（电力电子与电力传动专业论文）基于扩频通信技术的数据无线传输.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a bs t r a c t i ti sa ni m p o r t a n tw a yt or e a l i z eh e a v y l o a dt r a n s p o r t a t i o nb yu s i n gt h e t e c h n o l o g yo fm u l t i l o c o m o t i v ea n dw i r e l e s ss y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mt o o p e r a t ec o m b i n e dt r a i n s i no r d e rt o a c h i e v em u l t i - l o c o m o t i v eb yl e s s e c o n o m i ci n p u tb a s e do nt h ee x i s t i n gl i n ea n dl o c o m o t i v ee q u i p m e n t s ，w e n e e dt os t u d yt h eu s eo fd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o ll o c o m o t i v et e c h n o l o g y b a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt oi m p r o v et h ec a p a c i t yo ft h er a i l w a y s t h er e l i a b i l i t yo fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ni sa ni m p o r t a n tf a c t o rt o i n f l u e n c es a f eo p e r a t i o no fw i r e l e s ss y n c h r o n o u sc o n t r o lt r a i n s h o w e v e r ， t h 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 nc h a n n e li s v e r yb a d ，t u r n s ，t u n n e l s ， m o u n t a i n s ，h i g hp r e s s u r ea l o n gt h er a i l w a yc a t e n a r ya n d a v a r i e t yo f u n e x p e c t e di n t e r f e r e n c e sw i l la f f e c tt h er e l i a b i l i t yo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n a tp r e s e n t ，t h es t u d yo fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi nd o m e s t i ca n d f o r e i g nm a i n l yf o c u so ng s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) s y s t e m g s m r s y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo faw i d er a n g eo fn e t w o r kc o v e r i n g ， i tc a nt r a n s f e ri n f o r m a t i o na n y t i m ea n da n y w h e r e b u ti t sl o wt r a n s m i s s i o n s p e e di sd i f f i c u l tt oa d a p tt ot r a n s m f tv o i c e ，v i d e o ，i m a g e sa n do t h e rl a r g e v o l u m eo fi n f o r m a t i o nr e q u e s t s t h eu s eo fw i r e l e s ss p r e a ds p e c t r u m t e c h n o l o g y w i t h a p p r o p r i a t ep s e u d o r a n d o ms p r e a d i n gs e q u e n c e s a n d m o d e m t e c h n o l o g y f o ri n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，n o to n l yh a ss t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c e ，m