DS-FH混合擴(kuò)頻技術(shù)在CBTC車地通信中應(yīng)用的研究

張 雯，薛 偉

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州730070）

隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)在列車控制領(lǐng)域的應(yīng)用，基于無(wú)線通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)在提高運(yùn)輸效率的同時(shí)可以降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)費(fèi)用，增加車-地通信數(shù)據(jù)帶寬，提高系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展能力，使列車的運(yùn)行更安全、更高效，已成為國(guó)內(nèi)外城市軌道交通列車控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 CBTC中的無(wú)線通信技術(shù)

目前，在CBTC系統(tǒng)中，完全采用無(wú)線傳輸方式的技術(shù)有兩種：GSM-R（GSM for Railway）和基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的WLAN無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。在我國(guó)，GSM-R 主要應(yīng)用于干線鐵路的列車控制系統(tǒng)中，目前投入使用的有青藏線和基于CTCS3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的武廣線、京津城際線等鐵路。而基于WLAN 的車地通信系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外城市軌道交通列控系統(tǒng)的首選方案[1]，如圖1。

圖1 基于WLAN的CBTC系統(tǒng)

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

基于無(wú)線通信的車地通信系統(tǒng)是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，各主要信號(hào)系統(tǒng)公司都在開發(fā)和試驗(yàn)自己的基于WLAN的車地通信信號(hào)系統(tǒng)，許多已投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

例如，德國(guó)的西門子公司目前在我國(guó)推薦實(shí)施基于無(wú)線的移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng),其無(wú)線系統(tǒng)采用基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，廣州地鐵和北京地鐵等多個(gè)軌道交通項(xiàng)目中都采用了該系統(tǒng)；法國(guó)阿爾卡特公司的CBTC系統(tǒng)的無(wú)線通信采用基于跳頻擴(kuò)頻標(biāo)準(zhǔn)的WLAN技術(shù)，該系統(tǒng)已經(jīng)分別在拉斯維加斯單軌線和北京地鐵開通運(yùn)營(yíng)；阿爾斯通公司基于WLAN的移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)中，無(wú)線通信采用正交頻分復(fù)用方法。日立公司的無(wú)線系統(tǒng)采用以直接序列擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的多通道傳輸?shù)臄U(kuò)頻方式。另外基于無(wú)線通信傳輸?shù)腃BTC系統(tǒng)還包括龐巴迪公司的CBTC系統(tǒng)、通用公司的AATC系統(tǒng)等?；赪LAN的CBTC系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在多條線路上的運(yùn)營(yíng)調(diào)整，技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并逐步完善。

2 WLAN中的無(wú)線擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種通信技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)幾十 Mbit/s，它不僅可以傳送一般的列車狀態(tài)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(tǒng)無(wú)法做到的。在傳輸信息量越來(lái)越大的需求下，無(wú)線傳輸通道必須同時(shí)滿足高容量的數(shù)據(jù)信息和適應(yīng)快速移動(dòng)狀態(tài)兩個(gè)條件。地鐵列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車站值班員、控制中心調(diào)度員、車輛段車務(wù)人員等需要對(duì)列車車廂內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控，列車駕駛員需要對(duì)前方道路狀況和車站旅客候車情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及在運(yùn)行車輛中實(shí)現(xiàn)高清晰數(shù)字視頻的實(shí)時(shí)播出等。為滿足這些需求，必須在車地之間選用高速數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸通道，無(wú)線擴(kuò)頻通信技術(shù)無(wú)疑成為一個(gè)理想之選。

擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，通過(guò)擴(kuò)頻碼將基帶數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜擴(kuò)展至很寬的頻帶（成百上千倍）后，搬移至中頻調(diào)制后發(fā)射出去，接收端采用相關(guān)接收的原理，將擴(kuò)展的頻譜恢復(fù)到基帶信號(hào)的頻譜，但干擾信號(hào)頻譜功率降低，從而抑制了傳輸過(guò)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(hào)功率譜密度很低。信號(hào)淹沒(méi)在白噪聲之中，提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性。而較低的功率譜密度，也很少對(duì)其它電子設(shè)備構(gòu)成干擾。

擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是信息論中的香農(nóng)公式，該公式表明，當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信噪比S /N下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的方法來(lái)保持信道容量C的不變，而保證了系統(tǒng)無(wú)差錯(cuò)傳輸信息的速率。擴(kuò)頻技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來(lái)達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。

3 2種擴(kuò)頻方式比較

目前的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，主要可以分為：直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻、線性調(diào)頻擴(kuò)頻，以及這幾種擴(kuò)頻方式的組合。由于其抗干擾的機(jī)理不同，它們都具有較強(qiáng)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(wèn)題對(duì)直擴(kuò)和跳頻進(jìn)行比較。

（1）抗強(qiáng)的定頻干擾。對(duì)于強(qiáng)的定頻干擾信號(hào)，直擴(kuò)系統(tǒng)通過(guò)處理增益處理干擾容限以內(nèi)的干擾，超出范圍的就很難達(dá)到處理要求，而跳頻系統(tǒng)能夠靠載波的隨機(jī)跳變，躲避干擾，將干擾排斥在接受通道以外達(dá)到抗干擾的目的，若跳頻系統(tǒng)的可用頻道很大，在某一個(gè)頻點(diǎn)停留時(shí)間很短，才有好的效果，所以對(duì)固頻干擾信號(hào)的抗干擾性，跳頻系統(tǒng)效果更好。

（2）抗衰落性。直擴(kuò)系統(tǒng)的射頻寬度比跳頻系統(tǒng)寬得多，因此少量的頻譜的衰落對(duì)直擴(kuò)系統(tǒng)中信號(hào)的歧變影響不大，相反跳頻系統(tǒng)的窄帶寬與選擇性接收則會(huì)使一定頻率損失，頻率選擇性衰落將導(dǎo)致若干個(gè)頻率受到影響，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。

（3）抗多徑。多徑干擾是由于電波傳播過(guò)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(hào)產(chǎn)生失真，導(dǎo)致碼間串?dāng)_，引起噪音增加。而直擴(kuò)系統(tǒng)可以利用這些干擾能量提高系統(tǒng)的性能。跳頻系統(tǒng)要抗多徑干擾，要求每一跳駐留的時(shí)間很短，就要增加跳頻速率，但這又加大了系統(tǒng)的難度，實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)，所以直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑性能略優(yōu)。

（4）“遠(yuǎn)-近”效應(yīng)?！斑h(yuǎn)-近”效應(yīng)主要由于接收機(jī)遠(yuǎn)離信號(hào)源，隨著信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸，信號(hào)路徑不斷衰減，干擾信號(hào)不斷增強(qiáng)，一旦干擾信號(hào)超過(guò)接收機(jī)的干擾容限就會(huì)影響其正常運(yùn)行。而跳頻原理的接收機(jī)通過(guò)躲避原理和前段電路處理，使干擾衰減，所以相比較而言，“遠(yuǎn)-近”效應(yīng)對(duì)跳頻信號(hào)影響最小。

（5）同步。直擴(kuò)系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼速率高、長(zhǎng)度長(zhǎng)，使得對(duì)同步的精度要求高，同步所需的時(shí)間長(zhǎng)（一般在秒級(jí)），入網(wǎng)相對(duì)較慢，而跳頻系統(tǒng)完成同步的時(shí)間在毫秒級(jí)，所以跳頻系統(tǒng)較好。

（6）信號(hào)處理。直擴(kuò)系統(tǒng)與跳頻系統(tǒng)采用的檢測(cè)方式不同。跳頻系統(tǒng)適合非相干檢測(cè)，直擴(kuò)系統(tǒng)則采用相干檢測(cè)，但需要載波恢復(fù)電路和恢復(fù)相位差才能進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本昂貴，不但增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時(shí)降低了系統(tǒng)性能。

（7）多網(wǎng)工作。直擴(kuò)系統(tǒng)和跳頻系統(tǒng)與單載波系統(tǒng)比較，由于其多址能力強(qiáng)，造成頻譜利用率高，而直擴(kuò)系統(tǒng)與跳頻系統(tǒng)之間，無(wú)論是組網(wǎng)能力還是頻譜利用率都是跳頻系統(tǒng)略優(yōu)。

