接触网感应式扩频通信系统的研究

陈维明

（上海通号轨道交通工程技术研究中心 200072）

1 概述

接触网是指电气化铁路沿线上空架设的向列车供电的特殊形式的输电线路。当列车沿着线路运行时，安装在列车车顶的受电弓通过弓头的碳滑板与接触线滑动接触进行受流，给列车提供动力。感应通信是指发送方利用感应方式（非接触，感应频段一般为50 ～500 k）将信号耦合到感应线（金属材质）上，信号在感应线上进行传播，接收方再将感应线上的信号反向耦合接收进行信息交互的方式。利用感应方式及接触网的接触线作为感应线进行列车车地之间的信息交互就是接触网感应通信。

列车车地之间的通信除了接触网感应通信以外，主要有数字轨道电路、交叉感应环线、查询应答器（点式）、无线通信、感应通信（通过专设的感应线）等。前3种需要在铁轨沿线的轨面铺设较多设备，无线通信则需要在地面每隔一定距离架设基站或直放站，投资和维护的费用比较高。专设感应线的感应通信也有类似的问题。而接触网感应通信利用现有的基础设施，具有构成简单、造价低、通信覆盖性好等特点[1，2]。

针对现有接触网感应通信的不足，如易受干扰、通信质量不稳定、数据传送速率低等，文献[2]中提出扩频通信技术的思路来解决相应问题。本文则进一步采用扩频通信仿真的方法，并基于一定的信道模型对接触网感应式扩频通信系统进行研究。扩频通信仿真的着重点在于低信噪比下扩频通信系统的性能及数据传输速率的提升。

2 接触网感应式通信系统

接触网感应式通信系统由车站载波通信设备、机车载波通信设备、机车感应天线、接触网的接触线、信号过分相设备组成，如图1所示。车站载波通信设备与接触网的接触线直接相连以减少信号的衰耗。机车载波通信设备借助机车感应天线和接触网实现与车站载波通信设备及其他机车载波通信设备的互连。信号过分相设备起到将不同电分相段的感应信号桥接在一起的作用，同时保持50 Hz工频信号处于隔断状态。

3 感应式扩频通信的设计

3.1 系统结构

本文提出的感应式扩频通信设计条件：工作频段100～500 kHz，BPSK调制，数据传输速率不小于9.6 kbit/s，接收信噪比≤-3 dB。低信噪比的要求有利于传输更远的距离，或降低发射功率，或减少对其他通信系统的干扰。感应式扩频通信的收发框如图2所示，包含发射端、信道和接收端。信源信息经数据编码、扩频调制和载波调制后，发送到传输信道上。接收端进行载波同步后，进行联合解扩和解调的方式来解出数据，经数据解码还原出传输的信息。本文重点关注接收端的设计。

3.2 载波捕获

接收端的载波捕获采用滑动相关算法，本地的捕获副本则由本地震荡信号和本地扩频码共同生成[3]。本地的捕获副本表示为：

其中，c（t）为扩频码，f为载波频率，T为一个符号位的持续时间。

载波捕获算法结构如图3所示，其中Pi（i=1，2，…，N）为N个采样点的移位缓存数据，Si（i=1, 2,…,N）为本地的捕获副本，N个采样点持续一个符号位T的时间。当Pi和Si同步时，相关值最大。图4给出理想信道条件下载波捕获的滑动相关值。正向或负向最大值即为同步点。

3.3 联合解扩和解调

在实现载波捕获和同步后，接收端即进入联合解扩和解调过程，其结构与图3类似。联合解扩和解调采用与载波捕获相同的由本地震荡信号和本地扩频码共同生成的捕获副本，参见本文3.2。不同的是数据流入为采样的一组并行数据，时间跨度为同步后的一个符号位的完整时间。输入的一组数据与捕获副本进行相乘和相加后进行数值判决（1或0，正向的值代表数值1，负向的值代表数值0），然后进行数据输出。

4 系统仿真分析

系统仿真环境采用Matlab/Simulink[4]，仿真模块主要有DSSS（直接序列扩展频谱）发送、仿真信道、DSSS接收及BER（误比特率）的计算。

4.1 DSSS发送

DSSS仿真发送端由信源数据（12 kbit/s，bit位为±1）经差分编码后与扩频码发生器产生的经过级性转换的扩频码（31位m码，反馈系数为100 101，bit位为±1）相乘进行扩频形成后的数据（12×31=372 kbit/s）, 然后与震荡器产生的载波（载频300 k）相乘完成BPSK调制，并传送至仿真信道，如图5所示。

4.2 仿真信道

仿真信道考虑了多径、衰减、脉冲噪声和背景噪声，用数学表达式表示为：

r（t）=∑L-1i=0gi（t）×u（t-τ）+Nim（t）+Nbg（t）

其中，r（t）为接收信号，u（t）为输入信号，gi（t）和τ分别为第i条路径的衰落因子和传播时延，Nim（t）为脉冲噪声，Nbg（t）为背景噪声。仿真信道模型的图形表示如图6所示。

