Проектирование и программная реализация комплексной системы стрелочных переводов

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТРАМВАЙНЫХ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ

1.1 Вычислительная техника в автоматизированных системах

1.2 Система дистанционного управления трамвайным стрелочным переводом

1.2.1 Реализации трамвайных стрелочных переводов

1.2.2 Радиоуправляемый стрелочный перевод. Структура действующей системы

1.3 Каналы связи радиотехнических средств передачи информации ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ПРИЕМНОЙ СТАНЦИИ

2.1 Системы цифровой связи

2.2 Функциональная схема приемника АСТСП

2.3 Полосовая модуляция и демодуляция

2.3.1 Виды цифровой манипуляции

2.3.2 Детектирование частотно-манипулированного сигнала ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ПРИЕМНИКА ДЛЯ АСТСП

3.1 Отладочная плата DSK 6416

3.2 Моделирование сеанса связи

3.3 Реализация детектора FSK модулированного сигнала ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) представляет собой одну из наиболее мощных технологий, которая в XXI веке будет определять развитие науки и техники. На протяжении последних десяти лет ЦОС оказывает первостепенное и постоянно возрастающее влияние на такие ключевые технологические отрасли, как телекоммуникации, цифровое телевидение, средства информации, биомедицина, гидролокация, космос, промышленность. Сегодня ЦОС является ядром множества видов новейших цифровых разработок и различных приложений в информационном обществе (например, мобильная цифровая связь, цифровые видеокамеры, системы звукозаписи). Однако все еще существуют сферы, куда цифровая обработка начинает внедряться.

Приемная станция автоматизированной системы трамвайных стрелочных переводов, реализованной в 80-х годах прошлого столетия в г. Барнауле, является устройством, построенным на базе аналоговых и цифровых дискретных электронных компонентов и в современных условиях индустриального города в большинстве случаев не способна адекватно реагировать на управляющее воздействие. Это происходит в виду высокого наличия индустриальных радиопомех в среде распространения сигнала от передатчика к приемнику системы, которые искажают его. Кроме того, сам трамвай может выступать в роли источника помех: мощный электродвигатель отрицательно воздействует на сигнал. Происходит непреднамеренный перевод трамвайных стрелок, сопряженный с опасными последствиями для обслуживающего персонала, для пассажиров, для случайных прохожих.

В настоящее время ЦОС используется во многих областях, где ранее применялись аналоговые методы. Реализация приемной станции на основе цифровых технологий позволит увеличить помехоустойчивость, эффективность и надежность работы системы, что позволит достичь минимальной вероятности несанкционированного перевода стрелок. Этим определяется актуальность работы. Помехоустойчивость системы повышается за счет использования таких методов ЦОС как модуляция и демодуляция, кодирование и декодирование. Качество принятого сигнала управления увеличено, сервисные работы по обслуживанию системы упрощены, так как DSP не требуют постоянного контроля, калибровки, они стабильны, не зависят от различных дестабилизирующих факторов окружающей среды. Полупроводниковые технологии позволяют повысить надежность, уменьшить размеры, снизить стоимость и энергопотребление, увеличить скорость работы.

Таким образом, цель дипломного проекта — проектирование и программная реализация комплексной системы цифровой обработки управляющего сигнала, моделирующей работу приемной станции автоматизированной системы стрелочных переводов, обладающей свойством высокой помехоустойчивости.

ГЛАВА 1. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ

1.1 Вычислительная техника в автоматизированных системах

Применение вычислительной техники (ВТ) в автоматизированных системах (АС) — важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Бурный прогресс в области дискретной микроэлектроники вызвал резкое улучшение всех качественных показателей цифровых вычислительных машин и устройств цифровой техники — таких, как вес, габариты, потребляемая мощность, надежность и т. п. С другой стороны, повышение требований к АС привели к тому, что средствами «непрерывной» автоматики и вычислительной техники уже не могли решаться многие практические задачи. Все это привело к расширению сферы применения и к усложнению цифровых систем, имеющих в своем замкнутом контуре либо цифровые вычислительные машины, либо цифровые устройства.

Цифровые системы используются в настоящее время для связи, регулирования и управления самыми различными объектами и процессами: доменными печами, станками, самолетами, кораблями, химическим оборудованием и т. п. Сфера их использования уже велика и при этом продолжает непрерывно расширяться.