u l t i p a t hf a d i n g ，s t r o n ga n t i i n v i s i b i l i t ya n ds e c r e c y ，b u t a l s oh a saf a s t e rs p e e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e sw i r e l e s ss y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt h e c o m p o s i t i o n o ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e ：d i s c u s s e st h e s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s a n dt h e a d v a n t a g e s o f s p r e a ds p e c t r u m t r a n s m i s s i o nc o m p a r e dt o f i x e d - f r e q u e n c yt r a n s m i s s i o n ；c o m p a r e s s e v e r a l c o m m o n l yu s e dd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mc h i p s t h e ni tg i v e st h e s y s t e m h a r d w a r e d e s i g n ，e l a b o r a t e sw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm o d u l ea n d i n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n t h i sp a p e ra n a l y z e st h es y s t e m ss o f t w a r ec o n t r o l f l o wb a s e do nh a r d w a r ep l a t f o r m f i n a l l y ，t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m i se x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e d ，a n dt h er e s u l t sa c h i e v e da r es u m m e du p 。 k e yw o r d s ：m u l t i l o c o m o t i v e ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ；s p r e a ds p e c t r u m t e c h n o l o g y ；c a nb u s 西南交通大学凹南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口j 在年解密后适用本授权书； 2 不保密谚使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 南别 魄护矽多， 劾一 ， 铂 签 阳 糙 劢 作 乳 耕 瑚 啪 日 位荨 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 采用基于无线通信技术的列车控制系统实现有效的运输指挥及 安全监控，是国际重载运输技术的发展方向。目前国内的研究集中在基 于g s m - r 的多机同步操作控制技术上，对直接将同步控制系统的无线数 据传输建立于牵引机车之间研究较少。 2 在数据无线传输领域，运用较多较成熟的有正交频分复用技术， 利用无线扩频技术进行信息传输，也是本课题的主要工作所在。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已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，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所 引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：钐乃矽 日期z o o z 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究背景与意义 从2 0 世纪80 年代起，铁道部瞄准世界铁路科技发展前沿，把发展重 载运输作为主攻方向之。重载运输最早始于北美地区，2 0 世纪7 0 年 代末，美国一级铁路即开始了重载运输。197 8 年，第一届国际重载大会 在澳大利亚佩斯召开，19 85 年国际重载运输协会成立。重载运输显著的 经济效益使其在世界范围内的发展如雨后春笋般迅速，美国、加拿大、 澳大利亚、南非、巴西等国成为世界重载运输技术和应用比较领先的国 家e 1 】。 重载运输在于列车重量加大，列车编组加长，实现全程直达运输， 使一条铁路尽可能多地输送车流，充分发挥铁路集中、大宗、长距离、 全天候的运输优势，达到提高铁路运输能力和效率，多运快运，降低成 本的目的。 