Modelado y validación de un sistema digital de comunicaciones de gran ancho de banda de aplicación en vehículos de transporte

Abstract

En esta Tesis se propone un sistema digital de comunicaciones que permite transmitir una gran cantidad de información entre los equipos embarcados en un vehículo de transporte, aumentando así la capacidad de transmisión de los sistemas instalados actualmente. Además, el sistema propuesto es capaz de funcionar compartiendo el mismo medio físico que los sistemas actuales, para minimizar el coste económico y de recursos que supone la instalación de un nuevo sistema en un vehículo ya fabricado. Para llevar a cabo el desarrollo del sistema digital propuesto se han realizado un estudio teórico y un análisis experimental en varias fases. En primer lugar, se ha obtenido el modelo electromagnético de una línea de transmisión de un vehículo de transporte, concretamente de un tren. Con ello se ha analizado la viabilidad de la Tesis. En segundo lugar, se ha desarrollado el sistema de comunicaciones propuesto basando su funcionamiento en la técnica Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), por su capacidad de transmitir un gran caudal de información con poco ancho de banda. Esta técnica se utiliza en sistemas digitales como WLAN, DSL, PLC y DVB-T. En esta parte de la investigación se han definido todos los parámetros necesarios para el funcionamiento del sistema y se ha configurado con unos valores adecuados. A continuación, se ha realizado un simulador software del sistema desarrollado anteriormente, con el que se puede analizar el funcionamiento del mismo para obtener la configuración óptima. En este simulador se ha tenido en cuenta tanto el modelo de la línea de transmisión analizada en la primera parte de la Tesis, como la posibilidad de funcionar simultáneamente con otros sistemas. Posteriormente, se ha construido una plataforma de pruebas basada en FPGA con la que se ha verificado el correcto funcionamiento del sistema digital desarrollado y con el que se ha validado el simulador anterior. Esto ha permitido transmitir, a lo largo de 30 metros de cable, un caudal de datos de 8 Mbps en un ancho de banda de 3 MHz. Por último, se ha realizado un banco de pruebas en laboratorio con el que se ha comparado el funcionamiento simultáneo del sistema desarrollado en la Tesis con otro sistema empleado actualmente en vehículos ferroviarios, concretamente con el estándar IEC 61375-1 relativo al Train Communication Network (TCN). Esta prueba ha validado el trabajo realizado en la Tesis y ha demostrado que, con el sistema desarrollado, se puede aumentar el caudal de información de un sistema de comunicaciones actualmente instalado en un vehículo de transporte, con un mínimo coste en equipos e instalación.

This Thesis proposes a digital communications system that enables the transmission of huge amount of information, between equipment on board of a transport vehicle. This increases the transmission capacity of control and supervision systems currently installed. Moreover, the system is able to work simultaneously with other on-board systems sharing the same physical medium. Therefore it reduces the economic and resources costs of a new system installation in the vehicle significantly. To carry out the development of the digital system proposed, the research work begins by studying the electromagnetic model of a transmission line in a railway vehicle. Such analysis has confirmed the viability of this Thesis. In a second stage, the research work was focused on the development of a communication system based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique. That technique was chosen due to its bit rate capacity and bandwidth optimization. OFDM is used in other communication system such as WLAN, DSL, PLC or DVB-T. In this research stage we defined all configuration parameters according to transmission line model. In the third research stage, a software simulation tool of the developed system has been created. This simulator analyzes different vehicle configurations and calculates optimum parameters of the system by using the line transmission models obtained at the first stage. Besides, the simulator enables the study of the performance while sharing the same transmission channel for different services. A test platform, based on a FPGA technology, has been developed to validate the communication system and the simulator. This prototype is able to transmit 8 Mbps throughout using a 30 meters long cable in a 3 MHz bandwidth. Finally, a test bench has been developed in the laboratory. It was used to compare the performance of the developed system with another system currently used in railway vehicles, specifically with the IEC 61375-1 standard for Train Communication Network (TCN). Both systems shared the transmission line. This final study validated the research work carried out in the Thesis and demonstrated that the bit rate in a transport vehicle can be increased with reduced costs and minimum installation problems.