基于OFDM通信的鐵路客車廣播線信道研究

摘 要:在廣播線信道上選擇合適的通信方式對保障鐵路客車發(fā)電機監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定通信具有重要意義。結(jié)合廣播線信道的強干擾性及衰減特性，基于正交頻分復(fù)用(OFDM)通信方式，建立一個新的廣播線信道簡化模型。仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)通信方式，OFDM通信應(yīng)用于廣播線通信信道上具有衰減較少，誤碼率較低的特性。

關(guān)鍵詞:廣播線; 鐵路客車; 信道; OFDM

中圖分類號:TN914-34文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0057-02

Broadcast Cable Channel of Railway Carriage Based on OFDM Communication

LIU Qi， HOU Li

(Information Engineering College， Huangshan University， Huangshan 245021， China)

Abstract: Selecting an appropriate communication in the broadcast cable channel is of great importance to protect a stable communication of railway carriage generator monitoring system. In combination with strong interference and attenuation characteristics of the broadcast cable channel， a new simplified model of broadcast cable channel is set up based on OFDM communication. Simulation results show that OFDM communication is used in broadcast communication cable channel with less attenuation and low error rate compared with traditional means of communication.

Keywords: broadcast cable; railway carriage; channel; OFDM

0 引 言

鐵路客車廣播線信道作為鐵路客車專用通信信道廣泛使用于發(fā)電機監(jiān)測系統(tǒng)[1]。由于客車廣播線的使用環(huán)境特殊性，信號經(jīng)常會在不定的頻率范圍內(nèi)發(fā)生大輻度的非線性衰減，使其在通信信號受到嚴(yán)重的干擾，因此構(gòu)建一個通用的廣播線信道模型，并選擇合適的通信方式將對廣播線通信分析起到重要作用[2]。傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中多采用單載波調(diào)制模式[3]，但當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率提高到一定程度時，碼間干擾(ISI)會嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。本文采用的正交頻分復(fù)用(OFDM)[4]技術(shù)將有助于降低客車廣播線通信中的ISI，并整體提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性[5]。

1 廣播線信道模型

廣播線信道的通信性能主要受5個因素影響:發(fā)送器輸出阻抗不匹配、信道衰耗、噪聲干擾、接收器輸入阻抗不匹配、干擾的時變性[6]。由此可以構(gòu)建廣播線信道模型，如圖1所示。

其中噪聲包括背景噪聲N(t)和脈沖噪聲M(t)。除噪聲外的所有衰耗可用頻率響應(yīng)時變線性濾波器來表征，即用Hi(f，t)，Ho(f，t)，Hchannel(f，t)來表征[7]。這些濾波器可并入單一的濾波器，由此構(gòu)成了信道的簡化模型，如圖2所示。

圖1 廣播線信道模型

圖2 廣播線信道簡化模型

由于廣播線信道的多節(jié)點、多分支和不匹配性，使得信號具有多路傳輸特性，而且信號的衰耗隨著頻率的提高和距離的加大而增加[8]，這樣信道傳輸函數(shù)可用N條傳輸路徑的疊加以及含有載波頻率f，延時r，距離d，衰耗A的方程來表示，如式(1):

H(f)=∑Ni=1giA(f，di)exp(-j2πfτi)

(1)

式中:gi為路徑i的衰落系數(shù);τi為第i條路徑的時延;A為信號衰減函數(shù)，由發(fā)送器與接收器之間的距離d和載波頻率f決定，其表達式如式(2):

A(d，f)=exp[-(a0+a1fk)d]

(2)

式中:a0，a1為衰減系數(shù);k為衰減因子的指數(shù)，在0.5~1之間;gi，a0，a1，k均可經(jīng)過實際測量。運用統(tǒng)計規(guī)律確定h(t，τ)→H(f，τ)。

由于廣播線信道的多徑衰減和干擾，隨著負(fù)荷終端運行環(huán)境的不同，有很大差別[9]。現(xiàn)基于OFDM的原理進行仿真，選擇基于通用Remez算法的ChebyshevFIR帶通濾波器，由兩個濾波器模擬該信道，從而得到簡化的信道模型，如式(3):

R(t)=a1S(t-τ1)+a2S(t-τ2)

(3)

式中:S(t)表示信道上調(diào)制后準(zhǔn)備發(fā)送的碼元;R(t)表示信道接收端接收到的碼元;a1和a2分別是兩條傳播路徑的衰減常數(shù);τ1和τ2分別是兩路傳播路徑的延遲常數(shù)，經(jīng)多次反射后會產(chǎn)生很大的衰減，所以這里僅考慮兩徑信道的情況。

噪聲同樣簡化分析，對于獨立正弦波干擾，只要其頻率點不和任何一個子載波頻率相同，則其對通信的干擾忽略不計[10]。綜上所述，廣播線信道的數(shù)學(xué)仿真模型如式(4):

R(t)=a1S(t-τ1)+a2S(t-τ2)+N(t)

(4)

式中:N(t)表示信道的噪聲。

2 仿真結(jié)果分析

在模擬500 m廣播線通信信道的情況下，在信道上分別加載傳統(tǒng)單載波調(diào)幅(ASK)、調(diào)頻(FSK)信號及OFDM信號，在115.2 kHz載波頻率下加載10 kHz高頻干擾和500 Hz高強干擾模擬廣播信號干擾，并基于Simulink進行仿真。仿真中采用2~20 dB以2遞增的信噪比來仿真系統(tǒng)的通信性能。仿真結(jié)果如圖3所示。相比傳統(tǒng)ASK，F(xiàn)SK通信方式，OFDM通信方式的信號解調(diào)后衰減較少，誤碼率較低。

圖3 通信仿真比較

3 結(jié) 語

基于OFDM通信方式，建立一個通用的鐵路客車廣播線通信信道模型。在模型上與傳統(tǒng)的ASK，F(xiàn)SK通信方式進行比較，OFDM可有效降低廣播線通信信道的誤碼率，提高廣播線通信性能，增加通信的可靠性和有效性。

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