Внедрение микропроцессоров в традиционные автоматизированные системы (таким как АСТСП) связано с принципиальными изменениями к требованиям, относящимся к параметрам и характеристикам систем, таким как помехозащищенность, надежность, стабильность. Меняются так же методы и технические средства проектирования АС.

Все это связано с рядом особенностей микропроцессоров как элементов цифровых управляющих устройств, основными из которых являются программируемость и большая вычислительная мощность, сочетающиеся с высокой надежностью, малыми габаритными размерами, массой, энергопотреблением и стоимостью.

Программируемость микропроцессоров определяет возможность гибкой оперативной перестройки как алгоритма работы системы управления, так и ее структуры с целью приспособления их к меняющимся условиям работы. Данное свойство обеспечивает возможность внесения изменений в структуру и в программу работы системы на всех этапах ее проектирования — от предварительного проектирования до эксплуатации серийных образцов.

Применение микропроцессоров в АС позволяет поднять на качественно новый уровень такие важные их характеристики, как отказоустойчивость и живучесть. Отказоустойчивость, т. е. способность системы сохранять свою работоспособность при возникновении в системе разнообразных отказов, обеспечивается в микропроцессорных системах введением аппаратурной, программной и информационной избыточности.

Использование специализированных микропроцессоров требует решения целого ряда задач, специфика которых обусловлена как необходимостью работы в реальном масштабе времени, так и цифровым характером обрабатываемой информации. В связи с этим актуальными являются проблемы выбора структуры системы, обеспечивающей требуемую производительность, отказоустойчивость и живучесть системы, а также разработки высокоэффективных алгоритмов обработки данных, их хранения и выработки управляющих сигналов, удовлетворяющих заданным критериям качества функционирования системы.

К настоящему времени накоплен значительный багаж знаний и опыта по разработке и эксплуатации микропроцессоров в системах различного назначения: информационных, связных, вычислительных, управляющих.

Возрастающие потребности к функционалу систем непрерывно усложняют задачи взаимодействия разнообразных объектов и процессов. Проблемы особенно усложняются в системе «человек — машина», где наряду с задачами управления техническими объектами и технологическими процессами остро ставятся задачи эффективной работы этих систем. К таким системам относится и АСТСП, которая требует сверхвысокой точности в управлении трамвайным стрелочным переводом, так как от этого процесса зависит не только целостность технического и механического состояния вагона трамвая, но и жизни людей, являющихся соучастниками при работе системы.

1.2 Система дистанционного управления трамвайным стрелочным переводом

1.2.1 Реализации трамвайных стрелочных переводов

Стрелочный перевод служит для соединения двух путей, сходящихся в один, и для разветвления одного пути на два направления.

Первоначально, перевод трамвайных стрелок осуществлялся вручную, водителем. Это очень трудоемкая, не безопасная и малопроизводительная работа. Ручные стрелки переводились специальным инструментом с помощью мускульной силы человека (обычно — водителя, иногда — стрелочника).

В дальнейшем, были созданы автоматические системы управления перевода трамвайных стрелок, они облегчили работу водителя. Принцип их работы состоит в следующем. Перевод осуществляется двумя электромагнитами — правым и левым, подключенными к контактной цепи трамвая. Электромагниты срабатывают при прохождении токоприёмником вагона воздушных контактов (салазок), расположенных на контактном проводе до и после стрелки. Классический вариант автоматического перевода возвращает стрелку в исходное состояние после прохода вагона, современная схема — оставляет в переведенном положении.

Существуют пружинные стрелки. Обычно они применяются на переходах однопутной линии в двухпутную, в частности для организации разъездов на однопутных линиях. Перья стрелки находятся в стандартном положении. Вагон, следующий с однопутной линии на двухпутную, проходит стрелку в стандартном направлении на один из двух путей. Встречный вагон, движущийся по другому пути, при переходе на однопутную линию переводит перья стрелки. После проезда стрелки вагоном перья пружиной возвращаются в стандартное положение.

На смену автоматическим системам пришли системы дистанционного управления стрелочным переводом. Для передачи управляющего сигнала они используют радиоканал или инфракрасное излучение.

