2、物理层基础：传输介质与信号调制
各位同学，咱们今天聊聊物理层。说白了，就是信号到底怎么从车上跑到地面，又从地面跑回车上。我做了十几年信号系统，见过太多因为物理层没选好、没调好，导致整个系统跑不起来的案例。所以这一章，咱们把底子打扎实。
2.1 传输介质：三种主流选择
ATO系统跟地面通信，介质就那么几种。我按使用频率排个序：无线、漏缆、轨旁电缆。每种都有它的脾气。
2.1.1 无线通信（WLAN / LTE）
现在的新线路，90%以上都用无线。为什么？省成本，好维护。你想想看，不用铺电缆，不用挖沟，多省事。
但无线有个毛病——不稳定。我记得有一次在华东某条线上调试，列车一进隧道，信号直接掉到-90 dBm，丢包率飙到30%。后来发现是隧道里的反射波把信号搅乱了。嗯，这里要注意：
- 频段选择：国内常用2.4 GHz和5.8 GHz。2.4 GHz穿墙好，但干扰多（蓝牙、WiFi都挤在这）。5.8 GHz干净，但衰减快。我个人习惯，隧道里优先用5.8 GHz，配合定向天线。
- 覆盖设计：直线段每200-300米一个AP。弯道要加密，我见过最夸张的，一个90度弯放了3个AP才搞定。
- 冗余：必须双网冗余。一个AP挂了，另一个立刻顶上。切换时间不能超过50 ms，否则ATO会报通信超时。
关键指标：
- 接收灵敏度：≤ -85 dBm（建议值）
- 丢包率：≤ 0.1%
- 传输时延：≤ 20 ms（单程）
2.1.2 漏缆（泄漏同轴电缆）
漏缆这东西，老工程师都熟悉。它本质上就是一根开了槽的同轴电缆，信号从槽缝里漏出来，像个长条形的天线。
什么时候用漏缆？隧道里、弯道多的地方、或者电磁环境特别复杂的区域。我曾经在一条老线改造时，无线怎么调都调不好，最后换成漏缆，问题全解决了。
漏缆的安装有讲究：
- 离轨面高度：2.5米左右（太高铁轨吸收太多，太低容易被列车刮到）
- 离列车天线距离：0.5-1.5米最佳
- 每500米需要加一个中继器，补偿信号衰减
我的经验：漏缆的槽缝方向一定要朝向列车。我见过有人装反了，信号全往墙上打，列车上一格信号都没有。装完后记得用频谱仪扫一遍，确认覆盖均匀。
2.1.3 轨旁电缆（环线 / 感应电缆）
这是最老的方式了，现在新线基本不用。但有些改造项目、或者特殊路段（比如道岔区），还是会见到。
轨旁电缆铺在轨枕之间，列车底部有个感应线圈，通过电磁耦合传数据。优点是抗干扰强，缺点是速率低（一般也就几十kbps），而且容易断。我记得有一次，工务段换轨枕，直接把电缆挖断了，我们连夜抢修……
| 介质类型 | 典型速率 | 传输距离 | 抗干扰 | 成本 |
|---|---|---|---|---|
| 无线 | 1-100 Mbps | 200-300 m/AP | 中 | 低 |
| 漏缆 | 1-50 Mbps | 500 m（需中继） | 高 | 中 |
| 轨旁电缆 | 10-100 kbps | 1-2 km | 极高 | 高 |
2.2 信号调制方式：FSK 与 QPSK
介质选好了，接下来就是怎么把数据“装”到信号上。这就是调制。ATO系统里最常用的两种：FSK 和 QPSK。
2.2.1 FSK（频移键控）
FSK 的原理很简单：用两个不同的频率代表 0 和 1。比如 1.7 MHz 代表 0，2.1 MHz 代表 1。接收端一测频率，就知道发的是什么。
为什么老系统爱用 FSK？因为它抗干扰强。频率偏移不容易被噪声影响。我最早接触的某进口系统，用的就是 FSK，速率只有 9.6 kbps，但稳如老狗，从来没丢过包。
