（电力电子与电力传动专业论文）基于msp430f149的机车通信系统的研究与实现.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 鼢t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i z a t i o nr a i l w a ya n dh i e hr a i l w a yi n t e l l i g e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m , r a i l w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sf a c e dw i t hi n c r e a s i n g l yh i 曲 d e m a n do ns a f e t y , r e l i a b i f i t y , r e a l t i m e n e s s a n di n t e g r a t i o n n 地t r a d i t i o n a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nn o ts e r v e 越t h ed e v e l o p m e n t a ld e m a n d s oak i n do f n e w - t y p er a i l w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns 3 r s t e mw h i c hi sh i g h s p e e d , r e l i a b l ea n d i n t e l l i g e n ts h o u l db ed e v e l o p e du r g e n t l y 1 1 1 i ss u b j e c ts t e m s 丘d mt h ep r o j e c t “r a i l w a y w i e l e s sc o m m u n i c a f i o ns y s t e m ，w h i c hb e l o n g sc h i n ar a i l w a yd e p a r t m e n t t l l i s d e s i g nw h i c hi sl o c o m o t i v ep a r to ft h ep r o j c c ta i m sa tt h ev o i c ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nb e t w e e nl o c o m o t i v ed r i v e r s s t a t i o n sa n dd i s p a t c h i n gc e n t e r t h ew h o l e s y s t e mw h i c hi sd e s i g n e df o rw u h a nr a i l w a yb u r e a ui sd i v i d e di n t oh o s tm a n a g e m e n t m o d u l ea n dt w os u b - c o n l r 0 1r o o d u l e s t h e yc o m m u n i c a t et h r o u g hs c r i a lp o r tr s 4 8 5 w h i c hc a l lg u a r a n t e et h i ss y s t e m ss t a b i l i t ya n dt h eg o o da n t i d i s t u r b a n c e i ti sm o r ei m p o r t a n tt os e l e c tt h et r a n s c e i v e rw h i c hi ss a t i s f i e dw i t ht h es y s t e m s r e q u e s tb e c a u s eo ft h eh i 功t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nr e q u e s t t h et r a n d i t i o n a lp r o d u c t s u s e dt h eg x l 6 0 8 vt r a n s c e i v e rw h i c hs e r v e d 私v o i c ec o m m u n i c a t i o nc a nn o ts a r i s f y t h ed e m a n d s t h i st h e s i sb e g i n s 也es t u d yo ft h ei x a n s m i s s i o nc h a r a c t e ra n dt h er a d i o w a v el o s si nt h ef r e es p a c ea n dt h er a i l r o a dt t m n e ii no r d