載波通信在鐵路設(shè)備中的應(yīng)用

莫小慶 郭 平 孫亞群 彭玲燕

莫小慶:南寧鐵路局電務(wù)檢測所 工程師 530029 南寧

郭 平:上海鐵大電信設(shè)備有限公司 高級工程師 200072上海

孫亞群:上海鐵大電信設(shè)備有限公司 助理工程師 200072上海

彭玲燕:上海鐵大電信設(shè)備有限公司 助理工程師 200072上海

1 載波通信簡介

載波通信就是一種通信系統(tǒng)中的“信道”，采用頻分復(fù)用技術(shù)，將用戶信號調(diào)制到不同的頻帶上進(jìn)行傳輸。在載波發(fā)送端，編碼電路將載頻和基頻進(jìn)行混頻，混合后的載波信號通過電纜傳到接收端，接收端對混頻信號進(jìn)行帶通濾波，分離出載頻信號再解碼，將發(fā)送端信號還原出來實現(xiàn)信號傳輸。目前移頻鍵控法 (FSK調(diào)制方法)是一種比較成熟的載波調(diào)制方法。載波通信的特點如下。

1．載波通信的傳輸介質(zhì)。載波通信技術(shù)最大的優(yōu)點是不需要專用通信電纜，傳輸介質(zhì)可以為高壓電力線、低壓配電線及電纜屏蔽層。目前在區(qū)間電纜和鋼軌上已經(jīng)實現(xiàn)了載波通信。

2．載波通信的速率和傳輸距離。在同一種通信信道中，速率和傳輸距離成反比，即速率越高，通信距離越短，反之亦然。通信介質(zhì)制約了信號的傳輸距離與速率，這與通信信道的物理長度和通信信道的阻抗匹配相關(guān)，而且噪聲干擾也制約了信號的傳輸質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)場試驗，采用移頻鍵控法(FSK)，通信距離 2 km，載波速率可以達(dá)到2400 b/s以上，基本滿足車站到咽喉區(qū)段的通信需求。

3．載波通信不能跨越變壓器。變壓器主次級之間或相間傳送信息需要采取特殊措施，常見手段是在變壓器的主次級各放置一個載波Modem，2個Modem之間通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行信息交互。還可在變壓器主次級之間或相間增加耦合器，通過耦合器的互連也能達(dá)到同樣的目的。

雖然鐵路設(shè)備有各種成熟的通信方式在應(yīng)用，但載波通信以其組網(wǎng)方便、成本低廉，特別是不需要敷設(shè)專用通信線路的特點，非常適合作為既有定型站場增加新設(shè)備時的補充通信手段。

2 載波通信應(yīng)用舉例

2.1 以配電線路為媒介的鐵路車站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采集的信息包括溫度、濕度、煙霧、明火、水浸、門禁、玻璃破碎及空調(diào)遙控等。由于監(jiān)測對象物理位置分布廣并且沒有特定的規(guī)律，在增加各種傳感器的數(shù)據(jù)采集時增加通信電纜的敷設(shè)比較麻煩，而采用無線通信方式又因室內(nèi)設(shè)備的遮擋影響通信質(zhì)量，相比而言采用載波通信方式則比較理想，適合數(shù)據(jù)量不大而位置分散的信息采集系統(tǒng)。

基于電力線載波通信的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成如圖1所示。系統(tǒng)構(gòu)成有3級，各類傳感器及其配套的載波通信模塊為第1級，帶多路載波模塊的監(jiān)測主機為第2級，遠(yuǎn)程終端為第3級。各種傳感器為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集裝置，每個傳感器帶載波通信模塊，插上電源即可。環(huán)境監(jiān)測主機是載波通信的中心設(shè)備，它可以跟三相電的任意一相通過電力載波進(jìn)行通信。安裝在低壓配電變壓器的低壓側(cè) (附近或任何方便的地方)，通過電力線匯集該低壓配電變壓器下所有安裝有載波數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信并存儲數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可通過公用電話線或GSM數(shù)據(jù)通信方式直接傳回到遠(yuǎn)程終端。

圖1 基于載波通信的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖

采集系統(tǒng)的載波通信是星形組網(wǎng)方式。本系統(tǒng)于2009年在呼和浩特局陶思浩站進(jìn)行試點，在該站共安裝各種傳感器12個，由監(jiān)測主機輪流給各個傳感器發(fā)送指令。每條指令含前導(dǎo)碼、指令號、傳感器號碼、參數(shù)值 (2個字節(jié))、校驗碼及結(jié)束碼共7個字節(jié)。通信速率為1200 b/s，數(shù)據(jù)通信格式為1200、n、8、1、1，每條指令發(fā)送時間為 (7B×11b/B)/1200 b/s=64.16 ms，發(fā)送指令后傳感器在5 ms內(nèi)數(shù)據(jù)應(yīng)答，回傳數(shù)據(jù)7個字節(jié)延時15.58 ms，2條指令中間的延時為5 ms，平均每個傳感器時間片長為64.16ms×2+5ms+5ms=138.32 ms。查詢完所有11個傳感器所用時間為138.32 ms×11=1411.52 ms，還有一個傳感器是空調(diào)遙控，不需要實時查詢，只需要每天定時設(shè)置即可。

