DS-FH混合擴頻技術在CBTC車地通信中應用的研究

張 雯，薛 偉

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州730070）

隨著計算機和通信技術在列車控制領域的應用，基于無線通信的列車控制（CBTC）系統在提高運輸效率的同時可以降低運營和維護費用，增加車-地通信數據帶寬，提高系統升級和擴展能力，使列車的運行更安全、更高效，已成為國內外城市軌道交通列車控制系統的發展趨勢。

1 CBTC中的無線通信技術

目前，在CBTC系統中，完全采用無線傳輸方式的技術有兩種：GSM-R（GSM for Railway）和基于IEEE802.11系列標準的WLAN無線局域網絡。在我國，GSM-R 主要應用于干線鐵路的列車控制系統中，目前投入使用的有青藏線和基于CTCS3 技術標準的武廣線、京津城際線等鐵路。而基于WLAN 的車地通信系統已經逐漸成為國內外城市軌道交通列控系統的首選方案[1]，如圖1。

圖1 基于WLAN的CBTC系統

無線局域網的傳輸方式涉及到采用的傳輸媒體、選擇的頻段及調制方式。無線局域網采用的傳輸媒體主要有兩種，即無線電波與紅外線。在采用無線電波為傳輸媒體時，無線局域網按照調制方式不同，又可分為擴展頻譜方式與窄帶調制方式。目前，CBTC系統中主要采用基于擴展頻譜方式的無線局域網。

基于無線通信的車地通信系統是軌道交通信號系統的發展趨勢，各主要信號系統公司都在開發和試驗自己的基于WLAN的車地通信信號系統，許多已投入商業運營。

例如，德國的西門子公司目前在我國推薦實施基于無線的移動閉塞信號系統,其無線系統采用基于直接序列擴頻技術，廣州地鐵和北京地鐵等多個軌道交通項目中都采用了該系統；法國阿爾卡特公司的CBTC系統的無線通信采用基于跳頻擴頻標準的WLAN技術，該系統已經分別在拉斯維加斯單軌線和北京地鐵開通運營；阿爾斯通公司基于WLAN的移動閉塞信號系統中，無線通信采用正交頻分復用方法。日立公司的無線系統采用以直接序列擴頻技術為基礎開發的多通道傳輸的擴頻方式。另外基于無線通信傳輸的CBTC系統還包括龐巴迪公司的CBTC系統、通用公司的AATC系統等。基于WLAN的CBTC系統經過在多條線路上的運營調整，技術已經較為成熟，并逐步完善。

2 WLAN中的無線擴頻技術

擴頻技術是近年來發展非常迅速的一種通信技術，其數據傳輸速度可達幾十 Mbit/s，它不僅可以傳送一般的列車狀態信息，還可以傳送列車的各種視頻圖像、聲音等大容量信息，這是其他車地通信系統無法做到的。在傳輸信息量越來越大的需求下，無線傳輸通道必須同時滿足高容量的數據信息和適應快速移動狀態兩個條件。地鐵列車運營過程中車站值班員、控制中心調度員、車輛段車務人員等需要對列車車廂內進行實時圖像監控，列車駕駛員需要對前方道路狀況和車站旅客候車情況進行實時監控，以及在運行車輛中實現高清晰數字視頻的實時播出等。為滿足這些需求，必須在車地之間選用高速數據無線傳輸通道，無線擴頻通信技術無疑成為一個理想之選。

擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，通過擴頻碼將基帶數據信號的頻譜擴展至很寬的頻帶（成百上千倍）后，搬移至中頻調制后發射出去，接收端采用相關接收的原理，將擴展的頻譜恢復到基帶信號的頻譜，但干擾信號頻譜功率降低，從而抑制了傳輸過程中存在的干擾。這種方法雖然增加了頻帶帶寬，但單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒在白噪聲之中，提高了通信系統的抗干擾能力和安全性。而較低的功率譜密度，也很少對其它電子設備構成干擾。

擴頻通信的理論基礎是信息論中的香農公式，該公式表明，當傳輸系統的信噪比S /N下降時，可用增加系統傳輸帶寬W的方法來保持信道容量C的不變，而保證了系統無差錯傳輸信息的速率。擴頻技術正是利用這一原理，用高速率的擴頻碼來達到擴展待傳輸的數字信息帶寬的目的。

3 2種擴頻方式比較

目前的擴頻通信系統按照擴展頻譜的方式不同，主要可以分為：直接序列擴頻、跳頻擴頻、跳時擴頻、線性調頻擴頻，以及這幾種擴頻方式的組合。由于其抗干擾的機理不同，它們都具有較強的抗干擾性能，但也有各自的不足之處[2]。下面就CBTC車地通信所面臨的干擾問題對直擴和跳頻進行比較。

（1）抗強的定頻干擾。對于強的定頻干擾信號，直擴系統通過處理增益處理干擾容限以內的干擾，超出范圍的就很難達到處理要求，而跳頻系統能夠靠載波的隨機跳變，躲避干擾，將干擾排斥在接受通道以外達到抗干擾的目的，若跳頻系統的可用頻道很大，在某一個頻點停留時間很短，才有好的效果，所以對固頻干擾信號的抗干擾性，跳頻系統效果更好。

