地鐵通信系統的應用分析

王朋

摘要：地鐵通信系統為公共交通和公共安全人員提供無縫的無線電覆蓋，這些人員在地下部分車載列車以及車站平臺和樓梯出口處運行，實現緊急情況下的疏散目的。通信系統捕獲來自現有地面陸地移動無線電系統的無線射頻信號，放大并饋送到位于整個地下的同軸電纜和點源天線，然后將信號輻射給無線電用戶。本文對地鐵通信系統的應用進行了分析，以期進一步提高地鐵通信效率和質量。

關鍵詞：地鐵；通信系統；應用

1. 地鐵通信系統的類型

1.1模擬通信

考慮到消息信號和通信介質的模擬特性，自然的設計選擇是將模擬消息信號（例如，從聲學域轉換到電子域的音頻信號）映射到模擬發送信號（例如，承載音頻信號的無線電波，其與通信的物理介質兼容（例如，通過空中廣播來自FM無線電臺的音頻）。

這種通信系統設計方法如圖1所示，稱為模擬通信。早期的通信系統都是模擬的：常見的應用包括AM（幅度調制）和FM（調頻）無線電、第一代蜂窩電話技術（基于FM）、VHS或beta錄像帶。從第二代開始的蜂窩電話技術是數字的。由于經濟和政治因素，諸如無線電之類的廣播技術通常較慢升級，但是數字廣播無線電和電視技術正在替換模擬FM / AM無線電和廣播。

1.2數字通信

數字通信的概念基礎由克勞德·香農于1948年創立，當時他創立了信息理論領域。這個理論有兩個主線：·源編碼和壓縮：任何信息承載信號都可以通過數字信號（即從離散集中取值的離散時間信號）表示，其最簡單的形式只是一個二進制數字序列（零或1）或位。

用于執行從原始源信號到比特序列的映射的技術通常稱為源編碼。它們通常以利用源信號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性來比像素逐像表示更有效地表示它。）。

一旦源編碼完成，通信任務就會減少，以便在源編碼器的輸出端可靠地傳輸比特序列。任何地鐵通信系統的性能取決于信號和噪聲或干擾的相對強度，以及信道施加的失真。實踐引用表明，一旦為任何通信信道確定了這些操作參數，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送信號。而在模擬通信中，隨著信道條件變差，再現源信號的質量通常逐漸降低。

2. 地鐵通信系統的應用

2.1源編碼器

源編碼器將消息信號轉換為信息比特序列。信息比特率取決于消息信號的性質（例如，語音、音頻、視頻）和應用要求。即使修復了消息信號類別，源編碼器的選擇也很大程度上取決于地鐵通信系統的設置。例如，當視頻信號通過蜂窩鏈路發送到移動設備時被嚴重壓縮，但是當被發送到高清晰度電視（HDTV）集時被輕微壓縮。

除此之外，源代碼可以完全與鏈接設計分離。對于灰度數字圖像，每個像素的強度可以用8位表示。乘以像素數給出了大約630萬位，或大約0.8Mbyte（一個字節等于8位）。然而，對于典型圖像，相鄰像素的強度是高度相關的，這可以被利用來顯著減少表示圖像所需的比特數。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。對于自然圖像，最先進的圖像壓縮算法可以提供10倍壓縮（即相對于原始數據的位數減少）未壓縮的數字圖像幾乎沒有任何感知降級。對于視頻，除了用于圖像壓縮的空間相關性之外，還可以利用連續幀之間的時間相關性。

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，以便在通過信道傳輸之后的錯誤恢復。然而，信道編碼器添加的冗余是針對將要發生信息傳輸的信道而定制的，而原始消息信號中的冗余一般處于地鐵通信系統的控制范圍內。

2.3調制器

調制器將信道編碼器輸出端的編碼比特映射到要通過信道發送的發送信號，其中用戶之間和共存系統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。第四代蜂窩系統中的傳輸通常可以在700MHz至3GHz的頻率范圍內占用1-20MHz范圍內的帶寬。

雖然這些信號帶寬正在增加以努力提高數據速率（例如，新興WiFi標準高達160 GHz，新興蜂窩標準高達100 MHz），并且正在積極探索新的頻段，傳輸的信號仍然需要進行調制以適應某些頻譜約束。假設通過發送信號s（t）發送比特值0，并通過發送-s（t）發送比特值1，必須設計信號s（t），使其符合頻譜約束（例如，兩個不同的用戶可以使用兩個不同的頻譜段以避免相互干擾）。對于無線通信，這些信號是由耦合到天線的電路產生的電壓，并且最終作為來自天線的電磁波發射。地鐵信道編碼器和調制器通常是聯合設計的，稱為編碼調制器。

3. 結語

本文介紹了地鐵通信系統的概念基礎。現代通信系統對于現代社會的運作是不可或缺的，在地鐵的日常運行和管理中，通信系統更是發揮著重要的作用。通過對地鐵通信系統的應用分析，可以更好地了解地鐵通信系統的功能，從而提升其運行質量和效率。

參考文獻

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

[2]何琳娜.無線通信技術在列車控制系統中的應用[J].通信技術，2018（10）：201-203.

（作者單位：南京地鐵運營有限責任公司）