В.М.ВОЛКОВ

ас. Головин

В. А. КУДРЯШОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ

СВЯЗЬ И РАДИО

НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ

_{ТРАНСПОРТЕ}

Утверждено

Управлением учебных заведений МПС

в качестве учебника

для студентов вузов

по специальностям

железнодорожного

транспорта

УДК 656.254(075.8)

Волков В. М., Головин Э. С, Кудряшов В. А. Электрическая свдаь и радио на железнодорожном транспорте: Учебник для студентов вузов ж.-Д-ipancn.—

М.: Транспорт, 1991. 311 с.

Изложены основные сведения по организации проводной и радиосвязи на железнодорожном транспорте, приводятся описание и характеристики применяемой аппаратуры связи. При этом учтены качественные изменения, происходящие в технике связи и линиях передачи, внедрение координатных и квазиэлектронных систем коммутации, развитие систем передачи данных, создание новых и модернизация существующих типов аппаратуры проводной и радиосвязи, замена воздушных линий на кабельные и др. Значительное внимание уделено организации технологической связи на железнодорожном

транспорте.

Предназначена для студентов вузов железнодорожного транспорта по специальности «Автоматика, телемеханика и связь» (специализация 'Автомати­ка и телемеханика на железнодорожном транспорте»).

Ил. 354, табл. 9, библиогр. 8 назв.

Книгу написали: введение, главы 1 —15 — д-р техн. нау-:, профес­сор В. М. Волков; главы 16—20 —канд. техн. наук, доцент В. А. Кудряшов; главы 21—26 —д-р техн. наук, доцент Э. С. Головин.

Рецензенты: д-р техн. наук Е. А. Волков, И. Д. Блиндер Заведующий редакцией Н. Л. Немцова Редактор М. Ю. Калитина

3202040000-288 © _В. М. Волков, •• f^"⁰*⁰¹""¹'

_в 80-9! ^_в д. Кудряш"'

049(01)-01

ISBN 5-277-01084-Х

ВЗЕДЕНИЕ

Работа железнодорожного транс­порта во многом зависит от четкого и надежного действия { устройств связи, при помощи которых осуще­ствляется оперативное руководство перевозочным процессом на транс­порте и координация работы его отдельных звеньев.

На железнодорожном транспорте нашей страны основными сред­ствами связи являются проводная телеграфная и телефонная связь и радиосвязь. Проводная связь появилась на железных дорогах с первых дней их существования; начало внедрения радиосвязи отно­сится к 1929 г.

Структурная схема организации связи приведена на рис. 1. Здесь под источником и приемником информа­ции подразумеваются человек или специальны" устройства. Канал пере­дачи информации состоит из пере­датчика сигналов, тракта электриче­ской связи, по которому передаются сигналы, и; приемника сигналов. Основное назначение передатчика — это преобразование сообщения в электрические сигналы. Передатчи­ком может быть микрофон, теле­графный .аппарат, фотоэлемент и т. п. Приемник сигналов, в качестве которого мажет использоваться теле­фон, телеграфный аппарат, вычисли­тельная машина и т. п., преобразует электрический сигнал в сообщение. На тракт электросвязи воздействует

помеха, поступающая от источника помех (соседних цепей связи, атмо­сферных помех, внутренних помех и др.) и искажающая передаваемый сигнал. Для ослабления действия помех принимают специальные за­щитные меры.

Системы связи, используемые на железнодорожном транспорте, мож­но классифицировать по трем основ­ным признакам: назначению, форме передаваемого сообщения и району действия (рис. 2),

По назначению системы связи разделяются на общеслужебную и технологическую. Общеслужебная связь предназначена для передачи служебных сообщений работниками железнодорожного транспорта и яв­ляется связью общего пользования. Технологическая связь служит сред­ством управления технологическим процессом на станциях, участках и всей сети железных дорог. Как правило, отдельные виды технологи­ческой связи (диспетчерской, станци­онной, дорожной распорядительной и др.) находятся в ведении соответ­ствующих руководителей: диспетче­ров, дежурных по станциям, операто­ров и др., которые с помощью средств связи управляют работой подчи­ненных им лиц.

По форме передаваемого сообще­ния можно выделить следующие виды связи: телефонную (речь), телеграфную (текст), передачу дан-

ных в вычислительный центр, телеви­дение и факсимильную (фототе­леграфную).

Электрические сигналы, отобра­жающие передаваемые сообщения и возникающие в передатчике, имеют непрерывный или дискретный ха­рактер. Непрерывные, или, как их еще называют, аналоговые, сигналы образуются при передаче речи, неподвижных и подвижных изобра­жений и непрерывны во времени. По форме они подобны исходным со­общениям (например, звуковым ко­лебаниям речи). Дискретные сигналы имеют вид импульсов и характерны для передачи телеграфных сообще­ний, данных в вычислительный центр, команд в системах телеуправления и телеизмерений и т. п.