e rt os e l e c t 也es u i t a b l e t r a n s c e i v e rf r o mt h e o r e t i c a l l ya n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r st e s to f t h ee x t e n d e d t i m ea n dt h er e c e i v i n gs e n s i t i v i t yt h et k 8 6 8 gt r a n s c e i v e rw a ss e l e c t e dw h i e hi sm a d e i 珏k 聃0 0 1 3 t h e nt h ef e a t u r e sa g r e e m e n t sa n dt h ee x p a n s i o np o r t sw a t es t u d i e d 1 1 1 el r a n d i t i o n a lm c s 5 lc r nn o tc o n t r o la l lf u n c t i o n $ s o 协t h ec o n t r o lp a r to f t h i s s y s t e m t h em s p 4 3 0 f 1 4 9i ss e l e c t e d c o n t r o lg o r e so ft h eh o s tm a n a g e m e n ta n dt h e t w os u b - c o n t r o lm o d u l e s i ti san e wu l 缸al o w p o w e rm c u c o n s i s t i n go fd i f f e r e n ts e t s o f m o d u l e st a r g e t e dt ov a r i o u sa p p l i c a t i o n s f i r s t l yt h ep a d e l - i n t r o d u c e sm s p 4 3 0 f 1 4 9 s f e a t u r e sa n da r c h i t e c t u r e 。a n dt h e nm a k e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fi t sp r o g r a m m a b l e l o g i cc o n 血 o l ，p e r i p h e m lm o d u l e s ，u l t r al o w - p o w e rc o n s u m p t i o na n dd e v e l o p m e n tt o o l s a n dt h ew o r k b e n c ht h e nt h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ef u n c t i o n sa n da p p l i c a t i 0 1 3 5o fp o w e r c h i pa s l l l 7 ，s e r i o u sp o r tr s 4 8 5a n di t sc h i p ，c m 8 0 8 丸m 丌8 8 1 6a n dt h es e r i o u sp o r t i c d i nt h i sp r o j e c t , t h es e h e d u l e dr e s u l ti sa t t a i n e da n dt h ea i mo fd e s i g ni sr e a l i z e d , 1 1 圮p r o d u c t sa r eu s e di n t h ew u h a nl o e o m o t i v en o w i nt h ee n d t h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to f t h es y s t e ma n df o r e s i g h t sa r ep r o p o s e d k c y w o r d b ：m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，l o c o m o t i v ec o m m u n i c a t i o n , t k - 8 6 8 gt r a t k 目e e i v e r i l 佩嘉圭工案火秀 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结 学位论文作者签名： 担。 b 羝一年5 旯帅 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全7 解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文作者张蕊裙指导教师张仰均 日期：坼步月f 日 日期：年月日。 