本文仿真信道模型中的多径和衰减使用表1中给出的典型信道的路径参数[5]，其中di、gi分别表示路径i的长度和衰减系数。脉冲噪声Nim(t)使用Middleton的A类噪声模型，模型参数有脉冲指数A和高斯噪声与脉冲噪声的能量比值Γ。脉冲指数A体现了噪声的脉冲性，A越小，噪声的脉冲性越强；反之，A越大，则A类噪声的统计特性就越近于高斯噪声。脉冲指数A选为0.011 966，能量比值Γ选为0.283 12[6]体现了较强的脉冲性。背景噪声Nbg（t）则采用加性高斯白噪声AWGN。

表1 多径信道路径参数

4.3 DSSS接收

DSSS仿真接收端对接收到的信号先进行低通滤波(滤除高频干扰)，然后进行载波捕获和同步，载波捕获和同步完成后启动解扩和解调。解调后的信号经数值判决（大于0为1, 否则为-1）和差分编码后还原出原始数据。将还原后的数据与经过时间延迟后的原始数据进行比较，计算出误码率并显示，如图7所示。虚线框内是数据误码率计算和显示的部分。

4.4 仿真结果分析

基于4.3给出的仿真信道模型，图8给出不同信道条件（多径及不同SNR）下的系统误比特率仿真结果。调制方式为BPSK，载频为300 kHz，数据传送速率为12 kbit。扩频码采用m码，扩频因子31,频率使用范围为114～486 k（感应频段范围内）。

从仿真结果来看，系统在单条信号径的情况下取得了比较好的结果。在较强脉冲噪声及较低信噪比（SNR低至-11 dB）下都能很好工作。在典型中压电力线信道（4条信号径）下，系统仍能在SNR为-3 dB及以上（BER<2‰）的情况下工作。在恶劣中压电力线信道（7条信号径且衰减比较大）下，信噪比则要求在3 dB及以上才能正常工作。对比不同仿真情况下的结果，可以得知感应式扩频通信系统有很强的抗噪声能力，这与扩频通信的理论一致。另外，对信号多径也有不错的抑制效果。不过当信号的径数比较多时，接收端信号的信噪比也需要相应提高，才能满足正常通信需要。实际接触网的传输信道由于轨道线路呈链状分布，且同时使用的用户（车站和列车）数较少，信道的模型应该介于较好及典型中压电力线模型之间，因此实际的传输效果应该还会好一些。

5 结论

本文对接触网感应式扩频通信系统进行研究。介绍了接触网感应式扩频通信系统的组成，建立了扩频通信的仿真试验环境，在接收端采用联合解扩和解调的方法，对不同信道及不同信噪比下的系统传输性能进行仿真，并给出仿真结果。仿真结果表明，接触网扩频通信系统在感应频段内能满足数据传输速率不小于9.6 kbit/s，接收信噪比≤-3 dB的要求，且对信道噪声有很强的抗干扰能力，对信号多径也有不错的抑制效果，可以满足列车和地面进行控制信息交互的需要。另外，该系统还具有以下特点。

1）采用接触网载波通信方式可有效避免无线通信的频谱资源限制及干扰的问题

2）由于没有频谱资源的绝对限制，通过扩频通信方式可有效平衡传输距离、数据传输速率、干扰抑制等需求

3）接收端采用联合解扩和解调也有利于软件无线电方式的实现

接触网感应式扩频通信系统的实际使用还包括以下方面：a．感应天线的改造以支持较宽的频率范围。b．高频过分相设备也需要改造支持较宽的频率范围。c．载波机的开发，包括扩频调制解调、语音的编解码等。d．载波机对多用户的支持等。尽管接触网感应式扩频通信系统的应用有多种挑战，但其推广应用还有较高的价值，且具有比较高的性价比。

[1]吴惠增. 感应式无线通信的发展和改进建议[J]. 中国铁路，1992（2）：10-14.

[2]陈宝林，曹元生，黄兆宝.扩频技术在感应无线通信中的应用[J]. 西铁科技，1999(3)：14-15.

[3]王沁，刘兰军，张晓彤，等.一种支持CDMA机制的水声扩频通信系统[J]. 系统仿真学报，2009，21(24)：7845-7850.

[4]赵刚. 扩频通信系统实用仿真技术[M]. 北京：国防工业出版社，2009.

[5]李荣伟，吴乐南. 10 kV中压配电线载波信道的建模[J].电路与系统学报，2006，12（12） : 19-23.

[6]张锋. 宽带电力线通信系统脉冲噪声特性研究[D]. 北京：华北电力大学，2011.