Принцип действия инфракрасного стрелочного перевода основан на использовании излучения ИК-сигналов, переводящих стрелки трамваев. При включении водителем управляющей кнопки перевода «влево» или «вправо», исполнительное устройство передает кодовый информационный инфракрасный сигнал на устройство управления, где он декодируется, обеспечивая выработку соответствующих сигналов на движитель стрелки. На время движения вагона стрелки блокируются, после прохождения блокировка автоматически снимается.

В настоящее время большое распространение получили радиоуправляемые стрелки.

1.2.2 Радиоуправляемый стрелочный перевод

Реализованный в последние 30 лет, радиоуправляемый стрелочный перевод до сих пор эксплуатируется в таких городах как Барнаул, Бийск, Томск и т. д. Его привлекательность заключается в простом и удобном механизме перевода стрелок, в относительно не высокой стоимости.

Структура схемы дистанционного перевода трамвайных стрелок представлена на Рис. 1.1.

Рис. 1.1 Блок-схема системы дистанционного перевода.

Принцип действия системы следующий. При необходимости перевода стрелок водитель, находясь в кабине трамвая, нажатием кнопки активирует передатчик системы, что побуждает генерацию управляющего сигнала, с определенной частотой. Этот сигнал по радиоканалу поступает на обработку в станцию, и на электропривод выдается один из двух сигналов запуска двигателя стрелки в ту или иную сторону. Если перевод стрелок не нужен, то кнопка не нажимается.

Спроектированная таким образом система, по сравнению с ручным переводом, значительно упростила работу водителя трамвая. При любых погодных условиях он всегда находится в кабине вагона. Кроме того, ручной перевод требовал немало физических усилий, что являлось проблемой для водителей — женщин. С использованием этой системы устранились временные интервалы, необходимые для перевода, в связи с чем повышена комфортность перевоза пассажиров. По сравнению с переводом стрелок, основанном на электромагнитах и ИК-излучении, данная система значительно упростила дорожные работы.

1.3 Каналы связи радиотехнических средств передачи информации

Канал связи представляет собой тракт связи, который начинается с информационного источника, проходит через все этапы кодирования и модулирования, передатчик, физический канал, приемник (со всеми этапами обработки) и завершается на получателе информации.

Каналы связи можно классифицировать по различным показателям.

В теории передачи сигналов каналы классифицируют по характеру сигналов на входе и выходе. Различают непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные каналы. В непрерывных каналах сигналы на входе и выходе непрерывны по уровням, в дискретных — они соответственно дискретны, а в дискретно-непрерывных — сигналы на входе дискретны, а на выходе непрерывны, и наоборот.

Возможна также классификация каналов по назначению радиотехнических средств передачи информации (телеграфные, телефонные, телевизионные, телеметрические и др.), по виду физической среды распространения (проводные, кабельные, волноводные и др.) и по диапазону используемых ими частот. Для передачи управляющего сигнала в системе трамвайных стрелочных переводов используется радиотракт.

ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ПРИЕМНОЙ СТАНЦИИ

2.1 Системы цифровой связи

Системы цифровой связи становятся все более привлекательными вследствие постоянно растущего спроса и из-за того, что цифровая передача предлагает возможности обработки информации, не доступные при использовании аналоговой передачи. Отличительной особенностью систем цифровой связи (digital communication system — DCS) является то, что за конечный промежуток времени они посылают сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов (в отличие от систем аналоговой связи, где сигнал состоит из бесконечного множества элементарных сигналов). В системах DCS задачей приемника является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение на основе искаженного шумами сигнала, какой именно сигнал из конечного набора был послан передатчиком.

На Рис. 2.1 представлен идеальный двоичный цифровой импульс, распространяющийся по каналу передачи данных. На форму сигнала влияют два основных механизма:

1. поскольку все каналы и линии передачи имеют неидеальную частотную характеристику, идеальный импульс искажается;

2. нежелательные электрические шумы или другое воздействие со стороны еще больше искажает форму импульса.

В тот момент, когда переданный импульс все еще может быть достоверно определен (прежде чем он ухудшится до неоднозначного состояния), импульс усиливается цифровым усилителем, восстанавливающим его первоначальную идеальную форму. Импульс «возрождается» или восстанавливается.

Рис. 2.1 Искажение и восстановление импульса.

