CN1053071C - 列车线路系统应用的电磁通信链路 - Google Patents

Abstract

供铁路或地铁列车的车厢之间进行通信用的通信链路。第一节车厢中的复用器复用代表车厢内部各种系统状态的数字信号，并处理成为第一数字列车线路信号。由发射机及其天线将信号从第一车厢发送到第二车厢。第二车厢经接收、解调后将它转换成为第二数字列车线路信号。由去复用器对它去复用成为第二节车厢上可读的数据。第一和第二节车厢各包含复用/去复用器和收发信机，使第一与第二车厢之间可相互通信。

Description

列车线路系统应用的电磁通信链路

本发明涉及一种新型的通信链路，可在诸如铁路或地铁列车之类的具有多节车厢的机车车辆的各车厢之间进行通信，具体涉及包含可在铁路或地铁列车的相邻车厢之间进行的自由空间无线电通信的通信链路。

为了适应系统变化(诸如载客量或货运量、路由、维护、乘务员或铁路车辆的可用性等的变化)的要求，多节车厢的铁路机车的车厢频繁地被联结和被脱开。在这个意义上说，不管考虑到铁路车辆小时、人员小时、停止服务小时还是别的方面，列车的组态和再组态代表整个列车运行中的有效调配。为此，这些组态过程必须尽量简单和自动化。

虽然列车是由多种不同类型的车厢组成的并在某些情况下某些组的车厢很少被脱开，但事实上大量的分别的联结和脱开每天都在进行着。现有系统中的这种例子已在1992年6月9日Demarais的美国专利5,121,410中描述了。从该专利的图4和图5中可以看出，车厢(车厢n-1、车厢n和车厢n+1)之间的通信线路是由绞线对构成的。

本发明致力于解决在不禁止列车车厢联结或脱开的情况下如何在车厢之间提供出充分的信息传输的问题。

本发明提出一种解决方案，在车厢之间提供高容量、高可靠性的信息传输。

多年来，设置在不同车厢上的设备之间以电信号形式进行的信息传输已是列车的一个共同特点。载送这些信号的电通路称为“列车线路”，它是由绑扎成捆的一捆电线构成的，每条导线在列车的整个长度上形成电气上连续的路径上被连接。

广义上说，应用列车线路的电气设备能以广泛的多种多样的方式相互间交互作用。例如，在一节车厢上的诸如开关之类的一个设备可用来控制多个类似的设备，例如列车上每节车厢中的电灯。再一个例子，可以在每节车厢上安装一种特定类型的传感器，如果在某节车厢里发生了情况，则传感器启动一个安装在火车驾驶室内的告警蜂鸣器。还可以有许多其它的配置。

在过去的20年中，先进技术带来的变化中的列车线路信息传输的要求对列车线路设计者提出了新的问题，亦即要考虑两个相关的因素，即信息容量和信息可靠性。

一般地说，铁路车厢之间传输的信息容量在过去的20年间业已增加。由于车上的列车系统能够在每节车厢里使用越来越多的电子的和电气的设备，因此这预示在未来的一段时间内信息容量还会不断增加。这个增加的信息流可以用两种方法来编址并可利用增加数量的导线来承载，或是每条导线须承载较大容量的信息。

在车厢之间信息传输的可靠性对于列车的安全和高效的列车运行是而且始终是至关重要的。在每节车厢内，可靠性是依靠提供机械上牢靠的常规的电气连接器(它们极少断开)来实现的。然而，对于邻接的车厢间的通信而言，邻接车厢上的连接元件必须能自动地、频繁地接通和脱开，这会使常规电气连接头有效性变差。

使用这样的连接元件引起许多问题，导致在地铁服务的中断率中占一个大的百分比。这些问题如下所述：

1.插接脚氧化造成电接触故障。

2.在插接脚脱开而裸露时因脏物、油脂和外来物质积聚在插接脚上造成电接触故障。

3.插接脚的管芯内部因积聚脏物、油脂和外来物质使插接脚弹回离开其正常位置而妨碍了电接触。

4.当异常大的电流不通过电气分路而通过连接头弹簧导致弹簧钢退火使弹簧弹性丧失和弹簧返回失效，因而妨碍了电接触。

所有上述问题会引起服务中断，并需要高费用的维护，因此必须定期地检查和清洁插接脚，以确保正确工作。

本领域的技术人员都知道，在列车的一个子组内和各子组之间的车厢之间，可应用光学设备来提供通信链路，这已在1987年7月21日Ochiai等人的美国专利4,682,144中描述了。这样的系统示在该专利的图4上。