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 铁路无线通信的发展 近1 0 余年来，我国铁路经历了重载运输、电气化改造、既有线提速、客运专 线建设等一系列的技术进步，这也推动了铁路通信信号技术的发展。据有关资料 显示，我国铁路营业里程己位居世界第三位“1 ，在这样庞大的铁路交通运输网中， 要想大幅度提高铁路复线率、电气化率、自动闭塞比重，实现主要繁忙干线客货 分线运输，对通信的要求是选择一种新的铁路数字移动通信技术叫。随着我国快速 铁路和高速铁路的迅猛发展，既有线提速、客运专线、青藏线建设和高速铁路的 研究，我国铁路发展移动通信网络的总体目标是建立语音数据综合业务的移动通 信系统平台，形成现代化的调度通信、公务移动、信息传输、列车控制一体化的 通信系统，并向社会实时提供铁路客货运及其他服务的信息脚。 1 1 1 我国铁路既有无线通信的现状 我国铁路营业里程目前己经形成了7 1 9 万k m 的规模 2 1 ，成为国民经济的支柱 产业和交通运输的命脉。铁路移动通信从2 0 世纪6 0 年代开始，设备不断发展， 制式不断完善。在无线列调、平面调车、区间移动、单信道对讲机、道口无线、 d m i s 调度指挥管理信息系统、无线车次号传输、尾部风压无线传输、红外轴温无 线传输等方面都有较大的发展【3 】。至今己形成全路全网的规模，成为保障铁路运输 安全生产的重要手段。 1 ) 无线列车调度电话 目前，我国铁路无线列车调度通信系统作为行车。三大件”之一，对提高运 输效率、保证行车安全有着重要作用。根据我国铁路运输的特点，主要有a b ，c 三种制式，频率为4 5 0 m h z 或1 5 0 m h z 的单工或双工的通信系统，在全国铁路沿 线的场强覆盖己经达到9 3 以上，能够完成列车调度员、车站值班员与进入其管 辖区段内的列车司机、车长进行通话1 2 j 。无线列调从2 0 世纪6 0 年代起，经历了 t w b c d ，t w l 2 ，t w 4 2 三代产品1 4 j 。除了上述几种铁标规定的标准无线列调制式， 各设备生产厂家还根据现场的实际需要开发出一些新的满足铁路生产需要的无线 产品，在功能上有许多扩展，也承载了许多新业务，包括：机车出入库检修电台、 湖北工业大学硕士学位论文 场强自动测试电台、4 0 0 m h z + 4 0 0 k h z 感应电台、区间互控式遥控电台、具有数话 同传功能的无线列调产品，列车无线防护报警系统、监护道口无线报警系统、d m i s 无线车次号传输、列车尾部风压无线传输等。 2 ) 站场无线及各种单工通信系统 除了无线列调系统之外，在铁路的区段站、编组站还存在着包括平面调车等 站场无线通信系统，另外还有许多站段单位投资建设的各种独立的单工通信系统 也广为使用。 平面无线列调系统不仅提供了语音通话功能，而且提供了包括信令传输、灯 光显示、语音提示等一系列符合现场使用要求的专用功能，满足了调车指挥的需 要，在全路得到了广泛的采用。 3 ) 各种独立单工通信系统 为了满足各工种的作业通信要求和车站内部指挥的需要，在站场内及铁路沿 线还存在大量由部门单位自行投资建设的各种独立的单工通信系统，如工务、公 安、电力、电务维修、列检、施工等。这部分系统均以同频或异频单工通信方式 为主，独立使用，缺少统一的规划和集中管理，但同时又是不可缺少的一部分 4 ) 集群移动通信系统 为加速铁路专用移动通信的发展，从1 9 9 1 年起我国铁路积极研究开发集群移 动通信系统在铁路上的应用。安装了多套8 0 0 m h z 单基站模拟集群移动通信系统 进行试用，并在柳州至南宁铁路区段建设模拟集群移动通信系统试验线，主要开 通话音业务。集群移动通信系统是多信道综合业务无线移动通信系统，可以为行 车调度、客货站场调度指挥、公安保卫、施工维修等运输生产部门提供移动通信 手段嘲。 我国铁路从2 0 世纪8 0 年代末不断地研究和探索满足铁路运输需要的无线通 信功能，既有无线列车调度通信制式经历了多年的运营，其无线通信手段也基本 是模拟制式。我国铁路正在朝高速铁路、客运专线方向发展，既有无线通信提供 的业务和功能与现代铁路运输需要之间的差距在不断扩大，这种差距主要体现在 以下方面州： ( 1 ) 模拟无线列调单信道制式严重制约铁路应用，枢纽地区同频干扰严重、信 道接入困难，已经开始妨碍使用。 ( 2 ) 铁路移动数据通信业务日益增多，无线车次号传输、尾部风压无线传输等 都叠加在无线列调之上，造成本己紧张的无线列调信道更是不堪重负。 ( 3 ) 铁路工种繁多，各部门无线移动通信自成体系，不能互连互通。 ( 4 ) 模拟无线列调不能满足新一代基于通信的列车控制系统( c b t c ) 对车地间 湖北工业大学硕士学位论文 传输通道的要求。 ( 5 ) 单信道无线列调不能满足客运专线和高速铁路等现代铁路运输的信息化和 旅客服务对车地间传输提出的更高要求。 因此，现代铁路运输呼吁着一种崭新的移动通信制式。 1 1 2 目前我国铁路移动通信存在的问题 1 ) 频率利用率不高：移动通信需求日益增长，但频率资源是有限的，铁路系 统的频点尤为短缺。铁路工务维修、电务维修和公安等部门，都分别建立有自己 的一套对讲系统( 一般覆盖半个到一个区间，多为同频单工) ，不但造成频率资源的 极大浪费，而且在枢纽地区，如北京和徐州等，已经没有频点可供申请使用，同 频干扰也很严重 2 ) 无线列调系统属于传统的无线对讲设备，它可靠性差、功能少和容量低，并 且业务单一、信道单一，基本属于同频对讲系统，因而存在下述局限性：无线列 调( b ，c 三种制式) 大部分为同频同信道单工系统，不仅存在同频干扰，而且在 同一信道上存在“大信号抑制小信号”问题，即阻塞问题。