ATC 系統中采用電力線載波通信技術的研究

摘　要　介紹了正交頻分復用(OFDM) 的基本原理, 并結合城市軌道交通A TC 系統的特點,提出了利用基于OFDM 的電力線載波通信技術在接觸網上實現信息傳輸的思路。
關鍵詞　列車自動控制,電力線載波通信系統,正交頻分復用

在城市軌道交通列車自動控制(A TC) 系統中, 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用(OFDM) 的電力線載波通信技術在接觸網上實現信息傳輸的思路。
1 　OFDM 的基本原理
OFDM 是一種多載波調制技術(MCM) ,可以在強干擾環境下高速傳輸數據。傳統的數字通信系統將符號序列調制在一個載波上進行串行傳輸, 每個符號的頻譜占用信道的全部可用帶寬。OFDM 則并行傳輸數據,采用頻率上等間隔的N 個子載波構成,它們分別調制一路獨立的數據信息,調制之后N 個子載波的信號相加同時發送。因此每個符號的頻譜只占用信道全部帶寬的一部分。在OFDM 中,通過選擇載波間隔,使這些子載波在整個符號周期上保持頻譜的正交特性,各子載波上的信號在頻譜上互相重疊;接收端利用載波之間的正交特性,可以無失真地將接收到的信號還原成發送信息,從而提高系統的頻譜利用率。
圖1 表示了OFDM 的基本原理[2 ] 。假設一個周期內傳送的符號序列為(d0 , d1 , ?, dN-1),每一個符號di 是經過基帶調制后的復信號, di = ai+j bi , 串行符號序列的間隔為Δt= 1/ fs,其中fs 是系統的符號傳輸速率。串并轉換之后,它們分別調制N 個子載波(f0 , f1 , ?fN-1),這N 個子載波頻分復用整個信道帶寬,相鄰子載波之間的頻率間隔為1/ T , 符號周期T從Δt增加到NΔt。合成的傳輸信～ 號可以用其低通復包絡D (t) 表示。

圖1 　正交頻分復用OFDM 的基本原理
因此,OFDM 系統的調制和解調過程等效于離散付氏逆變換(IDF T) 和離散付氏變換(DF T) 處理,實際上系統通常采用DSP 技術和FFT 快速算法來實現。
由于OFDM 系統的符號周期延長了N 倍,增強了其消除碼間串擾的能力。在數字基帶調制部分,可以根據子信道特性采用不同的調制方式(如BPSK,QPSK ,QAM , TCM 等) 。如果某個頻段信號衰減嚴重,發送端還可以關閉該頻段的子載波, 實現信道自適應均衡。通過采用信道編碼技術, OFDM 還可以進行前向糾錯(FCC) 。
由于DSP 和大規模集成電路技術的推動, OFDM 調制技術已經得到廣泛應用,在數字音頻廣播(DAB) 和數字視頻廣播(DVB -T) 領域中被歐洲地面廣播標準采納。采用OFDM 技術在電力線上高速傳輸數據也有產品問世,如HomePlug 組織成員中的Intellon 公司產品PowerPacket , 傳輸速率可以達到14 Mbit/s , 頻帶4. 3～20. 9 MHz ,84 個子載波,支持DQPSK ,DBPSK ,ROBO 調制。
2 　在A TC 系統中采用OFDM 技術
城市軌道交通對列車速度控制提出很高的要求,要達到安全性、可靠性、適用性和經濟性的目標,還要考慮到迅速、準確和價格合理等因素。這需要列車、沿線、車站、控制中心的人員和設備之間的組織協調。
A TC 系統主要由3 個子系統組成:列車自動保護(A TP) 系統、列車自動運行(A TO) 系統、列車自動監控(A TS) 系統。與安全相關的A TP 是A TC 系統中的關鍵子系統。不同信號制式的A TP 子系統在性能、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 調制技術實現電力線載波高速數據傳輸,為城市軌道交通信號系統(見圖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(直流1 500 V/ 750 V) 進行通信。
牽引供電回路由牽引變電所、饋電線、接觸網、電力機車、鋼軌與大地、回流線等構成。牽引變電所兩側的接觸網電壓相位不同相,分相絕緣。相鄰牽引變電所間的接觸網電壓一般為同相的,其間除用分相絕緣器隔離外,還設置了分區亭。通過分區亭斷路器(或負荷開關) 的操作,實行雙邊(或單邊) 供電。接觸網一般在線路中心上方,利用接觸網上傳輸的信息可以檢測列車占用線路狀況。

圖2 　采用電力線載波設備的城市軌道交通信號系統框圖
接觸網所連接的設備比城市配電網要少的多, 因而在進行電力線載波通信時常見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 車輛動力系統。如果直流電機采用斬波器方式,其工作電流(如上海地鐵1 號線為500 Hz) 也會產生諧波分量。③ 突發性信號。受電弓脫落、觸網時發生短路瞬時放電現象會產生較強的脈沖,需要一定時間延遲來防護此類故障。通過采用信道冗余、OFDM 技術和編碼技術可以進一步提高信息傳輸的可靠性、安全性和傳輸速率。
利用接觸網進行電力線載波通信的研究已經在國外取得了一定成果。圖3 是德國西門子公司面向城市軌道交通的電力線載波通信系統框圖。
從圖3 可以看出,A TP 車載單元與A TP 軌旁單元通過現場總線和電力線進行通信。每隔一定距離就有一個分區電力線單元SPU 通過耦合單元COU 完成現場總線和電力線信號的轉換。車載A TP 單元通過電力線上的信號。
面向城市軌道交通的電力線載波通信系統具有如下特點:
(1) 信息傳輸利用了現有的架空接觸網線,不再采用軌道或軌間電纜形式;
(2) 信息傳輸在列車運行期間保持連續,傳輸速率大大高于采用數字軌道電路所達到的傳輸速率;
(3) 耦合單元是構成該系統的關鍵,通過定義現場總線、電力線和車載A TP 總線的信號接口和相互通信的協議,有利于實現系統的兼容;
(4) 降低建設成本。

圖3 　城市軌道交通的電力線載波通信系統框圖

參　考　文　獻
1 　焦邵華,劉萬順,鄭衛文等. 配電網載波通信的損耗分析. 電力系統自動化,2000 ,24 (8) :37～40
2 　原進紅,匡鏡明. 色散信道中格形編碼的正交頻分復用(TC -OFDM) 技術,通信學報,1998 ,19 (2) :38～43
3 　吳汶麒. 國外鐵路信號新技術. 北京:中國鐵道出版社,2000. 121～169