王 偉，何 濤，強(qiáng)生杰

（蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070）

國內(nèi)現(xiàn)有的無線鐵路信號傳輸系統(tǒng)主要是基于GSM-R的第二代通信系統(tǒng)，采用時(shí)分復(fù)用（TDMA）和頻分復(fù)用（FDMA）技術(shù)。隨著鐵路系統(tǒng)信息化程度越來越高，傳輸量和抗干擾能力也隨之加大，擴(kuò)頻通信方式可以滿足鐵路信號傳輸中的諸多要求。

1 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)基本原理及仿真

1.1 系統(tǒng)工作原理

擴(kuò)頻通信即擴(kuò)展頻譜通信，系統(tǒng)將發(fā)送信號經(jīng)過信息調(diào)制成數(shù)字信號，然后利用擴(kuò)頻函數(shù)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼將信號進(jìn)行傳輸。在接收端進(jìn)行的是發(fā)送過程的逆過程，即將接收到的信號用擴(kuò)頻函數(shù)將偽隨機(jī)碼進(jìn)行解擴(kuò)，再將信號進(jìn)行解調(diào)從而得到原始發(fā)送信息。

基本模型分為發(fā)送模塊和接收模塊兩部分，如圖1和圖2。模型中的發(fā)送模塊進(jìn)行了3次調(diào)制后發(fā)送射頻信息進(jìn)行傳輸，接收模塊同樣也進(jìn)行了3次解調(diào)。本系統(tǒng)中重要的是擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)調(diào)制，這2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)需使用同一時(shí)鐘進(jìn)行控制，且過程中的偽隨機(jī)碼序列必須是絕對一致的。

1.2 衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)性能參數(shù)

圖1 發(fā)送模塊

圖2 接收模塊

（1）誤碼率。是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)傳輸精確性的指標(biāo)。誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)*100%。如果有誤碼就有誤碼率,它反映了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

（2）信噪比。信噪比（SNR）r是信號的平均功率S與噪聲的平均功率N之比,即r=S/N,將其表示成分貝形式r（dB）=10lg(S/N)（dB）。 信噪比越大說明噪聲在傳輸信息里所占的比例越小，對信息傳輸影響越小，可靠度越高。

（3）處理增益。為了衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性的提高程度，將解擴(kuò)器輸入端信噪比和輸出端的信噪比的比值定義為擴(kuò)頻系統(tǒng)處理增益，由以下公式表示：

用分貝數(shù)表示為：

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)獨(dú)具擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)兩個(gè)過程，用處理增益表明擴(kuò)頻調(diào)制前后信噪比的改善程度，反映了對干擾的抑制程度。

（4）噪聲容限。存在干擾信號時(shí)，干擾信號比有用信號高出一定范圍的情況下系統(tǒng)仍能夠正常工作。在此情況下，接收機(jī)能承受的干擾信號比有用信號高出的倍數(shù)定義為噪聲容限，用分貝數(shù)表示為：

式中，Mj為噪聲容限；Gp為系統(tǒng)處理增益；(S/N)min為信息被正確解調(diào)時(shí)所需的最小信噪比；Ls為系統(tǒng)損耗。

1.3 系統(tǒng)仿真

該仿真是在matlab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，程序主要由調(diào)制部分，解調(diào)部分和偽隨機(jī)序列生成部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)輸入后先轉(zhuǎn)化成ASCII二進(jìn)制碼進(jìn)行傳輸，通過調(diào)用m序列生成函數(shù)進(jìn)行相加，產(chǎn)生擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)，然后將擴(kuò)頻碼轉(zhuǎn)換為BPSK (1,-1)序列，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)一步將BPSK雙極性轉(zhuǎn)換到單極性，最終在數(shù)據(jù)輸出端進(jìn)行m序列解擴(kuò)，再結(jié)合解調(diào)過程將ASCII二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)據(jù)。

從圖3(b)中可以看出數(shù)據(jù)展寬后可以明顯降低信號功率密度，調(diào)制后傳輸?shù)男盘柡桶自肼暰哂泻艽蟮南嗨贫龋梢詫?shí)現(xiàn)高隱蔽性傳輸。從圖3(c)和圖3(d)對調(diào)制信號包絡(luò)，相干載波相位模糊度及其對解調(diào)數(shù)據(jù)的影響等性能對比，得出BPSK調(diào)制出傳輸過程中具有高的抗干擾能力和頻譜利用率。 最終解擴(kuò)和解調(diào)后的輸出數(shù)據(jù)圖3(e)和輸入數(shù)據(jù)圖3(a)具有高度的一致性，可見此擴(kuò)頻方式具有很強(qiáng)的抗干擾性。

