直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)在鐵路信號傳輸中的應(yīng)用研究

王 偉，何 濤，強(qiáng)生杰

（蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，蘭州 730070）

國內(nèi)現(xiàn)有的無線鐵路信號傳輸系統(tǒng)主要是基于GSM-R的第二代通信系統(tǒng)，采用時分復(fù)用（TDMA）和頻分復(fù)用（FDMA）技術(shù)。隨著鐵路系統(tǒng)信息化程度越來越高，傳輸量和抗干擾能力也隨之加大，擴(kuò)頻通信方式可以滿足鐵路信號傳輸中的諸多要求。

1 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本原理及仿真

1.1 系統(tǒng)工作原理

擴(kuò)頻通信即擴(kuò)展頻譜通信，系統(tǒng)將發(fā)送信號經(jīng)過信息調(diào)制成數(shù)字信號，然后利用擴(kuò)頻函數(shù)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼將信號進(jìn)行傳輸。在接收端進(jìn)行的是發(fā)送過程的逆過程，即將接收到的信號用擴(kuò)頻函數(shù)將偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)，再將信號進(jìn)行解調(diào)從而得到原始發(fā)送信息。

基本模型分為發(fā)送模塊和接收模塊兩部分，如圖1和圖2。模型中的發(fā)送模塊進(jìn)行了3次調(diào)制后發(fā)送射頻信息進(jìn)行傳輸，接收模塊同樣也進(jìn)行了3次解調(diào)。本系統(tǒng)中重要的是擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)調(diào)制，這2個關(guān)鍵環(huán)節(jié)需使用同一時鐘進(jìn)行控制，且過程中的偽隨機(jī)碼序列必須是絕對一致的。

1.2 衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)性能參數(shù)

圖1 發(fā)送模塊

圖2 接收模塊

（1）誤碼率。是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)傳輸精確性的指標(biāo)。誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)*100%。如果有誤碼就有誤碼率,它反映了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

（2）信噪比。信噪比（SNR）r是信號的平均功率S與噪聲的平均功率N之比,即r=S/N,將其表示成分貝形式r（dB）=10lg(S/N)（dB）。 信噪比越大說明噪聲在傳輸信息里所占的比例越小，對信息傳輸影響越小，可靠度越高。

（3）處理增益。為了衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性的提高程度，將解擴(kuò)器輸入端信噪比和輸出端的信噪比的比值定義為擴(kuò)頻系統(tǒng)處理增益，由以下公式表示：

用分貝數(shù)表示為：

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)獨具擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)兩個過程，用處理增益表明擴(kuò)頻調(diào)制前后信噪比的改善程度，反映了對干擾的抑制程度。

（4）噪聲容限。存在干擾信號時，干擾信號比有用信號高出一定范圍的情況下系統(tǒng)仍能夠正常工作。在此情況下，接收機(jī)能承受的干擾信號比有用信號高出的倍數(shù)定義為噪聲容限，用分貝數(shù)表示為：

式中，Mj為噪聲容限；Gp為系統(tǒng)處理增益；(S/N)min為信息被正確解調(diào)時所需的最小信噪比；Ls為系統(tǒng)損耗。

1.3 系統(tǒng)仿真

該仿真是在matlab環(huán)境下實現(xiàn)的，程序主要由調(diào)制部分，解調(diào)部分和偽隨機(jī)序列生成部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)輸入后先轉(zhuǎn)化成ASCII二進(jìn)制碼進(jìn)行傳輸，通過調(diào)用m序列生成函數(shù)進(jìn)行相加，產(chǎn)生擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)，然后將擴(kuò)頻碼轉(zhuǎn)換為BPSK (1,-1)序列，數(shù)據(jù)傳輸時進(jìn)一步將BPSK雙極性轉(zhuǎn)換到單極性，最終在數(shù)據(jù)輸出端進(jìn)行m序列解擴(kuò)，再結(jié)合解調(diào)過程將ASCII二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)據(jù)。

從圖3(b)中可以看出數(shù)據(jù)展寬后可以明顯降低信號功率密度，調(diào)制后傳輸?shù)男盘柡桶自肼暰哂泻艽蟮南嗨贫龋梢詫崿F(xiàn)高隱蔽性傳輸。從圖3(c)和圖3(d)對調(diào)制信號包絡(luò)，相干載波相位模糊度及其對解調(diào)數(shù)據(jù)的影響等性能對比，得出BPSK調(diào)制出傳輸過程中具有高的抗干擾能力和頻譜利用率。 最終解擴(kuò)和解調(diào)后的輸出數(shù)據(jù)圖3(e)和輸入數(shù)據(jù)圖3(a)具有高度的一致性，可見此擴(kuò)頻方式具有很強(qiáng)的抗干擾性。

