基于頻率和波長關(guān)系對(duì)列尾數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌方⒎治?/h1>
2016-12-26 11:09:36于博洋
電子技術(shù)與軟件工程 2016年22期
于博洋
摘 要
列尾是列車尾部安全防護(hù)裝置的簡稱，在我國鐵路貨物列車運(yùn)輸中運(yùn)用已十余年，對(duì)貨物列車運(yùn)輸安全起到了非常重要的作用，列尾數(shù)據(jù)傳輸是列尾設(shè)備的主要功能部分，一旦列尾數(shù)據(jù)傳輸鏈路出現(xiàn)問題，整個(gè)列尾設(shè)備都會(huì)受到極大的影響，本文在既有列尾裝置的基礎(chǔ)上對(duì)列尾數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌方⑦M(jìn)行了分析。
【關(guān)鍵詞】頻率和波長關(guān)系 列尾數(shù)據(jù)傳輸 鏈路建立
1 列尾系統(tǒng)的構(gòu)成及通信方式
列尾系統(tǒng)是貨物列車取消守車后，在尾部無人職守情況下為提高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩远兄频膶Ｓ眠\(yùn)輸安全裝置，其通信鏈路為無線通信方式，是重要的鐵路行車設(shè)備。
1.1 列尾系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)
內(nèi)容包括：列車尾部風(fēng)壓查詢；低風(fēng)壓告警；排風(fēng)制動(dòng)；電池電量不足告警；尾部標(biāo)識(shí)；黑匣子記錄功能。
其工作原理：乘務(wù)員操作控制盒功能鍵，首尾以無線數(shù)據(jù)傳輸方式傳遞信令（編碼信息），其信令通過專用的機(jī)車電臺(tái)發(fā)送出去，列尾主機(jī)接收到司機(jī)控制盒發(fā)送的信令后，其響應(yīng)信息再以同樣的方式返回司機(jī)控制盒，司機(jī)通過司機(jī)控制盒合成的語音信息來了解列車尾部風(fēng)壓及列尾主機(jī)的工作狀態(tài)等情況。
1.2 列尾系統(tǒng)的通信方式
目前，列尾系統(tǒng)分別采用了450MHz和800MHz兩個(gè)頻段，獨(dú)立運(yùn)行。由于列尾主機(jī)安裝于列車尾部車鉤上，且車體均為金屬，對(duì)無線電波發(fā)送、接收造成了非常嚴(yán)重的影響。
無線電波傳輸通常選擇常數(shù)光速，用字母c來表示。c=3×10^8m/s。波長和頻率滿足一個(gè)關(guān)系式：v=λf。公式中的v就是常數(shù)c。直接輸入頻率就可以計(jì)算出波長，或者輸入波長就可以計(jì)算出頻率。根據(jù)波的傳播理論，頻率越低，波長越長，其繞射能力越強(qiáng)；頻率越高，波長越短，越接近直線傳播，這樣在同樣編組列車使用基礎(chǔ)上，800MHz頻率的波長較450MHz頻率的波長短，對(duì)于列尾裝置的安裝位置特殊性來說，40MHz的繞射能力會(huì)好，所以采用450MHz的列尾裝置通信鏈路建立要穩(wěn)定些，而對(duì)于800MHz列尾裝置來說，一般使用在具有GSM-R鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)的線路上，通過GSM-R基站建立列尾系統(tǒng)傳輸通道，解決了800Mhz頻率波長短且繞射能力差的列尾無線電波傳輸?shù)膯栴}。
2 列尾系統(tǒng)無線電波傳播分析