圖3 （a）數(shù)據(jù)輸入

圖3 （b）數(shù)據(jù)擴(kuò)展

圖3 （c）BPSK調(diào)制

圖3 （d）數(shù)據(jù)傳輸

圖3 （e）數(shù)據(jù)輸出

2 干線鐵路信號傳輸?shù)膬?yōu)勢

2.1 性能參數(shù)優(yōu)勢比較

直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在誤碼率、信噪比、處理增益等參數(shù)上表現(xiàn)優(yōu)異，較其它通信方式具有較大的優(yōu)勢。具體的通信系統(tǒng)衡量參數(shù)比較，如表1。

2.2 理論優(yōu)勢

（1）抗干擾能力強(qiáng)。直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，解擴(kuò)器端輸入與輸出信號功率保持不變，而對于干擾信號解擴(kuò)過程相當(dāng)于進(jìn)行擴(kuò)頻，干擾功率被擴(kuò)展到很寬的頻帶上，功率譜密度下降，這使得解擴(kuò)過程中輸入端的干擾信號功率大大降低。通過帶通濾波器的濾波，大部分的干擾信號被濾除，有用信號則被保留。另外，擴(kuò)頻系統(tǒng)對各種惡劣天氣時(shí)通信鏈路造成的影響進(jìn)行抵抗，與傳統(tǒng)微波相比可以進(jìn)行跨江傳輸，在海面的長距離優(yōu)質(zhì)傳輸。這些優(yōu)勢適用于鐵路系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下安全可靠的進(jìn)行信號傳輸。

（2）可以實(shí)現(xiàn)多址通信系統(tǒng)。多個(gè)通信在信息發(fā)送端和接收端使用相同的偽隨機(jī)序列，而不同的通信則使用不同的偽隨機(jī)序列，這樣就實(shí)現(xiàn)了在相同載頻下互不干擾的通信，實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，從而充分利用了頻譜資源。由此可以進(jìn)行機(jī)動靈活組網(wǎng)，有助于統(tǒng)一規(guī)劃，分期實(shí)施，便于擴(kuò)充容量，有效地保護(hù)前期投資。

（3）有效抗多徑干擾。在直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)接收到電波后，將同步鎖定直達(dá)路徑且信號最強(qiáng)的電波，其余電波由于非直達(dá)，會延時(shí)到達(dá)，在相關(guān)解擴(kuò)作用下只作為噪聲。另外，接收端把多路徑來的同一碼序波形相加使之得到加強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)抗多徑干擾。

（4）隱蔽性強(qiáng)，對其它系統(tǒng)干擾小。 擴(kuò)頻過程單位面積信號發(fā)送功率極低，隱蔽性強(qiáng)。低的功率譜密度，不容易被探測到，被截獲的可能性降低，所以實(shí)現(xiàn)了其安全性方面的要求。同時(shí)，低功率譜密度讓發(fā)射信號近似于噪聲信號，而擴(kuò)頻信號可以在信道噪聲和白噪聲背景中傳輸，降低了對其它系統(tǒng)的干擾，增強(qiáng)了與其它系統(tǒng)的共存度。由于此系統(tǒng)的無線鐵路信號傳輸過程中電磁干擾大幅度降低，不僅有利于將擴(kuò)頻通信系統(tǒng)應(yīng)用于電氣化鐵路區(qū)段和弱場強(qiáng)區(qū)電磁環(huán)境，而且適于將其大規(guī)模應(yīng)用到干線鐵路中。

表1 通信系通衡量參數(shù)比較

（5）精確測距和定時(shí)。將應(yīng)用周期長及偽隨機(jī)碼作為傳輸信號，比較從目的地反射回來的偽隨機(jī)序列與原序列的相位，就可以得出時(shí)間差，由此也可實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作，進(jìn)一步利用傳輸速率和時(shí)間差的相乘即得出距離。相對于傳統(tǒng)的軌道電路定位，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)傳輸容量較大并且適合長距離傳輸，這有助于減少鐵路測距定時(shí)設(shè)備，降低設(shè)備投資，便于維護(hù)。也可以作為原有測距定時(shí)設(shè)備的冗余，與原測距設(shè)備值進(jìn)行比較，提高測距定時(shí)的安全可靠度。

3 結(jié)束語

擴(kuò)頻通信屬于數(shù)字通信，是適合大容量高速率通信的系統(tǒng)，其加密功能和保密性，從一定程度上提高了鐵路信息傳輸?shù)陌踩煽啃?。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)碼分多址，結(jié)合計(jì)算機(jī)及網(wǎng)路技術(shù)有助于鐵路系統(tǒng)更快速的應(yīng)用高新技術(shù)，從而使鐵路系統(tǒng)向更加安全高效發(fā)展。另外，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)絕大部分使用的是數(shù)字電路，設(shè)備集成度高，安裝簡便，易于維護(hù)，更小巧可靠，擴(kuò)展容易，平均無故障率時(shí)間也很長。目前，廣州地鐵和北京地鐵等多個(gè)軌道交通項(xiàng)目中均采用了基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的無線移動閉塞信號系統(tǒng)，為今后大規(guī)模成功應(yīng)用于干線鐵路提供了參考。

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