地鐵通信系統(tǒng)的應(yīng)用分析

王朋

摘要：地鐵通信系統(tǒng)為公共交通和公共安全人員提供無(wú)縫的無(wú)線電覆蓋，這些人員在地下部分車載列車以及車站平臺(tái)和樓梯出口處運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)緊急情況下的疏散目的。通信系統(tǒng)捕獲來(lái)自現(xiàn)有地面陸地移動(dòng)無(wú)線電系統(tǒng)的無(wú)線射頻信號(hào)，放大并饋送到位于整個(gè)地下的同軸電纜和點(diǎn)源天線，然后將信號(hào)輻射給無(wú)線電用戶。本文對(duì)地鐵通信系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，以期進(jìn)一步提高地鐵通信效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：地鐵；通信系統(tǒng)；應(yīng)用

1. 地鐵通信系統(tǒng)的類型

1.1模擬通信

考慮到消息信號(hào)和通信介質(zhì)的模擬特性，自然的設(shè)計(jì)選擇是將模擬消息信號(hào)（例如，從聲學(xué)域轉(zhuǎn)換到電子域的音頻信號(hào)）映射到模擬發(fā)送信號(hào)（例如，承載音頻信號(hào)的無(wú)線電波，其與通信的物理介質(zhì)兼容（例如，通過(guò)空中廣播來(lái)自FM無(wú)線電臺(tái)的音頻）。

這種通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法如圖1所示，稱為模擬通信。早期的通信系統(tǒng)都是模擬的：常見的應(yīng)用包括AM（幅度調(diào)制）和FM（調(diào)頻）無(wú)線電、第一代蜂窩電話技術(shù)（基于FM）、VHS或beta錄像帶。從第二代開始的蜂窩電話技術(shù)是數(shù)字的。由于經(jīng)濟(jì)和政治因素，諸如無(wú)線電之類的廣播技術(shù)通常較慢升級(jí)，但是數(shù)字廣播無(wú)線電和電視技術(shù)正在替換模擬FM / AM無(wú)線電和廣播。

1.2數(shù)字通信

數(shù)字通信的概念基礎(chǔ)由克勞德·香農(nóng)于1948年創(chuàng)立，當(dāng)時(shí)他創(chuàng)立了信息理論領(lǐng)域。這個(gè)理論有兩個(gè)主線：·源編碼和壓縮：任何信息承載信號(hào)都可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)（即從離散集中取值的離散時(shí)間信號(hào)）表示，其最簡(jiǎn)單的形式只是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字序列（零或1）或位。

用于執(zhí)行從原始源信號(hào)到比特序列的映射的技術(shù)通常稱為源編碼。它們通常以利用源信號(hào)的屬性的方式涉及壓縮或去除冗余（例如，可以利用圖像中的相鄰像素之間的重空間相關(guān)性來(lái)比像素逐像表示更有效地表示它。）。

一旦源編碼完成，通信任務(wù)就會(huì)減少，以便在源編碼器的輸出端可靠地傳輸比特序列。任何地鐵通信系統(tǒng)的性能取決于信號(hào)和噪聲或干擾的相對(duì)強(qiáng)度，以及信道施加的失真。實(shí)踐引用表明，一旦為任何通信信道確定了這些操作參數(shù)，就存在最大可能的可靠通信速率，稱為信道容量。因此，給定源編碼器輸出端的信息比特原則上，只要信息速率小于信道容量，就可以在給定鏈路上可靠地發(fā)送信號(hào)。而在模擬通信中，隨著信道條件變差，再現(xiàn)源信號(hào)的質(zhì)量通常逐漸降低。

2. 地鐵通信系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1源編碼器

源編碼器將消息信號(hào)轉(zhuǎn)換為信息比特序列。信息比特率取決于消息信號(hào)的性質(zhì)（例如，語(yǔ)音、音頻、視頻）和應(yīng)用要求。即使修復(fù)了消息信號(hào)類別，源編碼器的選擇也很大程度上取決于地鐵通信系統(tǒng)的設(shè)置。例如，當(dāng)視頻信號(hào)通過(guò)蜂窩鏈路發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備時(shí)被嚴(yán)重壓縮，但是當(dāng)被發(fā)送到高清晰度電視（HDTV）集時(shí)被輕微壓縮。