上述計算可以看出，對于傳感器數(shù)量在10個以內(nèi)的普通車站，1200b/s的載波通信方式能每2 s輪詢一次，滿足數(shù)據(jù)采集的實時性要求。目前該系統(tǒng)已經(jīng)安裝在濟(jì)南局、武漢局和昆明局。

2.2 以鋼軌為媒介的區(qū)間軌道電路監(jiān)測

通過鋼軌進(jìn)行載波通信是目前正在探索的新通信方式，這種方式不是完全意義上的“載波通信方式”，而是“半載波模式”。簡要地說，載波通信中通信介質(zhì)中加載2種或2種以上的電信號，包括基波和載頻，而在鋼軌上進(jìn)行信號傳輸時只有載頻沒有基波。這種系統(tǒng)的特點是電源不通過鋼軌輸送，而是由設(shè)備自帶的太陽能或電池供電，信息則通過鋼軌傳送，在鋼軌上只有載波信息和噪聲。

目前，已在南寧局的南環(huán)線天潭—玉洞區(qū)間用鋼軌載波進(jìn)行了軌道電路監(jiān)測試驗，試驗中通信設(shè)備如圖2所示。

圖2 區(qū)間鋼軌載波通信試驗示意圖

鋼軌載波相對于電纜的優(yōu)點是:鋼軌電阻值非常小，根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，對50 kg鋼軌，每米鋼軌的電阻約40.76 μΩ，對60 kg鋼軌的每米鋼軌的電阻約34.36 μΩ，另外2根鋼軌之間的電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同等長度的電纜，相對于同樣頻率的載波信號其感抗更小，阻抗更高，對信號傳輸?shù)乃ズ母?。缺點是道床電阻比較小，對信號衰減較大。鋼軌載波通信的一大難點是，鋼軌左右軌之間有軌距桿，軌距桿有絕緣和非絕緣2種，非絕緣軌距桿的存在對載波通信是一大難點。為此設(shè)計了一種阻波器，裝在非絕緣軌距桿上，阻波器具有通直流信號阻交流信號的作用，因而增加阻波器能對鋼軌通信信道呈現(xiàn)較高的輸入阻抗，減少對信號的損耗或者“旁路”。

另一種解決軌距桿的思路是利用鋼軌和大地作為信號回路來通信，把左右軌作為一根通信線來考慮。這種思路雖然能繞過軌距桿這個難題，但實際應(yīng)用中因道床電阻的差異太大，通信不可靠而暫時不具備實用價值。

試驗過程中，先用200kHz的載波中心頻率做實驗，發(fā)現(xiàn)在8 km遠(yuǎn)處，能收到載波信號，但誤碼率太高，通信斷斷續(xù)續(xù)。后改為78kHz的載波中心頻率，誤碼率為2/10000，通信距離為10 km時，誤碼率為5/10000，這種誤碼率還是太高。最后選用了20 kHz中心頻率，并在接收端加裝了一級帶通濾波器，通信效果比較好。該區(qū)間10.3 km，誤碼率低于10－6，通過試驗驗證，在裝了阻波器的區(qū)間，鋼軌載波通信的信號在1200 b/s的速率下可靠通信距離可以達(dá)到10 km，能滿足大部分的區(qū)間設(shè)備通信需要。

3 總結(jié)

載波通信有其本身所固有特性，鐵路有其自身的特點，實際應(yīng)用中需考慮以下幾方面情況。

1．要有較高的頻譜利用率，以適應(yīng)信道有效帶寬窄的特點。

2．有好的功率利用率，能把功率集中在有效的頻帶中，降低功率損失。

3．載波頻率的選取，盡可能使通信信道呈現(xiàn)較高的輸入阻抗，以減小對載波信號的衰減。特別是用鋼軌作為載波媒介時，需要充分考慮鋼軌之間或鋼軌和大地之間的分布電容的影響。

由于鐵路現(xiàn)場干擾源較多，干擾頻譜廣，要求載波通信設(shè)備具有很強的噪聲抑制能力，并能在信噪比很低的情況下正常工作。

［1］ 樊昌信．通信原理教程［M］ ．北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［2］ 張軍．?dāng)?shù)字通信［M］ ．北京:電子工業(yè)出版社，2007