接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的研究

陳維明

（上海通號(hào)軌道交通工程技術(shù)研究中心 200072）

1 概述

接觸網(wǎng)是指電氣化鐵路沿線上空架設(shè)的向列車供電的特殊形式的輸電線路。當(dāng)列車沿著線路運(yùn)行時(shí)，安裝在列車車頂?shù)氖茈姽ㄟ^(guò)弓頭的碳滑板與接觸線滑動(dòng)接觸進(jìn)行受流，給列車提供動(dòng)力。感應(yīng)通信是指發(fā)送方利用感應(yīng)方式（非接觸，感應(yīng)頻段一般為50 ～500 k）將信號(hào)耦合到感應(yīng)線（金屬材質(zhì)）上，信號(hào)在感應(yīng)線上進(jìn)行傳播，接收方再將感應(yīng)線上的信號(hào)反向耦合接收進(jìn)行信息交互的方式。利用感應(yīng)方式及接觸網(wǎng)的接觸線作為感應(yīng)線進(jìn)行列車車地之間的信息交互就是接觸網(wǎng)感應(yīng)通信。

列車車地之間的通信除了接觸網(wǎng)感應(yīng)通信以外，主要有數(shù)字軌道電路、交叉感應(yīng)環(huán)線、查詢應(yīng)答器（點(diǎn)式）、無(wú)線通信、感應(yīng)通信（通過(guò)專設(shè)的感應(yīng)線）等。前3種需要在鐵軌沿線的軌面鋪設(shè)較多設(shè)備，無(wú)線通信則需要在地面每隔一定距離架設(shè)基站或直放站，投資和維護(hù)的費(fèi)用比較高。專設(shè)感應(yīng)線的感應(yīng)通信也有類似的問(wèn)題。而接觸網(wǎng)感應(yīng)通信利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，具有構(gòu)成簡(jiǎn)單、造價(jià)低、通信覆蓋性好等特點(diǎn)[1，2]。

針對(duì)現(xiàn)有接觸網(wǎng)感應(yīng)通信的不足，如易受干擾、通信質(zhì)量不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳送速率低等，文獻(xiàn)[2]中提出擴(kuò)頻通信技術(shù)的思路來(lái)解決相應(yīng)問(wèn)題。本文則進(jìn)一步采用擴(kuò)頻通信仿真的方法，并基于一定的信道模型對(duì)接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。擴(kuò)頻通信仿真的著重點(diǎn)在于低信噪比下擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能及數(shù)據(jù)傳輸速率的提升。

2 接觸網(wǎng)感應(yīng)式通信系統(tǒng)

接觸網(wǎng)感應(yīng)式通信系統(tǒng)由車站載波通信設(shè)備、機(jī)車載波通信設(shè)備、機(jī)車感應(yīng)天線、接觸網(wǎng)的接觸線、信號(hào)過(guò)分相設(shè)備組成，如圖1所示。車站載波通信設(shè)備與接觸網(wǎng)的接觸線直接相連以減少信號(hào)的衰耗。機(jī)車載波通信設(shè)備借助機(jī)車感應(yīng)天線和接觸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與車站載波通信設(shè)備及其他機(jī)車載波通信設(shè)備的互連。信號(hào)過(guò)分相設(shè)備起到將不同電分相段的感應(yīng)信號(hào)橋接在一起的作用，同時(shí)保持50 Hz工頻信號(hào)處于隔斷狀態(tài)。

3 感應(yīng)式擴(kuò)頻通信的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的感應(yīng)式擴(kuò)頻通信設(shè)計(jì)條件：工作頻段100～500 kHz，BPSK調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率不小于9.6 kbit/s，接收信噪比≤-3 dB。低信噪比的要求有利于傳輸更遠(yuǎn)的距離，或降低發(fā)射功率，或減少對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾。感應(yīng)式擴(kuò)頻通信的收發(fā)框如圖2所示，包含發(fā)射端、信道和接收端。信源信息經(jīng)數(shù)據(jù)編碼、擴(kuò)頻調(diào)制和載波調(diào)制后，發(fā)送到傳輸信道上。接收端進(jìn)行載波同步后，進(jìn)行聯(lián)合解擴(kuò)和解調(diào)的方式來(lái)解出數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)解碼還原出傳輸?shù)男畔ⅰ１疚闹攸c(diǎn)關(guān)注接收端的設(shè)計(jì)。

3.2 載波捕獲

接收端的載波捕獲采用滑動(dòng)相關(guān)算法，本地的捕獲副本則由本地震蕩信號(hào)和本地?cái)U(kuò)頻碼共同生成[3]。本地的捕獲副本表示為：

