基于電力載波通信的鐵路道岔缺口監(jiān)測系統(tǒng)研究

徐紅陽

（中國鐵路通信信號上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 200436）

1 系統(tǒng)組成及功能

基于電力載波（Power line communication,PLC）通信的鐵路道岔缺口監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱缺口監(jiān)測系統(tǒng)）由3部分構(gòu)成：現(xiàn)場設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備以及電力載波通信設(shè)備組成。如圖1所示。

1）現(xiàn)場設(shè)備由電渦流傳感器采集電渦流信號形成采集器。

2）監(jiān)測設(shè)備由集中監(jiān)測管理器和集中監(jiān)測屏構(gòu)成。

3）通信設(shè)備由電力載波通信設(shè)備構(gòu)成。

系統(tǒng)通過現(xiàn)場設(shè)備采集器采取信號量，進(jìn)行信號量分析判斷，然后通過電力載波與監(jiān)測設(shè)備集中器進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換。因此，電力載波通信便成了不可或缺的一環(huán)。系統(tǒng)采用以電力線傳輸?shù)恼也ㄐ盘栕鳛閭鬏斆浇?，將有效信息通過調(diào)頻的方式加載到電力正弦波信號中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，通常稱此種技術(shù)為電力載波的通信技術(shù)。有防過壓和防瞬變抑制電路，以防過電壓和雷電對模塊的損壞。遠(yuǎn)程控制電力載波通信技術(shù)使得本系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效傳輸最大距離為20 km。

2 電力載波通信原理分析

電力載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式。電力載波通信是指在現(xiàn)有電力線基礎(chǔ)上，通過載波的技術(shù)方式將所需傳輸?shù)臄?shù)字信號或者模擬信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)統(tǒng)稱。電力載波最大以及最獨(dú)特的特點(diǎn)是，利用電力線，不需要重新鋪設(shè)線路網(wǎng)絡(luò)，處處有現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)，處處能數(shù)據(jù)傳遞。

通信分為發(fā)送和接收。在通信發(fā)送時(shí)，利用可靠的調(diào)制技術(shù)將要發(fā)送的模擬信號或者數(shù)字信號等用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，把裝有調(diào)制信號的高頻加載與電流，在電力線上進(jìn)行傳輸；傳輸出去后，接收端就可以進(jìn)行接收。在通信的接收端，把接收來的電力線信號，先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號取出，然后對取出的信號進(jìn)行解調(diào)，就可獲得原通信的用戶模擬信號或者數(shù)字信號等數(shù)據(jù)。并可以傳送到其他處理設(shè)備或者顯示設(shè)備，這樣實(shí)現(xiàn)了電力載波的通信。

電力載波通信一般采用的調(diào)制方式是正交頻分復(fù)用（OFDM）。OFDM是一種技術(shù)措施，可以在嚴(yán)重電磁干擾的通信環(huán)境下保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定完整傳輸。HomePLUG 1.0的規(guī)范覆蓋4～21 MHz的通信頻段，在4～21 MHz頻段內(nèi)劃分84個(gè)OFDM通信信道。OFDM原理是有幾個(gè)通信信道按90°的相位作頻分，這樣的結(jié)果是當(dāng)某一個(gè)信道波形過0點(diǎn)時(shí)，相鄰信道的波形恰好是幅值最大值，從而保證信道間的波形不會因外來干擾而交疊、串?dāng)_。

3 特殊電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 電路一：自動(dòng)增益控制電路，AGC電路

在接收機(jī)接收電臺信號時(shí)，因?yàn)楦鱾€(gè)發(fā)射臺功率大小不一，發(fā)射臺離接收機(jī)距離遠(yuǎn)近不同，無線電波傳播過程中的多晶效應(yīng)和衰落等原因，導(dǎo)致接收天線上產(chǎn)生的有用信號強(qiáng)度相差懸殊，而且往往會有很大波動(dòng)變化,通常約為104～105倍。這樣可能在接收微弱信號時(shí)，造成某些電路不能正常工作而丟失信號，比如檢波器就有可能。然而在接收強(qiáng)信號時(shí)，有可能造成放大電路阻塞或者非線性失真。因此，在接收設(shè)備中必須采用AGC電路，用來壓縮游泳信號強(qiáng)度的變化范圍。

