ATC 系統(tǒng)中采用電力線載波通信技術(shù)的研究

摘　要　介紹了正交頻分復(fù)用(OFDM) 的基本原理, 并結(jié)合城市軌道交通A TC 系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了利用基于OFDM 的電力線載波通信技術(shù)在接觸網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)乃悸贰?BR>關(guān)鍵詞　列車自動(dòng)控制,電力線載波通信系統(tǒng),正交頻分復(fù)用

在城市軌道交通列車自動(dòng)控制(A TC) 系統(tǒng)中, 通常利用軌道電路傳輸信息。由于鋼軌不是理想的信息傳輸通道,信息容量、傳輸速率受到了限制。本文提出了利用正交頻分復(fù)用(OFDM) 的電力線載波通信技術(shù)在接觸網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)乃悸贰?BR>1 　OFDM 的基本原理
OFDM 是一種多載波調(diào)制技術(shù)(MCM) ,可以在強(qiáng)干擾環(huán)境下高速傳輸數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)將符號(hào)序列調(diào)制在一個(gè)載波上進(jìn)行串行傳輸, 每個(gè)符號(hào)的頻譜占用信道的全部可用帶寬。OFDM 則并行傳輸數(shù)據(jù),采用頻率上等間隔的N 個(gè)子載波構(gòu)成,它們分別調(diào)制一路獨(dú)立的數(shù)據(jù)信息,調(diào)制之后N 個(gè)子載波的信號(hào)相加同時(shí)發(fā)送。因此每個(gè)符號(hào)的頻譜只占用信道全部帶寬的一部分。在OFDM 中,通過(guò)選擇載波間隔,使這些子載波在整個(gè)符號(hào)周期上保持頻譜的正交特性,各子載波上的信號(hào)在頻譜上互相重疊;接收端利用載波之間的正交特性,可以無(wú)失真地將接收到的信號(hào)還原成發(fā)送信息,從而提高系統(tǒng)的頻譜利用率。
圖1 表示了OFDM 的基本原理[2 ] 。假設(shè)一個(gè)周期內(nèi)傳送的符號(hào)序列為(d0 , d1 , ?, dN-1),每一個(gè)符號(hào)di 是經(jīng)過(guò)基帶調(diào)制后的復(fù)信號(hào), di = ai+j bi , 串行符號(hào)序列的間隔為Δt= 1/ fs,其中fs 是系統(tǒng)的符號(hào)傳輸速率。串并轉(zhuǎn)換之后,它們分別調(diào)制N 個(gè)子載波(f0 , f1 , ?fN-1),這N 個(gè)子載波頻分復(fù)用整個(gè)信道帶寬,相鄰子載波之間的頻率間隔為1/ T , 符號(hào)周期T從Δt增加到NΔt。合成的傳輸信～ 號(hào)可以用其低通復(fù)包絡(luò)D (t) 表示。

圖1 　正交頻分復(fù)用OFDM 的基本原理
因此,OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過(guò)程等效于離散付氏逆變換(IDF T) 和離散付氏變換(DF T) 處理,實(shí)際上系統(tǒng)通常采用DSP 技術(shù)和FFT 快速算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
由于OFDM 系統(tǒng)的符號(hào)周期延長(zhǎng)了N 倍,增強(qiáng)了其消除碼間串?dāng)_的能力。在數(shù)字基帶調(diào)制部分,可以根據(jù)子信道特性采用不同的調(diào)制方式(如BPSK,QPSK ,QAM , TCM 等) 。如果某個(gè)頻段信號(hào)衰減嚴(yán)重,發(fā)送端還可以關(guān)閉該頻段的子載波, 實(shí)現(xiàn)信道自適應(yīng)均衡。通過(guò)采用信道編碼技術(shù), OFDM 還可以進(jìn)行前向糾錯(cuò)(FCC) 。
由于DSP 和大規(guī)模集成電路技術(shù)的推動(dòng), OFDM 調(diào)制技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,在數(shù)字音頻廣播(DAB) 和數(shù)字視頻廣播(DVB -T) 領(lǐng)域中被歐洲地面廣播標(biāo)準(zhǔn)采納。采用OFDM 技術(shù)在電力線上高速傳輸數(shù)據(jù)也有產(chǎn)品問(wèn)世,如HomePlug 組織成員中的Intellon 公司產(chǎn)品PowerPacket , 傳輸速率可以達(dá)到14 Mbit/s , 頻帶4. 3～20. 9 MHz ,84 個(gè)子載波,支持DQPSK ,DBPSK ,ROBO 調(diào)制。
2 　在A TC 系統(tǒng)中采用OFDM 技術(shù)
城市軌道交通對(duì)列車速度控制提出很高的要求,要達(dá)到安全性、可靠性、適用性和經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo),還要考慮到迅速、準(zhǔn)確和價(jià)格合理等因素。這需要列車、沿線、車站、控制中心的人員和設(shè)備之間的組織協(xié)調(diào)。
A TC 系統(tǒng)主要由3 個(gè)子系統(tǒng)組成:列車自動(dòng)保護(hù)(A TP) 系統(tǒng)、列車自動(dòng)運(yùn)行(A TO) 系統(tǒng)、列車自動(dòng)監(jiān)控(A TS) 系統(tǒng)。與安全相關(guān)的A TP 是A TC 系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng)。不同信號(hào)制式的A TP 子系統(tǒng)在性能、成本上有很大差異。如上海建成的軌道交通1 、2 、3 號(hào)線采用的軌道電路制式均不相同,選用的頻率也不一致,使得不同線路列車不能跨線運(yùn)行。此外,由于鋼軌不是理想的信息傳輸通道,使信息容量、傳輸速率也受到了限制。
采用OFDM 調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力線載波高速數(shù)據(jù)傳輸,為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2) 提出了一種新思路。與其它電力通信方式不同的是,它利用給列車供電的接觸網(wǎng)(直流1 500 V/ 750 V) 進(jìn)行通信。
牽引供電回路由牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、電力機(jī)車、鋼軌與大地、回流線等構(gòu)成。牽引變電所兩側(cè)的接觸網(wǎng)電壓相位不同相,分相絕緣。相鄰牽引變電所間的接觸網(wǎng)電壓一般為同相的,其間除用分相絕緣器隔離外,還設(shè)置了分區(qū)亭。通過(guò)分區(qū)亭斷路器(或負(fù)荷開(kāi)關(guān)) 的操作,實(shí)行雙邊(或單邊) 供電。接觸網(wǎng)一般在線路中心上方,利用接觸網(wǎng)上傳輸?shù)男畔⒖梢詸z測(cè)列車占用線路狀況。