Различные виды связи на же­лезнодорожном транспорте по рай­ону действия разделяются на четыре основные группы: магистральные, дорожные, отделенческие и станци­онные. Для их организации применя­ют сети связи, представляющие собой совокупность оконечной аппаратуры и линейных сооружений (рис. 3).

Магистральные связи организм ются между Министерством путе сообщения СССР и управлениям железных дорог, а также межд; управлениями смежных железны дорог.

К ним относятся телефонна и телеграфная связи общего польза-вания, оперативная распорядитель ная связь управлений МПС с дорога­ми, связь между вычислительными центрами Министерства и дорог, а также связь между главным диспетчерским центром МПС (ГДЦ) и дорожными диспетчерскими цент­рами (ДДЦ).

Дорожные связи организуются в пределах каждой дороги и соединя ют между собой управление дороп с отделениями и крупными:железнс дорожными станциями, а так» последние между со^ой. К н' относятся телефонная и| телеграфы связь общего пользования, one тивная распорядительная ев служб дороги с подразделения а также связь для передачи данг в вычислительные центра дороп

Отделенческие связи предн,-чены для оперативного управ перевозочным процессол, гр\ и коммерческой работ ш ст а также для общеслуж;бноГ работников между собо .

Железные дороги оснащены ел дующими видами отделенческой ci зи: телефонной и телеграфной связ. общего пользования, 'различны видами оперативной техцологичес; связи (поездной диспетчерской, i тонной диспетчерской, линейно-пу вой, билетной- диспетчерской и др связью передачи данных в информ ционный вычислительный цен', (ИВЦ) и др.

Станционные связи организуются в пределах железнодорожной стан­ции и подразделяются на местную общеслужебную и оперативно-техно­логическую.

Первоначально на железных до­рогах стала применяться телеграф­ная связь на аппаратах Морзе (1854 г.), буквопечатающих аппара­тах Уитстона (1881 г.) и Бодо (1912 г.).

Как известно, телефон был изоб­ретен позднее, чем телеграф, в 1876 г. американцем А. Беллом. Применение телефонной связи на железных дорогах России связано с именами изобретателей П. М. Голу-бицкого, Е. И. Гвоздева, Ф. И. Балю-кевича, И. Л. Полякова, которые создали в 1890—1900 гг. оригиналь­ные системы телефонной связи на железнодорожных станциях и пере­гонах,

С 1923 г. на дорогах Советского Союза стала внедряться диспетчер­ская связь с избирательным се­лекторным вызовом. В 1926 г. на > :астке Ленинград — Бологое была введена в эксплуатацию первая на железнодорожном транспорте высо­кочастотная телефонная связь по медным проводам. Начиная с 1928 г. организуются такие виды железнодорожной телефонной связи, как постанционная и линейно-путе­вая, а с 1933 г.— дорожная распоря­дительная и связь совещаний. С того времени аппаратура избирательной телефонной связи и связи совещаний существенно изменилась. Начиная с 1960 г. в этой аппаратуре электронные лампы были заменены полупроводниковыми приборами, се­лекторный вызов заменен на тональ­ный.

Первая автоматическая телефон­ная станция (АТС) машинной систе­мы емкостью 2000 номеров была введена в эксплуатацию в 1932 г. в Москве. В 1947 г. заводы «Красная заря» и «ВЭФ» освоили выпуск декадно-шаговых АТС, а в 1960 г.— координатных АТС, которые пришли

на смену декадно-шаговым. Наряд с координатными АТС выпускаютс более совершенные АТС квазиэлею ронной и электронной систем.

В 1947 г. на железнодорожно] транспорте были начаты работы и автоматизации магистральной и дс| рожной телефонной связи. Министер ство путей сообщения СССР имее автоматическую связь с управленш ми железных дорог, на многи дорогах автоматизированы дорож ные телефонные и телеграфнь сети.

Создание информационных вь числительных центров связано с ш обходимостью организации сете передачи данных на железнодс рожном транспорте и способствуе совершенствованию управления ш ревозочным процессом.

Начиная с 1949 г. на железны дорогах стала применяться радж связь с машинистом движущегос поезда, получила развитие радиоф* кация сортировочных горок, станцш вокзалов. С 1956 г. на транспорт начали строить радиорелейные Л! нии. Широкое развитие получил станционная радиосвязь как важнс средство управления технологичесю ми процессами на железнодорожны станциях.