重载运输是铁路运输发展的方向，但由于单机牵引力有限，因此为 了满足重载技术的需要，必然要发展多机牵引同步控制技术，多机牵引 技术国内目前主要停留在两台机车的有线电缆重联控制阶段，这种有线 电缆重联控制存在以下几个缺点： ( 1 ) 主控机车必须与从控机车在列车首部直接进行有线连接，这样 就使得整列车的动力得不到合理分配； ( 2 ) 主控机车与从控机车采用有线连接，使得列车编组和解挂都很 不灵活，而且一旦发生线路开路( 如：重联线被外物挂断或列车震动使 得重联电缆松动) 等故障，轻则使列车运行失常，重则酿成事故。 采用多机牵引无线同步操控技术开行组合列车是实现重载运输的一 个重要途径。另外，我国存在着大量的山区铁路，由于线路修建年代早， 线路弯道多，坡度陡，隧道多。为了在现有线路和机车配置基础上以较 小的经济投入实现多机车牵引和开行组合列车，提高铁路的运输能力， 有必要研究在这些线路上运用基于无线通信的机车分布式动力控制技术 实现多机牵引以提高线路的运输能力【2 】。 无线通信的可靠性是影响无线同步控制列车安全运行的重要因素。 然而铁路无线通讯信道十分恶劣，弯道、隧道、高山、高压接触网及铁 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 路沿线的各种突发干扰对无线传输的可靠性均会造成影响。 目前，国内外对列车无线数据传输系统的研究，主要集中在g s m r ( g s mf o r r a i1w a y ) 系统。g s m r 系统的优点在于g s m 网络覆盖面广， 能随时随地地传输信息，但是目前其传输速度较低，难以适应传输声音、 视频图象等大容量信息的要求。而利用无线扩频技术进行信息传输，采 用合适的伪随机扩频序列和调制解调技术，不仅具有较强的抗干扰性、 抗多径衰落以及很强的隐蔽性和保密性，而且其信息的传输速度快。 1 。2 国内外现状分析 国外对列车无线数据传输系统的研究己有多年的历史，并己设计和 开发出许多系统，将无线通信运用于列车方面，在世界各国广泛运用， 但无线传输的方式欧美各有不同：美国主张利用各种无线网络，而欧洲则 主张采用g s m 系统。例如，由欧洲铁路联盟研究所研制的为实现欧洲铁 路统一信号设备的无线列车监控试验( g s m r ) 系统，既将列车状态通过 车载微机实时采集列车状态信息，并利用现有g s m 移动通信技术将车载 信息传送到地面监控中心。 1 2 1 欧美铁路数据无线通信 北美铁路部门希望首先消除信号盲区，并从节省成本的角度考虑，希 望不再安装地面信号设备，而是通过无线手段实现列车控制。19 8 3 年美国 铁道协会a a r 和加拿大铁道协会r a c 共同提出了“先进列车控制系统” ( a t c s ) 。a t c s 的主要思想是通过先进的微处理器和数字数据通信手段， 在获取精确的列车位置、速度信息的前提下，实现对列车的闭环控制。 早在19 9 2 年，欧洲的铁路通信标准机构一一eir e n e ，为满足泛欧数 字集群系统要求，开始了将公共g s m 平台移植为铁路应用的研究，即对 g s m - r 的研究。19 95 年，该组织完成了对频率的选择；19 97 年在法国、 德国和意大利建立了3 个试验网，并进行了大量的系统试验验证。验证 表明，g s m r 完全能满足欧洲铁路部门对泛欧铁路无线通信系统的规范和 要求。目前，已有32 个欧洲铁路组织在采用g s m r 谅解备忘录上签了字， 这就意味着这些铁路组织将采用g s m - r 系统【3 1 。 g s m - r 是基于g s m 平台专门为满足铁路应用而开发的数字无线通信 系统，g s m r 完全汲取了g s m 多年来的发展成果，又专门针对铁路的各种 不同需求开发了许多专用功能。从集群通信的角度来看，g s m - r 是一种公 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 开标准的数字式的集群系统。它能提供无线列调、编组调车通信、应急 通信、养护维修通信等语音通信功能。利用g s m r 平台的数字传输能力， 能传输列车诊断数据，提供货运信息、车载旅客信息服务和其他增值服 务等。g s m - r 能满足列车运行速度为0 5 0 0 k m h 的无线通信要求，安全 性好。g s m - r 可作为信号及列控系统的良好传输平台，19 91 年开始研究 和试制的e t c s 欧洲列车控制系统( 也称f z b ) 和另一种用于16 0 k m 以下的 低成本的列车控制系统( f f b ) ，都以g s m - r 作为传输平台。 1 2 2 日本铁路新干线数据无线通信 日本新干线的列车无线通信系统包括3 个部分：运输调度电话，客运 调度电话，公共业务系统。新干线的列车无线通信系统在传播方式上分 为2 种：空间波方式及漏泄电缆( l c x ) 方式。系统构成是由控制台、基地 台和移动台所组成，在控制台通过交换系统与地面电话网形成接续。 新干线的车载无线电台装备是一个多信道的收发信机和一台小型交 换设备所组成，它将接收到的信号按照各自的地址分配到不同的电话用 户终端上，同时还将车上的电话通过交换再选择一个适当的频道发送给 地面设备。