載波通信在鐵路設備中的應用

莫小慶 郭 平 孫亞群 彭玲燕

莫小慶:南寧鐵路局電務檢測所 工程師 530029 南寧

郭 平:上海鐵大電信設備有限公司 高級工程師 200072上海

孫亞群:上海鐵大電信設備有限公司 助理工程師 200072上海

彭玲燕:上海鐵大電信設備有限公司 助理工程師 200072上海

1 載波通信簡介

載波通信就是一種通信系統中的“信道”，采用頻分復用技術，將用戶信號調制到不同的頻帶上進行傳輸。在載波發送端，編碼電路將載頻和基頻進行混頻，混合后的載波信號通過電纜傳到接收端，接收端對混頻信號進行帶通濾波，分離出載頻信號再解碼，將發送端信號還原出來實現信號傳輸。目前移頻鍵控法 (FSK調制方法)是一種比較成熟的載波調制方法。載波通信的特點如下。

1．載波通信的傳輸介質。載波通信技術最大的優點是不需要專用通信電纜，傳輸介質可以為高壓電力線、低壓配電線及電纜屏蔽層。目前在區間電纜和鋼軌上已經實現了載波通信。

2．載波通信的速率和傳輸距離。在同一種通信信道中，速率和傳輸距離成反比，即速率越高，通信距離越短，反之亦然。通信介質制約了信號的傳輸距離與速率，這與通信信道的物理長度和通信信道的阻抗匹配相關，而且噪聲干擾也制約了信號的傳輸質量。根據現場試驗，采用移頻鍵控法(FSK)，通信距離 2 km，載波速率可以達到2400 b/s以上，基本滿足車站到咽喉區段的通信需求。

3．載波通信不能跨越變壓器。變壓器主次級之間或相間傳送信息需要采取特殊措施，常見手段是在變壓器的主次級各放置一個載波Modem，2個Modem之間通過數據線進行信息交互。還可在變壓器主次級之間或相間增加耦合器，通過耦合器的互連也能達到同樣的目的。

雖然鐵路設備有各種成熟的通信方式在應用，但載波通信以其組網方便、成本低廉，特別是不需要敷設專用通信線路的特點，非常適合作為既有定型站場增加新設備時的補充通信手段。

2 載波通信應用舉例

2.1 以配電線路為媒介的鐵路車站環境監測系統

環境監測系統，采集的信息包括溫度、濕度、煙霧、明火、水浸、門禁、玻璃破碎及空調遙控等。由于監測對象物理位置分布廣并且沒有特定的規律，在增加各種傳感器的數據采集時增加通信電纜的敷設比較麻煩，而采用無線通信方式又因室內設備的遮擋影響通信質量，相比而言采用載波通信方式則比較理想，適合數據量不大而位置分散的信息采集系統。

基于電力線載波通信的環境監測系統的組成如圖1所示。系統構成有3級，各類傳感器及其配套的載波通信模塊為第1級，帶多路載波模塊的監測主機為第2級，遠程終端為第3級。各種傳感器為基礎數據采集裝置，每個傳感器帶載波通信模塊，插上電源即可。環境監測主機是載波通信的中心設備，它可以跟三相電的任意一相通過電力載波進行通信。安裝在低壓配電變壓器的低壓側 (附近或任何方便的地方)，通過電力線匯集該低壓配電變壓器下所有安裝有載波數據采集模塊的傳感器進行數據通信并存儲數據。這些數據可通過公用電話線或GSM數據通信方式直接傳回到遠程終端。

圖1 基于載波通信的環境監測系統的組成框圖

采集系統的載波通信是星形組網方式。本系統于2009年在呼和浩特局陶思浩站進行試點，在該站共安裝各種傳感器12個，由監測主機輪流給各個傳感器發送指令。每條指令含前導碼、指令號、傳感器號碼、參數值 (2個字節)、校驗碼及結束碼共7個字節。通信速率為1200 b/s，數據通信格式為1200、n、8、1、1，每條指令發送時間為 (7B×11b/B)/1200 b/s=64.16 ms，發送指令后傳感器在5 ms內數據應答，回傳數據7個字節延時15.58 ms，2條指令中間的延時為5 ms，平均每個傳感器時間片長為64.16ms×2+5ms+5ms=138.32 ms。查詢完所有11個傳感器所用時間為138.32 ms×11=1411.52 ms，還有一個傳感器是空調遙控，不需要實時查詢，只需要每天定時設置即可。