其中，c（t）為擴(kuò)頻碼，f為載波頻率，T為一個(gè)符號(hào)位的持續(xù)時(shí)間。

載波捕獲算法結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中Pi（i=1，2，…，N）為N個(gè)采樣點(diǎn)的移位緩存數(shù)據(jù)，Si（i=1, 2,…,N）為本地的捕獲副本，N個(gè)采樣點(diǎn)持續(xù)一個(gè)符號(hào)位T的時(shí)間。當(dāng)Pi和Si同步時(shí)，相關(guān)值最大。圖4給出理想信道條件下載波捕獲的滑動(dòng)相關(guān)值。正向或負(fù)向最大值即為同步點(diǎn)。

3.3 聯(lián)合解擴(kuò)和解調(diào)

在實(shí)現(xiàn)載波捕獲和同步后，接收端即進(jìn)入聯(lián)合解擴(kuò)和解調(diào)過(guò)程，其結(jié)構(gòu)與圖3類似。聯(lián)合解擴(kuò)和解調(diào)采用與載波捕獲相同的由本地震蕩信號(hào)和本地?cái)U(kuò)頻碼共同生成的捕獲副本，參見(jiàn)本文3.2。不同的是數(shù)據(jù)流入為采樣的一組并行數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為同步后的一個(gè)符號(hào)位的完整時(shí)間。輸入的一組數(shù)據(jù)與捕獲副本進(jìn)行相乘和相加后進(jìn)行數(shù)值判決（1或0，正向的值代表數(shù)值1，負(fù)向的值代表數(shù)值0），然后進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

4 系統(tǒng)仿真分析

系統(tǒng)仿真環(huán)境采用Matlab/Simulink[4]，仿真模塊主要有DSSS（直接序列擴(kuò)展頻譜）發(fā)送、仿真信道、DSSS接收及BER（誤比特率）的計(jì)算。

4.1 DSSS發(fā)送

DSSS仿真發(fā)送端由信源數(shù)據(jù)（12 kbit/s，bit位為±1）經(jīng)差分編碼后與擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)級(jí)性轉(zhuǎn)換的擴(kuò)頻碼（31位m碼，反饋系數(shù)為100 101，bit位為±1）相乘進(jìn)行擴(kuò)頻形成后的數(shù)據(jù)（12×31=372 kbit/s）, 然后與震蕩器產(chǎn)生的載波（載頻300 k）相乘完成BPSK調(diào)制，并傳送至仿真信道，如圖5所示。

4.2 仿真信道

仿真信道考慮了多徑、衰減、脈沖噪聲和背景噪聲，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：

r（t）=∑L-1i=0gi（t）×u（t-τ）+Nim（t）+Nbg（t）

其中，r（t）為接收信號(hào)，u（t）為輸入信號(hào)，gi（t）和τ分別為第i條路徑的衰落因子和傳播時(shí)延，Nim（t）為脈沖噪聲，Nbg（t）為背景噪聲。仿真信道模型的圖形表示如圖6所示。

本文仿真信道模型中的多徑和衰減使用表1中給出的典型信道的路徑參數(shù)[5]，其中di、gi分別表示路徑i的長(zhǎng)度和衰減系數(shù)。脈沖噪聲Nim(t)使用Middleton的A類噪聲模型，模型參數(shù)有脈沖指數(shù)A和高斯噪聲與脈沖噪聲的能量比值Γ。脈沖指數(shù)A體現(xiàn)了噪聲的脈沖性，A越小，噪聲的脈沖性越強(qiáng)；反之，A越大，則A類噪聲的統(tǒng)計(jì)特性就越近于高斯噪聲。脈沖指數(shù)A選為0.011 966，能量比值Γ選為0.283 12[6]體現(xiàn)了較強(qiáng)的脈沖性。背景噪聲Nbg（t）則采用加性高斯白噪聲AWGN。

表1 多徑信道路徑參數(shù)

4.3 DSSS接收

DSSS仿真接收端對(duì)接收到的信號(hào)先進(jìn)行低通濾波(濾除高頻干擾)，然后進(jìn)行載波捕獲和同步，載波捕獲和同步完成后啟動(dòng)解擴(kuò)和解調(diào)。解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)數(shù)值判決（大于0為1, 否則為-1）和差分編碼后還原出原始數(shù)據(jù)。將還原后的數(shù)據(jù)與經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算出誤碼率并顯示，如圖7所示。虛線框內(nèi)是數(shù)據(jù)誤碼率計(jì)算和顯示的部分。