天線發(fā)射的電波不僅僅局限于一條線上，它的空間分布是由天線方向圖來描述的。為了實(shí)現(xiàn)直觀起見，常常用極坐標(biāo)來描述，向徑的長度表示相對(duì)電場強(qiáng)度的大小，如圖1所示：a表示向水平方向發(fā)射的電場強(qiáng)度，b表示向水平線下100方向發(fā)射的電場強(qiáng)度。在實(shí)用中，a正對(duì)接收天線，接收信號(hào)最強(qiáng)，天線向水平方向以下所發(fā)射的電磁波，碰到遮擋物，經(jīng)反射后，到達(dá)接收天線，這是反射波，反射波不是一個(gè)，而是多個(gè)。因此，接收天線接收的有直達(dá)波和多路反射波，多路反射波對(duì)直達(dá)波產(chǎn)生影響，影響通信的可靠性。由于列車編組的多少，造成了列車長度的變化，且在列車運(yùn)行過程中，線路環(huán)境，如山區(qū)、隧道、彎道等均對(duì)列尾電波傳輸造成不同程度的影響，隨反射波的大小和相位不斷變化，因此情況很復(fù)雜，很難分析。
對(duì)一個(gè)特定環(huán)境，可以去掉一些次要因素或影響小的因素，使問題清晰，得到較好的解決辦法。列尾系統(tǒng)的機(jī)車到列尾主機(jī)間有多條空中無線鏈路，對(duì)于450MHz列尾系統(tǒng)，設(shè)計(jì)鏈路最長500米（一個(gè)單元編組），超過這個(gè)長度時(shí)，則采用了增加無線中繼的方式實(shí)現(xiàn)首尾通信信息的轉(zhuǎn)發(fā)。而對(duì)于采用800MHz的列尾系統(tǒng)就只能采用基于GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)地面基站通信轉(zhuǎn)發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)。
如圖2所示，機(jī)車天線位于機(jī)車頂部，列尾主機(jī)天線位于列車尾部的中部或偏下，可想而知，無論機(jī)車天線作為發(fā)射天線還是列尾主機(jī)天線作為發(fā)射天線，接收天線永遠(yuǎn)都不會(huì)接收到直達(dá)波信號(hào)，所接收到的只能是多徑反射信號(hào)。有多路信號(hào)經(jīng)反射后，到達(dá)接收天線（也有一些電磁波經(jīng)反射區(qū)外的其他反射面到達(dá)接收天線，這些反射波小，忽略不計(jì)），信號(hào)的強(qiáng)弱決定了反射波的強(qiáng)弱。通過控制天線的方向圖就可以控制信號(hào)的強(qiáng)弱。一般地，列尾天線是經(jīng)過多方面的理論與經(jīng)驗(yàn)測試后，進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)與定制才可以達(dá)到預(yù)期效果。對(duì)于常規(guī)天線，只能通過理論和加裝中繼等方式實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。
從發(fā)射天線到接收天線的電波實(shí)際不是沿一條直線傳播，而是沿以二天線之間的連線為軸線的圓柱體中傳播的，即菲涅爾區(qū)，如圖2所示。夫涅爾區(qū)的直徑d與天線距離和工作頻率有關(guān)。
對(duì)于列尾系統(tǒng)來說，無線電波的傳播，依系統(tǒng)容量（系統(tǒng)余量=[發(fā)射功率]+[發(fā)射天線增益]+[接收天線增益]-[接收靈敏度]-[空間衰減]）的計(jì)算，以及菲涅耳區(qū)理論等的計(jì)算是完全不可行的，尤其是使用的頻率越高，在同樣條件下，傳輸效果越差。
參考文獻(xiàn)
[1]張偉.數(shù)據(jù)鏈平臺(tái)仿真與鏈路測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2011（01）.
[2]韓倩，程友清.單向鏈路故障檢測的研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011（10）.
[3]楊永東.列尾裝置運(yùn)用中存在的問題及解決對(duì)策[J].鐵道通信信號(hào)，2011（04）.
[4]謝浩海.800MHz列尾設(shè)備無線干擾故障的處理[J].廣西鐵道，2010（02）.
[5]王紅林.長隧道列尾裝置弱場強(qiáng)通信問題解決措施研究[J].科技交流，2009（04）.