其主要特点如下： ( 1 ) 容量达到3 0 个信道，其中4 信道为运输调度专用； ( 2 ) 对客运调度系统的无线通信联系，除提供个别选叫功能以外，还 可以使用组呼、群呼功能； ( 3 ) 新系统采用数字调制技术，提供6 个专门为数据通信所设计的信 道，其中2 个为专用信道，传输与列车运营有关的短信息，4 个为通用信 道，提供车一一地间多种数据业务通道； ( 4 ) 新系统采用的结构是利用车内光纤局域网，车一一地无线通信系 统，地面铁路专用调度系统共同构成一个完整的铁路专用通信网络。 日本新干线的无线通信系统采用了车上设交换中心的方式，使车上 构成了一个完整的通信网路，并通过全线铺设的漏泄同轴电缆与地面相 连。新干线通信系统所具备的功能还没有哪一个国家的铁路通信系统可 以与其比拟，但是，由于设备开发的单一性，使该技术仅适用与新干线 这一特定环境。 对未来技术开发和资源的应用，日本综合研究所的技术人员目前正 就毫米波和亚毫米波( 3 0 - 5 0 g h z ) 技术，开展基础理论研究，即：电磁波在 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 不同环境下的传播特性，关键元器件的开发研制等。 1 2 3 我国铁路数据无线通信现状 中国铁路既有无线通信系统已不适应运输生产的需要。中国铁路无 线通信系统不仅要实现无线列调、平面调车无线通信、区间移动通信等 话音通信功能，同时还承担了车次号、尾部风压、道口无线预( 报) 警 等数据的无线传输任务，在铁路运输安全生产中发挥着越来越重要的作 用。但由于既有单信道模拟制式无线通信系统设备是为满足话音通信设 计，长期以来一直存在枢纽地区同频干扰严重、信道接入困难、语音不 清晰和数据与话音争夺信道、相互干扰等问题，而且几万公里的铁路沿 线还一直沿用着落后不便的区间通话柱方式进行沿线作业和救援抢险， 已不适应技术发展和日益增长的运输生产需求。 中国正处在选择新一代铁路数字移动通信制式的关键时期，技术先 进成熟，满足日益增长的运输生产需要，符合面向未来技术发展的要求， 是我们在选择中所遵循的基本原则。为此，中国从19 9 5 年开始跟踪研究， 并重点对g s m - r 和t e t r a 系统进行了研究和比较，认为g s m - r 具有优 势，为此在大秦线建立了列车专用g s m - r 数据通信网，试验表明g s m - r 网络能够保证数据传输的可靠性。但是在中国大部分地区特别是山区铁 路根本没有条件建立g s m - r 数据网络。为了提高g s m - r 网无法覆盖地区 特别是山区铁路的运输能力，就必须研制一种可靠、安全的列车无线同 步控制系统，对列车动力进行分布式控制。而由于线路的复杂性，使得 无线通信的信道环境变得十分恶劣，这就有必要进行通信可靠性、安全 性研究，并得出解决策略【4 】。 1 3 扩频通信技术的发展及应用 扩频通信，即扩展频谱通信，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉 为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 实用的扩频通信系统直到2 0 世纪5 0 年代中期才发展起来。最初的 扩频技术只是用于军事通信系统、制导系统等领域。但是由于扩频技术 具有很多优点，因此，扩频技术的理论和实践发展非常迅速。 扩频通信与一般的通信技术比较，主要有以下特点和优势r s l ： ( 1 ) 抗干扰能力强，这包括较低的可检测概率以及对各种外来干扰信 号的抗拒能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 具有抗多径及抗选择性衰落的能力。 * ( 3 ) 提供码分多址( c d m a ) 的信道复用方法和组网能力。 ( 4 ) 在直扩系统中，能提供准确的时间信息，从而可以进行测距和定 位等。 目前全球定位系统( g p s ：g 1o b a lp osit io ns y s te m ) 、联合战术信息 发布系统( j tid s ：j oin tt a e tic sin r o r m a tio nd is t r ib u tio ns y ste m ) 等 都采用了扩频技术。扩频技术在民用移动通信中也同样得到广泛应用， 其主要原因是扩频信号有利于提高频谱利用率和实现码分多址。在移动 通信中，f d m a 、t d m a 一般容易受到带宽限制，c d m a 主要受干扰限制，采 用c d m a 可获得大的系统容量，它已经成为3 g 通信中的核心技术。 扩频通信系统具有很多优点，其多址能力、保密、抗多径等功能， 特别是具有很强的抗干扰性能，倍受到人们的重视，其应用领域也不断 扩大。扩频技术正迅速的渗透到民用通信的各个领域，并显示出强大的 生命力，正广泛的应用于通信、雷达、导航、测距、定位等领域。 扩频通信作为现代通信系统中的一种新兴的通信方式，将扩频通信 应用到列车数据无线传输中来，将是一种全新的尝试，它能较好的解决 目前列车在数据传输方面遇到的问题，具有较强的实用性。 1 4 论文主要工作与章节安排 第一章对课题的研究背景及意义进行了阐述，分析了目前国内外列 车数据无线通信现状，介绍了扩频通信技术的发展及应用。 第二章介绍了多机牵引无线同步控制系统的整体结构和各模块功 能。 第三章介绍了扩频技术的相关理论知识，着重分析了直接序列扩频 通信系统；并在此基础上完成了数据传输扩频运算的m a t l a b 实现。 第四章比较了几种常用的直序扩频芯片，进行了扩频数传模块的选 型，给出了系统的硬件设计，并对无线传输模块及接口电路设计进行了 详细的阐述，对数传模块进行了性能测试。 第五章分析了系统的软件控制流程，并设计了c a n 总线与无线通信 的软件。