Существует множество причин использования цифровой связи. Основным преимуществом данного подхода является легкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми. Цифровые каналы менее подвержены искажению и интерференции, чем аналоговые. Поскольку двоичные цифровые каналы дают значимый сигнал только при работе в одном из двух состояний — включенном или выключенном — возмущение должно быть достаточно большим, чтобы перевести рабочую точку канала из одного состояния в другое. Наличие всего двух состоянии облегчает восстановление сигнала и, следовательно, предотвращает накопление в процессе передачи шумов или других возмущений. Аналоговые сигналы, наоборот, не являются сигналами с двумя состояниями; они могут принимать бесконечное множество форм. В аналоговых каналах даже небольшое возмущение может неузнаваемо исказить сигнал. После искажения аналогового сигнала возмущение нельзя убрать путем усиления. Поскольку накопление шума неразрывно связано с аналоговыми сигналами, как следствие, они не могут воспроизводиться идеально.

Цифровые каналы надежнее и могут производиться по более низким ценам, чем аналоговые. Цифровое программное обеспечение допускает более гибкую реализацию, чем аналоговое. При использовании цифровых технологий очень низкая частота возникновения ошибок, а так же применение процедур выявления и коррекции ошибок делают возможным высокую точность сигнала. Остается только отметить, что с аналоговыми технологиями подобные процедуры недоступны.

2.2 Функциональная схема приемника АСТСП

На Рис. 2.2 представлена функциональная схема проектируемого приемника автоматизированной системы трамвайных стрелочных переводов и схема передатчика, проиллюстрировано распространение управляющего сигнала и этапы его обработки.

Рис. 2.2 Функциональная схема АСТСП.

Источник информации генерирует сообщение, которое в блоке форматирования преобразуется в биты — символы цифрового сообщения. Канальное кодирование относится к методам, используемым для улучшения цифровых сигналов, которые в результате становятся менее уязвимыми к таким факторам ухудшения качества как шум, замирание, подавление сигнала. В результате процедуры кодирования последовательность символов сообщения преобразуется в последовательность канальных символов (кодовых символов).

Передача сообщения осуществляется по радиоканалу. Представление цифровой информации необходимо преобразовать в сигналы, совместимые с требованиями налагаемыми каналом передачи данных (с характеристиками канала). Данный процесс реализует следующий блок тракта связи — блок модуляции.

Высокую производительность системы цифровой связи обеспечивает синхронизация передатчика и приемника. Информация от передатчика к приемнику поставляется блоками, или сообщениями, содержащими фиксированное число символов. Для подобного способа передачи информации используется кадровая синхронизация, которая идентифицирует начало кодовой посылки.

Этапы обработки сигнала, имеющие место в передатчике, являются преимущественно обратными к этапам приемника. Сигнал, после преобразований передатчика, транслируется по радиоканалу, достигая приемника. Приемник, после демодулирования, обнаружив синхрослово, и декодировав посылку, определяет необходимость подачи управляющего сигнала на исполнительное устройство перевода трамвайных стрелок.

Во время распространения по радиосреде сигнал подвержен трансформации в виду наличия помех атмосферы и помех, создаваемых двигателем трамваем.

Представленная многоуровневая структура обработки информационного сообщения обеспечит надежную защиту от помех. Используемые цифровые методы обработки сигнала позволят с высокой достоверностью определить наличие или отсутствие переданного сообщения, позволят обнаружить и исправить имеющиеся ошибки передачи. Это приведет к снижению вероятности ложного срабатывания исполнительного устройства перевода стрелок, и, как следствие, к снижению аварийных ситуаций на трамвайных путях и повышению безопасности людей.

Далее более детально рассмотрены основные этапы преобразований сигнала в приемной станции АСТСП.

2.3 Полосовая модуляция и демодуляция

Проектирование и реализация любого обратного процесса (демодуляции) невозможно без знания принципов и методов построения прямого процесса (модуляции). Поэтому рассмотрение цифровой модуляции передатчика необходимо.

Полосовая модуляция — это процесс преобразования информационного сигнала (последовательности целых чисел п₀, п₁, принимающих значения из фиксированного конечного множества {0,1}) в синусоидальный сигнал [8], являющийся радиочастотной несущей волной. Сигналы могут отличаться по амплитуде, частоте и фазе. В общем виде несущая записывается следующим образом:

(2.1)

где — переменная во времени амплитуда;

— угловая частота несущей;

— фаза несущей.