在特殊条件下，很有 可能发生一般业务阻塞重要安全信息的情况，从而对行车安全造成威胁。无线列 调系统实现车机联控后，技规严格规定了允许加入无线列调通话的人员范围， 但目前对讲机应用非常普遍，大量的车、机、工、电、辆人员均有对讲机，管理 手段无法制约；社会上手机的持有量也非常大，一般均能调出无线列调频率，在 列调频点上乱说乱讲的现象常有发生，这对于安全行车来说也是一种隐患。无线 列调系统是单信道系统，在铁路运输越来越繁忙的情况下，除了要完成车机联控 等调度业务外，尾部风压、车次号的传输以及无线预警系统等纷纷加入此系统， 使得该系统内拥挤不堪，影响了车机联控的可靠性嘲。 3 ) 随着铁路列车的速度越来越快，司机要控制的设备和通话的频率也越来越 多，不同区段的列车通信频率又各不相同，导致司机频繁的变更频组，这就加重 了司机的负担，影响了司机的注意力，迫切需要采用g p s 卫星定位系统，让列车 自动进行频率的更换，就能减轻司机的工作强度，避免分散司机的注意力。 4 ) 移动通信系统建设缺乏统一规划：由于业务需要，铁路各部门建立了大量 的对讲系统，它功能简单、投资分散和缺少维护，造成高投入而低产出，浪费巨 大。铁路移动通信系统的建设没有统一规划，以集群网为例，由于缺乏统一规划 和统一标准，到目前为止，至少有4 5 个公司的产品在铁路上使用，信令也有3 4 种，使得集群通信系统不能真正发挥其作用【5 1 。 湖北工业大学硕士学位论文 5 ) 各种独立单工通信系统 为了满足各工种的作业通信要求和车站内部指挥的需要，在站场内及铁路沿 线还存在大量由部门单位自行投资建设的各种独立的单工通信系统，如工务、公 安、电力、电务维修、列检、施工等。这部分系统均以同频或异频单工通信方式 为主，独立使用，缺少统一的规划和集中管理，但同时又是不可缺少的一部分。 1 2 课题的研究目的和意义 铁路的发展最终取决于现代化，而铁路信息化是铁路现代化的主要标志。在 新的形势下，如何根据我国铁路的实际情况，融合世界先进通信与网络技术，快 速而双高效地建设我国铁路通信网络，对于加快铁路现代化建设步伐，促进铁路 现代化发展，提高铁路的竞争能力，更好地为社会提供运输服务具有非常重要的 意义。 中国铁路无线通信经过几十年的发展，在铁路运输生产中发挥了积极的作用， 在系统建设、运行维护等方面也积累了丰富的经验。但是，由于铁路运输生产规 模的不断扩大，也暴露了上述诸多的问题。 因此，随着铁路运输事业的发展，中国铁路需要建立一套符合通信要求，新 一代的通信系统，以满足日益增长的铁路移动话音业务、数据传输业务的需求。 随着铁路通信技术的发展和业务需求的不断增加，铁路无线通信技术的发展和业 务需求的也不断增加。针对无线通信的众多运用与发展，铁道部提出了资源综合 利用、预留发展空间、既有设备充分利用、方便司机的应用的总体设想，提出了 一套铁路无线列车调度的技术标准。对于机车通信系统部分，传统的机车通信产 品主要用于语音通信，电台采用日本马兰仕公司的g x l 6 0 8 v 电台已经不能达到新 的技术指标，因此选择一个能在户外和隧道内都能符合技术指标，性能稳定，可靠 性高并且有二次开发接口的电台显得尤为重要。在控制部分，由于功能大大增强， 过去的产品“1 采用的m c s 5 1 单片机作为控制器已经完全不能满足要求，选择一个功 能强大的处理器才能达到系统的要求。 本课题的目的就是根据铁道部的铁路无线通信系统中的机车部分的技术指标 和功能要求，研究系统的性能和指标要求，选择合适的电台和控制器，为武汉铁 路局设计的一套用于机车上的无线通信系统。 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 本课题的主要任务 本课题是根据铁道部的铁路无线通信系统中的机车部分的技术指标和功能要 求，选择电台和控制器，设计一套用于机车上的无线通信系统，目的在于机车司 机在户外空间和铁路隧道内能良好地与车站、调度中心或其他司机实现点对点的 呼叫通话或者应答。 本系统由主机和两个控制盒组成，两个控制盒分别置于机车的前室和后室。 主机和控制盒的主芯片采用1 r i 公司微控制器m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，m s p 4 3 0 系列单片机 有丰富的硬件资源和独特的指令系统，适合用在低功耗和小型化的仪器中，可以 实现本产品的要求。主机和控制盒之间通过r s 4 8 5 方式实现串行通信。 选择一个能在户外和隧道内性能稳定，可靠性高并且有二次开发接口的电台 对于这个系统的指标要求非常重要。本文首先从研究无线电波在自由空间和隧道 内的传输特性及损耗入手，为选择电台做理论上的分析，然后对照实际的检测结 果，从通话时延、接收灵敏度、开发接口等方面选择了日本健伍公司的t k - 8 6 8 g 无线电台，再对t k 一8 6 8 g 电台的性能协议和扩展端口做了研究。 