圖2 　采用電力線載波設(shè)備的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)框圖
接觸網(wǎng)所連接的設(shè)備比城市配電網(wǎng)要少的多, 因而在進(jìn)行電力線載波通信時(shí)常見(jiàn)的惡劣條件有所改善。其干擾源主要有: ① 牽引諧波。直流牽引電源是由工頻50 Hz 的電力網(wǎng)變壓整流而得到,其諧波電流集中在300 Hz 、600 Hz 、1 200 Hz 。② 車輛動(dòng)力系統(tǒng)。如果直流電機(jī)采用斬波器方式,其工作電流(如上海地鐵1 號(hào)線為500 Hz) 也會(huì)產(chǎn)生諧波分量。③ 突發(fā)性信號(hào)。受電弓脫落、觸網(wǎng)時(shí)發(fā)生短路瞬時(shí)放電現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的脈沖,需要一定時(shí)間延遲來(lái)防護(hù)此類故障。通過(guò)采用信道冗余、OFDM 技術(shù)和編碼技術(shù)可以進(jìn)一步提高信息傳輸?shù)目煽啃浴踩院蛡鬏斔俾省?BR> 利用接觸網(wǎng)進(jìn)行電力線載波通信的研究已經(jīng)在國(guó)外取得了一定成果。圖3 是德國(guó)西門子公司面向城市軌道交通的電力線載波通信系統(tǒng)框圖。
從圖3 可以看出,A TP 車載單元與A TP 軌旁單元通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和電力線進(jìn)行通信。每隔一定距離就有一個(gè)分區(qū)電力線單元SPU 通過(guò)耦合單元COU 完成現(xiàn)場(chǎng)總線和電力線信號(hào)的轉(zhuǎn)換。車載A TP 單元通過(guò)電力線上的信號(hào)。
面向城市軌道交通的電力線載波通信系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):
(1) 信息傳輸利用了現(xiàn)有的架空接觸網(wǎng)線,不再采用軌道或軌間電纜形式;
(2) 信息傳輸在列車運(yùn)行期間保持連續(xù),傳輸速率大大高于采用數(shù)字軌道電路所達(dá)到的傳輸速率;
(3) 耦合單元是構(gòu)成該系統(tǒng)的關(guān)鍵,通過(guò)定義現(xiàn)場(chǎng)總線、電力線和車載A TP 總線的信號(hào)接口和相互通信的協(xié)議,有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的兼容;
(4) 降低建設(shè)成本。

圖3 　城市軌道交通的電力線載波通信系統(tǒng)框圖

參　考　文　獻(xiàn)
1 　焦邵華,劉萬(wàn)順,鄭衛(wèi)文等. 配電網(wǎng)載波通信的損耗分析. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000 ,24 (8) :37～40
2 　原進(jìn)紅,匡鏡明. 色散信道中格形編碼的正交頻分復(fù)用(TC -OFDM) 技術(shù),通信學(xué)報(bào),1998 ,19 (2) :38～43
3 　吳汶麒. 國(guó)外鐵路信號(hào)新技術(shù). 北京:中國(guó)鐵道出版社,2000. 121～169