无论是在地铁还是在铁路列车所处的环境，与光学系统有关的问题是该系统都工作在很脏的环境里，使光耦合器本身很快变脏。因光耦合器上会积聚脏物，故光传输的质量变差，还可能完全失效。对此，美国专利4,682,144的系统针对列车的子组的末端车厢之间提供通信链路并不是一种实际的解决办法。

在1976年11月30日Miller等人的美国专利3,994,459中，采用一种无线电系统在与列车脱开的一节车厢与该列车中其余车厢之间提供通信。然而，该专利并未讲述在列车各车厢之间应用无线电信号的任何其它的通信。

影响可靠性的另一个因素是上面提到的信息容量的增加。一般的情况是，随着信息容量增加，整体可靠性趋势下降。

总之，当前的列车通信系统力求用两种方法来提供可靠性：采用耦合器插接脚和电缆连接头。虽然，车厢之间采用电缆连接头的方法提供极好的可靠性，但它使联结和脱开车厢成为一个艰苦麻烦的过程。另一方面，尽管耦合器插接脚提供出优良的便利的操作，但它们需要大量的维护来保持适当的可靠性。耦合器插接脚易于对环境因素反应敏感，并还有其它问题。通信故障出现率最高，特别是间断性的故障都是由耦合器插接脚问题引起的。

导线数目的增加可进展到一点，但多种因素对这种方法将造成限制。在这些因素中最严重的是在车厢间有大量的电气连接，它们还须频繁地联接和拆开。这些连接最好是在可靠性与自动化之间取折中方案；当导线数目增加时，可靠性和/或自动化就会降低。

依靠每条导线来承载的日益增多的信息容量，消除了车厢之间的大量的电气连接。然而，由每条导线来运载高的信息容量，由于与通过耦合器插接脚的高容量信息流的当前技术状态相关联的可靠性问题，使这些连接易影响数据丢失和维护量的增加。

据此，本发明的目的是提供一种通信链路，用以在列车的车厢之间进行通信，且可克服先有技术的缺点。

本发明的较具体的目的是提供一种新型通信链路，它包含一个通过自由空间的无线电链路。

本发明的更具体目的是提供一种新型通信链路，它包含一种复用器和一种去复用器，设在列车的选定的一些车厢上。

根据本发明的具体实施例，在这里提供一种通信链路，允许在具有多节车厢的机车车辆的相邻车厢(3，5)之间进行通信，所述的通信链路包括：

(A)在所述车厢之中的至少第一节车厢上：

(i)一个第一复用/去复用装置(17’)，用于复用第一数字信号，所述的第一信号信号代表所述车厢的所述第一节车厢上各种系统的状态或控制信号，并用以将所述的第一数字信号处理成为第一数字列车线路信号；

(ii)第一装置(19’)，将所述的第一数字列车线路信号转换成为第一种电磁波信号；及

(iii)一个第一天线(83’)，安装在所述车厢的所述第一节车厢的一个端部上，用于发送所述的第二种电磁波信号；在使用中，所述的第一复用/去复用装置将第一种电磁波信号转换成为第二数字列车线路信号，以便提供第二数字信号，所述的第二数字信号代表所述的车厢(3，5)的第二节车厢上的各种系统的状态或控制信号；及所述的第一天线接收所述的第二种电磁波信号；

(B)在所述的车厢(3，5)的所述的第二节车厢上：

(i)一个第二复用/去复用装置(17”)，用于复用所述的第二数字信号，并将所述的第二数字信号处理成为第二数字列车线路信号；

(ii)第二装置(19”)，用于将所述的第二数字列车线路信号转换成为第二种电磁波信号；及

(iii)一个第二天线(83”)，安装在所述的车厢(3，5)的所述的第二节车厢的一端部上，该端部与所述的第一节车厢(5)上安装第一天线的那个端部邻接；在使用中所述的第二天线发送所述的第二种电磁波信号；所述的第二复用/去复用装置将所述的第一种电磁波信号转换成为所述的第一数字列车线路信号，以便提供第一数字信号，所述的第一数字信号代表所述车厢的所述第一节车厢上各种系统的状态或控制信号；及所述的第二天线接收所述的第一种电磁波信号；

借此，通过所述的第一和第二天线并利用自由空间的电磁波耦合，通信信号可以从所述的车厢的所述第一节车厢发送到所述的车厢的所述第二节车厢，也可从所述的车厢的所述第二节车厢发送到所述的车厢的所述第一节车厢；

