铁路区间光纤通信系统研究

以下是关于铁路区间光纤通信系统研究的介绍

1 铁路区间通信系统光纤数字化面临的难题

铁路区间光纤通信系统实际上属于分布式多址光接人通信方式，传输中可以采用时分、频分和波分复用等不同形式。研究的核心是以光纤取代铜芯电缆.以节约成本.提高通话质量，并扩充宽带数字接入能力。因此，在满足系统应用需求条件下，采用最能节省成本、降低经济投入的铁路区间光纤通信系统的构成方案与传输体制，才是本项目研究的关键所在。从实际需求来看.铁路区间通信系统光纤数字化面临的技术难点主要体现在以下两个方面：

①由于《铁路运输通信设计规范》的要求，两车站之间在原来通话柱处必须设置无源光接口以替代区间通话柱实现的功能，所以无源光接口众多，由此引入的损耗将远远大于两车站之间光纤损耗，这成为制约区间光纤通信系统接入与组网方式的重要因素。因此，需要对各个光接口位置光器件参数进行全局性优化设计.降低接入损耗，实现来自不同光接口的信号光功率在全光纤链路上的均衡。

②区间设备属于即插即用设备，它的接入与否，不能影响区间的正常通信功能，这样，选择合适的光信号复用方式，避免来自不同无源光接口信号之间的碰撞、冲突或干扰至关重要。若采用光波分复用方式，现有技术条件具备，通过简单的技术集成就能实现，

帐小舟：铁路区间光纤通信系统研究缺点是成本太高。若采用光时分复用方式.由于现有技术是在电域首先进行时分复用，然后再对复用后的信号进行光调制，并不适用于来自区间多个无源光接口的光信号之间的时分复用，只有在光域直接完成时分复用，这就面临着巨大的挑战.目前并没有公开的技术方案或成熟产品可供借鉴，因此，需要从底层开始研发，进行技术创新。

2 铁路区间光纤通信系统的构成

根据目前铁路区间通信体系的特点将整个系统分为两大部分：端站设备和区间设备，两者之间通过光纤链路构成传输系统。

端站设备放置于铁路车站，由光电转换、业务功能、控制处理等单元模块组成.接入车站内需要和区间联系的各种业务，并对区间设备进行控制和管理是整个系统的主控设备。

区间设备属于即用即插设备，由光同步检测、信道复用与解复用、光电接口、El接口、低噪声话筒前置放大、音频功率放大、音频AD和DA变换、PCM编解码、键盘、显示和电源等模块单元组成，主要实现铁路区间语音通信、数据和图像业务传功能。

光纤链路是业务传输的通道.可承载不同业务种类，包括不同柱间互通、呼叫值班员、区间直通、传送区间的数据和图像等业务，不同业务可同时进行，互不干扰。如图1所示。

图1 铁路区间光纤通信系统组成示意图

3 端站设备的设计与实现

端站设备是车站与区间实现通信的控制中心。主要负责对主控端的功能控制、对区间终端的呼叫应答及各个模块的信道协调分配.将来自区间光纤的光信号转为电信号，将送往区间光纤的电信号转为光信号，实现不同类型业务的分离、识别和控制，并提供各种业务接口。

3.1端站设备与区间终端的通信实现

端站设备与区间终端的通信主要依靠协议通道.主控设备与区间接人点的终端之间的协议通信.在单独划分出的协议通道中完成.主控设备作为协议通道中的主机设备，负责分配信息通道，各终端的从机设备，由主机进行信息广播或轮询，从机进行应答。终端可以随时接入和断开。终端接入后，主机为其动态分配ID号，实时查询终端状态、业务请求等信息。3.2端站设备的主控制板与业务板间的通信实现

端站设备由2个主控板（一个备用）和多个业务板组成，针对同业务需求，可以扩展多个业务板，最多可扩展15个不同类型的业务板.主控板与多块业务板构成多机收发网络。主控设备板与业务板之间通过RS-485接口完成对业务板的状态查询、线路设置、信道选择及呼叫轮询等功能操作，它实时地监控各个业务板的工作状态及呼叫请求.一旦检测到业务板的呼叫请求，即对泵统中的信道占用情况进行分析，若信道空闲，则即时的分配给目标业务板，否则保持业务板等待状态直到信道空闲。

