北京交通大學(xué)2025年信息與通信工程（軌道交通通信）專業(yè)歷年考試題目及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述信號(hào)時(shí)域分析和頻域分析的主要區(qū)別和聯(lián)系。在分析通信系統(tǒng)性能時(shí)，為何兩種分析方法都具有重要意義？二、解釋什么是奈奎斯特率（NyquistRate）和奈奎斯特間隔（NyquistInterval）。若一個(gè)帶寬為BHz的低通信號(hào)，其頻譜在(B,2B)Hz范圍內(nèi)為零，為了無失真?zhèn)鬏斣撔盘?hào)，抽樣率應(yīng)滿足什么條件？簡要說明理由。三、比較并說明調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和相移鍵控（PSK）三種調(diào)制方式的主要區(qū)別，包括對(duì)發(fā)射功率、帶寬效率、抗噪聲性能等方面的不同。在軌道交通通信中，為何FM和PSK類調(diào)制技術(shù)相對(duì)AM更為常用？四、GSM-R是軌道交通通信中廣泛采用的一種無線通信系統(tǒng)。簡述其核心的組網(wǎng)架構(gòu)特點(diǎn)，并說明移動(dòng)性管理（如切換）和無線資源管理（如時(shí)分多址TDMA）在該系統(tǒng)中的重要作用。五、什么是碼分多址（CDMA）技術(shù)？簡述其基本原理，并說明它如何實(shí)現(xiàn)多用戶共享同一頻譜資源。與TDMA相比，CDMA在減少干擾和提高系統(tǒng)容量方面有何優(yōu)勢(shì)？六、簡述專用無線通信（FRMCS）系統(tǒng)在軌道交通通信中的應(yīng)用場景及其關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)。與GSM-R相比，F(xiàn)RMCS在哪些方面可能具有優(yōu)勢(shì)？七、列控通信（如CTCS）是保障軌道交通安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)。簡述其基本的列車運(yùn)行控制原理。在該系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)需要滿足哪些特殊的要求（例如，傳輸時(shí)延、可靠性和可用性）？八、解釋什么是電磁兼容性（EMC）。在軌道交通環(huán)境中，列車運(yùn)行、信號(hào)設(shè)備、通信設(shè)備等會(huì)產(chǎn)生哪些主要的電磁干擾源？為提高軌道交通通信系統(tǒng)的EMC能力，可以采取哪些主要的抑制措施？九、簡述漏纜在軌道交通通信系統(tǒng)（尤其是在隧道內(nèi)）中的應(yīng)用原理及其主要優(yōu)缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的地面無線通信方式相比，漏纜通信在覆蓋范圍和信號(hào)穩(wěn)定性方面有何特點(diǎn)？十、隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能化運(yùn)維在軌道交通中越來越重要。簡述如何利用通信系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。這需要通信系統(tǒng)具備哪些能力？可能面臨哪些挑戰(zhàn)？十一、假設(shè)一個(gè)軌道交通通信系統(tǒng)需要傳輸語音和低速數(shù)據(jù)。請(qǐng)簡述該系統(tǒng)可能采用的一種綜合業(yè)務(wù)接入方案。說明該方案如何區(qū)分和傳輸不同類型的數(shù)據(jù)流，并保證服務(wù)質(zhì)量（QoS）。十二、結(jié)合當(dāng)前通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，簡要論述未來軌道交通通信技術(shù)可能的發(fā)展方向，例如在帶寬、速率、移動(dòng)性、智能化等方面。試卷答案一、信號(hào)時(shí)域分析直接研究信號(hào)隨時(shí)間變化的特性，而頻域分析則研究信號(hào)包含哪些頻率分量及其強(qiáng)度。時(shí)域分析直觀展示信號(hào)波形，頻域分析揭示信號(hào)的頻率構(gòu)成。兩者通過傅里葉變換建立聯(lián)系，互為逆變換。在通信系統(tǒng)性能分析中，時(shí)域分析可用于觀察信號(hào)失真、干擾等波形變化，頻域分析則用于分析信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)、信道帶寬、濾波器特性、干擾頻率等，兩者結(jié)合能全面評(píng)估系統(tǒng)性能。二、奈奎斯特率是指為了無失真?zhèn)鬏斠粋€(gè)帶寬為BHz的模擬信號(hào)，所需的最小抽樣頻率fs。