(C)一个第一外壳(79’，81’，85’)，安装在所述的车厢的所述第一节车厢上，用以放置所述的第一天线；

一个第二外壳(79”，81”，85”)，安装在所述的车厢的所述第二节车厢上，用以放置所述的第二天线；

所述的第二外壳面向所述的第一外壳；

其特征在于：

所述的第一种和第二种电磁波信号具有射频频率；

所述的第一外壳包括：一个第一射频屏蔽装置，用于包围所述的第一天线；

所述的第二外壳包括：一个第二射频屏蔽装置，用于包围所述的第二天线；

所述的第一和第二外壳各自都包含：一个电磁开口端部，可让射频信号由此通过，所述的开口端部在物理上是被遮盖的；及

所述的第一和第二外壳都被安装得可使所述的第一外壳的开口端部在使用时面向所述第二外壳的开口端部，借此，射频信号可在所述的两外壳之间通过它们各自的电磁开口端部，从而同时防止所述的两个天线的寄生散射，还防止从所述两个外壳的外部接收寄生射频信号。

下面将结合以下附图参阅本文的描述便可较好地理解本发明：

图1示出一列列车中的两节“背对背”车厢和在这两节车厢之间的无线电链路以及由无线电链路链接的电路的示意图；

图2示出列车线路复用器(TMX)的详图；

图3A和图3B示出用于无线电链路收发信机(RLT)中发射机的两种调制方式；

图4示出RLT中接收机的一个具体实施例；

图5示出构成RLT一部分的双工器的安排；

图6示出在端部车厢之间的无线电链路的详图。

参照图1，自由空间通信链路15使车厢3与车厢5相互通信。这两节车厢各自包括一个列车线路复用器(TMX)17′、17″和一个无线电链路收发信机(RLT)19′、19″。

参照图2，复用器(TMX)17从不同的列车系统例如监测系统21、制动系统23、推进系统25、通风系统27和内部通信系统29接收数字信号样值。这些信号按预定的次序排列，组成一帧，它的长度例如是125μs。从图中可以看出，每帧在帧的起点含有一个帧同步信号。

然后，这些信号传送到发射机，发射机将它们经由通信链路发送到一个不同的但通常是相邻的列车车厢。

在接收端，去复用器向各种各样的列车系统亦即监测系统21、制动系统23、推进系统25、通风系统27和内部通信系统29提供数字信号。当然，复用系统和去复用系统是本领域的技术人员周知的，不需要进一步说明。

参照图3A和3B，TMX的输出馈送到RLT的调制单元。图3A示出一种直接调制单元，图3B示出一种间接调制单元。上述每个单元都包括一个线路接口31、41和一个信号处理器33、43。这些单元处理信号，将它们处理成供调制器应用的状态。为此，如果信号中有一长串0，则必须将该信号改成包含多个1和多个0，这样的修改在单元31、41和单元33、43中进行。

参看图3A，信号处理器33的输出馈送到调制器37，调制器37具有一个第二输入端，由一个射频发生器35馈送信号。调制器37的输出馈送到带通滤波器39，而带通滤波器39的输出馈送到图5中所示的一个双工器电路。

参看图3B，信号处理器43的输出馈送到调制器47，但此时对调制器47的第二输入端馈入中频信号源45来的信号。调制器47的输出再通过带通滤波器49，带通滤波器49的输出馈送到混频器53。混频器53的第二输入端馈入射频发生器51来的信号，混频器53的输出馈送到带通滤波器55。带通滤波器55的输出再馈送到双工器电路。

图4示出RLT的接收机部分的一个实施例。双工器电路的输出馈送到带通滤波器57，带通滤波器57的输出馈送到混频器59。然后，接收的信号与由射频发生器61施加到混频器59第二输入端上的射频信号混频。混频器59的输出馈送到带通滤波器63，带通滤波器63的输出馈送到解调器65。来自解调器65的同步信号馈送到符号和比特时钟恢复电路67，解调器65和符号机比特时钟恢复电路67两者的输出都馈送到信号处理器69。信号处理器69的输出馈送到线路接口71，线路接口71的输出73馈送到TMX。

图5示出双工器77、发射机73和接收机75，读者对此很容易看明白。

参看图6，在车厢7′和车厢7″之间的自由空间电磁链路15通过射频天线83′和83″起作用。在具体实施例中，天线83′和83″分别安装在外壳79′和79″内，外壳79′和79″是由例如聚碳酸酯材料的电介质材料制成的。每个外壳包含一个密封的盒子，用以保护天线免受湿气和水的损害。

金属屏蔽体81′和81″配置在外壳79′和79″周围。如图所见，屏蔽体并不延伸跨过外壳79′和79″的前方(也即两外壳部分相互面对)，但在天线周围延伸，以防止天线83′和83″来的射频信号不致从一个车厢到阵个车厢在任一方向上产生寄生散射，并且不允许天线拾取除另一端部车厢发射来的电磁信号之外的任何的电磁信号。