作者單位
石家莊二中實(shí)驗(yàn)學(xué)校 河北省石家莊市 050000
于博洋
摘 要
列尾是列車尾部安全防護(hù)裝置的簡稱，在我國鐵路貨物列車運(yùn)輸中運(yùn)用已十余年，對(duì)貨物列車運(yùn)輸安全起到了非常重要的作用，列尾數(shù)據(jù)傳輸是列尾設(shè)備的主要功能部分，一旦列尾數(shù)據(jù)傳輸鏈路出現(xiàn)問題，整個(gè)列尾設(shè)備都會(huì)受到極大的影響，本文在既有列尾裝置的基礎(chǔ)上對(duì)列尾數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌方⑦M(jìn)行了分析。
【關(guān)鍵詞】頻率和波長關(guān)系 列尾數(shù)據(jù)傳輸 鏈路建立
1 列尾系統(tǒng)的構(gòu)成及通信方式
列尾系統(tǒng)是貨物列車取消守車后，在尾部無人職守情況下為提高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩远兄频膶Ｓ眠\(yùn)輸安全裝置，其通信鏈路為無線通信方式，是重要的鐵路行車設(shè)備。
1.1 列尾系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)
內(nèi)容包括：列車尾部風(fēng)壓查詢；低風(fēng)壓告警；排風(fēng)制動(dòng)；電池電量不足告警；尾部標(biāo)識(shí)；黑匣子記錄功能。
其工作原理：乘務(wù)員操作控制盒功能鍵，首尾以無線數(shù)據(jù)傳輸方式傳遞信令（編碼信息），其信令通過專用的機(jī)車電臺(tái)發(fā)送出去，列尾主機(jī)接收到司機(jī)控制盒發(fā)送的信令后，其響應(yīng)信息再以同樣的方式返回司機(jī)控制盒，司機(jī)通過司機(jī)控制盒合成的語音信息來了解列車尾部風(fēng)壓及列尾主機(jī)的工作狀態(tài)等情況。
1.2 列尾系統(tǒng)的通信方式
目前，列尾系統(tǒng)分別采用了450MHz和800MHz兩個(gè)頻段，獨(dú)立運(yùn)行。由于列尾主機(jī)安裝于列車尾部車鉤上，且車體均為金屬，對(duì)無線電波發(fā)送、接收造成了非常嚴(yán)重的影響。
無線電波傳輸通常選擇常數(shù)光速，用字母c來表示。c=3×10^8m/s。波長和頻率滿足一個(gè)關(guān)系式：v=λf。公式中的v就是常數(shù)c。直接輸入頻率就可以計(jì)算出波長，或者輸入波長就可以計(jì)算出頻率。根據(jù)波的傳播理論，頻率越低，波長越長，其繞射能力越強(qiáng)；頻率越高，波長越短，越接近直線傳播，這樣在同樣編組列車使用基礎(chǔ)上，800MHz頻率的波長較450MHz頻率的波長短，對(duì)于列尾裝置的安裝位置特殊性來說，40MHz的繞射能力會(huì)好，所以采用450MHz的列尾裝置通信鏈路建立要穩(wěn)定些，而對(duì)于800MHz列尾裝置來說，一般使用在具有GSM-R鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)的線路上，通過GSM-R基站建立列尾系統(tǒng)傳輸通道，解決了800Mhz頻率波長短且繞射能力差的列尾無線電波傳輸?shù)膯栴}。
2 列尾系統(tǒng)無線電波傳播分析
天線發(fā)射的電波不僅僅局限于一條線上，它的空間分布是由天線方向圖來描述的。為了實(shí)現(xiàn)直觀起見，常常用極坐標(biāo)來描述，向徑的長度表示相對(duì)電場強(qiáng)度的大小，如圖1所示：a表示向水平方向發(fā)射的電場強(qiáng)度，b表示向水平線下100方向發(fā)射的電場強(qiáng)度。在實(shí)用中，a正對(duì)接收天線，接收信號(hào)最強(qiáng)，天線向水平方向以下所發(fā)射的電磁波，碰到遮擋物，經(jīng)反射后，到達(dá)接收天線，這是反射波，反射波不是一個(gè)，而是多個(gè)。因此，接收天線接收的有直達(dá)波和多路反射波，多路反射波對(duì)直達(dá)波產(chǎn)生影響，影響通信的可靠性。由于列車編組的多少，造成了列車長度的變化，且在列車運(yùn)行過程中，線路環(huán)境，如山區(qū)、隧道、彎道等均對(duì)列尾電波傳輸造成不同程度的影響，隨反射波的大小和相位不斷變化，因此情況很復(fù)雜，很難分析。