（8）通信安全保密。擴(kuò)頻系統(tǒng)的保密性總體較強(qiáng)，但直擴(kuò)與跳頻原理的不同，保密性能也不相同。直擴(kuò)系統(tǒng)的低密度頻譜可隱藏在噪聲信號(hào)中，幾乎不可發(fā)現(xiàn)，而跳頻系統(tǒng)的頻譜跳變?cè)斐伤矔r(shí)功率譜變大，很難隱藏。

綜上所述，直擴(kuò)系統(tǒng)和跳頻系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。目前城市軌道交通系統(tǒng)中，大都采用基于單一擴(kuò)頻方式的CBTC 車地通信系統(tǒng)，但是，在地鐵隧道這種復(fù)雜的工作環(huán)境中，僅采用單一擴(kuò)頻方式很難達(dá)到應(yīng)用的需求，將兩者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)形成互補(bǔ)，就可以適應(yīng)各種工作環(huán)境，達(dá)到所需的技術(shù)要求，更進(jìn)一步降低系統(tǒng)的維護(hù)成本和工作難度。因此，提出將直擴(kuò)和跳頻混合的擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用到CBTC車地通信系統(tǒng)中。

4 DS-FH混合擴(kuò)頻技術(shù)

4.1 DS-FH混合擴(kuò)頻原理

直接序列和跳頻混合擴(kuò)頻技術(shù)，簡(jiǎn)稱DS-FH，是在直接序列擴(kuò)頻的基礎(chǔ)上增加了載波頻率跳變的功能，綜合了DS 和FH 兩種擴(kuò)頻方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了單一擴(kuò)頻方式的不足，因而能更有效地對(duì)抗干擾。

首先對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，形成DS信號(hào)，然后對(duì)DS信號(hào)進(jìn)行跳頻擴(kuò)頻發(fā)射出去，這樣就形成了DS-FH信號(hào)。接收方在收到DS-FH信號(hào)后，首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解跳，得到一個(gè)固定中頻的直擴(kuò)信號(hào)，然后再進(jìn)行解擴(kuò)，最后對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始信號(hào)[3]?；旌蠑U(kuò)頻系統(tǒng)中，用到兩個(gè)偽碼，一個(gè)用于直擴(kuò)，一個(gè)用于跳頻中控制頻率合成器。一般直擴(kuò)碼的速度比跳頻碼的速度高得多。DS-FH 混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本原理如圖2。

圖2 DS-FH擴(kuò)頻原理

圖2（a）中，在發(fā)送端，從編碼器輸出數(shù)字基帶信號(hào)與PN碼發(fā)生器1產(chǎn)生的直擴(kuò)碼在相關(guān)碼發(fā)生器中進(jìn)行時(shí)域相乘，也就是模2加運(yùn)算，擴(kuò)頻碼的速率遠(yuǎn)大于基帶信號(hào)的速率，乘法器輸出后的基帶信號(hào)帶寬被擴(kuò)展。PN 碼發(fā)生器1 與相關(guān)碼發(fā)生器統(tǒng)稱為擴(kuò)頻器。

PN 碼發(fā)生器2和頻率合成器構(gòu)成跳頻器；偽隨機(jī)碼序列構(gòu)成跳頻圖案，作為指令控制頻率合成器產(chǎn)生頻率fi，使載波頻率有規(guī)則地發(fā)生跳變，假設(shè)跳變的順序?yàn)閒1，f3，f2，f6，…，f1。那么已經(jīng)被擴(kuò)展的信號(hào)就按照跳頻速率依次使用頻率f1，f3，f2，f6，…，f1對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行搬移。輸出信號(hào)即為一個(gè)直擴(kuò)加跳頻的混合擴(kuò)頻信號(hào)。

圖2中直擴(kuò)碼和跳頻碼可以是由同一個(gè)PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生，也可以使用不同的PN碼發(fā)生器，但它們?cè)跁r(shí)間上必須是相互關(guān)聯(lián)的，因此由同一個(gè)時(shí)鐘控制。