圖3 （a）數(shù)據(jù)輸入

圖3 （b）數(shù)據(jù)擴(kuò)展

圖3 （c）BPSK調(diào)制

圖3 （d）數(shù)據(jù)傳輸

圖3 （e）數(shù)據(jù)輸出

2 干線鐵路信號傳輸?shù)膬?yōu)勢

2.1 性能參數(shù)優(yōu)勢比較

直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在誤碼率、信噪比、處理增益等參數(shù)上表現(xiàn)優(yōu)異，較其它通信方式具有較大的優(yōu)勢。具體的通信系統(tǒng)衡量參數(shù)比較，如表1。

2.2 理論優(yōu)勢

（1）抗干擾能力強(qiáng)。直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，解擴(kuò)器端輸入與輸出信號功率保持不變，而對于干擾信號解擴(kuò)過程相當(dāng)于進(jìn)行擴(kuò)頻，干擾功率被擴(kuò)展到很寬的頻帶上，功率譜密度下降，這使得解擴(kuò)過程中輸入端的干擾信號功率大大降低。通過帶通濾波器的濾波，大部分的干擾信號被濾除，有用信號則被保留。另外，擴(kuò)頻系統(tǒng)對各種惡劣天氣時通信鏈路造成的影響進(jìn)行抵抗，與傳統(tǒng)微波相比可以進(jìn)行跨江傳輸，在海面的長距離優(yōu)質(zhì)傳輸。這些優(yōu)勢適用于鐵路系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下安全可靠的進(jìn)行信號傳輸。

（2）可以實現(xiàn)多址通信系統(tǒng)。多個通信在信息發(fā)送端和接收端使用相同的偽隨機(jī)序列，而不同的通信則使用不同的偽隨機(jī)序列，這樣就實現(xiàn)了在相同載頻下互不干擾的通信，實現(xiàn)頻率復(fù)用，從而充分利用了頻譜資源。由此可以進(jìn)行機(jī)動靈活組網(wǎng)，有助于統(tǒng)一規(guī)劃，分期實施，便于擴(kuò)充容量，有效地保護(hù)前期投資。

（3）有效抗多徑干擾。在直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)接收到電波后，將同步鎖定直達(dá)路徑且信號最強(qiáng)的電波，其余電波由于非直達(dá)，會延時到達(dá)，在相關(guān)解擴(kuò)作用下只作為噪聲。另外，接收端把多路徑來的同一碼序波形相加使之得到加強(qiáng)，從而實現(xiàn)抗多徑干擾。

（4）隱蔽性強(qiáng)，對其它系統(tǒng)干擾小。 擴(kuò)頻過程單位面積信號發(fā)送功率極低，隱蔽性強(qiáng)。低的功率譜密度，不容易被探測到，被截獲的可能性降低，所以實現(xiàn)了其安全性方面的要求。同時，低功率譜密度讓發(fā)射信號近似于噪聲信號，而擴(kuò)頻信號可以在信道噪聲和白噪聲背景中傳輸，降低了對其它系統(tǒng)的干擾，增強(qiáng)了與其它系統(tǒng)的共存度。由于此系統(tǒng)的無線鐵路信號傳輸過程中電磁干擾大幅度降低，不僅有利于將擴(kuò)頻通信系統(tǒng)應(yīng)用于電氣化鐵路區(qū)段和弱場強(qiáng)區(qū)電磁環(huán)境，而且適于將其大規(guī)模應(yīng)用到干線鐵路中。

表1 通信系通衡量參數(shù)比較

（5）精確測距和定時。將應(yīng)用周期長及偽隨機(jī)碼作為傳輸信號，比較從目的地反射回來的偽隨機(jī)序列與原序列的相位，就可以得出時間差，由此也可實現(xiàn)定時操作，進(jìn)一步利用傳輸速率和時間差的相乘即得出距離。相對于傳統(tǒng)的軌道電路定位，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)傳輸容量較大并且適合長距離傳輸，這有助于減少鐵路測距定時設(shè)備，降低設(shè)備投資，便于維護(hù)。也可以作為原有測距定時設(shè)備的冗余，與原測距設(shè)備值進(jìn)行比較，提高測距定時的安全可靠度。

3 結(jié)束語

擴(kuò)頻通信屬于數(shù)字通信，是適合大容量高速率通信的系統(tǒng)，其加密功能和保密性，從一定程度上提高了鐵路信息傳輸?shù)陌踩煽啃?。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)容易實現(xiàn)碼分多址，結(jié)合計算機(jī)及網(wǎng)路技術(shù)有助于鐵路系統(tǒng)更快速的應(yīng)用高新技術(shù)，從而使鐵路系統(tǒng)向更加安全高效發(fā)展。另外，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)絕大部分使用的是數(shù)字電路，設(shè)備集成度高，安裝簡便，易于維護(hù)，更小巧可靠，擴(kuò)展容易，平均無故障率時間也很長。目前，廣州地鐵和北京地鐵等多個軌道交通項目中均采用了基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的無線移動閉塞信號系統(tǒng)，為今后大規(guī)模成功應(yīng)用于干線鐵路提供了參考。

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