Предусматривается дальнейш* развитие электрической связи н транспорте. При этом в перву очередь будут проводиться работы п увеличению числа каналов связи з счет строительства кабельных лини и внедрения многоканальных систе передачи, организации сети канало связи для автоматизированной систе мы управления железнодорожны транспортом, развитию сетей автомг тической телефонной и телеграфно связи, совершенствованию paдиocв^ зи на основе внедрения систем] «Транспорт». Одним из главны направлений развития связи явля ется создание цифровых сетей н основе применения цифровых АТ< и систем передачи с импульснс кодовой модуляцией.

I . МЕСТНАЯ ТЕЛЕФОННАЯ СВЯЗЬ

Глава 1. Основы телефонии

1,1. Принцип телефонной передачи

Схема односторонней телефонной передачи представлена на рис. 1.1. Звуковые колебания от источни­ка звука воздействуют на микрофон ВМ, где акустическая энергия пре­образуется в электрическую. На выходе микрофона возникают коле­бания электрического тока, которые передаются по линии и воспринима­ются в пункте приема телефоном BF. В телефоне происходит обратное преобразование электрической энер­гии в звуковую. Звуковые колебания, излучаемые телефоном, воздействуют на орган слуха человека и вызывают у него ощущение принятого звука.

Телефонный тракт представляет собой комплекс электроакустических и электрических устройств, участвую­щих в преобразовании речи и переда­че ее от рта говорящего к уху слушающего. Он состоит из акустиче­ских участков АУ, электрического участка — линии и электроакустиче­ских преобразователей (микрофон ВМ и телефон BF).

Акустические участки телефонно­го тракта от источника звука до микрофона и от телефона до уха слушающего являются проводника­ми звуковой энергии. Они оказывают большое влияние на телефонную передачу, так как вносят затухание в тракт. Через эти участки, помимо полезного сигнала, в тракт поступают акустические шумы.

Электрический участок тракта состоит из абонентских и соедини­тельных линий, каналов связи и ком­мутационных устройств, которые необходимы для соединения одного абонента с другим. Электроакустиче­ские преобразователи монтируются или в микротелефонах, или раздельно в виде микрофона и телефона (громкоговорителя).

Звуковые колебания речи и их основные характеристики. Звуковые колебания представляют собой коле­бания молекул упругой среды с ча­стотами, находящимися в диапазоне 20—20 000 Гц и воспринимаемыми органом слуха. Эти колебания рас­пространяются во все стороны от источника звука, образуя попере­менно чередующиеся сгущения и раз­режения частиц среды. Процесс распространения звуковых колеба­ний называется звуковой вол­ной, а пространство, в котором распространяются звуковые вол­ны,— звуковым полем. Ско­рость распространения звуковой вол­ны, или скорость звука, зависит от физических свойств среды. Так, для воздуха при температуре 20 °С ^!и нор­мальном атмосферном давлении ско­рость распространения звука равна 344 м/с.

Возникновение звуковых колеба­ний сопровождается изменением давления в звуковом поле. В этом случае давление изменяется по закону колебания источника звука.

За единицу звукового давления в международной системе единиц СИ принято давление с силой в один ньютон на площадь в один квадрат­ный метр, т. е. Н/м². Эта единица называете Паскалем (Па). При разгор'^е средней громкости значе-

ние звукового давления на расстоя­нии 1м от говорящего равно приблизительно 0,1 Па.

Ощущаемое звуковое давление меняется пропорционально измене­нию расстояния приемника от источ­ника звука. Так, если известно звуковое давление р\ на расстоянии Л от источника звука, то для точки, отстоящей от источника звука на расстоянии 1% звуковое давление определяется из соотношений

Звуковые колебания по форме разделяются на простые периодиче­ские, сложные периодические и слож­ные непериодические. Для простого периодического звука характерны изменения давления по синусоидаль­ному закону. Временная характери­стика простого звука приведена на рис. 1.2, а, где Р — амплитуда звукового давления и Т — период звуковых колебаний. Сложный пери­одический звук, так же как и простой, характеризуется периодическим из­менением давления, однако это изменение представляет собой более сложную функцию времени (рис. 1.2, б). Примерами сложного периодиче­ского звука могут служить звуки музыкальных инструментов, гласные звуки человеческой речи и др. Слож­ный непериодический звук характе­ризуется изменением давления по определенному для данного звука непериодическому закону (рис. 1.2, в). Большинство звуков, которые мы слышим (обычная разговорная речь, производственные звуки и шумы), представляет собой сложные непери­одические звуки. В состав их входит в общем случае большое количество гармонических составляющих с раз­личными амплитудами и фазами. Частота этих составляющих для человеческой речи находится в диа­пазоне 80—12 000 Гц.