除此之外，源代碼可以完全與鏈接設(shè)計(jì)分離。對(duì)于灰度數(shù)字圖像，每個(gè)像素的強(qiáng)度可以用8位表示。乘以像素?cái)?shù)給出了大約630萬(wàn)位，或大約0.8Mbyte（一個(gè)字節(jié)等于8位）。然而，對(duì)于典型圖像，相鄰像素的強(qiáng)度是高度相關(guān)的，這可以被利用來(lái)顯著減少表示圖像所需的比特?cái)?shù)。例如，可以采用二維傅立葉變換，其將較低頻率的大部分信息集中在圖像中，然后丟棄許多高頻系數(shù)。對(duì)于自然圖像，最先進(jìn)的圖像壓縮算法可以提供10倍壓縮（即相對(duì)于原始數(shù)據(jù)的位數(shù)減少）未壓縮的數(shù)字圖像幾乎沒有任何感知降級(jí)。對(duì)于視頻，除了用于圖像壓縮的空間相關(guān)性之外，還可以利用連續(xù)幀之間的時(shí)間相關(guān)性。

2.2通道編碼器

信道編碼器為從源編碼器獲得的信息比特增加了冗余，以便在通過(guò)信道傳輸之后的錯(cuò)誤恢復(fù)。然而，信道編碼器添加的冗余是針對(duì)將要發(fā)生信息傳輸?shù)男诺蓝ㄖ频?，而原始消息信?hào)中的冗余一般處于地鐵通信系統(tǒng)的控制范圍內(nèi)。

2.3調(diào)制器

調(diào)制器將信道編碼器輸出端的編碼比特映射到要通過(guò)信道發(fā)送的發(fā)送信號(hào)，其中用戶之間和共存系統(tǒng)之間的干擾是主要問題。WiFi傳輸通常在2.4或5GHz頻帶中占用20-40MHz的帶寬。第四代蜂窩系統(tǒng)中的傳輸通?？梢栽?00MHz至3GHz的頻率范圍內(nèi)占用1-20MHz范圍內(nèi)的帶寬。

雖然這些信號(hào)帶寬正在增加以努力提高數(shù)據(jù)速率（例如，新興WiFi標(biāo)準(zhǔn)高達(dá)160 GHz，新興蜂窩標(biāo)準(zhǔn)高達(dá)100 MHz），并且正在積極探索新的頻段，傳輸?shù)男盘?hào)仍然需要進(jìn)行調(diào)制以適應(yīng)某些頻譜約束。假設(shè)通過(guò)發(fā)送信號(hào)s（t）發(fā)送比特值0，并通過(guò)發(fā)送-s（t）發(fā)送比特值1，必須設(shè)計(jì)信號(hào)s（t），使其符合頻譜約束（例如，兩個(gè)不同的用戶可以使用兩個(gè)不同的頻譜段以避免相互干擾）。對(duì)于無(wú)線通信，這些信號(hào)是由耦合到天線的電路產(chǎn)生的電壓，并且最終作為來(lái)自天線的電磁波發(fā)射。地鐵信道編碼器和調(diào)制器通常是聯(lián)合設(shè)計(jì)的，稱為編碼調(diào)制器。

3. 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了地鐵通信系統(tǒng)的概念基礎(chǔ)。現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)的運(yùn)作是不可或缺的，在地鐵的日常運(yùn)行和管理中，通信系統(tǒng)更是發(fā)揮著重要的作用。通過(guò)對(duì)地鐵通信系統(tǒng)的應(yīng)用分析，可以更好地了解地鐵通信系統(tǒng)的功能，從而提升其運(yùn)行質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)

[1]張育萍.城市軌道交通中通信系統(tǒng)傳輸技術(shù)比較與分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2014（05）：9-13.

[2]何琳娜.無(wú)線通信技術(shù)在列車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2018（10）：201-203.

（作者單位：南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司）