摘 要:在广播线信道上选择合适的通信方式对保障铁路客车发电机监测系统稳定通信具有重要意义。结合广播线信道的强干扰性及衰减特性,基于正交频分复用(OFDM)通信方式,建立一个新的广播线信道简化模型。仿真结果表明,相比传统通信方式,OFDM通信应用于广播线通信信道上具有衰减较少,误码率较低的特性。
关键词:广播线; 铁路客车; 信道; OFDM
中图分类号:TN914-34文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)17-0057-02
Broadcast Cable Channel of Railway Carriage Based on OFDM Communication
LIU Qi, HOU Li
(Information Engineering College, Huangshan University, Huangshan 245021, China)
Abstract: Selecting an appropriate communication in the broadcast cable channel is of great importance to protect a stable communication of railway carriage generator monitoring system. In combination with strong interference and attenuation characteristics of the broadcast cable channel, a new simplified model of broadcast cable channel is set up based on OFDM communication. Simulation results show that OFDM communication is used in broadcast communication cable channel with less attenuation and low error rate compared with traditional means of communication.
Keywords: broadcast cable; railway carriage; channel; OFDM
0 引 言
铁路客车广播线信道作为铁路客车专用通信信道广泛使用于发电机监测系统[1]。由于客车广播线的使用环境特殊性,信号经常会在不定的频率范围内发生大辐度的非线性衰减,使其在通信信号受到严重的干扰,因此构建一个通用的广播线信道模型,并选择合适的通信方式将对广播线通信分析起到重要作用[2]。传统监测系统中多采用单载波调制模式[3],但当数据传输速率提高到一定程度时,码间干扰(ISI)会严重影响通信质量。本文采用的正交频分复用(OFDM)[4]技术将有助于降低客车广播线通信中的ISI,并整体提高数据传输的准确性[5]。
1 广播线信道模型
广播线信道的通信性能主要受5个因素影响:发送器输出阻抗不匹配、信道衰耗、噪声干扰、接收器输入阻抗不匹配、干扰的时变性[6]。由此可以构建广播线信道模型,如图1所示。
其中噪声包括背景噪声N(t)和脉冲噪声M(t)。除噪声外的所有衰耗可用频率响应时变线性滤波器来表征,即用Hi(f,t),Ho(f,t),Hchannel(f,t)来表征[7]。这些滤波器可并入单一的滤波器,由此构成了信道的简化模型,如图2所示。
图1 广播线信道模型
图2 广播线信道简化模型
由于广播线信道的多节点、多分支和不匹配性,使得信号具有多路传输特性,而且信号的衰耗随着频率的提高和距离的加大而增加[8],这样信道传输函数可用N条传输路径的叠加以及含有载波频率f,延时r,距离d,衰耗A的方程来表示,如式(1):
H(f)=∑Ni=1giA(f,di)exp(-j2πfτi)
(1)
式中:gi为路径i的衰落系数;τi为第i条路径的时延;A为信号衰减函数,由发送器与接收器之间的距离d和载波频率f决定,其表达式如式(2):
A(d,f)=exp[-(a0+a1fk)d]
(2)
式中:a0,a1为衰减系数;k为衰减因子的指数,在0.5~1之间;gi,a0,a1,k均可经过实际测量。运用统计规律确定h(t,τ)→H(f,τ)。
由于广播线信道的多径衰减和干扰,随着负荷终端运行环境的不同,有很大差别[9]。现基于OFDM的原理进行仿真,选择基于通用Remez算法的ChebyshevFIR带通滤波器,由两个滤波器模拟该信道,从而得到简化的信道模型,如式(3):
R(t)=a1S(t-τ1)+a2S(t-τ2)
(3)
式中:S(t)表示信道上调制后准备发送的码元;R(t)表示信道接收端接收到的码元;a1和a2分别是两条传播路径的衰减常数;τ1和τ2分别是两路传播路径的延迟常数,经多次反射后会产生很大的衰减,所以这里仅考虑两径信道的情况。
噪声同样简化分析,对于独立正弦波干扰,只要其频率点不和任何一个子载波频率相同,则其对通信的干扰忽略不计[10]。综上所述,广播线信道的数学仿真模型如式(4):
R(t)=a1S(t-τ1)+a2S(t-τ2)+N(t)
(4)
式中:N(t)表示信道的噪声。
2 仿真结果分析
在模拟500 m广播线通信信道的情况下,在信道上分别加载传统单载波调幅(ASK)、调频(FSK)信号及OFDM信号,在115.2 kHz载波频率下加载10 kHz高频干扰和500 Hz高强干扰模拟广播信号干扰,并基于Simulink进行仿真。仿真中采用2~20 dB以2递增的信噪比来仿真系统的通信性能。仿真结果如图3所示。相比传统ASK,FSK通信方式,OFDM通信方式的信号解调后衰减较少,误码率较低。
图3 通信仿真比较
3 结 语
基于OFDM通信方式,建立一个通用的铁路客车广播线通信信道模型。在模型上与传统的ASK,FSK通信方式进行比较,OFDM可有效降低广播线通信信道的误码率,提高广播线通信性能,增加通信的可靠性和有效性。
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