奈奎斯特間隔是抽樣頻率的一半，即fs/2。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，若抽樣率fs≥2BHz，信號(hào)就能被無失真地恢復(fù)。因此，對(duì)于該帶寬為BHz且頻譜在(B,2B)Hz為零的低通信號(hào)，其最小抽樣率fs應(yīng)≥2BHz。這是因?yàn)槌闃宇l率必須高于信號(hào)最高頻率分量才能避免頻譜混疊，保證信號(hào)信息不丟失。三、調(diào)幅（AM）將信息信號(hào)疊加在載波的幅度上，帶寬約為2BHz(B為信息帶寬)，功率主要集中在載波上，帶寬效率較低，抗噪聲能力較差，發(fā)射功率較大。調(diào)頻（FM）將信息信號(hào)疊加在載波的頻率上，帶寬由卡森公式?jīng)Q定，約為2(Δf+B)Hz(Δf為頻率偏移)，帶寬效率相對(duì)較高，抗噪聲能力較強(qiáng)，但發(fā)射功率也較大。相移鍵控（PSK）通過改變載波的相位來傳輸信息，根據(jù)相位數(shù)量不同，帶寬與信息帶寬B成正比。PSK的抗噪聲性能優(yōu)于AM，功率效率相對(duì)較高。在軌道交通通信中，列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對(duì)通信的可靠性、抗干擾能力要求高，且移動(dòng)速度可能較快需要較寬的帶寬，因此FM和PSK類調(diào)制技術(shù)因其較好的抗干擾性和相對(duì)合適的帶寬特性，比功率效率相對(duì)較低且?guī)捁潭ǖ腁M更為常用。四、GSM-R的核心組網(wǎng)架構(gòu)特點(diǎn)包括：基于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）的GSM-R標(biāo)準(zhǔn)的專用無線通信網(wǎng)絡(luò)；采用類似公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（PLMN）的層級(jí)結(jié)構(gòu)，包括核心網(wǎng)（CN）和無線接入網(wǎng)（RAN）；RAN通常采用基站（BS）或節(jié)點(diǎn)B（NodeB）作為無線接入點(diǎn)。移動(dòng)性管理在該系統(tǒng)中至關(guān)重要，它負(fù)責(zé)處理列車在不同基站覆蓋區(qū)域移動(dòng)時(shí)，保持連續(xù)通信的切換（Handover）過程，確保列車運(yùn)行的安全和通信不中斷。無線資源管理（如TDMA）則負(fù)責(zé)在共享的無線信道上，高效分配時(shí)隙資源給不同用戶（如列車控制、行調(diào)、乘客信息等），保證各業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）和系統(tǒng)容量。五、碼分多址（CDMA）技術(shù)是一種擴(kuò)頻通信技術(shù)。其基本原理是：所有用戶可以使用相同的頻率進(jìn)行通信，但每個(gè)用戶都分配一個(gè)獨(dú)特的、相互正交的碼序列（偽隨機(jī)碼，如m序列）。發(fā)送時(shí)，用戶將信息數(shù)據(jù)與自己的碼序列進(jìn)行點(diǎn)乘擴(kuò)展，再疊加在載波上發(fā)送；接收時(shí)，基站使用與發(fā)送用戶相同的碼序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算（點(diǎn)乘積分），由于其他用戶的碼序列與接收信號(hào)不相關(guān)，其積分結(jié)果為零，而目標(biāo)用戶信號(hào)的積分結(jié)果則與發(fā)送功率成正比，從而實(shí)現(xiàn)用戶分離和解調(diào)。CDMA通過碼分實(shí)現(xiàn)多用戶共享同一頻譜資源，用戶間干擾主要來自碼間干擾（ISI）而非鄰道干擾。與TDMA（時(shí)分多址）相比，CDMA用戶間干擾較小，可以在相同帶寬內(nèi)支持更多用戶，系統(tǒng)容量更大，且切換速度快，功率控制相對(duì)簡單。六、專用無線通信（FRMCS）系統(tǒng)是為軌道交通量身定制的無線通信系統(tǒng)，通?；趯Ｓ脭?shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)（如中國的CTCS-2/3中的無線通信部分）。其應(yīng)用場景主要包括：承載列車控制信息（如C2業(yè)務(wù)）、行調(diào)命令、列車狀態(tài)報(bào)告等關(guān)鍵業(yè)務(wù)；提供列車與地面之間的高可靠、低時(shí)延、大帶寬的無線連接。