對(duì)一個(gè)特定環(huán)境，可以去掉一些次要因素或影響小的因素，使問題清晰，得到較好的解決辦法。列尾系統(tǒng)的機(jī)車到列尾主機(jī)間有多條空中無線鏈路，對(duì)于450MHz列尾系統(tǒng)，設(shè)計(jì)鏈路最長500米（一個(gè)單元編組），超過這個(gè)長度時(shí)，則采用了增加無線中繼的方式實(shí)現(xiàn)首尾通信信息的轉(zhuǎn)發(fā)。而對(duì)于采用800MHz的列尾系統(tǒng)就只能采用基于GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)地面基站通信轉(zhuǎn)發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)。
如圖2所示，機(jī)車天線位于機(jī)車頂部，列尾主機(jī)天線位于列車尾部的中部或偏下，可想而知，無論機(jī)車天線作為發(fā)射天線還是列尾主機(jī)天線作為發(fā)射天線，接收天線永遠(yuǎn)都不會(huì)接收到直達(dá)波信號(hào)，所接收到的只能是多徑反射信號(hào)。有多路信號(hào)經(jīng)反射后，到達(dá)接收天線（也有一些電磁波經(jīng)反射區(qū)外的其他反射面到達(dá)接收天線，這些反射波小，忽略不計(jì)），信號(hào)的強(qiáng)弱決定了反射波的強(qiáng)弱。通過控制天線的方向圖就可以控制信號(hào)的強(qiáng)弱。一般地，列尾天線是經(jīng)過多方面的理論與經(jīng)驗(yàn)測試后，進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)與定制才可以達(dá)到預(yù)期效果。對(duì)于常規(guī)天線，只能通過理論和加裝中繼等方式實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。
從發(fā)射天線到接收天線的電波實(shí)際不是沿一條直線傳播，而是沿以二天線之間的連線為軸線的圓柱體中傳播的，即菲涅爾區(qū)，如圖2所示。夫涅爾區(qū)的直徑d與天線距離和工作頻率有關(guān)。
對(duì)于列尾系統(tǒng)來說，無線電波的傳播，依系統(tǒng)容量（系統(tǒng)余量=[發(fā)射功率]+[發(fā)射天線增益]+[接收天線增益]-[接收靈敏度]-[空間衰減]）的計(jì)算，以及菲涅耳區(qū)理論等的計(jì)算是完全不可行的，尤其是使用的頻率越高，在同樣條件下，傳輸效果越差。
參考文獻(xiàn)
[1]張偉.數(shù)據(jù)鏈平臺(tái)仿真與鏈路測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2011（01）.
[2]韓倩，程友清.單向鏈路故障檢測的研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011（10）.
[3]楊永東.列尾裝置運(yùn)用中存在的問題及解決對(duì)策[J].鐵道通信信號(hào)，2011（04）.
[4]謝浩海.800MHz列尾設(shè)備無線干擾故障的處理[J].廣西鐵道，2010（02）.
[5]王紅林.長隧道列尾裝置弱場強(qiáng)通信問題解決措施研究[J].科技交流，2009（04）.
作者單位
石家莊二中實(shí)驗(yàn)學(xué)校 河北省石家莊市 050000