屏蔽体81′和81″还包括导体部件85′和85″，以防止向后面发射或者从后面接收。连接头电缆87′和87″将天线连接到它们各自的车厢内的RLT单元上。

耦合器安装在车厢的外部，当各车厢相互链接时，耦合器间相互紧密接合。它们是密封的，以防御水和湿气，并保护它们免受外壳79′和79″和屏蔽体81′和81″方面来的飞石的伤害。

尽管图6中示出的外壳对于特定类型的天线是必需的，但若天线足够小，则它们并不一定要用这样的外壳来保护。事实上，在某些情况下，有可能将外壳安装在车厢内部。因此，外壳只是用于特定的情况。

本发明的布局避免了插接脚和弹簧装置的实质性的缺点，亦即插接脚和弹簧装置工作在脏的环境中会失效。

虽然业已描述了一个具体的实施例，但这个实施例只是说明性的并不限制本发明。本领域内的技术人员容易想象出各种修改，但这些修改都归在所附的权利要求书限定的本发明的范围畴内。

Claims (2)

1.一种通信链路，允许在具有多节车厢的机车车辆的相邻车厢(3，5)之间进行通信，所述的通信链路包括：

(A)在所述车厢之中的至少第一节车厢上：

(i)一个第一复用/去复用装置(17’)，用于复用第一数字信号，所述的第一信号信号代表所述车厢的所述第一节车厢上各种系统的状态或控制信号，并用以将所述的第一数字信号处理成为第一数字列车线路信号；

(ii)第一装置(19’)，将所述的第一数字列车线路信号转换成为第一种电磁波信号；及

(iii)一个第一天线(83’)，安装在所述车厢的所述第一节车厢的一个端部上，用于发送所述的第一种电磁波信号；在使用中，所述的第一复用/去复用装置将第二种电磁波信号转换成为第二数字列车线路信号，以便提供第二数字信号，所述的第二数字信号代表所述的车厢(3，5)的第二节车厢上的各种系统的状态或控制信号；及所述的第一天线接收所述的第二种电磁波信号；

(B)在所述的车厢(3，5)的所述的第二节车厢上：

(i)一个第二复用/去复用装置(17”)，用于复用所述的第二数字信号，并将所述的第二数字信号处理成为第二数字列车线路信号；

(ii)第二装置(19”)，用于将所述的第二数字列车线路信号转换成为第二种电磁波信号；及

(iii)一个第二天线(83”)，安装在所述的车厢(3，5)的所述的第二节车厢的一端部上，该端部与所述的第一节车厢(5)上安装第一天线的那个端部邻接；在使用中所述的第二天线发送所述的第二种电磁波信号；所述的第二复用/去复用装置将所述的第一种电磁波信号转换成为所述的第一数字列车线路信号，以便提供第一数字信号，所述的第一数字信号代表所述车厢的所述第一节车厢上各种系统的状态或控制信号；及所述的第二天线接收所述的第一种电磁波信号；

借此，通过所述的第一和第二天线并利用自由空间的电磁波耦合，通信信号可以从所述的车厢的所述第一节车厢发送到所述的车厢的所述第二节车厢，也可从所述的车厢的所述第二节车厢发送到所述的车厢的所述第一节车厢；

(C)一个第一外壳(79’，81’，85’)，安装在所述的车厢的所述第一节车厢上，用以放置所述的第一天线；

一个第二外壳(79”，81”，85”)，安装在所述的车厢的所述第二节车厢上，用以放置所述的第二天线；

所述的第二外壳面向所述的第一外壳；

其特征在于：

所述的第一种和第二种电磁波信号具有射频频率；

所述的第一外壳包括：一个第一射频屏蔽装置，用于包围所述的第一天线；

所述的第二外壳包括：一个第二射频屏蔽装置，用于包围所述的第二天线；

所述的第一和第二外壳各自都包含：一个电磁开口端部，可让射频信号由此通过，所述的开口端部在物理上是被遮盖的；及

所述的第一和第二外壳都被安装得可使所述的第一外壳的开口端部在使用时面向所述第二外壳的开口端部，借此，射频信号可在所述的两外壳之间通过它们各自的电磁开口端部，从而同时防止所述的两个天线的寄生散射，还防止从所述两个外壳的外部接收寄生射频信号。

2.根据权利要求1所述的通信链路，其特征在于，所述的屏蔽装置包括：导体元件，用于防止反向传输或从后部接收。

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