最后对无线传输系统进行了实验验证，总结了所取得的成果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章多机牵引无线同步控制系统 2 1 无线同步控制系统的要求 目前广泛采用的机车重联技术，是利用重联电缆实现两台独立的电 力机车背靠背的重联连接。由本务机车控制重联机车，通过重联电缆传 输控制信号，实现同步控制。重联电缆在机车的运行中由于振动容易断 线损坏，影响数据传输的可靠性；另外要连接和固定重联电缆或将其拆 卸，均费时费力，造成机务部门劳动力的浪费。为解决这一问题，我们 引入无线电传输设备来代替重联电缆进行信号的传输。一方面，无线通 信技术的迅速发展，为保障数据无线传输的可靠性提供了有力的技术支 持，无线同步控制系统的安装、拆卸也很方便；另一方面，在重联机车 无线控制的基础上可以很容易的实现多种牵引方式，从而进一步提高机 车牵引的效率和安全可靠性。 1 r 上上j rj r 信号检测功能控制功能显示功能故障诊断报警功能 1，上、r1 r 机车级位信号检测同步控制本务机车状态显示检测电路故障诊断 机车制动信号检测异步控制重载机车状态显示传输电路故障诊断 机车控制信号检测信号指挥控制输出电路故障诊断 机车状态信号检测故障报警功能 图2 1 系统功能框图 为保证列车的安全运行，多机牵引无线同步控制系统应包括以下基 本功能【6 】( 如图2 1 所示) ：检测功能、控制功能、传输功能、显示功能 及故障诊断报警功能。其中，检测功能包括对机车级位给定信号、制动 信号、控制信号、状态信号、电压电流等信号的检测；控制功能指能够 控制机车电压电流，机车电器，机车制动系统等；传输功能主要指控制 信号，状态信号，主机信号及从机信号的传输；显示功能要求能够显示 丰机状态信息，从机状态信息等；故障诊断功能，即能诊断出检测电路、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 传输电路及输出电路的故障并报警。 此外，无线同步控制系统即可以做为本务机车运行，也可以作为补 机运行。因此系统应具有的机车控制工况主要有以下四方面： ( 1 ) 机车同步牵引及同步动力制动工况。 ( 2 ) 机车异步牵引及异步动力制动工况。 ( 3 ) 列车同步空气制动工况。 ( 4 ) 故障运行工况。 2 2 无线同步控制系统总体设计 2 2 1 系统总体方案 整个系统中车载设备采用模块化的设计方法，分为信号采集模块、 无线传输模块、控制模块、显示模块四大部分，各个功能模块通过c a n 总线连接在一起，实现模块之间的相互通讯和数据交换。系统结构如图 2 2 所示。为了保证系统的通用性，主控机车设备与从控机车设备完全一 样，具有这样的系统结构可以使得任何一台机车既可以作为主控机车， 也可以作为从控机车使用，这样就比较符合现有铁路运输现状。本系统 分a 、b 两组同时运行，每组的组成单元有： 1 本务机车控制信号检测模块 2 本务机车信息显示模块及显示器 3 无线发射接收控制模块 4 补机控制信号输出模块 5 补机状态信号检测模块 系统正常工作时，所有模块通过c a n 总线相连接，不同模块通过不 同的c a n 总线地址用以区分，方便系统调试及系统扩展。当系统中有模 块工作异常时，可自动由两组同时运行状态改变为单组运行，故障组退 出运行，确保了系统可靠运行【7 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 2 系统总体方案图 该设计方案通过无线传输方式代替了固定电缆传输同步控制信号的 方式，安装方便，无需硬线连接，可以节省人力，提高机车运转效率； 无需对原型机车进行较大的改造，实现了低成本和国产化，可以在机务 部门现有的大量s s 3 b 型电力机车上推广，特别适合对现有运力的提高和 改造；模块化的设计更易于系统扩展，可根据要求增加与机车控制运行 相关的各种附加功能模块。因为机车的同步控制不再依靠线缆连接，使 得机车牵引方式更加灵活，可以根据运用需要实现双机重联牵引、双机 组合牵引、双机推挽牵引等多种牵引方式。 2 2 2 本务机车功能组成 当系统作为本务机车运行时，补机状态信号检测模块和补机控制信 号输出模块不工作。系统仅由两组本务机车控制信号检测模块，无线发 射接收控制模块，本务机车信息显示模块及显示器组成。如图2 - 3 本务机 车功能组成图所示j ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 本务机车信 息显示模块 1 显示器 ( 1 端) ( 1 ) 图2 3 本务机车功能组成框图 2 2 3 补机功能组成 当系统作为补机运行时，本务机车信息显示模块，本务机车控制信 号检测模块不工作。系统仅由两组补机状态信号检测模块，补机控制信 号输出模块和无线发射接收控制模块组成。如图2 4 补机功能组成图所 示： 图2 4 补机功能组成框图 2 3 系统各功能模块的设计 2 3 1 多机牵引无线同步控制系统操作方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 、本务机车在司机正常驾驶的同时，由检测模块对列车控制信号进 行采集，并根据运行状态编制控制指令，控制指令通过无线方式传送到 列车后部的补机，用以控制后面补机。 2 、补机的控制模块根据接收到的控制指令控制机车，使其与本务机 车保持相同的运行状态，并将控制结果及运行状态信息反馈到本务机车， 使本务机车的司机了解全列车的工作情况。 