在控制部分，本论文没有对实现这套系统的工程设计做过多的介绍与说明， 而把重点除了放在论述k s p 4 3 0 单片机的特点和功能，开发工具和调试环境以外， 对低电源变换芯片a s l l l 7 ，r s 4 8 5 串口通信，亚音频芯片c m x 8 0 8 a 的性能和实现， m r 8 8 1 6 矩阵开关的性能和实现，串口l c d 显示屏的应用原理等等也做了较详细的 探讨与研究，这些研究也可以进行扩展和改进应用于其它仪器和设备。 本文是研究这套系统的第一步，主要是用于语音通信。系统的第二步在各铁 路调度中心和车站的g p s 系统安装完成后实施，机车通信系统的第二步主要工作 是加上g p s 功能，它主要是能够自动检测列车进入某某线路，并自动转换相应电 台频率，而不需司机手动调节，另外就是司机语音录音和数据d m i s 无线传输m 。 因此在设计这套系统时预留了这些功能的接口。文中的最后对这套系统的做了一 个简单的展望。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章系统的结构功能概述 2 1 机车通信系统的概述 铁路无线通信技术的发展和业务需求的也不断增加，针对无线通信的众多运 用与发展，铁道部提出了资源综合利用、预留发展空间、既有设备充分利用、方 便司机的应用的总体设想，提出了一套铁路列车调度系统。该大系统由局行车调 度系统，车站调度系统和机车通信系统组成，这三个子系统互相通信形成一个。大 三角”通信方式。 本论文研究的是根据铁道部的铁路列车调度系统中的机车通信部分的技术指 标和功能要求，设计的一套用于机车上的无线通信系统，目的是机车司机在户外 空间和铁路隧道内能良好地与车站、调度中心或其他司机实现点对点的呼叫通话 或者应答。由于这套系统的功能比较多，设计的功能分两步应用在铁路上，本文 就是研究这套系统的第一步，主要是用于点对点语音通信。系统的第二步在各铁 路调度中心和车站的g p s 系统安装完成后实施，机车通信系统的第二步主要工作 是加上g p s 功能，它主要是能够自动检测列车进入某某线路，并自动转换相应电 台频率，而不需司机手动调节，另外就是司机语音录音和数据d m i s 无线传输。本 系统由主机和两个控制盒组成，两个控制盒分别置于机车的前室和后室。主机和 控制盒之间通过i t s 一4 8 5 实现串口通信，保证该系统的稳定性和良好的抗干扰性。 由于这套系统对射频通信的技术指标要求很高，因此在设计这套系统时没有 自行设计射频电路，而是外购射频电台，因此选择能在户外和隧道内都能符合技术 指标，性能稳定，可靠性高并且有二次开发接口的电台显得尤为重要。同时。这套系 统也为下一步的开发做了准备，比如在控制芯片上预留了l i p s 的串行通信接口， 司机通话录音功能，数据传输的d m i s 接口等等。 2 2 系统的工作过程和组成 2 2 1 系统的发射过程 当司机按下控制盒上的某个按键时，则控制盒内的c p u 就能扫描到此按键的 键值为低，此时产生中断，那么就会通过r s 4 8 5 芯片s n 6 5 h v d l 2 向主机c p u 上 6 湖北工业大学硕士学位论文 传相应数据，同时置控制盒相应灯亮。当主机c p u 收到数据后，由c b u s 总线控 制亚音频芯片c m x 8 0 8 a 发出对应的亚音或音频信令( 如果是隧道司机键被按下， 则还需控制另一c m x 8 0 8 a 发亚音) ，并通过c p u 复用的p 口发出命令字，通过 驱动器控制低端电台发射，同时通过锁存器和驱动器控制矩阵开关m t 8 8 1 6 中相 应的引脚导通，并打开亚音频和音频通道，完成发射。当车站或其他的司机收到 信号后，摘机就可进行通话。 2 2 2 系统的接收过程 当车站或其他的司机呼叫时，系统中的一个电台接收到信号时，它对应的静 噪检测1 ：3 变为高电平，并通过驱动器上传给主机c p u 。主机c p u 收到信号后便检 测高低电台相应的引脚值，并和预置的门限电平进行比较。当检测值高于预置的 门限值时，便打开亚音接收通道，检查c - b u s 上的c m x 9 0 8 a 的解码数据，如果 正确则通过c p u 的复用的p1 3 控制矩阵开关m t 8 8 1 6 相应引脚导通并打开接收通 道；同时，通过r s 4 8 5 芯片s n 6 5 h v d l 2 向控制盒发出指令。控制盒c p u 收到指 令后，点亮相应的控制盒上的指示灯，并打开接收相应通道。司机摘机就可进行 通话。 2 2 3 系统的组成及原理框图 该产品由主机、司机控制盒、4 5 0 m 机车天线及各类电缆组成。系统的工作原 理方框图如图2 1 所示，在主机内包含有两个日本健伍公司生产的t k 一8 6 8 g 电台 以及共用一套天线所需的双工器。司机控制盒具有液晶显示功能，可以显示当前 的运行线路，呼叫过程，音量大小等，并在维修测试时进行调节提示。控制盒上 有摘机、调度、单双工呼入、发射、手工、音量调节、频组调节等不同的按键以 及相应的不同颜色的高亮度、长寿命发光二极管，分别指示相应的操作指示。 机车台的主机和控制盒均选用工业级m s p 4 3 0 系列为核心控制的c p u ，数据 线和指令线分离，即所谓的哈佛结构，这使得取指令和取数据可同时进行，且由 于一般指令线宽于数据线，使得其指令较同类c i s c 单片机指令包含更多的处理信 息，执行效率更高，速度亦更快。主机和控制盒之间采用r s 4 8 5 通信，保证了传 输的可靠性。 音频及亚音频信令编解码器采用高性能的专用通信芯片。