Таким образом, полосовую модуляцию можно определить как процесс варьирования амплитуды, частоты или фазы (или их комбинаций) радиочастотной несущей согласно передаваемой информации.

Типичный подход при осуществлении передачи дискретной последовательности символов состоит в следующем. Каждому из возможных значений символа сопоставляется некоторый набор параметров несущего колебания. Эти параметры поддерживаются постоянными в течение интервала, то есть до прихода следующего символа. Фактически это означает преобразование последовательности чисел в ступенчатый сигнал с использованием кусочно-постоянной интерполяции:

(2.2)

f — некоторая функция преобразования. Полученный сигнал используется в качестве модулирующего сигнала. Такой способ модуляции, когда параметры несущего колебания меняются скачкообразно, является манипуляцией.

2.3.1 Виды цифровой манипуляции

Существует несколько видов манипуляции. Основными являются фазовая, частотная и амплитудная манипуляции.

Фазовая манипуляция. Фазовая манипуляция (phase shift keying — PSK) широко используется в коммерческих и военных системах связи. Фазо-манипулированный сигнал имеет следующий вид:

, (2.3)

где — амплитуда; - угловая частота несущей; - фаза несущей.

Здесь параметр может принимать дискретных значений, определяемых следующим образом:

.(2.4)

Работа схемы модуляции заключается в смещении фазы модулированного сигнала на одно из двух значений, нуль или .

Частотная манипуляция. Общее аналитическое выражение для частотно-манипулированного сигнала (frequency shift keying — FSK) имеет следующий вид:

, ,(2.5)

где — амплитуда; - угловая частота; - фаза. Частота может принимать дискретных значений, а фаза является произвольной константой.

Амплитудная манипуляция. Амплитудно-манипулированный сигнал (amplitude shift keying — ASK), описывается выражением:

, ,(2.6)

где амплитудный параметр может принимать дискретных значений, а фаза — это произвольная константа.

В передатчике АСТСП для передачи цифровой информации выбрана частотная манипуляция. Дискретному значению равному единице, соответствует частота 16 кГц, нулю — 12 кГц. В течение каждого символьного интервала передается гармоническое колебание с частотой, соответствующей текущему символу. Символьная скорость передачи составляет 2 кГц и определяется следующим образом:

(2.7)

где — период поступления символа от источника.

Выбор данного вида манипуляции передатчиком не случаен. Значение амплитуды сигнала является неустойчивым параметром к влиянию шума [10], в виду чего амплитудная манипуляция не может быть использована. Не рационально применять и фазовую манипуляцию, так как она сложна в реализации.

2.3.2 Детектирование частотно-манипулированного сигнала

Передатчик АСТСП транслирует управляющий сигнал, в котором информация представлена конечным набором частот в определенной последовательности. При этом, такой параметр сигнала, как фаза, не несет никакой «смысловой» нагрузки. По этой причине в приемнике АСТСП используется демодулятор, спроектированный для работы без знания абсолютной величины фазы входного сигнала, именуемый некогерентным детектором.

Некогерентный детектор FSK — модулированных сигналов, реализуется с помощью корреляторов. На Рис. 2.3 представлена схема квадратурного приемника. Синфазный (I) и квадратурный (Q) каналы используются для не когерентного детектирования набора сигналов в бинарной модуляции FSK (BFSK). Две верхние ветви настроены на детектирование сигнала с частотой: для синфазной ветви опорный сигнал имеет вид, а для квадратурной —. Подобным образом две нижние ветви настроены на детектирование сигнала с частотой: для синфазной ветви опорный сигнал имеет вид, а для квадратурной — .

Рис. 2.3 Квадратурный приемник.

Предположим, что принятый сигнал имеет вид, т. е. фаза точно равна нулю. Следовательно, сигнальный компонент принятого сигнала точно соответствует (по частоте и фазе) опорному сигналу верхней ветви. В такой ситуации максимальный выход должен дать интегратор произведений верхней ветви. Вторая ветвь должна дать нулевой выход (проинтегрированный шум с нулевым средним), поскольку ее опорный сигнал ортогонален сигнальному компоненту сигнала. При ортогональной передаче сигналов третья и четвертая ветви также должны дать близкие к нулю выходы порядка нуля, поскольку их опорные сигналы также ортогональны сигнальному компоненту сигнала .