（2）抗衰落性。直擴系統的射頻寬度比跳頻系統寬得多，因此少量的頻譜的衰落對直擴系統中信號的歧變影響不大，相反跳頻系統的窄帶寬與選擇性接收則會使一定頻率損失，頻率選擇性衰落將導致若干個頻率受到影響，導致系統性能惡化。

（3）抗多徑。多徑干擾是由于電波傳播過程中遇到各種反射體（如隧道壁、軌旁裝置）引起，使接收端信號產生失真，導致碼間串擾，引起噪音增加。而直擴系統可以利用這些干擾能量提高系統的性能。跳頻系統要抗多徑干擾，要求每一跳駐留的時間很短，就要增加跳頻速率，但這又加大了系統的難度，實際應用中難以實現，所以直擴系統的抗多徑性能略優。

（4）“遠-近”效應。“遠-近”效應主要由于接收機遠離信號源，隨著信號的長距離傳輸，信號路徑不斷衰減，干擾信號不斷增強，一旦干擾信號超過接收機的干擾容限就會影響其正常運行。而跳頻原理的接收機通過躲避原理和前段電路處理，使干擾衰減，所以相比較而言，“遠-近”效應對跳頻信號影響最小。

（5）同步。直擴系統的偽隨機碼速率高、長度長，使得對同步的精度要求高，同步所需的時間長（一般在秒級），入網相對較慢，而跳頻系統完成同步的時間在毫秒級，所以跳頻系統較好。

（6）信號處理。直擴系統與跳頻系統采用的檢測方式不同。跳頻系統適合非相干檢測，直擴系統則采用相干檢測，但需要載波恢復電路和恢復相位差才能進行，實現起來成本昂貴，不但增加了整個系統的復雜程度，同時降低了系統性能。

（7）多網工作。直擴系統和跳頻系統與單載波系統比較，由于其多址能力強，造成頻譜利用率高，而直擴系統與跳頻系統之間，無論是組網能力還是頻譜利用率都是跳頻系統略優。

（8）通信安全保密。擴頻系統的保密性總體較強，但直擴與跳頻原理的不同，保密性能也不相同。直擴系統的低密度頻譜可隱藏在噪聲信號中，幾乎不可發現，而跳頻系統的頻譜跳變造成瞬時功率譜變大，很難隱藏。

綜上所述，直擴系統和跳頻系統各有優缺點，應當根據實際情況選擇使用。目前城市軌道交通系統中，大都采用基于單一擴頻方式的CBTC 車地通信系統，但是，在地鐵隧道這種復雜的工作環境中，僅采用單一擴頻方式很難達到應用的需求，將兩者有機的結合起來形成互補，就可以適應各種工作環境，達到所需的技術要求，更進一步降低系統的維護成本和工作難度。因此，提出將直擴和跳頻混合的擴頻技術應用到CBTC車地通信系統中。

4 DS-FH混合擴頻技術

4.1 DS-FH混合擴頻原理

直接序列和跳頻混合擴頻技術，簡稱DS-FH，是在直接序列擴頻的基礎上增加了載波頻率跳變的功能，綜合了DS 和FH 兩種擴頻方式的優點，同時克服了單一擴頻方式的不足，因而能更有效地對抗干擾。

首先對基帶信號進行直接序列擴頻，形成DS信號，然后對DS信號進行跳頻擴頻發射出去，這樣就形成了DS-FH信號。接收方在收到DS-FH信號后，首先對接收信號進行解跳，得到一個固定中頻的直擴信號，然后再進行解擴，最后對接收信號進行解調，恢復出原始信號[3]。混合擴頻系統中，用到兩個偽碼，一個用于直擴，一個用于跳頻中控制頻率合成器。一般直擴碼的速度比跳頻碼的速度高得多。DS-FH 混合擴頻系統的基本原理如圖2。

圖2 DS-FH擴頻原理

圖2（a）中，在發送端，從編碼器輸出數字基帶信號與PN碼發生器1產生的直擴碼在相關碼發生器中進行時域相乘，也就是模2加運算，擴頻碼的速率遠大于基帶信號的速率，乘法器輸出后的基帶信號帶寬被擴展。PN 碼發生器1 與相關碼發生器統稱為擴頻器。

PN 碼發生器2和頻率合成器構成跳頻器；偽隨機碼序列構成跳頻圖案，作為指令控制頻率合成器產生頻率fi，使載波頻率有規則地發生跳變，假設跳變的順序為f1，f3，f2，f6，…，f1。那么已經被擴展的信號就按照跳頻速率依次使用頻率f1，f3，f2，f6，…，f1對傳輸數據進行搬移。輸出信號即為一個直擴加跳頻的混合擴頻信號。