电源采用的是先进的 进口模块开关电源，具有抗干扰性强，输入电压动态范围宽、输出电压稳定性好、 负载调整率低、纹波小及体积小重量轻等优点，非常适合于铁路目前复杂的机车 7 湖北工业大学硕士学位论文 供电系统及恶劣的电磁环境【8 _ 捌。 这套系统由于控制盒上的功能较多，为了节省引脚，经过多方挑选，对比和 实验，最终选用了金鹏电子公司的c 系列中文模块，c 系列中文模块可以显示字 母、数字符号和中文字型的功能。 图2 1 原理方框图 8 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章电波的传输研究及电台的选择 3 1 引言 电波传播的特性是研究任何无线通信系统首先要遇到的问题。传播特性如何 直接关系到通信设备的能力、天线高度的确定、通信距离的计算，以及为实现优 质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列设计问题。与其他通信信道相比， 移动信道是最为复杂的一种。移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓的衰落 是经常发生的，衰落深度可达3 0 d b 。特别是此系统涉及到无线电波在隧道内的传 播问题，因此为达到系统稳定通信，保证系统的可靠工作，必须研究电波在自由 空间和隧道内的传输特性和损耗，。 本章先讨论电波在自由空间和隧道内的传输特性，再研究户外传播和隧道内 的路径损耗的计算方法，然后根据实验测得的一些数据指标，再根据这些指标来 选择合适的电台 3 2 电波在自由空间中的基本传输特性 不同频段的无线电波的传播方式和特点是不相同的。对工作于u h f 频段的 移动通信来说，电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及 他们的合成波。陆地移动通信系统中，移动台处于城市的建筑群之中或处于地形 复杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加上移动台本身的运动， 使得移动台与基站台之间的无线信道多变且难以控制。 无线电波在自由空间的传播研究是电波传播研究中最基本、最简单的一种。 当讨论到其他传播方式时，通常都要用它作为参考，故在许多场合，需要用到自 由空间传播的计算公式。所谓自由空问是指相对介电常数和相对磁导率均恒为l ( 即介电常数e 和磁导率p 分别等于真空介电常数e0 及真空磁导率po ) 的均匀 介质所存在的空间，该空间具有各向同性、电导率为零等特点。自由空间传播与 真空中传播样，只有扩散损耗的直线传播，即在此空间中没有反射、折射、绕 射、色散、吸收、磁离子分裂等现象，而且电波传播速度等于真空中的光速c 。 因此，自由空间是某些实际空间的一种科学的抽象 2 3 - 2 4 1 。 在现实环境中，电波传播总要受到传播介质或障碍物的影响，这种影响的程 度囡具体传播环境不同而不同。如果传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小 湖北工业大学硕士学位论文 到可以忽略，则这种条件下的电波传播可认为是自由空间传播。虽然电波在自由 空间中传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经 过一段路径传播之后，能量仍然会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。 有电磁场理论可知，若各向同性天线( 亦称全向天线或无方向性天线) 的辐射功 率为p t 瓦时，则距辐射源d 米处的电场强度有效值e o 为【】： 岛= 华o ，坍) ( 3 1 ) 磁场强度有效值r i o 为 风= 器o ，坍) ( 3 2 ) 单位面积上的电波功率密度s 为 s 2 寺( w r n 2 ) ( 3 3 ) 若用天线增益为g t 的方向性天线取代各向同性天线，则上述公式应改为： e o ：华缈，坍) ( 3 4 ) 风= 等o 埘) ( 3 5 ) s ：磐( w l r n 2 ) 4 万d 2 ( 3 6 ) 接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率度乘以接收天线的有效面积，即 昂= s a ( 3 7 ) 式中，a 最为接收天线的有效面积，它与接收天线增益g l t 满足下列关系： a r2 毛嚷 ( 3 8 ) 式中， m 4 为各向同性天线的有效面积。 由式( 3 6 ) 至式( 3 8 ) 可得 最= p r g r g r 、( 耳腰2 - - 墨- - 2 n 9 ， 当收发天线增益为o d b ，即当g r = g r = l 时，接收天线上获得功率为 l o 湖北工业大学硕士学位论文 耳= b ( 剖2 由上式可见，自由空间传播损耗l f s 可定义为 护每= 2 m 以d b 计，得 。，汹) = 1 0 l g 2 ) = 2 0 l g 等) ( 3 1 2 ) 或 l ，( r i b ) = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 d ( b n ) + 2 0 l g ( m z z ) ( 3 1 3 ) 式中，d 的单位为k r n ，频率单位以m h z 计。 