Рассмотрим теперь другую возможность. Пусть принятый сигнал имеет вид. В этом случае максимальный выход должна дать вторая ветвь схемы, а выходы других ветвей должны быть близки нулю. В реальной системе сигнал скорее всего описывается выражением, т. е. входной сигнал будет частично коррелировать с опорным сигналом и частично — с сигналом. Поэтому некогерентный квадратурный приемник ортогональных сигналов и требует синфазной и квадратурной ветви для каждого возможного сигнала набора. Блоки, показанные на Рис. 2.3 после интеграторов произведений, выполняют операцию возведения в квадрат, что предотвращает появление возможных отрицательных значений. Затем для каждого класса сигналов набора (в бинарном случае — для двух) складываются величины из синфазного канала и из квадратурного канала. На конечном этапе формируется тестовая статистика и выбирается сигнал с частотой или, в зависимости от того, какая пара детекторов энергии дала максимальный выход.

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ ПРИЕМНИКА ДЛЯ АСТСП

3.1 Отладочная плата DSK 6416

Отладочная плата DSK 6416 позволяет производить оценку целесообразности разработки приложения на основе DSP и отладку программного обеспечения для разрабатываемого приложения. В данной работе плата используется для дискретизации принятого аналогового сигнала и накопления цифровых значений.

Рис. 3.1 Отладочная плата DSK 6416.

Плата содержит DSP процессор фирмы Texas Instruments TMS320C6416 и набор периферийных устройств, используемых в большинстве ЦОС приложений.

Отличительной особенностью платы DSK 6416 является наличие встроенного эмулятора интерфейса JTAG через порт USB, позволяющего производить загрузку и отладку приложения без использования внешнего JTAG — программатора.

В состав платы входят [17]:

— целочисленный DSP — процессор фирмы Texas Instruments TMS320C6416 с тактовой частотой 720 МГц;

— 16 МБ SDRAM;

— 512 КБ Flash — памяти;

— стерео — кодек AIC23, имеющий в своем составе модули АЦП и ЦАП с частотой дискретизации от 8 до 96 кГц;

— CPLD фирмы Altera EPM3128TC100−10 для обслуживания периферийный устройств;

— 4 фиксируемых DIP — переключателя и 4 светодиода, доступных программно через CPLD;

— 4 конфигурационных переключателя для выбора тактовой частоты процессора, порядка битов в слове и режима загрузки;

— цифровой буферизированный интерфейс для подключения внешних устройств;

— высокоскоростной интерфейс для связи с другими устройствами DSP;

— встроенный USB — JTAG эмулятор.

Разработка ПО для процессора отладочной платы производится в интегрированной среде разработки Code Composer Studio (CSS) фирмы Texas Instruments, которая обеспечивает следующие функциональные возможности:

— язык программирования сопряжен с синтаксисом Си ++;

— редактирование исходного кода программы для заданного процессора;

— компилирование программы для выбранного процессора фирмы Texas Instruments;

— создание и управление структурой проекта;

— профилировку и поиск «узких» мест в программе.

3.2 Моделирование сеанса связи

связь радиотехнический сигнал стрелочный Сеанс связи между передатчиком и приемником в автоматизированной системе трамвайных стрелочных переводов происходит всякий раз, как только водителем трамвая нажимается кнопка, сигнализирующая о необходимости перевода стрелок. Нажатие кнопки происходит, когда вагон трамвая достигает реперной точки. При этом передатчик, находящийся в вагоне трамвая, генерирует низкочастотный частотно-манипулированный сигнал, передающий биты закодированной информационной последовательности.

Сигнал транслируется по радиоканалу. При этом, присутствующие в канале индустриальные радиопомехи, шумы искажают его, изменяя информационную структуру переданной посылки.

В подобном виде сигнал достигает приемника. Предполагается, что в проектируемом приемнике, сигнал первоначально обрабатывается фильтром нижних частот с целью устранения высокочастотных компонент. Средствами цифровой вычислительной техники оцифровывается (происходит этап аналогово-цифрового преобразования) и далее реализуется многоуровневая структура обработки принятого сигнала микропроцессором. На заключительном этапе всех преобразований процессор выдает один из двух решающих сигналов: логическая 1 — перевод необходим, логический 0 — перевод не нужен.

В данной работе построена модель представленной выше многоуровневой системы обработки сигнала в приемнике АСТСП. Связь между передатчиком и моделью приемника осуществлялась в лабораторных условиях. Передатчик непосредственно подключался к линейному входу отладочной платы DSK6416.

