張 雯，薛 偉

（蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州730070）

隨著計算機(jī)和通信技術(shù)在列車控制領(lǐng)域的應(yīng)用，基于無線通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)在提高運輸效率的同時可以降低運營和維護(hù)費用，增加車-地通信數(shù)據(jù)帶寬，提高系統(tǒng)升級和擴(kuò)展能力，使列車的運行更安全、更高效，已成為國內(nèi)外城市軌道交通列車控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 CBTC中的無線通信技術(shù)

目前，在CBTC系統(tǒng)中，完全采用無線傳輸方式的技術(shù)有兩種：GSM-R（GSM for Railway）和基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的WLAN無線局域網(wǎng)絡(luò)。在我國，GSM-R 主要應(yīng)用于干線鐵路的列車控制系統(tǒng)中，目前投入使用的有青藏線和基于CTCS3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的武廣線、京津城際線等鐵路。而基于WLAN 的車地通信系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外城市軌道交通列控系統(tǒng)的首選方案[1]，如圖1。

圖1 基于WLAN的CBTC系統(tǒng)

無線局域網(wǎng)的傳輸方式涉及到采用的傳輸媒體、選擇的頻段及調(diào)制方式。無線局域網(wǎng)采用的傳輸媒體主要有兩種，即無線電波與紅外線。在采用無線電波為傳輸媒體時，無線局域網(wǎng)按照調(diào)制方式不同，又可分為擴(kuò)展頻譜方式與窄帶調(diào)制方式。目前，CBTC系統(tǒng)中主要采用基于擴(kuò)展頻譜方式的無線局域網(wǎng)。

基于無線通信的車地通信系統(tǒng)是軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，各主要信號系統(tǒng)公司都在開發(fā)和試驗自己的基于WLAN的車地通信信號系統(tǒng)，許多已投入商業(yè)運營。

例如，德國的西門子公司目前在我國推薦實施基于無線的移動閉塞信號系統(tǒng),其無線系統(tǒng)采用基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，廣州地鐵和北京地鐵等多個軌道交通項目中都采用了該系統(tǒng)；法國阿爾卡特公司的CBTC系統(tǒng)的無線通信采用基于跳頻擴(kuò)頻標(biāo)準(zhǔn)的WLAN技術(shù)，該系統(tǒng)已經(jīng)分別在拉斯維加斯單軌線和北京地鐵開通運營；阿爾斯通公司基于WLAN的移動閉塞信號系統(tǒng)中，無線通信采用正交頻分復(fù)用方法。日立公司的無線系統(tǒng)采用以直接序列擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的多通道傳輸?shù)臄U(kuò)頻方式。另外基于無線通信傳輸?shù)腃BTC系統(tǒng)還包括龐巴迪公司的CBTC系統(tǒng)、通用公司的AATC系統(tǒng)等。基于WLAN的CBTC系統(tǒng)經(jīng)過在多條線路上的運營調(diào)整，技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并逐步完善。

2 WLAN中的無線擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)是近年來發(fā)展非常迅速的一種通信技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)幾十 Mbit/s，它不僅可以傳送一般的列車狀態(tài)信息，還可以傳送列車的各種視頻圖像、聲音等大容量信息，這是其他車地通信系統(tǒng)無法做到的。在傳輸信息量越來越大的需求下，無線傳輸通道必須同時滿足高容量的數(shù)據(jù)信息和適應(yīng)快速移動狀態(tài)兩個條件。地鐵列車運營過程中車站值班員、控制中心調(diào)度員、車輛段車務(wù)人員等需要對列車車廂內(nèi)進(jìn)行實時圖像監(jiān)控，列車駕駛員需要對前方道路狀況和車站旅客候車情況進(jìn)行實時監(jiān)控，以及在運行車輛中實現(xiàn)高清晰數(shù)字視頻的實時播出等。為滿足這些需求，必須在車地之間選用高速數(shù)據(jù)無線傳輸通道，無線擴(kuò)頻通信技術(shù)無疑成為一個理想之選。

擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，通過擴(kuò)頻碼將基帶數(shù)據(jù)信號的頻譜擴(kuò)展至很寬的頻帶（成百上千倍）后，搬移至中頻調(diào)制后發(fā)射出去，接收端采用相關(guān)接收的原理，將擴(kuò)展的頻譜恢復(fù)到基帶信號的頻譜，但干擾信號頻譜功率降低，從而抑制了傳輸過程中存在的干擾。這種方法雖然增加了頻帶帶寬，但單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒在白噪聲之中，提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性。而較低的功率譜密度，也很少對其它電子設(shè)備構(gòu)成干擾。

擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是信息論中的香農(nóng)公式，該公式表明，當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信噪比S /N下降時，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的方法來保持信道容量C的不變，而保證了系統(tǒng)無差錯傳輸信息的速率。擴(kuò)頻技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的。

3 2種擴(kuò)頻方式比較

目前的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，主要可以分為：直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻、跳時擴(kuò)頻、線性調(diào)頻擴(kuò)頻，以及這幾種擴(kuò)頻方式的組合。由于其抗干擾的機(jī)理不同，它們都具有較強(qiáng)的抗干擾性能，但也有各自的不足之處[2]。下面就CBTC車地通信所面臨的干擾問題對直擴(kuò)和跳頻進(jìn)行比較。

（1）抗強(qiáng)的定頻干擾。對于強(qiáng)的定頻干擾信號，直擴(kuò)系統(tǒng)通過處理增益處理干擾容限以內(nèi)的干擾，超出范圍的就很難達(dá)到處理要求，而跳頻系統(tǒng)能夠靠載波的隨機(jī)跳變，躲避干擾，將干擾排斥在接受通道以外達(dá)到抗干擾的目的，若跳頻系統(tǒng)的可用頻道很大，在某一個頻點停留時間很短，才有好的效果，所以對固頻干擾信號的抗干擾性，跳頻系統(tǒng)效果更好。

（2）抗衰落性。直擴(kuò)系統(tǒng)的射頻寬度比跳頻系統(tǒng)寬得多，因此少量的頻譜的衰落對直擴(kuò)系統(tǒng)中信號的歧變影響不大，相反跳頻系統(tǒng)的窄帶寬與選擇性接收則會使一定頻率損失，頻率選擇性衰落將導(dǎo)致若干個頻率受到影響，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。

（3）抗多徑。多徑干擾是由于電波傳播過程中遇到各種反射體（如隧道壁、軌旁裝置）引起，使接收端信號產(chǎn)生失真，導(dǎo)致碼間串?dāng)_，引起噪音增加。而直擴(kuò)系統(tǒng)可以利用這些干擾能量提高系統(tǒng)的性能。跳頻系統(tǒng)要抗多徑干擾，要求每一跳駐留的時間很短，就要增加跳頻速率，但這又加大了系統(tǒng)的難度，實際應(yīng)用中難以實現(xiàn)，所以直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑性能略優(yōu)。

（4）“遠(yuǎn)-近”效應(yīng)?！斑h(yuǎn)-近”效應(yīng)主要由于接收機(jī)遠(yuǎn)離信號源，隨著信號的長距離傳輸，信號路徑不斷衰減，干擾信號不斷增強(qiáng)，一旦干擾信號超過接收機(jī)的干擾容限就會影響其正常運行。而跳頻原理的接收機(jī)通過躲避原理和前段電路處理，使干擾衰減，所以相比較而言，“遠(yuǎn)-近”效應(yīng)對跳頻信號影響最小。

（5）同步。直擴(kuò)系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼速率高、長度長，使得對同步的精度要求高，同步所需的時間長（一般在秒級），入網(wǎng)相對較慢，而跳頻系統(tǒng)完成同步的時間在毫秒級，所以跳頻系統(tǒng)較好。

（6）信號處理。直擴(kuò)系統(tǒng)與跳頻系統(tǒng)采用的檢測方式不同。跳頻系統(tǒng)適合非相干檢測，直擴(kuò)系統(tǒng)則采用相干檢測，但需要載波恢復(fù)電路和恢復(fù)相位差才能進(jìn)行，實現(xiàn)起來成本昂貴，不但增加了整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時降低了系統(tǒng)性能。

（7）多網(wǎng)工作。直擴(kuò)系統(tǒng)和跳頻系統(tǒng)與單載波系統(tǒng)比較，由于其多址能力強(qiáng)，造成頻譜利用率高，而直擴(kuò)系統(tǒng)與跳頻系統(tǒng)之間，無論是組網(wǎng)能力還是頻譜利用率都是跳頻系統(tǒng)略優(yōu)。

（8）通信安全保密。擴(kuò)頻系統(tǒng)的保密性總體較強(qiáng)，但直擴(kuò)與跳頻原理的不同，保密性能也不相同。直擴(kuò)系統(tǒng)的低密度頻譜可隱藏在噪聲信號中，幾乎不可發(fā)現(xiàn)，而跳頻系統(tǒng)的頻譜跳變造成瞬時功率譜變大，很難隱藏。