AGC電路的作用是可以根據(jù)輸入信號電壓幅度的大小，自動(dòng)調(diào)整放大器所使用的增益大小，從而使放大器輸出的電壓在一定的可控范圍內(nèi)發(fā)生變化。

AGC電路是無線電接收設(shè)備的重要電路，它將保證接收幅度的穩(wěn)定。AGC電路通常是由峰值檢波電路、低通濾波器、直流放大器、電壓比較器、控制電壓產(chǎn)生器以及可控增益放大器構(gòu)成，其中可控增益放大器是增益控制得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。

在本設(shè)計(jì)中，希望將濾波器輸出的小信號進(jìn)行放大但不能失真。濾波器輸出信號是mV級的信號，而且因?yàn)橄到y(tǒng)輸出的信號是經(jīng)過DPSK調(diào)制的，為了保證前后碼元對應(yīng)的相位信息不能出錯(cuò)，需要放大器不能因飽和失真使前后碼元對應(yīng)相位錯(cuò)位，電路本身噪聲干擾不能過大。為了同時(shí)滿足以上條件：輸入信號賦值過大不會飽和失真，前后碼元相位不錯(cuò)位，噪聲不能太大，所以電路必須具有自動(dòng)增益控制的能力，如圖2所示。

當(dāng)輸入端的信號超過一定門限時(shí)，此電路對輸入的信號進(jìn)行負(fù)反饋，使輸入信號的幅值降低，這樣起到調(diào)節(jié)增益、增益控制的效果。為了預(yù)防輸入信號過大導(dǎo)致電路效果不可控，設(shè)計(jì)時(shí)，在電路的輸出級并聯(lián)了電容及兩個(gè)二極管，起到對輸入端的輸入信號幅值變化來進(jìn)行輸出幅值控制的作用，同時(shí)起到過壓保護(hù)的作用。在設(shè)計(jì)的電路中，通過實(shí)際測試：此電路在輸入端輸入10 mV的信號時(shí)，增益大約為40 dB，輸入信號為100 mV時(shí)，增益為20 dB，輸入信號為1 V時(shí)，增益僅僅只有4 dB?？梢钥闯觯瓿蓪υ鲆孀詣?dòng)控制的功能，符合預(yù)期。

3.2 特殊電路二：耦合電路

為了實(shí)現(xiàn)能量與信號的傳輸，連接各個(gè)功能電路的方法為耦合電路。耦合電路具有蓄能、阻抗變換、鋁箔、隔離等一種或者幾種功能。

耦合電路分為4種：直接耦合電路、阻容耦合電路、變壓器耦合電路以及光電耦合電路。

變壓器耦合電路：將放大電路前級的輸出端通過變壓器連接到輸入端或者負(fù)載電阻上，稱為變壓器耦合電路。變壓器耦合共射放大電路。電路可實(shí)現(xiàn)阻抗變換，變壓器耦合電路的前后級靠磁路耦合，它的各級放大電路工作點(diǎn)相互獨(dú)立。