Передатчик формирует сообщение, сигнализирующее о необходимости перевода стрелок, численно равное «357», что составляет 12 бит. После сверточного кодера посылка составляет 36 бит, после манчестерского — 72 бита. Кадровая синхронизация увеличивает посылку на 7 бит, так как выбран семибитовый код Баркера. Итоговый размер посылки 79 бит (Рис. 3.3). Каждый информационный символ посылки передатчик транслирует в течение 500 мкс., что при частоте дискретизации 96 кГц составит 48 отсчетов. Таким образом, на одну посылку приходится 3792 дискретных отсчета.

Рис. 3.3 Структура кодовой последовательности.

Принятый сигнал (Рис. 3.4) оцифровывался кодеком AIC23, дискретные данные записывались в специальный буфер, объем которого позволяет записать минимум 3 посылки. Процесс смоделированного сеанса связи иллюстрирует Рис. 3.5.

Рис. 3.4 Входной, частотно-манипулированный сигнал.

С помощью математического пакета MATLAB получен входной сигнал в графическом виде (Рис. 3.7).

Рис. 3.7 Входной FSK-сигнал.

3.3 Реализация детектора FSK модулированного сигнала

Некогерентный детектор FSK модулированного сигнала реализуется согласно схеме, описанной в пункте 2.3.2. В корреляционном приемнике последовательно оценивается корреляция каждых 6 (8) отсчетов с прототипами синфазных и квадратурных составляющих сигналов соответствующих частот. В зависимости от того, какая из веток дает максимальный результат корреляции, принимается решение о наличии одной из двух частот. Если в течение порядка 48 итераций накапливаются данные об одной и той же частоте, то принимается решение о том, что передан тот или иной информационный символ. Логический 0 соответствует частоте 16 кГц, логическая 1 — 12 кГц.

Подобная процедура осуществляется до тех пор, пока не будет достигнут последний элемент буфера. Блок схема некогерентного детектора показана на Рис. 3.9. Текст программы, разработанной в среде Microsoft Visual Studio 2008, представлен в ПРИЛОЖЕНИИ 2. В среде MATLAB построен график, отражающий результат работы программы (Рис. 3.8).

Рис. 3.8 Детектированная посылка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе данной работы произведен анализ способов модуляции, синхронизации, кодирования и методов их обратных преобразований. Определены оптимальные варианты реализации детектора, декодера, синхронизации.

Передатчиком в лабораторных условиях был передан низкочастотный частотно-манипулированный сигнал на кодек AIC 32 отладочной платы DSK 6416. В интегрированной среде разработки Code Composer Studio (CSS) фирмы Texas Instruments реализована управляющая программа для процессора отладочной платы, позволяющая накапливать дискретные отсчеты принятого сигнала. В среде разработки Microsoft Visual Studio 2008 создан комплекс программных продуктов, моделирующих работу функциональных узлов многоуровневой системы обработки управляющего сигнала в приемной станции АСТСП, которая обеспечивает высокие свойства помехоустойчивости системы. С помощью математического пакета MATLAB получены результаты работы программ в наглядном графическом виде.

В итоге работы произведено проектирование и программная реализация комплексной, многоуровневой системы цифровой обработки сигнала, моделирующей работу приемной станции автоматизированной системы трамвайных стрелочных переводов, обладающей свойством высокой помехозащищенности.

1. Стивен С. Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников: пер. с англ. — М.: Додэка-XXI, 2008. — 720 с.

2. Система дистанционного перевода трамвайных стрелок// Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 2008. — 29c.

3. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Высшая школа, 1987. — 450c.

4. Московский трамвай [Электронный ресурс]: сайт содержит статьи с обзором систем управления переводом трамвайных стрелок — Режим доступа: http://tram.ruz.net — Загл. с экрана.

5. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. — 2-е изд., испр.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс». 2003. — 1104 с.

6. Певницкий В., Полозок Ю. Статистические характеристики индустриальных радиопомех. — М.: Радио и связь, 1988. — 248с.

7. Джазовский Н. Б., Орлова Л. В. Радиоканалы систем передачи информации. — Пенза: Пенз. политехн. ин-т, 1988. — 64 с.