3 、在列车制动时，除通过上述通道传送指令与进行同步制动外，在 补机与列车贯通的列车制动管中还装有压力传感元件，控制机车控制设 备切断补风与实施制动，确保全列车的运行安全。 2 3 2 各模块功能介绍 1 控制信号检测模块： 当整套系统作为本务机车控制系统使用时，该模块用于检测本务机 车控制信号，并把检测到的数据通过c a n 总线发送给无线传输模块。当 整套系统作为补机控制系统使用时，该模块不工作。 2 状态信号检测模块： 不管系统作为本务控制还是补机控制，该模块均用于检测机车运行 状态信号，并把检测到的数据通过c a n 总线发送给无线传输模块及信息 显示模块。 3 无线传输模块： 当系统作为本务控制系统时，该模块首先接收来自控制信号检测模 块的数据，然后将这两组数据进行比较，核对两组采集值是否一致，从 而确保数据的可靠性。若两组值不一致，先暂存结果，并暂不向下发送 数据，重新接收数据，当错误次数大于最大允许次数时则启动数据采集 自检处理。若两组值一致，则无线传输模块将数据发送给补机无线接收 模块；同时接收补机无线传输模块所发送的状态反馈信号。定时周期循 环上述控制过程。( 无线传输模块中，周期定时中断优先高于c a n 接收的 中断优先级) 。 当系统作为补机控制系统时，该模块首以中断方式接收来自本务机 车无线传输模块的握手信号；建立连接后接收本务机车的控制数据并回 发补机状态数据；当接收到本务机车的控制数据时，补机无线传输模块 将接收到的两组数据进行比较。若比较结果不一致，先暂存结果，并暂 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 不向下发送数据，重新接收数据，当错误次数大于最大允许次数时则启 动通信自检处理；若结果一致，则将数据通过c a n 总线发送给机车控制 信号执行模块用于信号输出。 4 机车控制信号执行模块： 该模块只在系统作为补机控制系统时工作。它的功能是通过c a n 总 线接收来自无线传输模块的控制数据，并将这两组数据进行比较，若比 较结果一致则控制启动相应的继电器、d a 转换器工作；若不一致则暂不 动作，启动执行模块数据接收异常处理。 5 信息显示模块： 通过接收c a n 总线接收来自无线传输模块、机车控制信号执行模块 的数据，并将接收到的数据进行分析和显示，以便及时了解机车运行的 状态【9 1 。 2 4 无线同步控制系统中数据传输格式 各个模块之间通过c a n 总线进行数据交换，由于发送端发送数据是 在每个采集周期固定的，而接收端无法预料发送端何时发送数据，所以 采用查询式发送，中断式接收。 2 4 1 系统c a n 总线数据帧格式 t x 数据帧格式如下f lo 】： ( 1 ) t x 帧信息：o x 8 n ；( n 为单帧数据长度) ( 2 ) t x 标识码1 ：目的设备号； ( 3 ) t x 标识码2 ：数据帧类型； ( 4 ) t x 标识码3 ：源设备号； ( 5 ) t x 标识码4 ：数据帧编号； ( 6 ) t x 数据字节1 ； ( 7 ) t x 数据字节2 ； ( 13 ) t x 数据字节8 。 c a n 通信采用扩展帧格式( e f f ) 具有2 9 位标识符( id 2 8 一一id 0 ) 。 当检测设备向无线传输模块发送数据时，标识符格式如表2 一l 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 表2 1 扩展帧格式标识符格式 具体设置如下【1 1 】： 1 t x 帧信息：o x 8 8 2 t x 标识码l ：目的设备号： ( 1 ) 机车控制执行模块：o x 0 0 ( 2 ) 无线传输模块：o x o1 ( 3 ) 信息显示模块：o x 0 2 ( 4 ) 控制信号采集模块：o x 0 3 ( 5 ) 状态信号采集模块：o x 0 4 3 t x 标识码2 ：数据帧类型： ( 1 ) 控制量：o x c o ( 2 ) 状态量：o x 2 0 ( 3 ) 自检信息：o x 80 4 t x 标识码3 ：源设备号： ( 1 ) 机车控制执行模块：0 x0 0 ： ( 2 ) 无线传输模块：o x ol ( 3 ) 信息显示模块：o x 0 2 ( 4 ) 控制信号采集模块：o x 0 3 ( 5 ) 状态信号采集模块：o x 0 4 5 t x 标识码4 ：数据帧编号： 第一帧：o x10 第二帧：o x 20 第三帧：o x 3 0 第四帧：o x 4 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 2 机车控制信号数据格式 表2 2 数据字节一1 lo v 开关量 2 4 3 机车状态信号数据格式 表2 3 数据字节一15 v 显示信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章扩频通信技术 扩频通信，即扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u nic a tio n ) ， 它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信 传输方式。 扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码( 扩频序列：s p r e a d s e q u e nce ) 调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进 行解调及相关处理，恢复原始信息数据。 