綜上所述，直擴(kuò)系統(tǒng)和跳頻系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況選擇使用。目前城市軌道交通系統(tǒng)中，大都采用基于單一擴(kuò)頻方式的CBTC 車地通信系統(tǒng)，但是，在地鐵隧道這種復(fù)雜的工作環(huán)境中，僅采用單一擴(kuò)頻方式很難達(dá)到應(yīng)用的需求，將兩者有機(jī)的結(jié)合起來形成互補，就可以適應(yīng)各種工作環(huán)境，達(dá)到所需的技術(shù)要求，更進(jìn)一步降低系統(tǒng)的維護(hù)成本和工作難度。因此，提出將直擴(kuò)和跳頻混合的擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用到CBTC車地通信系統(tǒng)中。

4 DS-FH混合擴(kuò)頻技術(shù)

4.1 DS-FH混合擴(kuò)頻原理

直接序列和跳頻混合擴(kuò)頻技術(shù)，簡稱DS-FH，是在直接序列擴(kuò)頻的基礎(chǔ)上增加了載波頻率跳變的功能，綜合了DS 和FH 兩種擴(kuò)頻方式的優(yōu)點，同時克服了單一擴(kuò)頻方式的不足，因而能更有效地對抗干擾。

首先對基帶信號進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，形成DS信號，然后對DS信號進(jìn)行跳頻擴(kuò)頻發(fā)射出去，這樣就形成了DS-FH信號。接收方在收到DS-FH信號后，首先對接收信號進(jìn)行解跳，得到一個固定中頻的直擴(kuò)信號，然后再進(jìn)行解擴(kuò)，最后對接收信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始信號[3]?；旌蠑U(kuò)頻系統(tǒng)中，用到兩個偽碼，一個用于直擴(kuò)，一個用于跳頻中控制頻率合成器。一般直擴(kuò)碼的速度比跳頻碼的速度高得多。DS-FH 混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本原理如圖2。

圖2 DS-FH擴(kuò)頻原理

圖2（a）中，在發(fā)送端，從編碼器輸出數(shù)字基帶信號與PN碼發(fā)生器1產(chǎn)生的直擴(kuò)碼在相關(guān)碼發(fā)生器中進(jìn)行時域相乘，也就是模2加運算，擴(kuò)頻碼的速率遠(yuǎn)大于基帶信號的速率，乘法器輸出后的基帶信號帶寬被擴(kuò)展。PN 碼發(fā)生器1 與相關(guān)碼發(fā)生器統(tǒng)稱為擴(kuò)頻器。

PN 碼發(fā)生器2和頻率合成器構(gòu)成跳頻器；偽隨機(jī)碼序列構(gòu)成跳頻圖案，作為指令控制頻率合成器產(chǎn)生頻率fi，使載波頻率有規(guī)則地發(fā)生跳變，假設(shè)跳變的順序為f1，f3，f2，f6，…，f1。那么已經(jīng)被擴(kuò)展的信號就按照跳頻速率依次使用頻率f1，f3，f2，f6，…，f1對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行搬移。輸出信號即為一個直擴(kuò)加跳頻的混合擴(kuò)頻信號。

圖2中直擴(kuò)碼和跳頻碼可以是由同一個PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生，也可以使用不同的PN碼發(fā)生器，但它們在時間上必須是相互關(guān)聯(lián)的，因此由同一個時鐘控制。

圖2（b）為接收端的原理圖。其中，偽碼發(fā)生器2、頻率合成器和相關(guān)器構(gòu)成解跳器，PN碼發(fā)生器1和乘法器構(gòu)成解擴(kuò)器。跳頻偽隨機(jī)序列產(chǎn)生電路在捕獲同步跟蹤電路作用下，取得與發(fā)送端同步的相同跳頻圖案后，控制頻率合成器輸出比外來信號高出一個中頻的跳變頻率f1', f3', f2',f6'…f1'…。擴(kuò)頻信號經(jīng)過濾波后進(jìn)入混頻器，完成解跳，此時信號為一固定中頻的擴(kuò)頻信號，再與直擴(kuò)碼發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列相乘，進(jìn)行解擴(kuò)，恢復(fù)成窄帶信號，經(jīng)過窄帶濾波器消除干擾信號，最后送入解調(diào)器恢復(fù)出信源信號。

圖2（c）中的（1）為基帶信號的頻譜；（2）為擴(kuò)頻后的信號頻譜，它與擴(kuò)頻碼的頻譜一樣；（3）為頻率合成器輸出的頻率發(fā)生跳變后的載波信號頻譜，箭頭指示為其跳變的順序；（4）為直擴(kuò)信號又發(fā)生載波跳變后的信號頻譜，與跳頻系統(tǒng)不同的是混合擴(kuò)頻信號在每一個特定時刻都是一個寬帶系統(tǒng)。圖中虛線所示就是跳變而形成的寬帶譜。