上述計算可以看出，對于傳感器數量在10個以內的普通車站，1200b/s的載波通信方式能每2 s輪詢一次，滿足數據采集的實時性要求。目前該系統已經安裝在濟南局、武漢局和昆明局。

2.2 以鋼軌為媒介的區間軌道電路監測

通過鋼軌進行載波通信是目前正在探索的新通信方式，這種方式不是完全意義上的“載波通信方式”，而是“半載波模式”。簡要地說，載波通信中通信介質中加載2種或2種以上的電信號，包括基波和載頻，而在鋼軌上進行信號傳輸時只有載頻沒有基波。這種系統的特點是電源不通過鋼軌輸送，而是由設備自帶的太陽能或電池供電，信息則通過鋼軌傳送，在鋼軌上只有載波信息和噪聲。

目前，已在南寧局的南環線天潭—玉洞區間用鋼軌載波進行了軌道電路監測試驗，試驗中通信設備如圖2所示。

圖2 區間鋼軌載波通信試驗示意圖

鋼軌載波相對于電纜的優點是:鋼軌電阻值非常小，根據廠家提供的數據，對50 kg鋼軌，每米鋼軌的電阻約40.76 μΩ，對60 kg鋼軌的每米鋼軌的電阻約34.36 μΩ，另外2根鋼軌之間的電容值遠遠小于同等長度的電纜，相對于同樣頻率的載波信號其感抗更小，阻抗更高，對信號傳輸的衰耗更小。缺點是道床電阻比較小，對信號衰減較大。鋼軌載波通信的一大難點是，鋼軌左右軌之間有軌距桿，軌距桿有絕緣和非絕緣2種，非絕緣軌距桿的存在對載波通信是一大難點。為此設計了一種阻波器，裝在非絕緣軌距桿上，阻波器具有通直流信號阻交流信號的作用，因而增加阻波器能對鋼軌通信信道呈現較高的輸入阻抗，減少對信號的損耗或者“旁路”。

另一種解決軌距桿的思路是利用鋼軌和大地作為信號回路來通信，把左右軌作為一根通信線來考慮。這種思路雖然能繞過軌距桿這個難題，但實際應用中因道床電阻的差異太大，通信不可靠而暫時不具備實用價值。

試驗過程中，先用200kHz的載波中心頻率做實驗，發現在8 km遠處，能收到載波信號，但誤碼率太高，通信斷斷續續。后改為78kHz的載波中心頻率，誤碼率為2/10000，通信距離為10 km時，誤碼率為5/10000，這種誤碼率還是太高。最后選用了20 kHz中心頻率，并在接收端加裝了一級帶通濾波器，通信效果比較好。該區間10.3 km，誤碼率低于10－6，通過試驗驗證，在裝了阻波器的區間，鋼軌載波通信的信號在1200 b/s的速率下可靠通信距離可以達到10 km，能滿足大部分的區間設備通信需要。

3 總結

載波通信有其本身所固有特性，鐵路有其自身的特點，實際應用中需考慮以下幾方面情況。

1．要有較高的頻譜利用率，以適應信道有效帶寬窄的特點。

2．有好的功率利用率，能把功率集中在有效的頻帶中，降低功率損失。

3．載波頻率的選取，盡可能使通信信道呈現較高的輸入阻抗，以減小對載波信號的衰減。特別是用鋼軌作為載波媒介時，需要充分考慮鋼軌之間或鋼軌和大地之間的分布電容的影響。

由于鐵路現場干擾源較多，干擾頻譜廣，要求載波通信設備具有很強的噪聲抑制能力，并能在信噪比很低的情況下正常工作。

［1］ 樊昌信．通信原理教程［M］ ．北京:電子工業出版社，2007.

［2］ 張軍．數字通信［M］ ．北京:電子工業出版社，2007