随着无线通信的广泛应用，无线频道变得非常拥挤，频道资源非常 紧张，干扰繁多、严重。由于扩频通信技术有很多优点可以克服这些问 题，并且可以提供更高的保密技术，因此，从80 年代末，美国联邦通信 委员会( f c c ) 规划了is m 波段并批准扩频通信使用该频段，扩频通信技 术得到了快速的发展和广泛的应用。 3 1 扩频通信的理论基础 扩频通信技术，其核心为在发送射频之前使用伪随机码( p n 码) 序列 将其扩宽，使发送的射频能量分布于更宽的频带，使单位带宽面积的射 频能量很小、信噪比很小，因此传输的信号很难破译，而且不干扰其他 正常传输的无线电信号。在接收方面，再将扩频还原成正常的无线信号， 并根据校正技术校正接收的信号。整个过程实际上是完成扩频的调制、 发送和解调过程。 3 1 1s h an n o n 公式 扩频通信的基础理论根据是信息论中的s h a n n o n 公式，即【16 】： c = b l 0 9 2 ( 1 + s n ) ( 3 1 ) 式中，c 为系统信息传输速率( b it s ) ；b 为系统信道带宽；n 为噪声功 率；s 为信号功率。 由此可知，对任意给定的信噪比，只要增加用于传输信息的带宽， 理论上就可以增加在信道中无误差传输信息的速率。为了提高信息传输 速率c ，可以从两种途径实现，即加大带宽b 或提高信噪比s n 。也就是 说，信息传输速率可以通过带宽和信噪比的互换而保持不变。增加带宽 就可以在较低的信噪比情况下以相同的信息传输率来可靠地传输信息， 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 甚至在信号被噪声湮没的情况下，只要增加信号带宽，仍能保持可靠的 通信。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处。这就是扩 频通信的基本思想和理论依据。 3 1 2 扩频系统的数学模型 扩频系统可以认为是扩频和解扩的变换对。要传输的信号s ( t ) 经过 扩频变换到一个很宽的频带b 上去，发射的信号为s 。 s ( t ) 。扩频信号 通过信道后，叠加噪声n ( t ) 和j ( t ) ，送入解扩器的输入端。对解扩信号 而言，其解扩过程正好是扩频过程的逆过程，从而有：对信号s ；叫 的处 理，还原出s ( t ) ，即s 。叫 s ( t ) = s ( t ) ，而对噪声n ( t ) 和干扰信号j ( t ) ， 有s 。叫 n ( t ) = s 。 n ( t ) 和s 。1 j ( t ) = s 。 j ( t ) ，即将n ( t ) 和j ( t ) 扩展。 这样，在s ( t ) 的频带 f a ，f b 内，s ( t ) 可以全部通过，而s 。 n ( t ) 和 s 。 j ( t ) 只有当其功率在 f a ，f b 内时才能通过。 f a ，f b 相对于b 来讲 小得多，所以，噪声和干扰得到很大程度得抑制，提高了系统的输出信 躁比。如图3 1 所示【l7 j ： s ( t ) 图3 1扩频通信系统数学模型 3 1 3 扩频系统的物理模型 图3 2 为扩频系统的物理模型。系统工作机理如下【17 】： 信源产生的基带信号经过第一次调制一一信息调制( 如信源编码) 成 为一数字信号，再进行第二次调制一一扩频调制，即用一扩频码将数字 信号扩展到很宽的频带上，然后进行第三次调制，把经过扩频调制的信 号搬移到射频上发送出去。在接收端，接收到发送信号后，经混频后得 到一个中频信号，再用本地扩频码进行相关解扩，恢复成窄带信号，然 后进行解调，将数字信号还原出来。在接收的过程中，要求本地产生的 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 扩频码与发端用的扩频码完全同步。 基带信号 ( a ) ( b ) 图3 2扩频系统物理模型 ( a ) 发射；( b ) 接收 3 2 扩频系统的主要参数 反映扩频通信特征的重要参数有：频带效率、处理增益、干扰容限、 跳频速率等。其中，处理增益与干扰容限是扩频系统的两个重要的抗干 扰指标。 3 2 1 处理增益 传输信号在扩频和解扩的处理过程中，扩展频谱系统的抗干扰性能 得到提高，这种扩频处理得到的好处，就称之为扩频系统的处理增益。 其定义为解扩器输出端的信噪比与输入端信躁比的比值，即 q 2 器( 3 - 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 处理增益的物理意义是表明扩频系统对于信噪比的改善程度，即对 干扰的抑制程度。也可表示为频谱扩展后的信号带宽与扩展前的信号带 宽之比： g ：堡 ( 3 3 ) 1 b d 式中，b c 为伪码带宽，b d 为基带信号带宽。 处理增益通常用分贝表示： g p = l o l g 湍( 删纠0 l g 毒( ( 3 - 4 ) 3 2 2 干扰容限 处理增益表明了扩频系统对干扰的抑制程度，但系统能否正常工作 仅靠处理增益是不能描述的，它主要取决于干扰容限。所谓干扰容限， 是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用 信号高出的分贝数，定义为： m j ( d b ) = g p 一 l s r s + j 5 ， 其中，m j 为干扰容限，g p 为系统的处理增益，l s y s 为系统的损耗，( s n ) o u ，为系统正常工作时要求的最小输出信躁比，即相关器的输出信躁比或 解调器的输入信躁比。这些量的单位都是d b 。 