретом образцового сигнала так, чтобы максимумы, соответствующие несущим, совпали. Такую операцию сдвига иллюстрирует фиг.3.

После этого для корректного расчета значений коэффициентов корреляции осуществляется подавление несущей частоты в образцовых спектрах и спектре принятого сигнала фиг.4.

Для идентификации сигнала необходимо рассчитать коэффициенты корреляции между энергетическим спектром В_n каждого из образцовых сигналов и энергетическим спектром принятого сигнала A_n:

где cov({A_n},{B_n}) - коэффициент ковариации, D_{An} и D_{Bn} - соответственно дисперсии энергетического спектра принятого и образцовых сигналов.

Максимальный коэффициент корреляции из полученного набора значений ρ_{An}{Bn} определяет искомый сигнал.

Таким образом, предложенный способ и реализующее его устройство позволяют обеспечить высокую достоверность обработки сигналов АЛСН при нарушениях цикловой синхронизации кодовых комбинаций принятых сигналов, а также при девиации или смене их несущей частоты, что, в свою очередь, повышает надежность системы и обеспечивает более высокую безопасность движения поезда по участку.

1. Способ обработки сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН), основанный на преобразовании кодового сигнала АЛСН, принятого из рельсовой цепи, и его последующем определении, отличающийся тем, что предварительно в память измерительного средства записывают энергетические спектры образцовых кодовых сигналов АЛСН, принятый из рельсовой цепи сигнал подвергают аналого-цифровому преобразованию, производят вычисление автокорреляционной функции сигнала, осуществляют дискретное преобразование Фурье с последующим определением энергетического спектра сигнала, определяют максимальное значение, соответствующее текущему значению несущей частоты в энергетическом спектре принятого сигнала АЛСН, сравнивают значения несущих частот принятого и образцового сигналов, при отклонении несущей частоты принятого сигнала от несущей частоты образцового сигнала осуществляют сдвиг по частоте энергетического спектра принятого сигнала до совпадения значений несущих частот сравниваемых энергетических спектров сигналов, после чего осуществляют подавление несущих частот в спектрах принятого и образцового сигналов, затем определяют значения коэффициентов корреляции между энергетическим спектром принятого сигнала и энергетическими спектрами образцовых сигналов, и по максимальному коэффициенту корреляции определяется принятый из рельсовой цепи кодовый сигнал с последующим его отображением на индикаторе.

2. Устройство для обработки сигналов автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН), содержащее блок приема сигналов АЛСН, блок преобразования кодовых сигналов и блок индикации, отличающееся тем, что блок преобразования кодовых сигналов выполнен в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, первого цифрового коррелятора, сигнального процессора, арифметико-логического устройства, второго цифрового коррелятора, устройства выбора максимального коэффициента корреляции, блока сравнения и блока индикации, при этом вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу блока приема сигналов АЛСН, выход блока сравнения соединен с блоком индикации, а ко вторым входам второго цифрового коррелятора и блока сравнения подключено запоминающее устройство.