接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴頻通信系統(tǒng)的研究

陳維明

（上海通號軌道交通工程技術(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。當列車沿著線路運行時，安裝在列車車頂?shù)氖茈姽ㄟ^弓頭的碳滑板與接觸線滑動接觸進行受流，給列車提供動力。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）將信號耦合到感應(yīng)線（金屬材質(zhì)）上，信號在感應(yīng)線上進行傳播，接收方再將感應(yīng)線上的信號反向耦合接收進行信息交互的方式。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（點式）、無線通信、感應(yīng)通信（通過專設(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，投資和維護的費用比較高。專設(shè)感應(yīng)線的感應(yīng)通信也有類似的問題。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)成簡單、造價低、通信覆蓋性好等特點[1，2]。

針對現(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[2]中提出擴頻通信技術(shù)的思路來解決相應(yīng)問題。本文則進一步采用擴頻通信仿真的方法，并基于一定的信道模型對接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴頻通信系統(tǒng)進行研究。擴頻通信仿真的著重點在于低信噪比下擴頻通信系統(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、機車載波通信設(shè)備、機車感應(yīng)天線、接觸網(wǎng)的接觸線、信號過分相設(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的衰耗。機車載波通信設(shè)備借助機車感應(yīng)天線和接觸網(wǎng)實現(xiàn)與車站載波通信設(shè)備及其他機車載波通信設(shè)備的互連。信號過分相設(shè)備起到將不同電分相段的感應(yīng)信號橋接在一起的作用，同時保持50 Hz工頻信號處于隔斷狀態(tài)。

3 感應(yīng)式擴頻通信的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的感應(yīng)式擴頻通信設(shè)計條件：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的距離，或降低發(fā)射功率，或減少對其他通信系統(tǒng)的干擾。感應(yīng)式擴頻通信的收發(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、擴頻調(diào)制和載波調(diào)制后，發(fā)送到傳輸信道上。接收端進行載波同步后，進行聯(lián)合解擴和解調(diào)的方式來解出數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)解碼還原出傳輸?shù)男畔?。本文重點關(guān)注接收端的設(shè)計。

3.2 載波捕獲

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

其中，c（t）為擴頻碼，f為載波頻率，T為一個符號位的持續(xù)時間。

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

3.3 聯(lián)合解擴和解調(diào)

在實現(xiàn)載波捕獲和同步后，接收端即進入聯(lián)合解擴和解調(diào)過程，其結(jié)構(gòu)與圖3類似。聯(lián)合解擴和解調(diào)采用與載波捕獲相同的由本地震蕩信號和本地擴頻碼共同生成的捕獲副本，參見本文3.2。不同的是數(shù)據(jù)流入為采樣的一組并行數(shù)據(jù)，時間跨度為同步后的一個符號位的完整時間。輸入的一組數(shù)據(jù)與捕獲副本進行相乘和相加后進行數(shù)值判決（1或0，正向的值代表數(shù)值1，負向的值代表數(shù)值0），然后進行數(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（直接序列擴展頻譜）發(fā)送、仿真信道、DSSS接收及BER（誤比特率）的計算。

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)差分編碼后與擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的經(jīng)過級性轉(zhuǎn)換的擴頻碼（31位m碼，反饋系數(shù)為100 101，bit位為±1）相乘進行擴頻形成后的數(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，u（t）為輸入信號，gi（t）和τ分別為第i條路徑的衰落因子和傳播時延，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；反之，A越大，則A類噪聲的統(tǒng)計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仿真接收端對接收到的信號先進行低通濾波(濾除高頻干擾)，然后進行載波捕獲和同步，載波捕獲和同步完成后啟動解擴和解調(diào)。解調(diào)后的信號經(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)過時間延遲后的原始數(shù)據(jù)進行比較，計算出誤碼率并顯示，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。擴頻碼采用m碼，擴頻因子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)果來看，系統(tǒng)在單條信號徑的情況下取得了比較好的結(jié)果。在較強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。對比不同仿真情況下的結(jié)果，可以得知感應(yīng)式擴頻通信系統(tǒng)有很強的抗噪聲能力，這與擴頻通信的理論一致。另外，對信號多徑也有不錯的抑制效果。不過當信號的徑數(shù)比較多時，接收端信號的信噪比也需要相應(yīng)提高，才能滿足正常通信需要。實際接觸網(wǎng)的傳輸信道由于軌道線路呈鏈狀分布，且同時使用的用戶（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，因此實際的傳輸效果應(yīng)該還會好一些。

5 結(jié)論

本文對接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴頻通信系統(tǒng)進行研究。介紹了接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴頻通信系統(tǒng)的組成，建立了擴頻通信的仿真試驗環(huán)境，在接收端采用聯(lián)合解擴和解調(diào)的方法，對不同信道及不同信噪比下的系統(tǒng)傳輸性能進行仿真，并給出仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，接觸網(wǎng)擴頻通信系統(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，且對信道噪聲有很強的抗干擾能力，對信號多徑也有不錯的抑制效果，可以滿足列車和地面進行控制信息交互的需要。另外，該系統(tǒng)還具有以下特點。

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

2）由于沒有頻譜資源的絕對限制，通過擴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)合解擴和解調(diào)也有利于軟件無線電方式的實現(xiàn)

接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴頻通信系統(tǒng)的實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．高頻過分相設(shè)備也需要改造支持較寬的頻率范圍。c．載波機的開發(fā)，包括擴頻調(diào)制解調(diào)、語音的編解碼等。d．載波機對多用戶的支持等。盡管接觸網(wǎng)感應(yīng)式擴頻通信系統(tǒng)的應(yīng)用有多種挑戰(zhàn)，但其推廣應(yīng)用還有較高的價值，且具有比較高的性價比。

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

[2]陳寶林，曹元生，黃兆寶.擴頻技術(shù)在感應(yīng)無線通信中的應(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機制的水聲擴頻通信系統(tǒng)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，21(24)：7845-7850.

[4]趙剛. 擴頻通信系統(tǒng)實用仿真技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[5]李榮偉，吳樂南. 10 kV中壓配電線載波信道的建模[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報，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.