基于電力載波通信的鐵路道岔缺口監測系統研究

徐紅陽

（中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司，上海 200436）

1 系統組成及功能

基于電力載波（Power line communication,PLC）通信的鐵路道岔缺口監測系統（簡稱缺口監測系統）由3部分構成：現場設備、監測設備以及電力載波通信設備組成。如圖1所示。

1）現場設備由電渦流傳感器采集電渦流信號形成采集器。

2）監測設備由集中監測管理器和集中監測屏構成。

3）通信設備由電力載波通信設備構成。

系統通過現場設備采集器采取信號量，進行信號量分析判斷，然后通過電力載波與監測設備集中器進行通信、數據交換。因此，電力載波通信便成了不可或缺的一環。系統采用以電力線傳輸的正弦波信號作為傳輸媒介，將有效信息通過調頻的方式加載到電力正弦波信號中，從而實現數據的傳輸，通常稱此種技術為電力載波的通信技術。有防過壓和防瞬變抑制電路，以防過電壓和雷電對模塊的損壞。遠程控制電力載波通信技術使得本系統數據有效傳輸最大距離為20 km。

2 電力載波通信原理分析

電力載波通信是電力系統特有的通信方式。電力載波通信是指在現有電力線基礎上，通過載波的技術方式將所需傳輸的數字信號或者模擬信號進行高速傳輸的技術統稱。電力載波最大以及最獨特的特點是，利用電力線，不需要重新鋪設線路網絡，處處有現成的網絡，處處能數據傳遞。

通信分為發送和接收。在通信發送時，利用可靠的調制技術將要發送的模擬信號或者數字信號等用戶數據進行調制，把裝有調制信號的高頻加載與電流，在電力線上進行傳輸；傳輸出去后，接收端就可以進行接收。在通信的接收端，把接收來的電力線信號，先經過濾波器將調制信號取出，然后對取出的信號進行解調，就可獲得原通信的用戶模擬信號或者數字信號等數據。并可以傳送到其他處理設備或者顯示設備，這樣實現了電力載波的通信。

電力載波通信一般采用的調制方式是正交頻分復用（OFDM）。OFDM是一種技術措施，可以在嚴重電磁干擾的通信環境下保證數據穩定完整傳輸。HomePLUG 1.0的規范覆蓋4～21 MHz的通信頻段，在4～21 MHz頻段內劃分84個OFDM通信信道。OFDM原理是有幾個通信信道按90°的相位作頻分，這樣的結果是當某一個信道波形過0點時，相鄰信道的波形恰好是幅值最大值，從而保證信道間的波形不會因外來干擾而交疊、串擾。

3 特殊電路的設計實現

3.1 電路一：自動增益控制電路，AGC電路

在接收機接收電臺信號時，因為各個發射臺功率大小不一，發射臺離接收機距離遠近不同，無線電波傳播過程中的多晶效應和衰落等原因，導致接收天線上產生的有用信號強度相差懸殊，而且往往會有很大波動變化,通常約為104～105倍。這樣可能在接收微弱信號時，造成某些電路不能正常工作而丟失信號，比如檢波器就有可能。然而在接收強信號時，有可能造成放大電路阻塞或者非線性失真。因此，在接收設備中必須采用AGC電路，用來壓縮游泳信號強度的變化范圍。

AGC電路的作用是可以根據輸入信號電壓幅度的大小，自動調整放大器所使用的增益大小，從而使放大器輸出的電壓在一定的可控范圍內發生變化。

AGC電路是無線電接收設備的重要電路，它將保證接收幅度的穩定。AGC電路通常是由峰值檢波電路、低通濾波器、直流放大器、電壓比較器、控制電壓產生器以及可控增益放大器構成，其中可控增益放大器是增益控制得以實現的關鍵所在。

在本設計中，希望將濾波器輸出的小信號進行放大但不能失真。濾波器輸出信號是mV級的信號，而且因為系統輸出的信號是經過DPSK調制的，為了保證前后碼元對應的相位信息不能出錯，需要放大器不能因飽和失真使前后碼元對應相位錯位，電路本身噪聲干擾不能過大。為了同時滿足以上條件：輸入信號賦值過大不會飽和失真，前后碼元相位不錯位，噪聲不能太大，所以電路必須具有自動增益控制的能力，如圖2所示。