圖2（b）為接收端的原理圖。其中，偽碼發(fā)生器2、頻率合成器和相關(guān)器構(gòu)成解跳器，PN碼發(fā)生器1和乘法器構(gòu)成解擴(kuò)器。跳頻偽隨機(jī)序列產(chǎn)生電路在捕獲同步跟蹤電路作用下，取得與發(fā)送端同步的相同跳頻圖案后，控制頻率合成器輸出比外來(lái)信號(hào)高出一個(gè)中頻的跳變頻率f1', f3', f2',f6'…f1'…。擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后進(jìn)入混頻器，完成解跳，此時(shí)信號(hào)為一固定中頻的擴(kuò)頻信號(hào)，再與直擴(kuò)碼發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列相乘，進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)成窄帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)窄帶濾波器消除干擾信號(hào)，最后送入解調(diào)器恢復(fù)出信源信號(hào)。

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

4.2 DS-FH混合擴(kuò)頻性能分析

一般而言，擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的處理增益可以表征系統(tǒng)的抗干擾能力。處理增益即擴(kuò)展頻譜處理器輸出信噪比和輸入信噪比之差。對(duì)于DS系統(tǒng)，處理增益可以表示為Gp=Rc/Ra，Rc為偽隨機(jī)碼速率，Ra為信息碼元速率。而對(duì)于FH系統(tǒng)，處理增益為系統(tǒng)提供的跳頻頻數(shù)為N[4]。如果進(jìn)行頻率跳變擴(kuò)頻，各頻點(diǎn)間的頻譜互相不重疊時(shí)，DS-FH擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益為直擴(kuò)處理增益和跳頻處理增益之積，即：GDS-FH=GDS·GFH，其中GDS為直擴(kuò)處理增益，GFH為跳頻處理增益。如果用dB表示處理增益時(shí)，則有：GDS-FH（dB）=GDS（dB）+GFH（dB）。由此可見，DS-FH擴(kuò)頻系統(tǒng)能利用小處理增益的DS和FH信號(hào)產(chǎn)生大的處理增益，如果單獨(dú)使用DS系統(tǒng)或FH系統(tǒng)，產(chǎn)生同樣的大處理增益則系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜的多。

處理增益Gp反映了在理想通信環(huán)境（無(wú)噪聲）下擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度，但在任何實(shí)際的工作環(huán)境中，噪聲總是存在的，尤其在地鐵這種復(fù)雜的環(huán)境下，噪聲的影響是巨大的。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，還需要提出抗干擾容限這一概念。

抗干擾容限是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)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(tǒng)內(nèi)部損耗，為系統(tǒng)正常工作時(shí)要求的最小輸出信噪比。

干擾容限直接反映了擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)可能抵抗的極限干擾強(qiáng)度，只有當(dāng)干擾信號(hào)的功率超過(guò)干擾容限后才能對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)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(tǒng)的抗干擾能力。

采用DS-FH 混合擴(kuò)頻系統(tǒng)技術(shù)，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能，因?yàn)楦蓴_信號(hào)必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件才能對(duì)傳輸造成影響：（1）干擾信號(hào)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(guò)直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限[5]。否則就不能對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成威脅，這樣就降低了信號(hào)受到干擾的可能性，從而達(dá)到較高的抗干擾性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)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(shù)以對(duì)付嚴(yán)重的干擾威脅。在列車控制系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)膶?duì)象是現(xiàn)場(chǎng)智能終端之間交互的控制信息和狀態(tài)信息,這些涉及行車安全的重要數(shù)據(jù)信息在傳輸時(shí)一旦發(fā)生差錯(cuò)就會(huì)危及整個(gè)列車控制系統(tǒng)的安全,并且列車的高速移動(dòng)使得一些不利因素的影響加劇,因此要求CBTC數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有較高的安全性和保密性。

DS-FH系統(tǒng)結(jié)合了DS系統(tǒng)和FH系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，如抗多徑能力強(qiáng)，抗窄帶干擾能力強(qiáng)等，同時(shí)克服了它們的一些缺點(diǎn)，它可用短的直擴(kuò)碼和跳頻碼實(shí)現(xiàn)大的處理增益，減少了同步所需時(shí)間和難度。由此可見，將DS-FH混合擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)中具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

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