圖2中直擴碼和跳頻碼可以是由同一個PN 碼發生器產生，也可以使用不同的PN碼發生器，但它們在時間上必須是相互關聯的，因此由同一個時鐘控制。

圖2（b）為接收端的原理圖。其中，偽碼發生器2、頻率合成器和相關器構成解跳器，PN碼發生器1和乘法器構成解擴器。跳頻偽隨機序列產生電路在捕獲同步跟蹤電路作用下，取得與發送端同步的相同跳頻圖案后，控制頻率合成器輸出比外來信號高出一個中頻的跳變頻率f1', f3', f2',f6'…f1'…。擴頻信號經過濾波后進入混頻器，完成解跳，此時信號為一固定中頻的擴頻信號，再與直擴碼發生器產生的隨機序列相乘，進行解擴，恢復成窄帶信號，經過窄帶濾波器消除干擾信號，最后送入解調器恢復出信源信號。

圖2（c）中的（1）為基帶信號的頻譜；（2）為擴頻后的信號頻譜，它與擴頻碼的頻譜一樣；（3）為頻率合成器輸出的頻率發生跳變后的載波信號頻譜，箭頭指示為其跳變的順序；（4）為直擴信號又發生載波跳變后的信號頻譜，與跳頻系統不同的是混合擴頻信號在每一個特定時刻都是一個寬帶系統。圖中虛線所示就是跳變而形成的寬帶譜。

4.2 DS-FH混合擴頻性能分析

一般而言，擴展頻譜系統的處理增益可以表征系統的抗干擾能力。處理增益即擴展頻譜處理器輸出信噪比和輸入信噪比之差。對于DS系統，處理增益可以表示為Gp=Rc/Ra，Rc為偽隨機碼速率，Ra為信息碼元速率。而對于FH系統，處理增益為系統提供的跳頻頻數為N[4]。如果進行頻率跳變擴頻，各頻點間的頻譜互相不重疊時，DS-FH擴頻系統的處理增益為直擴處理增益和跳頻處理增益之積，即：GDS-FH=GDS·GFH，其中GDS為直擴處理增益，GFH為跳頻處理增益。如果用dB表示處理增益時，則有：GDS-FH（dB）=GDS（dB）+GFH（dB）。由此可見，DS-FH擴頻系統能利用小處理增益的DS和FH信號產生大的處理增益，如果單獨使用DS系統或FH系統，產生同樣的大處理增益則系統實現要復雜的多。

處理增益Gp反映了在理想通信環境（無噪聲）下擴頻通信系統信噪比改善的程度，但在任何實際的工作環境中，噪聲總是存在的，尤其在地鐵這種復雜的環境下，噪聲的影響是巨大的。因此，在實際工程設計中，還需要提出抗干擾容限這一概念。

抗干擾容限是指擴頻通信系統能在多大干擾環境下正常工作的能力，定義為：Mj=Gp－[（S/N)out+Ls] dB，Ls為干擾容限，（S/N)out為系統內部損耗，為系統正常工作時要求的最小輸出信噪比。

干擾容限直接反映了擴頻系統接收機可能抵抗的極限干擾強度，只有當干擾信號的功率超過干擾容限后才能對擴頻系統形成干擾。因而干擾容限往往比處理增益更能確切地反映系統的抗干擾能力。

采用DS-FH 混合擴頻系統技術，有利于提高系統的抗干擾性能，因為干擾信號必須同時滿足兩個條件才能對傳輸造成影響：（1）干擾信號的頻率變化要與跳頻頻率的變化相同；（2）干擾電平必須超過直擴系統的干擾容限[5]。否則就不能對系統構成威脅，這樣就降低了信號受到干擾的可能性，從而達到較高的抗干擾性能。

5 結束語

無線通信是一種容易受到干擾的通信體制，因此必須研究有效的抗干擾技術以對付嚴重的干擾威脅。在列車控制系統中,數據傳輸系統傳輸的對象是現場智能終端之間交互的控制信息和狀態信息,這些涉及行車安全的重要數據信息在傳輸時一旦發生差錯就會危及整個列車控制系統的安全,并且列車的高速移動使得一些不利因素的影響加劇,因此要求CBTC數據傳輸系統有較高的安全性和保密性。

DS-FH系統結合了DS系統和FH系統的優點，如抗多徑能力強，抗窄帶干擾能力強等，同時克服了它們的一些缺點，它可用短的直擴碼和跳頻碼實現大的處理增益，減少了同步所需時間和難度。由此可見，將DS-FH混合擴頻技術應用于CBTC系統中具有現實意義和實用價值。

[1] 徐杲，黎江. 無線傳輸系統在列車運行自動控制中的應用與發展[J] . 鐵道勘測與設計，2006（5）：35-38.

[2] 韋惠民. 擴頻通信技術及應用[M] . 西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[3] 林繼華. 一種DS-FH混合擴頻通信系統抗遠近效應的研究[D] . 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003，3.

[4] 王毅. 跳擴混合系統的同步技術研究與實現[D] . 成都：成都電子科技大學，2007.

[5] 查光明，熊賢祚. 擴頻通信[M] . 西安：西安電子科技大學出版社，2007.