Каждый звук характеризуется частотой и высотой основного тона и тембром. При разговоре частота основного тона для мужских голосов составляет около 150 Гц, а для

женских — 250 Гц. Тембр звука, его окраска, обусловливается H чием в нем, кроме частоты основнс тона, дополнительных, более высо} частот, называемых обертона! Благодаря этому мы отличаем голг разных людей, звучание различи музыкальных инструментов, зву> ние похожих друг на друга согласн или гласных звуков человеческ речи.

Каждому звуку присущи опре, ленные полосы частот, в котор звуковые колебания усиливаю* благодаря наличию резонансн полостей в речевом аппарате че. века.

Такие усиленные составлякш называют формантами зву Звуки русской речи имеют от од! до четырех формант. Так, наприм звук а характеризуется двумя ф мантами, расположенными оке частот 800 и 1200 Гц, звук и четырьмя формантами с частота около 500, 1300, 2300, 2900 и т. д. Анализ звуков речи показ что форманты располагаются в об, сти частот 250—6000 Гц, но больш ство из них сосредоточено мел 300 и 3400 Гц, что и определяет вы( этой полосы частот для перед; речи.

Мощность звуковых колебаь при нормальном разговоре не npei

звука, если принять за S площадь сферической поверхности:

шает 15-10 ^б Вт. Преобладающую долю звуковой энергии содержат гласные звуки, согласные звуки обладают значительно меньшей энер­гией. Распределение энергии речи по частотному спектру характеризуется кривой (рис. 1.3), из которой видно, что около 65 % всей энергии речи приходится на полосу частот 80— 500 Гц. Количество энергии, перено­симое звуковой волной через данную поверхность, определяет интенсив­ность звука /, которая в системе СИ измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Акустическая мощность, воздей­ствующая на поверхность площадью S, м². в точке со звуковым давлением р, Па,

где с = 344 м/с, скорость распростра­нения звука; р=1,2 кг/м³, плотность воздуха.

Зная звуковое давление р, в точке на расстоянии г от источника звука, можно по формуле (1.2) определить акустическую мощность источника

Орган слуха человека и влияние его свойств на конструирование телефонной аппаратуры. Человече­ское ухо воспринимает звуковые колебания с частотами от 20 до 20 000 Гц. Звуковые колебания с частотами ниже 20 Гц воспринима­ются ухом как отдельные толчки, а не как звуки. Наиболее чувствительно ухо к звуковым колебаниям средних частот в пределах 1000—4000 Гц. Минимальное звуковое давление, при котором ухо воспринимает звук данного тона, называется порогом слышимости. Звуковое давление, при котором в ухе наблюдается ощуще­ние боли, называется порогом болевого ощущения. Значения порогов слышимости и ощущения давления зависят от частоты воспри­нимаемого звука (рис. 1.4). Область воспринимаемого речевого сигнала должна находиться между порогами слышимости и болевого ощущения.

Слышимые звуки субъективно оцениваются нами по громкости. Зависимость громкости звука от его интенсивности или звукового давле­ния подчиняется психофизиологиче­скому закону, согласно которому изменение громкости звука пропор­ционально логарифму отношения значений звуковых давлений. Так, если р\ и р2 — два различных значения давления звука на ухо, то изменение уровня громкости

AS-lg(pi/p_?).

Уровни ощущения выражаются в условных единицах: белах (Б) при применении десятичных логарифмов или в неперах (Нп) при натуральных логарифмах. Более удобной для применения в телефонной акустике является единица децибел (дБ), причем 1 дБ = 0,1 Б, 1 Нп = 8,7дБ.

Если на человеческое ухо в тече­ние длительного времени непрерывно воздействует какой-либо звук, то чувствительность уха понижается,

.,-rrv пбъЯСНарт^о ««пчлрвиом СЛУХОВО-

го нерва. Это явление, называемое адаптацией слуха, учитывается при создании телефонных аппаратов, где с помощью специальных так называемых противоместных схем добиваются ослабления слышимости разговора в телефоне.

При одновременном воздействии нескольких звуков на ухо более громкий звук заглушает слабые звуки. Явление понижения чувстви­тельности уха к слабым звукам при одновременном воздействии несколь­ких звуков называется маски­ровкой звука. Маскирующее дей­ствие звука количественно оценива­ется повышением порога слышимости для принимаемого звука и учитыва­ется при нормировании шумов в ли­нии связи и помещениях, при разработке телефонных аппаратов для помещений с большим уровнем шумов.

Для удовлетворительной разбор­чивости сигнала необходимо, чтобы его уровень превышал на 20 дБ уровень шума.

При приеме звука в ухе возникают дополнительные колебания вслед­ствие нелинейности колебательной системы уха. Чем больше интенсивно­сть звука, тем сильнее сказываются появляющиеся нелинейные ис­кажения, что является одной из причин уменьшения разборчивости принимаемой речи.