3.3业务板的设计与实现

业务板设计从两个方面考虑.一是与主控板实现正常通信，PCM数字通道和RS485总线接口符合主控板规范要求；二是自身业务功能和外部接口的实现。由于POTS口业务板相对复杂一些.这里以POTS口业务板为例，介绍业务板的设计与实现。

系统主要由POTS口模块、PCM音频编解码、音频AD和DA变换这几部分组成。POTS口模块一方面与外界电话线连接，一方面与内部电路进行交互。电话线下来的语音信号经过POTS口模块进行下一步处理，而业务板的语音信号也必须经过POTS口模块才能送上电话线。POTS口模块的下来的语音信号进行AD变换、PCM音频编码，经总线送入数字通道：来自数字通道的数字语音信号，经过PCM音频解码、DA变换后还原为模拟音频，再送入POTS口模块。POTS口模块包括振铃检测、开关电路、电话音频信号传输、消侧音等几个子功能模块组成。

振铃检测模块主要由振铃检测电路，以及单片机控制电路组成。振铃检测芯片与外边电话线直接相连，当外部有电话打入时，电信交换局发送交流铃流信号，振铃检测芯片检测到铃流信号时，会发送一个高电平信号给89S52单片机，单片机根据此信号将继电器开关导通，模拟摘机动作。然后交换机就能立刻检测到本地用户直流环路电流的变化.继而进行截铃和通话接续处理。

接通通话后的主叫音频信号通过极性转换电路送往通信电路。通信电路主要由消侧音电路以及发送和接收放大器组成。因为消侧音电路是通话电路的核心部分。为了消除侧音，采用桥式电路进行处理。

4 区间终端的设计与实现

区间终端设备通过区间无源光接口的接入设备。主要功能是将来自车站的光信号，首先通过光电转换模块接收，转为电信号并放大处理.然后由光同步检测控制、解复用单元分离出通道信息。送往车站的信号，在光同步检测单元的控制协调下、经电光转换，在光域复用进入通道所在时隙通道。对于协议通道和业务通道.通过安排不同的时隙通道来划分，由于在时隙通道上传送的是数字信号，所以对于语音业务，设计有音频AD和DA变换单元来进行转换。El接口提供的2M数据业务和64k语音业务占用的是不同时隙，可同时进行传输。为了避免来自不同无源光接口信号之间的碰撞、冲突或干扰，必须实现光信号的同步检测和控制。主要通过ASIC芯片技术，设计外围硬件电路和内部核心软件，将光同步检测控制、信道复用与解复用功能集成在一片大规模可编程芯片上，并提供与微处理器的协议总线接口和64k、2M输入输出数据通道。如图2所示。

图2 光同步检测与控制核心模块

图2给出的是光接口处的情况，最上面的线表示光纤.一直处于通路状态。没有区间终端设备接入时，系统保持正常运行：若区间终端设备接入时，右边上行支路光纤输入的光信号必须与主通道光纤保持同步，插入到它自己拥有的时隙中，这样就不会对主通道形成干扰，从而保证系统正常运行。

光同步检测与控制核心模块工作原理是：下行光纤支路输出的光信号经光电变换进入核心模块以后，在光同步检测与控制单元协调下.经过解复用单元将协议信号、64k和2M数据分离.送入各自的总线接口输出；同样，来自各输入接口的功协议信号、64k和2M数据则在光同步检测与控制单元协调下，经过复用单元合成，经电光变换由上行支路光纤进入主通道。复用单元完成的只是内部时隙之间的复用.上行支路信号与主通道信号的复用是在光域直接进行的.通过光同步检测与控制单元，在正确的时间，将上行支路信号插入正确的时隙。5结束语

铁路区间通信在光域完成光的时分复用.在降低成本的同时，避免来自铁路区间多个不同无源光接口信号之间的碰撞，完成光的复用功能。通过在昆明铁路局现场试验证明.采用本文提供的解决方案，从功能上完全满足目前我国铁路区间通信的要求，光通信的通话质量也优于目前铜芯电缆通信。

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