FRMCS的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)包括：采用數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)；具備高可靠性和高可用性設(shè)計(jì)，滿足鐵路安全等級(jí)要求；支持不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸；具備完善的移動(dòng)性和切換機(jī)制。與GSM-R相比，F(xiàn)RMCS更專注于鐵路特定業(yè)務(wù)需求，通常具有更高的可靠性、更低的傳輸時(shí)延（尤其對(duì)于控制業(yè)務(wù)）、更強(qiáng)的抗干擾能力和更完善的鐵路應(yīng)用功能集，是為鐵路通信環(huán)境量身定制的解決方案。七、列控通信（如CTCS）的基本列車運(yùn)行控制原理是：地面列控中心（或區(qū)間信號(hào)設(shè)備）根據(jù)線路狀況和列車位置信息，計(jì)算并生成授權(quán)的速度曲線，通過無線通信方式（FRMCS或其他專用無線系統(tǒng)）實(shí)時(shí)下發(fā)給列車。列車接收并執(zhí)行該速度曲線，限制列車的運(yùn)行速度，確保列車在安全間隔內(nèi)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)列車間的自動(dòng)防護(hù)和運(yùn)行控制。在該系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)需要滿足極高的可靠性（如要求“五倍冗余”或更高）、極低的傳輸時(shí)延（控制指令需在毫秒級(jí)內(nèi)傳輸）、極高的數(shù)據(jù)傳輸可用性（確保持續(xù)穩(wěn)定通信）以及抗干擾能力等特殊要求，因?yàn)槿魏瓮ㄐ胖袛嗷蝈e(cuò)誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的運(yùn)行事故。八、電磁兼容性（EMC）是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在其預(yù)定工作環(huán)境中，既能正常工作，又不對(duì)其他設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生不可接受的電磁干擾的能力。在軌道交通環(huán)境中，主要的電磁干擾源包括：高速行駛的列車及其受電弓產(chǎn)生的電弧和電磁場；大功率牽引變電所和整流站；各種大功率電子設(shè)備（如列車空調(diào)、照明、控制單元）；高壓電纜和信號(hào)設(shè)備；雷電活動(dòng)等。為提高軌道交通通信系統(tǒng)的EMC能力，可以采取的主要抑制措施包括：對(duì)設(shè)備進(jìn)行良好的接地設(shè)計(jì)；采用屏蔽措施（如屏蔽電纜、屏蔽室）；合理布局設(shè)備，減少信號(hào)耦合；使用濾波器抑制干擾頻率；加強(qiáng)設(shè)備內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)和布局，降低自身輻射；進(jìn)行嚴(yán)格的EMC測試和認(rèn)證。九、漏纜是一種特殊的通信電纜，其結(jié)構(gòu)中包含內(nèi)外導(dǎo)體之間的空隙或金屬編織層，使得電磁波能夠沿著電纜外表面?zhèn)鞑ァＢ├|在軌道交通通信系統(tǒng)（尤其是在隧道內(nèi)）中的應(yīng)用原理是：利用漏纜將電磁能量輻射到隧道環(huán)境中，形成覆蓋整個(gè)隧道或特定區(qū)域的連續(xù)無線信號(hào)覆蓋，接收設(shè)備（如車載電臺(tái)）直接接收漏纜輻射的信號(hào)。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：能提供連續(xù)、均勻的信號(hào)覆蓋，不受隧道形狀變化影響；抗干擾能力較強(qiáng)，不易受外部無線信號(hào)干擾；鋪設(shè)相對(duì)靈活，可沿隧道壁敷設(shè)。主要缺點(diǎn)包括：成本較高；傳輸損耗相對(duì)較大，帶寬通常有限（早期產(chǎn)品）；信號(hào)覆蓋范圍和強(qiáng)度受漏纜參數(shù)和安裝方式影響。與傳統(tǒng)的地面無線通信方式（如地面基站）相比，漏纜通信特別適用于覆蓋地下、封閉或屏蔽性強(qiáng)的環(huán)境（如隧道），能夠克服隧道對(duì)無線信號(hào)傳播的阻礙，提供穩(wěn)定可靠的通信。