由以上式，可知自由空间中电波传输损耗只与工作频率和传播距离有关。在 本系统中，覆盖地域主要是车站和隧道，在车站内除去穿透损耗，近距离内电波 可视作在自由空间传播。下面还将考虑本系统所涉及的特殊情况隧道内的电 波传输特性。 3 3 户外电波传播路径损耗计算 设计无线通信系统时，首要的问题时在给定条件下如何计算出接收信号的场 强。这样，才能进一步设计系统或设备的参数或指标。这些给定条件包括发射机 天线高度、位置、工作频率、接收天线高度以及收发信机之间距离等。这就是所 谓的电波传播的路径损耗预测的问题，又称为信号中值预测。由于移动环境的复 杂性和多变性，要对接收信号中值进行准确的计算是相当困难的。无线通信工程 上的做法是，在大量场强测试的基础上，经过对数据的分析和统计处理，找出各 种地形地物下的传播损耗( 或接收信号场强) 与距离、频率以及天线高度之间的 关系，给出传播特性的各种图表和计算公式，建立传播预测模型，从而能用较简 单的方法预测接收信号的中值。在移动通信领域，已建立了许多场强预测模型， 他们是根据在各种地形地物环境中场强实测数据总结出来的，各有特点，能用于 不同的场合。其中o k u m u r a ( 奥村) 模型提供的数据比较齐全，应用较广泛，适 用于u h f 和v h f 频段【2 7 j 。 根据o k u m u r a 模型，中值路径损耗的经验公式为田】： 湖北工业大学硕士学位论文 埘= 6 9 5 5 + 2 6 1 6 l o g ( f ) 一1 3 8 2 l o g ( 肋) 一口锄) + 阻9 6 5 5 l o g ) l o g ( d ) ( 3 1 4 ) 式中，f 为工作频率，h b 为基站天线高度，h m 为移动台天线高度，d 为基站 与移动台之间的距离。a ( 1 u n ) 为移动台天线修正因子，a ( h m ) 按如下公式计算 叨： 口伪珊) = 【1 1 l o g ( f ) 一0 7 蛔一【1 5 6 1 0 9 ( f ) 一0 8 】 ( 3 1 5 ) 取值如下：f = 4 5 0 m h z 肋= 4 5 m h m = 2 m d = 0 3 k m 口胁) = 【1 1 1 0 9 ( 4 5 0 ) 一0 7 蛔一【1 5 6 1 0 9 ( 4 5 0 ) 一0 8 】 = 【1 1 x 2 6 5 0 7 x 2 一【1 5 6 x 2 6 5 0 8 】 ， = 1 1 l m = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 1 0 9 ( 4 5 0 ) 一1 3 8 2 1 0 9 ( 4 5 ) 一1 1 + 【4 4 9 6 5 5 1 0 9 ( 4 5 ) 】l o g ( o 3 ) = 6 9 5 5 + 2 6 1 6 x 2 6 5 - 1 3 8 2 x o 6 5 1 1 + 4 4 9 - 6 5 5 x o 6 5 ( - o 5 ) 1 0 8 五日 天线的输入端功率与基站台输入端功率相同，为1 3 3d bp 。减去路径损耗1 0 8 d b u ，最小场强信号为2 5 d b p 3 4 隧道内电波传播特性 电磁波在隧道内的传播特性，世界上一些先进国家早在5 0 ，6 0 年代就开始了 研究工作。同时在隧道与矿井等地下坑道进行了试验工作，试验频段从十几干赫 到几十千赫。到目前为止，己对电磁波在隧道中的传播机理有了一定的认识，并 建立了地下无线电通信的基础理论和传播模式。在隧道内空间波传播方式是指自 然传播方式，通过天线辐射的无线电波在隧道空间的空气介质中进行传输。目前 以实验为基础己形成了两种理论【”1 ： 一种是把隧道壁等效为有损介质的波导传输原理来分析。这种用波导理论来 分析各种不同截面尺寸的隧道内的电波传播特性比较直观、简单。 隧道壁一般由混凝土构成，其厚度是有限的，当传输信号的频率高于隧道的截 湖北工业大学硕士学位论文 止频率时，则集肤深度小于壁厚，这时可把隧道壁厚视为无穷大，这样就简化了计 算模型，即隧道可用截面积相等的圆柱波导近似。设圆波导的等效半径a = 4 2 m , 隧 道内为自由空间，介电常数为岛，外部为一复介电常数为乞的介质镶嵌。内外部 分的磁导率都等于自由空间的磁导率“，隧道壁的电导率为占2 = 3 x 1 0 2 s m 。 根据波导理论，对于圆柱波导，其衰减常数a 。，可由它的特征方程的根求出 口。= ( 等 2 等 回 式中：n 阶贝塞尔函数的第m 个根；五：波长；a ：圆柱波导半径； 另一种是将隧道内电磁波的传播看成是隧道壁产生反射波叠加的几何光学理 论。把隧道壁的反射作用等效为镜像源，利用直射波与反射波的迭加，求出隧道 中任一点的场强。假设到达某点的电波在此之前，在左右两壁上反射了m 次， 上下两壁上反射了n 次，则它的场强为： 岛= & 。 j ，# _ 。o ，# ( 3 1 7 ) 实际上各种隧道、矿井的截面尺寸和形状各不相同，材料的电参数特性万，u ， e 也差别很大。因此用上述方法分析隧道传播特性与实测结果有一定差别。有待于 进一步研究各种实用的计算方法，其基础工作是需要大量进行各种不同隧道、不 同频段的传播实验。 3 5 室内电波传播损耗计算 在机车无线通信系统的设计中，对隧道内的电波传播损耗计算也是必需而且 相当重要的。隧道内无线信道有两个方面不同于传统的移动无线信道覆盖距 离更小，环境的变动更大。