ATC 系统中采用电力线载波通信技术的研究
摘 要 介绍了正交频分复用(OFDM) 的基本原理, 并结合城市轨道交通A TC 系统的特点,提出了利用基于OFDM 的电力线载波通信技术在接触网上实现信息传输的思路。
关键词 列车自动控制,电力线载波通信系统,正交频分复用
在城市轨道交通列车自动控制(A TC) 系统中, 通常利用轨道电路传输信息。由于钢轨不是理想的信息传输通道,信息容量、传输速率受到了限制。本文提出了利用正交频分复用(OFDM) 的电力线载波通信技术在接触网上实现信息传输的思路。
1 OFDM 的基本原理
OFDM 是一种多载波调制技术(MCM) ,可以在强干扰环境下高速传输数据。传统的数字通信系统将符号序列调制在一个载波上进行串行传输, 每个符号的频谱占用信道的全部可用带宽。OFDM 则并行传输数据,采用频率上等间隔的N 个子载波构成,它们分别调制一路独立的数据信息,调制之后N 个子载波的信号相加同时发送。因此每个符号的频谱只占用信道全部带宽的一部分。在OFDM 中,通过选择载波间隔,使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交特性,各子载波上的信号在频谱上互相重叠;接收端利用载波之间的正交特性,可以无失真地将接收到的信号还原成发送信息,从而提高系统的频谱利用率。
图1 表示了OFDM 的基本原理[2 ] 。假设一个周期内传送的符号序列为(d0 , d1 , ?, dN-1),每一个符号di 是经过基带调制后的复信号, di = ai+j bi , 串行符号序列的间隔为Δt= 1/ fs,其中fs 是系统的符号传输速率。串并转换之后,它们分别调制N 个子载波(f0 , f1 , ?fN-1),这N 个子载波频分复用整个信道带宽,相邻子载波之间的频率间隔为1/ T , 符号周期T从Δt增加到NΔt。合成的传输信～ 号可以用其低通复包络D (t) 表示。
图1 正交频分复用OFDM 的基本原理
因此,OFDM 系统的调制和解调过程等效于离散付氏逆变换(IDF T) 和离散付氏变换(DF T) 处理,实际上系统通常采用DSP 技术和FFT 快速算法来实现。
由于OFDM 系统的符号周期延长了N 倍,增强了其消除码间串扰的能力。在数字基带调制部分,可以根据子信道特性采用不同的调制方式(如BPSK,QPSK ,QAM , TCM 等) 。如果某个频段信号衰减严重,发送端还可以关闭该频段的子载波, 实现信道自适应均衡。通过采用信道编码技术, OFDM 还可以进行前向纠错(FCC) 。
由于DSP 和大规模集成电路技术的推动, OFDM 调制技术已经得到广泛应用,在数字音频广播(DAB) 和数字视频广播(DVB -T) 领域中被欧洲地面广播标准采纳。采用OFDM 技术在电力线上高速传输数据也有产品问世,如HomePlug 组织成员中的Intellon 公司产品PowerPacket , 传输速率可以达到14 Mbit/s , 频带4. 3～20. 9 MHz ,84 个子载波,支持DQPSK ,DBPSK ,ROBO 调制。
2 在A TC 系统中采用OFDM 技术
城市轨道交通对列车速度控制提出很高的要求,要达到安全性、可靠性、适用性和经济性的目标,还要考虑到迅速、准确和价格合理等因素。这需要列车、沿线、车站、控制中心的人员和设备之间的组织协调。
A TC 系统主要由3 个子系统组成:列车自动保护(A TP) 系统、列车自动运行(A TO) 系统、列车自动监控(A TS) 系统。与安全相关的A TP 是A TC 系统中的关键子系统。不同信号制式的A TP 子系统在性能、成本上有很大差异。如上海建成的轨道交通1 、2 、3 号线采用的轨道电路制式均不相同,选用的频率也不一致,使得不同线路列车不能跨线运行。此外,由于钢轨不是理想的信息传输通道,使信息容量、传输速率也受到了限制。
采用OFDM 调制技术实现电力线载波高速数据传输,为城市轨道交通信号系统(见图2) 提出了一种新思路。与其它电力通信方式不同的是,它利用给列车供电的接触网(直流1 500 V/ 750 V) 进行通信。
牵引供电回路由牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨与大地、回流线等构成。牵引变电所两侧的接触网电压相位不同相,分相绝缘。相邻牵引变电所间的接触网电压一般为同相的,其间除用分相绝缘器隔离外,还设置了分区亭。通过分区亭断路器(或负荷开关) 的操作,实行双边(或单边) 供电。接触网一般在线路中心上方,利用接触网上传输的信息可以检测列车占用线路状况。
图2 采用电力线载波设备的城市轨道交通信号系统框图
接触网所连接的设备比城市配电网要少的多, 因而在进行电力线载波通信时常见的恶劣条件有所改善。其干扰源主要有: ① 牵引谐波。直流牵引电源是由工频50 Hz 的电力网变压整流而得到,其谐波电流集中在300 Hz 、600 Hz 、1 200 Hz 。② 车辆动力系统。如果直流电机采用斩波器方式,其工作电流(如上海地铁1 号线为500 Hz) 也会产生谐波分量。③ 突发性信号。受电弓脱落、触网时发生短路瞬时放电现象会产生较强的脉冲,需要一定时间延迟来防护此类故障。通过采用信道冗余、OFDM 技术和编码技术可以进一步提高信息传输的可靠性、安全性和传输速率。
利用接触网进行电力线载波通信的研究已经在国外取得了一定成果。图3 是德国西门子公司面向城市轨道交通的电力线载波通信系统框图。
从图3 可以看出,A TP 车载单元与A TP 轨旁单元通过现场总线和电力线进行通信。每隔一定距离就有一个分区电力线单元SPU 通过耦合单元COU 完成现场总线和电力线信号的转换。车载A TP 单元通过电力线上的信号。
面向城市轨道交通的电力线载波通信系统具有如下特点:
(1) 信息传输利用了现有的架空接触网线,不再采用轨道或轨间电缆形式;
(2) 信息传输在列车运行期间保持连续,传输速率大大高于采用数字轨道电路所达到的传输速率;
(3) 耦合单元是构成该系统的关键,通过定义现场总线、电力线和车载A TP 总线的信号接口和相互通信的协议,有利于实现系统的兼容;
(4) 降低建设成本。
图3 城市轨道交通的电力线载波通信系统框图
参 考 文 献
1 焦邵华,刘万顺,郑卫文等. 配电网载波通信的损耗分析. 电力系统自动化,2000 ,24 (8) :37～40
2 原进红,匡镜明. 色散信道中格形编码的正交频分复用(TC -OFDM) 技术,通信学报,1998 ,19 (2) :38～43
3 吴汶麒. 国外铁路信号新技术. 北京:中国铁道出版社,2000. 121～169