十、利用通信系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，通常涉及以下方面：通過在關(guān)鍵設(shè)備（如通信基站、電源、傳輸設(shè)備）上安裝傳感器或利用設(shè)備內(nèi)置的監(jiān)測接口，采集運(yùn)行參數(shù)（如電壓、電流、溫度、告警信息、性能指標(biāo)等）；將這些數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)的監(jiān)測中心；在監(jiān)測中心利用數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)（如大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)算法），對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、趨勢(shì)預(yù)測和異常檢測；當(dāng)檢測到異常狀態(tài)或潛在故障時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出告警，并可能進(jìn)行故障定位和初步診斷；維護(hù)人員根據(jù)告警和診斷信息，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)或故障處理。這需要通信系統(tǒng)具備高可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力、低延遲、大帶寬（以傳輸大量監(jiān)測數(shù)據(jù)）、良好的網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)分析接口等能力。可能面臨的挑戰(zhàn)包括：海量數(shù)據(jù)的處理和管理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性要求高、分析算法的準(zhǔn)確性和效率、傳感器或監(jiān)測接口的部署和維護(hù)成本、數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)等。十一、一個(gè)軌道交通通信系統(tǒng)可能采用的一種綜合業(yè)務(wù)接入方案是基于時(shí)分多址（TDMA）或碼分多址（CDMA）擴(kuò)頻技術(shù)，并結(jié)合分組交換技術(shù)的混合接入方案。該方案的工作原理是：將總的無線帶寬劃分為多個(gè)時(shí)間片（TS）或碼信道，每個(gè)時(shí)間片或碼信道分配給一個(gè)或多個(gè)用戶使用。對(duì)于不同類型的數(shù)據(jù)流，采用不同的接入策略和資源分配方式：*語音業(yè)務(wù)：通常采用電路交換方式，為其分配固定的、持續(xù)的時(shí)間片或資源，保證低時(shí)延和恒定的帶寬，確保通話質(zhì)量。*低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如列車控制命令、狀態(tài)報(bào)告）：對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，可采用優(yōu)先級(jí)高的時(shí)隙分配或動(dòng)態(tài)分配的短時(shí)隙，確保其快速傳輸。*中高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如乘客信息系統(tǒng)、維護(hù)數(shù)據(jù)）：對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低，可采用分組交換方式，在空閑時(shí)間片或資源中傳輸數(shù)據(jù)包，按需分配帶寬，提高信道利用率。為了保證服務(wù)質(zhì)量（QoS），系統(tǒng)需要實(shí)施嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略，確保高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)（如列車控制）的傳輸優(yōu)先權(quán)；采用合適的流量控制機(jī)制，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞；提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾员Ｕ?。十二、結(jié)合當(dāng)前通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，未來軌道交通通信技術(shù)可能的發(fā)展方向包括：*帶寬和速率大幅提升：受益于5G/6G及更高階無線通信技術(shù)的發(fā)展，未來軌道交通通信將提供Gbps級(jí)別的帶寬，滿足高清視頻監(jiān)控、大規(guī)模傳感器數(shù)據(jù)傳輸、云化列車控制等高帶寬應(yīng)用需求。*移動(dòng)性支持能力增強(qiáng)：進(jìn)一步提升系統(tǒng)對(duì)高速、大曲率半徑、復(fù)雜移動(dòng)場景下的連接穩(wěn)定性和低時(shí)延性能，