由于隧道壁租糙，凹凸不平，引起信号的散射，这部 分信号中只有很少一部分到达接收端，其他大部分能量被散射掉。在每次反射时， 都相应存在透射情况。这部分能量就永久性地消失了，对最终信号接收毫无贡献。 还有就是在传输过程中的多径效应，使到达接收端的信号存在不同程度的时延差， 在接收端的信号能量是各个接收信号的矢量和，所以会出现正负抵消的现象，使 接收信号能量降低。总的来说，隧道内传播受到诸如隧道的布置、材料结构和类 型等因素的强烈影响 湖北工业大学硕士学位论文 隧道内衰减因子模型为【3 2 i ： 儿p ) = 儿瓴) + 1 0 1 0 9 ( d d o ) + f 护 其中：d 为天线距移动台的距离。 p l ( d o ) 为参考距离d o = l m 处路径损耗， n 为隧道内测试的指数值。 f a f 为隧道衰减因子。 ( 3 1 8 ) 单位为d b 。取值为3 1 5 d b 。 由以上公式可计算信号的覆盖距离d 。天线的输入端功率与隧道漏缆输入端功 率相同，为1 3 3d b u ，机车接收最小信号电平为1 3d b i l ，则最大路径衰减值为 1 2 0d b 。f a f 值查表取值为1 2 9 d b 。 1 2 0 d b = 3 1 5 + 1 0 x 3 2 7 x l o g ( d ) + 1 2 9 ( 3 1 9 ) 由上式可得d * 2 0 5 m 。即依靠安装在机车上的天线可覆盖2 0 5 m 半径的区域， 可满足隧道内使用要求。 3 6 电台选型 3 6 1 电台的有关参数 普通u 邗电台有众多的型号和规格，选择范围相当大，作为一般应用，某些 性能参数的细微差别对使用者来说并不感到有差异，但作为铁路移动通信系统的 应用来说，某些平时不被重视的参数对于提高系统的轮询速度却有着很大影响。 ( 1 ) 电台发射时的上、下线时间( 如图3 1 所示) 。 f i t o nm o f f 图3 1 电台的上线、下线时间 上线时间：发射机从接受p 1 盯o n 信号的瞬时开始， 其稳态值低3 d 8 的瞬时所需的时间( t 1 ) 。 下线时间：发射机从接受p 1 1o f f 信号的瞬时开始， 稳态值低3 d b 的瞬时所需的时间( a t 2 ) 。 到未调载波达到比 到未调载波降至比 以上两个时问过程及其一倍延升( 分别为2 a t l 和2 a t 2 ) ，电波为非稳定状态， 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 不能用于传送信号，同时，其它电台也不能在此期间在相同的频率上传送信号， 否则会造成干扰。 ( 2 ) 电台接收时的静噪开启时间 电台接收时的静噪开启时间指的是接收机输入端从施加已调射频信号的 瞬时，到音频输出达到稳态电压的9 5 所需的时问。 3 6 2 信号传送过程 不同品牌、型号的电台，上述参数差异甚大，同一型号的电台其数值也有一 定的离散性。根据对调查和实测结果表明，多数产品的上、下线时问在2 0 - 1 5 0 a s 之间1 2 8 j ，而静噪开启时间受静噪深度调整的不同有所不同，其数值与上、下线时 间大体相当，为保证信号发送的有效性和接收的完整性，每一次信号传送要经历 上线和下线循环的轮询过程，系统下传数据+ 上传数据总长度约为4 0 b i t 当数据传 送速率为2 4 0 0 b i t s 时，数据传送所用时间约为1 3 0 m s 。当t l = t 2 = 1 5 0 m s ， 仅= 1 0 m s 时，考虑到实际应用中2 t l 与2 t 2 之间可以部分重叠( 取1 0 0 重叠时， a t = ( 2 a t l + 2 t 2 ) 2 ，这样每一循环过程用于等待的时间约为6 2 0 m s ，即用于数据 传送的时间利用率约为1 7 ，系统每秒钟的轮询目标不会超过2 个。 而在同样的条件下，当t l = t 2 = 2 0 m s 时，用于数据传送的时间利用率可达 到5 6 以上，系统每秒钟的轮询目标超过4 个，由此可见电台型号的选择对于提 高系统的轮询速度有着重要影响。 3 6 3 选型试验 为了给选型提供依据，对市面上五种主流电台进行了试验，测量其上线时间， 接收灵敏度的试验结果见表3 1 。实测表明k e n w o o d 公司的t k 8 6 8 g 型电台的 上、下线时间为2 0 m s 左右，接收灵敏度也优于其它电台，性能指标适合此系统的 组网使用。 表3 1 上线时间和接收灵敏度测量结果 湖北工业大学硕士学位论文 3 7t k - 8 6 8 g 无线电台的研究 3 7 1t k 8 6 8 g 的功能原理 1 t k - 8 6 8 g 的工作原理框图 t k - 8 6 8 g 的工作原理框图见图3 2 ，可以看出主要由两路组成：一路为接收通 路，即是把从天线收到的信号经过变换后从喇叭输出音频；另一路是把话音通过 麦克风经一系列交换后从天线送出去。 图3 2n 0 8 6 8 g 的工作原理框图 2 1 k - 8 6 8 g 的接收通路 从天线进入的信号经过收发转换电路和带通滤波器进入射频放大器。信号被 放大之后，通过带通滤波器滤波，进入第一混频器。 来自射频放大器的信号和来自第一混频器的锁相环频率合成器的第一本振信 号混合后产生4 9 9 5 m h z 第一的中频信号，然后，进入两个单片晶体震荡器以消