FSK 的缺点也很明显：速率上不去。你想想看，一个符号只能传 1 个比特，效率太低了。所以现在只有低速信令还在用。
典型参数：
- 中心频率：1.9 MHz
- 频偏：±200 kHz
- 速率：9.6 kbps - 19.2 kbps
- 适用场景：轨旁电缆、低速信令
2.2.2 QPSK（正交相移键控）
QPSK 就高级一些了。它用 4 种不同的相位，每个符号传 2 个比特。比如 0° 代表 00，90° 代表 01，180° 代表 10，270° 代表 11。同样的带宽，速率翻倍。
现在主流的无线 ATO 系统，几乎都用 QPSK 或者更高阶的调制（比如 16QAM）。但要注意，QPSK 对信噪比要求更高。信号稍微差一点，相位就偏了，误码率直线上升。
我曾经在一条线上遇到过：列车静止时 QPSK 好好的，一跑起来就丢包。后来发现是多普勒频移把相位搞乱了。解决方案是加了个锁相环，实时跟踪频率变化。
避坑指南：QPSK 的相位噪声很敏感。如果你发现误码率忽高忽低，先查本振源的相位噪声指标。我曾经被一个劣质晶振坑了整整一周，换掉后问题消失。
| 调制方式 | 每符号比特数 | 抗干扰能力 | 典型速率 | 适用介质 |
|---|---|---|---|---|
| FSK | 1 | 强 | ≤ 19.2 kbps | 轨旁电缆、漏缆 |
| QPSK | 2 | 中 | 1-10 Mbps | 无线、漏缆 |
2.3 接口标准：RS-485 与 以太网
信号调好了，怎么跟设备对接？这就涉及到接口标准了。地面设备和车载设备之间，最常用的就是 RS-485 和 以太网。
2.3.1 RS-485
RS-485 是个老标准了，但至今还在大量使用。为什么？因为它简单、可靠、传输距离远。差分信号传输，抗共模干扰能力强，最远能到 1200 米。
ATO 系统里，RS-485 通常用在轨旁设备之间，比如信号机、计轴器、应答器这些。我见过最典型的用法：一个 RS-485 总线上挂 32 个设备，轮询通信，速率 115.2 kbps，跑了好几年没出过问题。
但 RS-485 有个坑：终端电阻。总线两端必须各加一个 120 欧姆的电阻，否则信号反射会导致误码。我见过有人忘了加，结果总线长度超过 200 米就开始丢数据。
我的习惯：RS-485 的 A/B 线一定要双绞，而且屏蔽层单端接地。我曾经在一条线上，施工队把屏蔽层两端都接地了，结果形成地环路，干扰大得没法用。
2.3.2 以太网
现在的新系统，以太网是主流。100 Mbps 甚至 1 Gbps 的速率，跑 TCP/IP 协议栈，想传什么传什么。ATO 的车地通信，现在很多都走以太网了。
但以太网在轨道交通环境里有个问题：工业级要求。普通商用的交换机，在振动、高温、电磁干扰下很容易挂。所以必须用工业级交换机，支持 -40°C 到 +75°C，防护等级 IP40 以上。
另外，以太网的线缆也有讲究。轨旁环境，我建议用 CAT6A 或者 CAT7 的屏蔽网线，或者干脆上光纤。光纤不怕电磁干扰，而且传输距离远（单模能到 10 km 以上）。
接口对比：
- RS-485：半双工，多点，距离远，速率低（≤ 10 Mbps），适合控制信令
- 以太网：全双工，点对点或交换网络，速率高（100 Mbps+），适合大数据量
- 光纤：抗干扰极强，距离极远，成本高，适合骨干网
好了，物理层的基础就这些。说白了，选介质看环境，选调制看速率，选接口看设备。下一章咱们聊数据链路层，看看怎么把物理层传过来的比特流，组装成有用的数据帧。