干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能抵抗的极限干扰强度，即 只有当干扰机的干扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。 因而，干扰容限往往比处理增益能更确切的反映系统的抗干扰能力。 3 3 直接序列扩频技术 3 3 1 直序扩频与跳频扩频的比较 扩频通信具有抗干扰能力强、可进行多址通信、安全保密、数模兼 容、抗衰落、抗多径等优点。常用的扩频通信实现方法有：直接序列扩 频( d s ) 、跳频( f h ) 、跳时( t h ) 、宽带线性调频( c m ) 及混合扩频。 其中，最常用的是直接序列扩频和跳频。在具体的实现方法上：直 序扩频在发送端，将信息码序列与伪随机序列实施扩频运算( 模二加) 成为复合序列后发送；接收端，再用与发送端相同的伪随机序列和相同 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 的运算对接收到的宽带信号进行解扩处理，恢复原信息。干扰信号与伪 随机序列不相关，在接收端被扩展，落入信号频带内的干扰功率大大降 低。跳频扩频用伪随机序列来选择信道；在伪随机序列的控制下，发射 载频在一组预先规定的频率上按所规定的顺序离散跳变。 这两种系统的抗干扰机理不同，直扩系统靠伪随机码的相关处理， 降低进入解调器的干扰功率来达到抗干扰的目的；而跳频系统是靠载频 的变化，将干扰排斥在接收通道之外来达到抗干扰的目的。因而它们各 有各自的长处与不足： ( 1 ) 抗强的固频干扰。虽然直扩系统具有一定的处理增益，但对于超 过干扰容限的干扰就显得无能为力了；而跳频系统是采用躲避的方法抗 干扰，因而在抗强的固频干扰信号时，跳频优于直扩。 ( 2 ) 抗衰落特别是抗选择性衰落时直扩优于跳频，这是由于直扩系统 的射频带宽很宽，小部分频谱衰落不会使信号产生严重歧变，而跳频系 统将导致部分频率受到影响。 ( 3 ) 抗多径。由于直扩系统要用伪随机码的相关接收，只要多径延时 大于一个伪随机码的切普宽度，这种多径不会对直扩系统形成干扰，甚 至可用利用这些多径能量来提高系统性能；而跳频系统由于没有像直扩 系统那样的保护措施，因而对多径显得无能为力，抗多径的惟一办法是 调高跳频速率，但这又加大了系统的难度。故直扩优于跳频。 ( 4 ) “远一近 效应。“远一近”效应对直扩系统影响很大，而对跳 频系统的影响就小的多。这是因为虽然直扩系统有一定的处理增益，但 由于有用信号的路径衰减很大，接收机由于距离关系，干扰信号可能比 有用信号要强的多。如果其超过干扰容限就会干扰到接收机的正常工作。 而跳频采用躲避的方法，不在同一频率工作，接收机前端电路对干扰衰 减很大，因而构成的威胁就小很多。 ( 5 ) 同步。由于直扩系统的伪随机码速率比跳频的伪随机码速率要高 很多，而且码也长的多，因此，直扩系统的同步精度要求高，因而同步 时间也长，入网慢。直扩同步时间一般在秒级，而跳频可用在毫秒级完 成，因此，跳频优于直扩。 ( 6 ) 信号处理。直扩系统一般采用相干检测，而跳频系统由于频率不 断变化，频率的跳变需要一定时间，因而多采用非相干检测。从性能上 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 看，直扩系统利用了频率和相位信息，性能优于跳频；但从实现来看， 相干检测需要恢复载波，必然要求增加系统的复杂程度，恢复载波的频 率和相位偏差，又会降低系统性能，在一些对设备要求严格的场合，如 移动通信，就难满足要求。 ( 7 ) 多网工作。直扩系统和跳频系统都有很强的多址能力，频谱利用 率相对于单载波系统而言，可能还要高些。就跳频和直扩而言，跳频的 组网能力较直扩强，频谱利用率较直扩高。 ( 8 ) 兼容。兼容是现代通信必须考虑的问题，而且是对系统提出的一 个重要的性能指标，在这个问题上，跳频比直扩更为灵活。 ( 9 ) 通信安全保密。扩频系统本身具有很好的保密功能，但就直扩和 跳频而言，直扩信号谱密度低，信号淹没在噪声之中，可防窃听、防测 向，是不可见的而跳频系统虽然在很宽的频带上跳变，但其瞬时功率谱 是较大的，是可见的，因而性能不如直扩。 3 3 2 直扩系统的组成及工作原理 直接序列扩频系统又称为直接序列调制系统或伪噪声系统( p n 系 统) ，简称为直扩系统，是目前应用较为广泛的一种扩展频谱系统。人们 对直接序列扩频系统的研究最早，研制出了许多直扩系统，如美国的国 防卫星通信( a n v s c 一2 8 ) 、全球定位系统( g p s ) 、航天飞机通信用的 跟踪和数据中继卫星系统( t d r s s ) 等都是直接序列扩频技术应用的实例。 直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机( p n ) 序列扩展到一个 很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机序列对接 收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信号。干扰信号由于与伪 随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率 大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目的。 图3 3 为直扩系统的组成原理框图。由信源输出的信号a ( t ) 是码元 持续时间为t a 的