在設(shè)計(jì)中，此電路只用作載波信號輸入以及輸出的路徑，并且起到與“市電”220 V電壓隔離的作用。此電路是根據(jù)一般通用的耦合電路進(jìn)行修改的，其功能是接收時(shí)將電力線上傳輸?shù)妮d波信號耦合下來送入解調(diào)電路，同時(shí)發(fā)送時(shí)將調(diào)相信號通過耦合送入電力線上。因?yàn)殡娏€在鐵路的露天環(huán)境，可能存在雷擊以及其他高電壓瞬間放電的情況，所以為了預(yù)防高電壓對電路的元件造成不可逆的損壞或者破壞，必須有防雷措施。因此在電路中輸入端并聯(lián)一個(gè)雙向瞬態(tài)二極管進(jìn)行保護(hù)。電路中設(shè)置一個(gè)變壓器，該變壓器允許通過100～400 kHz頻率的信號，也就是電力載波信號的頻率，這樣變壓器就起到一個(gè)通有用信號、阻干擾信號的作用。后級電容電感組成濾波電路，同樣通過100 ～400 kHz有用載波信號，阻止電力線200 V/50 Hz信號進(jìn)入變壓器T，導(dǎo)致變壓器鐵芯飽和，從而限制變壓器的電流。電路設(shè)計(jì)輸入通道接入浪涌保護(hù)二極管。當(dāng)所接電力線上的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，線路上就會產(chǎn)生較大的噪聲，甚至產(chǎn)生幅值很大的尖峰脈沖。一旦噪聲和尖峰脈沖通過耦合后進(jìn)入到后級電路，會對電路造成很大的危害。所以在電路設(shè)計(jì)中接入浪涌保護(hù)二極管進(jìn)行保護(hù)，使噪聲濾除，后級電路得到保護(hù)。電路設(shè)計(jì)的二階濾波器，完成濾除帶外雜波，保證前后級阻抗匹配。同時(shí)為了防止電壓過大對電路造成損害，添加二極管，用于電壓過大的保護(hù)。耦合電路如圖3所示。

4 結(jié)束語

電力載波通信基于其獨(dú)特的特點(diǎn)：不需鋪設(shè)額外的網(wǎng)絡(luò)，只要能夠使用電，存在電線網(wǎng)絡(luò)，就能實(shí)現(xiàn)通信。方便、快捷、節(jié)約成本以及其抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，在將來技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下，將其中的不足進(jìn)行攻克彌補(bǔ)，未來的發(fā)展前景遠(yuǎn)大。依據(jù)高低頻電路原理和數(shù)字通信原理，設(shè)計(jì)專用的

自動(dòng)增益控制電路、載波信號接收發(fā)送通路的耦合電路，成功的將電力載波應(yīng)用到鐵路缺口項(xiàng)目中，將數(shù)據(jù)通過電力載波進(jìn)行傳輸。本文介紹的基于電力載波通信的鐵路道岔缺口監(jiān)測系統(tǒng)，是在電力載波通信技術(shù)上的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。在整個(gè)研發(fā)過程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)遇到許許多多的困難，在不懈努力下最終得到解決或者克服。所論述的系統(tǒng)也存在許多不足，隨著將來的發(fā)現(xiàn)將不斷改進(jìn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，或許將來會有更好更新的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

[1]湯效軍．電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn)[J].電力系統(tǒng)通信，2003（1）：47-51.

[2]張紅霞.淺談電力通信的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014 (21）：19.

[3]宋祖順，宋曉勤，宋平．現(xiàn)代通信原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007．

[4]田日才．?dāng)U頻通信[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007．

[5]榮岳棟，徐東明，周曉剛.基于擴(kuò)頻通信的低壓電力線載波芯片的設(shè)計(jì)[J].中國集成電路，2010，19 (11) ：24-28．

[6]鐘章隊(duì)．鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)[M].北京：中國鐵道出版社，2003．

[7]徐紀(jì)康，賈森，許琰.基于車車通信的新型CBTC系統(tǒng)中的道岔控制功能研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2017，14（3）：47-49.

[8]劉鐵民．信號維護(hù)規(guī)則：鐵道線路養(yǎng)修工電配合[M].北京：中國鐵道出版社，2003．

[9]沈相宙．鐵路道岔養(yǎng)護(hù)[M].北京：中國鐵道出版社，2004．

[10]紀(jì)晏寧.電動(dòng)液壓道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[M]．北京：中國鐵道出版社，2004．