當輸入端的信號超過一定門限時，此電路對輸入的信號進行負反饋，使輸入信號的幅值降低，這樣起到調節增益、增益控制的效果。為了預防輸入信號過大導致電路效果不可控，設計時，在電路的輸出級并聯了電容及兩個二極管，起到對輸入端的輸入信號幅值變化來進行輸出幅值控制的作用，同時起到過壓保護的作用。在設計的電路中，通過實際測試：此電路在輸入端輸入10 mV的信號時，增益大約為40 dB，輸入信號為100 mV時，增益為20 dB，輸入信號為1 V時，增益僅僅只有4 dB?？梢钥闯?，完成對增益自動控制的功能，符合預期。

3.2 特殊電路二：耦合電路

為了實現能量與信號的傳輸，連接各個功能電路的方法為耦合電路。耦合電路具有蓄能、阻抗變換、鋁箔、隔離等一種或者幾種功能。

耦合電路分為4種：直接耦合電路、阻容耦合電路、變壓器耦合電路以及光電耦合電路。

變壓器耦合電路：將放大電路前級的輸出端通過變壓器連接到輸入端或者負載電阻上，稱為變壓器耦合電路。變壓器耦合共射放大電路。電路可實現阻抗變換，變壓器耦合電路的前后級靠磁路耦合，它的各級放大電路工作點相互獨立。

在設計中，此電路只用作載波信號輸入以及輸出的路徑，并且起到與“市電”220 V電壓隔離的作用。此電路是根據一般通用的耦合電路進行修改的，其功能是接收時將電力線上傳輸的載波信號耦合下來送入解調電路，同時發送時將調相信號通過耦合送入電力線上。因為電力線在鐵路的露天環境，可能存在雷擊以及其他高電壓瞬間放電的情況，所以為了預防高電壓對電路的元件造成不可逆的損壞或者破壞，必須有防雷措施。因此在電路中輸入端并聯一個雙向瞬態二極管進行保護。電路中設置一個變壓器，該變壓器允許通過100～400 kHz頻率的信號，也就是電力載波信號的頻率，這樣變壓器就起到一個通有用信號、阻干擾信號的作用。后級電容電感組成濾波電路，同樣通過100 ～400 kHz有用載波信號，阻止電力線200 V/50 Hz信號進入變壓器T，導致變壓器鐵芯飽和，從而限制變壓器的電流。電路設計輸入通道接入浪涌保護二極管。當所接電力線上的負載發生變化時，線路上就會產生較大的噪聲，甚至產生幅值很大的尖峰脈沖。一旦噪聲和尖峰脈沖通過耦合后進入到后級電路，會對電路造成很大的危害。所以在電路設計中接入浪涌保護二極管進行保護，使噪聲濾除，后級電路得到保護。電路設計的二階濾波器，完成濾除帶外雜波，保證前后級阻抗匹配。同時為了防止電壓過大對電路造成損害，添加二極管，用于電壓過大的保護。耦合電路如圖3所示。

4 結束語

電力載波通信基于其獨特的特點：不需鋪設額外的網絡，只要能夠使用電，存在電線網絡，就能實現通信。方便、快捷、節約成本以及其抗干擾能力強，傳輸距離遠等特點，在將來技術發展推動下，將其中的不足進行攻克彌補，未來的發展前景遠大。依據高低頻電路原理和數字通信原理，設計專用的

自動增益控制電路、載波信號接收發送通路的耦合電路，成功的將電力載波應用到鐵路缺口項目中，將數據通過電力載波進行傳輸。本文介紹的基于電力載波通信的鐵路道岔缺口監測系統，是在電力載波通信技術上的一個應用實例。在整個研發過程中，研發團隊遇到許許多多的困難，在不懈努力下最終得到解決或者克服。所論述的系統也存在許多不足，隨著將來的發現將不斷改進。隨著科學技術的發展，或許將來會有更好更新的技術來實現。

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