8. Фомин Н. Н., Буга Н. Н. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов.: Радио и связь, 2003. — 515 с.

9. Радиотехнические системы передачи информации: Учеб. пособие для вузов/В. А. Борисов, В. В. Калмыков, Я. М. Ковальчук и др.; Под ред. В. В. Калмыкова. — М.: Радио и связь, 1990. — 304 с.

10. Липкин И. А. Статическая радиотехника. Теория информации и кодирования. — М.: «Вузовская книга», 2002. — 216 с.

11. Цифровая обработка журналов: Научно-технич. журн. — № 3. — М., 2004. — 603 с.

12. Яманов Д. Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 1. Основы электродинамики. — М.: МГТУ ГА, 2002. — 80 с.

13. Никитин Г. И. Сверточные коды: Учебное пособие/ СПбГУАП. СПб., 2001. — 80 с.

14. Золотарев В. В., Овечкин Г. В. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы. -М.: Горячая линия — Телеком, 2004. — 126 с.

15. TMS320C6416 DSK Technical Reference [Электронный ресурс]. — Сайт содержит информацию о процессорах TMS320C6416 — Режим доступа: http://c6000.spectrumdigital.com.

16. Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда. Р 2.2.2006;05 //Журн. Бюллетень нормативных и методических документов Госсанэпиднадзора. — 2005. — № 3.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Код программы, разработанной в среде Microsoft Visual Studio 2008

#include

#include

#include

#include

#define pi 3.141 592 654

#define BUFFER_IN 16 000//объем входного буфура с оцифрованными отсчетами

#define COUNT_BARKER_KOD 7//длинна кода Баркера

#define LIM_CORREL 5//порог корреляции

#define LENGHT_MANCH_KOD 79//длинна посылки после синхронизации в манчестерских битах

#define LENGHT_SV_KOD 36//длинна сверточного кода после декодирования манчестера

typedef struct{//хранилище максимумов Баркера и индексов начала кода

int max;

int index;

}SINXRON;

void read_data ();

void DETECTOR ();

void BARKER (int, int);

void Decoding_Manchester2();

void Decoding_Svert ();

int x[BUFFER_IN]; //входные отсчеты

int PREMICE[BUFFER_IN/48]; //демодулированная посылка

int BARKER_KOD[COUNT_BARKER_KOD]={1, 1, 1, -1, -1, 1, -1};//код Баркера

SINXRON KADR[BUFFER_IN/48−5]; //хранилище максимумов Баркера и индексов начала кода

int SV_KOD[LENGHT_SV_KOD]; //сверточный код, полученный после декодирования манчестера

int flag_erreor=0;//флаг ошибки в манчестере 0-сброшен

FILE *out, *fopen (), *in;

void main ()

{

read_data ();//чтение данных

DETECTOR ();//детектирование

BARKER (BIT, BIT-COUNT_BARKER_KOD);//синхронизация

Decoding_Manchester2();//декодер

}

//Функция чтения данных

void read_data ()

{

int i;

in=fopen («c:\1.txt» ," r");

for (i=0; i

fscanf (in," %dn" ,&x[i]);

}

fclose (in);}

//Детектор. //

//Вход: дискретные отсчеты (синусоида).//

//Выход: манчестерские биты. //

{

n1=0;

if (((count12 >= 30)&&(count12 <= 50)) || ((count12 >= 88)&&(count12 <= 105)) || ((count12 >= 138)&&(count12 <= 150)))

{

n1 = count12/38;

count12 =0;

count16 =0;

i = i+7;

}

for (k=0; k

{

fprintf (out," %dn", 12);

PREMICE[BIT]=12;

BIT++;

}

}

}

i++;

}

}

//Синхронизация. Поиск кода Баркера //

//Вход: манчестерские биты.//

//Выход: индексы начала посылок //

void BARKER (int COUNT_DEM, int COUNT_R)

{

int v, j, k, summ_BARKER=0;

int curr_max=0;//текущий максимум свертки

int B_KOD[COUNT_BARKER_KOD];

//подготовка данных

for (v=0; v

{

if (PREMICE[v]==12)

PREMICE[v]=1;

else

PREMICE[v]=-1;

}

for (v=0;v

{

curr_max=0;

for (k=0; k

B_KOD[k]=BARKER_KOD[k];

for (j=0; j

{

summ_BARKER=0;

for (k=0;k