接觸網感應式擴頻通信系統的研究

陳維明

（上海通號軌道交通工程技術研究中心 200072）

1 概述

接觸網是指電氣化鐵路沿線上空架設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，安裝在列車車頂的受電弓通過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。感應通信是指發送方利用感應方式（非接觸，感應頻段一般為50 ～500 k）將信號耦合到感應線（金屬材質）上，信號在感應線上進行傳播，接收方再將感應線上的信號反向耦合接收進行信息交互的方式。利用感應方式及接觸網的接觸線作為感應線進行列車車地之間的信息交互就是接觸網感應通信。

列車車地之間的通信除了接觸網感應通信以外，主要有數字軌道電路、交叉感應環線、查詢應答器（點式）、無線通信、感應通信（通過專設的感應線）等。前3種需要在鐵軌沿線的軌面鋪設較多設備，無線通信則需要在地面每隔一定距離架設基站或直放站，投資和維護的費用比較高。專設感應線的感應通信也有類似的問題。而接觸網感應通信利用現有的基礎設施，具有構成簡單、造價低、通信覆蓋性好等特點[1，2]。

針對現有接觸網感應通信的不足，如易受干擾、通信質量不穩定、數據傳送速率低等，文獻[2]中提出擴頻通信技術的思路來解決相應問題。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感應式擴頻通信系統進行研究。擴頻通信仿真的著重點在于低信噪比下擴頻通信系統的性能及數據傳輸速率的提升。

2 接觸網感應式通信系統

接觸網感應式通信系統由車站載波通信設備、機車載波通信設備、機車感應天線、接觸網的接觸線、信號過分相設備組成，如圖1所示。車站載波通信設備與接觸網的接觸線直接相連以減少信號的衰耗。機車載波通信設備借助機車感應天線和接觸網實現與車站載波通信設備及其他機車載波通信設備的互連。信號過分相設備起到將不同電分相段的感應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。

3 感應式擴頻通信的設計

3.1 系統結構

本文提出的感應式擴頻通信設計條件：工作頻段100～500 kHz，BPSK調制，數據傳輸速率不小于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，或降低發射功率，或減少對其他通信系統的干擾。感應式擴頻通信的收發框如圖2所示，包含發射端、信道和接收端。信源信息經數據編碼、擴頻調制和載波調制后，發送到傳輸信道上。接收端進行載波同步后，進行聯合解擴和解調的方式來解出數據，經數據解碼還原出傳輸的信息。本文重點關注接收端的設計。

3.2 載波捕獲

接收端的載波捕獲采用滑動相關算法，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時間。

載波捕獲算法結構如圖3所示，其中Pi（i=1，2，…，N）為N個采樣點的移位緩存數據，Si（i=1, 2,…,N）為本地的捕獲副本，N個采樣點持續一個符號位T的時間。當Pi和Si同步時，相關值最大。圖4給出理想信道條件下載波捕獲的滑動相關值。正向或負向最大值即為同步點。

3.3 聯合解擴和解調

在實現載波捕獲和同步后，接收端即進入聯合解擴和解調過程，其結構與圖3類似。聯合解擴和解調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。不同的是數據流入為采樣的一組并行數據，時間跨度為同步后的一個符號位的完整時間。輸入的一組數據與捕獲副本進行相乘和相加后進行數值判決（1或0，正向的值代表數值1，負向的值代表數值0），然后進行數據輸出。

4 系統仿真分析

系統仿真環境采用Matlab/Simulink[4]，仿真模塊主要有DSSS（直接序列擴展頻譜）發送、仿真信道、DSSS接收及BER（誤比特率）的計算。

4.1 DSSS發送

DSSS仿真發送端由信源數據（12 kbit/s，bit位為±1）經差分編碼后與擴頻碼發生器產生的經過級性轉換的擴頻碼（31位m碼，反饋系數為100 101，bit位為±1）相乘進行擴頻形成后的數據（12×31=372 kbit/s）, 然后與震蕩器產生的載波（載頻300 k）相乘完成BPSK調制，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，用數學表達式表示為：

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[5]，其中di、gi分別表示路徑i的長度和衰減系數。脈沖噪聲Nim(t)使用Middleton的A類噪聲模型，模型參數有脈沖指數A和高斯噪聲與脈沖噪聲的能量比值Γ。脈沖指數A體現了噪聲的脈沖性，A越小，噪聲的脈沖性越強；反之，A越大，則A類噪聲的統計特性就越近于高斯噪聲。脈沖指數A選為0.011 966，能量比值Γ選為0.283 12[6]體現了較強的脈沖性。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

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。解調后的信號經數值判決（大于0為1, 否則為-1）和差分編碼后還原出原始數據。將還原后的數據與經過時間延遲后的原始數據進行比較，計算出誤碼率并顯示，如圖7所示。虛線框內是數據誤碼率計算和顯示的部分。

4.4 仿真結果分析

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）下的系統誤比特率仿真結果。調制方式為BPSK，載頻為300 kHz，數據傳送速率為12 kbit。擴頻碼采用m碼，擴頻因子31,頻率使用范圍為114～486 k（感應頻段范圍內）。

從仿真結果來看，系統在單條信號徑的情況下取得了比較好的結果。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果，可以得知感應式擴頻通信系統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。不過當信號的徑數比較多時，接收端信號的信噪比也需要相應提高，才能滿足正常通信需要。實際接觸網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）數較少，信道的模型應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該還會好一些。

5 結論

本文對接觸網感應式擴頻通信系統進行研究。介紹了接觸網感應式擴頻通信系統的組成，建立了擴頻通信的仿真試驗環境，在接收端采用聯合解擴和解調的方法，對不同信道及不同信噪比下的系統傳輸性能進行仿真，并給出仿真結果。仿真結果表明，接觸網擴頻通信系統在感應頻段內能滿足數據傳輸速率不小于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，該系統還具有以下特點。

1）采用接觸網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、數據傳輸速率、干擾抑制等需求

3）接收端采用聯合解擴和解調也有利于軟件無線電方式的實現

接觸網感應式擴頻通信系統的實際使用還包括以下方面：a．感應天線的改造以支持較寬的頻率范圍。b．高頻過分相設備也需要改造支持較寬的頻率范圍。c．載波機的開發，包括擴頻調制解調、語音的編解碼等。d．載波機對多用戶的支持等。盡管接觸網感應式擴頻通信系統的應用有多種挑戰，但其推廣應用還有較高的價值，且具有比較高的性價比。

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

[2]陳寶林，曹元生，黃兆寶.擴頻技術在感應無線通信中的應用[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[J]. 系統仿真學報，2009，21(24)：7845-7850.

[4]趙剛. 擴頻通信系統實用仿真技術[M]. 北京：國防工業出版社，2009.

[5]李榮偉，吳樂南. 10 kV中壓配電線載波信道的建模[J].電路與系統學報，2006，12（12） : 19-23.

[6]張鋒. 寬帶電力線通信系統脈沖噪聲特性研究[D]. 北京：華北電力大學，2011.