4.2 DS-FH混合擴(kuò)頻性能分析

一般而言，擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的處理增益可以表征系統(tǒng)的抗干擾能力。處理增益即擴(kuò)展頻譜處理器輸出信噪比和輸入信噪比之差。對于DS系統(tǒng)，處理增益可以表示為Gp=Rc/Ra，Rc為偽隨機(jī)碼速率，Ra為信息碼元速率。而對于FH系統(tǒng)，處理增益為系統(tǒng)提供的跳頻頻數(shù)為N[4]。如果進(jìn)行頻率跳變擴(kuò)頻，各頻點間的頻譜互相不重疊時，DS-FH擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益為直擴(kuò)處理增益和跳頻處理增益之積，即：GDS-FH=GDS·GFH，其中GDS為直擴(kuò)處理增益，GFH為跳頻處理增益。如果用dB表示處理增益時，則有：GDS-FH（dB）=GDS（dB）+GFH（dB）。由此可見，DS-FH擴(kuò)頻系統(tǒng)能利用小處理增益的DS和FH信號產(chǎn)生大的處理增益，如果單獨使用DS系統(tǒng)或FH系統(tǒng)，產(chǎn)生同樣的大處理增益則系統(tǒng)實現(xiàn)要復(fù)雜的多。

處理增益Gp反映了在理想通信環(huán)境（無噪聲）下擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度，但在任何實際的工作環(huán)境中，噪聲總是存在的，尤其在地鐵這種復(fù)雜的環(huán)境下，噪聲的影響是巨大的。因此，在實際工程設(shè)計中，還需要提出抗干擾容限這一概念。

抗干擾容限是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為：Mj=Gp－[（S/N)out+Ls] dB，Ls為干擾容限，（S/N)out為系統(tǒng)內(nèi)部損耗，為系統(tǒng)正常工作時要求的最小輸出信噪比。

干擾容限直接反映了擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)可能抵抗的極限干擾強(qiáng)度，只有當(dāng)干擾信號的功率超過干擾容限后才能對擴(kuò)頻系統(tǒng)形成干擾。因而干擾容限往往比處理增益更能確切地反映系統(tǒng)的抗干擾能力。

采用DS-FH 混合擴(kuò)頻系統(tǒng)技術(shù)，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能，因為干擾信號必須同時滿足兩個條件才能對傳輸造成影響：（1）干擾信號的頻率變化要與跳頻頻率的變化相同；（2）干擾電平必須超過直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限[5]。否則就不能對系統(tǒng)構(gòu)成威脅，這樣就降低了信號受到干擾的可能性，從而達(dá)到較高的抗干擾性能。

5 結(jié)束語

無線通信是一種容易受到干擾的通信體制，因此必須研究有效的抗干擾技術(shù)以對付嚴(yán)重的干擾威脅。在列車控制系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)膶ο笫乾F(xiàn)場智能終端之間交互的控制信息和狀態(tài)信息,這些涉及行車安全的重要數(shù)據(jù)信息在傳輸時一旦發(fā)生差錯就會危及整個列車控制系統(tǒng)的安全,并且列車的高速移動使得一些不利因素的影響加劇,因此要求CBTC數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有較高的安全性和保密性。

DS-FH系統(tǒng)結(jié)合了DS系統(tǒng)和FH系統(tǒng)的優(yōu)點，如抗多徑能力強(qiáng)，抗窄帶干擾能力強(qiáng)等，同時克服了它們的一些缺點，它可用短的直擴(kuò)碼和跳頻碼實現(xiàn)大的處理增益，減少了同步所需時間和難度。由此可見，將DS-FH混合擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于CBTC系統(tǒng)中具有現(xiàn)實意義和實用價值。

[1] 徐杲，黎江. 無線傳輸系統(tǒng)在列車運行自動控制中的應(yīng)用與發(fā)展[J] . 鐵道勘測與設(shè)計，2006（5）：35-38.

[2] 韋惠民. 擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M] . 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[3] 林繼華. 一種DS-FH混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗遠(yuǎn)近效應(yīng)的研究[D] . 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003，3.

[4] 王毅. 跳擴(kuò)混合系統(tǒng)的同步技術(shù)研究與實現(xiàn)[D] . 成都：成都電子科技大學(xué)，2007.

[5] 查光明，熊賢祚. 擴(kuò)頻通信[M] . 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.