4.4 仿真結(jié)果分析

基于4.3給出的仿真信道模型，圖8給出不同信道條件（多徑及不同SNR）下的系統(tǒng)誤比特率仿真結(jié)果。調(diào)制方式為BPSK，載頻為300 kHz，數(shù)據(jù)傳送速率為12 kbit。擴(kuò)頻碼采用m碼，擴(kuò)頻因子31,頻率使用范圍為114～486 k（感應(yīng)頻段范圍內(nèi)）。

從仿真結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)在單條信號(hào)徑的情況下取得了比較好的結(jié)果。在較強(qiáng)脈沖噪聲及較低信噪比（SNR低至-11 dB）下都能很好工作。在典型中壓電力線信道（4條信號(hào)徑）下，系統(tǒng)仍能在SNR為-3 dB及以上（BER<2‰）的情況下工作。在惡劣中壓電力線信道（7條信號(hào)徑且衰減比較大）下，信噪比則要求在3 dB及以上才能正常工作。對(duì)比不同仿真情況下的結(jié)果，可以得知感應(yīng)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗噪聲能力，這與擴(kuò)頻通信的理論一致。另外，對(duì)信號(hào)多徑也有不錯(cuò)的抑制效果。不過(guò)當(dāng)信號(hào)的徑數(shù)比較多時(shí)，接收端信號(hào)的信噪比也需要相應(yīng)提高，才能滿足正常通信需要。實(shí)際接觸網(wǎng)的傳輸信道由于軌道線路呈鏈狀分布，且同時(shí)使用的用戶（車站和列車）數(shù)較少，信道的模型應(yīng)該介于較好及典型中壓電力線模型之間，因此實(shí)際的傳輸效果應(yīng)該還會(huì)好一些。

5 結(jié)論

本文對(duì)接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。介紹了接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的組成，建立了擴(kuò)頻通信的仿真試驗(yàn)環(huán)境，在接收端采用聯(lián)合解擴(kuò)和解調(diào)的方法，對(duì)不同信道及不同信噪比下的系統(tǒng)傳輸性能進(jìn)行仿真，并給出仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，接觸網(wǎng)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在感應(yīng)頻段內(nèi)能滿足數(shù)據(jù)傳輸速率不小于9.6 kbit/s，接收信噪比≤-3 dB的要求，且對(duì)信道噪聲有很強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)信號(hào)多徑也有不錯(cuò)的抑制效果，可以滿足列車和地面進(jìn)行控制信息交互的需要。另外，該系統(tǒng)還具有以下特點(diǎn)。

1）采用接觸網(wǎng)載波通信方式可有效避免無(wú)線通信的頻譜資源限制及干擾的問(wèn)題

2）由于沒(méi)有頻譜資源的絕對(duì)限制，通過(guò)擴(kuò)頻通信方式可有效平衡傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速率、干擾抑制等需求

3）接收端采用聯(lián)合解擴(kuò)和解調(diào)也有利于軟件無(wú)線電方式的實(shí)現(xiàn)

接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的實(shí)際使用還包括以下方面：a．感應(yīng)天線的改造以支持較寬的頻率范圍。b．高頻過(guò)分相設(shè)備也需要改造支持較寬的頻率范圍。c．載波機(jī)的開發(fā)，包括擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)、語(yǔ)音的編解碼等。d．載波機(jī)對(duì)多用戶的支持等。盡管接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的應(yīng)用有多種挑戰(zhàn)，但其推廣應(yīng)用還有較高的價(jià)值，且具有比較高的性價(jià)比。

[1]吳惠增. 感應(yīng)式無(wú)線通信的發(fā)展和改進(jìn)建議[J]. 中國(guó)鐵路，1992（2）：10-14.

[2]陳寶林，曹元生，黃兆寶.擴(kuò)頻技術(shù)在感應(yīng)無(wú)線通信中的應(yīng)用[J]. 西鐵科技，1999(3)：14-15.

[3]王沁，劉蘭軍，張曉彤，等.一種支持CDMA機(jī)制的水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(24)：7845-7850.

[4]趙剛. 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)實(shí)用仿真技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[5]李榮偉，吳樂(lè)南. 10 kV中壓配電線載波信道的建模[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2006，12（12） : 19-23.

[6]張鋒. 寬帶電力線通信系統(tǒng)脈沖噪聲特性研究[D]. 北京：華北電力大學(xué)，2011.