梁鑒如 張莉萍 馬子彥 陳文杰 施 聰 陸鑫源

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620，上海；2.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，200031，上?！蔚谝蛔髡?，教授）

上海軌道交通2號(hào)線是上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)中一條重要的線路，其中車地通信系統(tǒng)是US ＆S（美國聯(lián)合信號(hào)國際公司）開發(fā)的基于數(shù)字軌道電路的地鐵信號(hào)系統(tǒng)的車地通信子系統(tǒng)，屬于信號(hào)專用系統(tǒng)。系統(tǒng)中車地通信信息的傳輸是通過環(huán)線實(shí)現(xiàn)的，環(huán)線鋪設(shè)在站臺(tái)區(qū)域、折返線等處，它是列車自動(dòng)監(jiān)控（Automatic Train Supervision，簡為 ATS）系統(tǒng)車地通信和程序定位停車的重要設(shè)備。目前，國內(nèi)外還沒有此類信號(hào)檢測的專用裝置。

本文主要研究內(nèi)容是車地通信信號(hào)的檢測。具體內(nèi)容如下：

（1）車地通信信號(hào)檢測，利用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)車地通信系統(tǒng)FSK（頻移鍵控）信號(hào)調(diào)制解調(diào)功能，以檢測信號(hào)的強(qiáng)度。

（2）對檢測裝置軟硬件的調(diào)試及部分實(shí)驗(yàn)室測試給出數(shù)據(jù)結(jié)果，同時(shí)在2號(hào)線試車段現(xiàn)場進(jìn)行FSK（頻移鍵控）信號(hào)檢測的現(xiàn)場測試，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)和波形進(jìn)行分析處理，并將結(jié)果以波形圖的形式顯示出來。

1 檢測裝置的原理

車地通信系統(tǒng)原理如圖1所示：當(dāng)列車接近軌道站臺(tái)時(shí)，列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（Automatic Train Operation，簡為ATO）系統(tǒng)開始發(fā)送車地通信信號(hào)，當(dāng)列車進(jìn)入站臺(tái)車地通信環(huán)線內(nèi)，ATO啟動(dòng)不間斷傳輸模式（Continuous Transmission Mode，簡為CTM），即車載列車自動(dòng)監(jiān)控（Automatic Train Control，簡為ATC）通過車地通信接收控制中心（Operation Control Center，簡為 OCC）的 CTM 指令后，通過車地通信連續(xù)接收信息，當(dāng)列車離開站臺(tái)時(shí)，ATO系統(tǒng)仍然保持一段時(shí)間發(fā)送車地通信信號(hào)，發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)存在著相位差。

數(shù)據(jù)在車地之間傳輸是以FSK模擬信號(hào)進(jìn)行的，其發(fā)送和接收是通過線圈的電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 車地通信系統(tǒng)原理圖

本項(xiàng)目利用美國國家儀器儀表公司（National Instruments，簡為NI）設(shè)備及虛擬儀器技術(shù)來設(shè)計(jì)檢測裝置，利用檢測裝置來模擬車載車地通信（Trainto－wayside communication，簡為TWC）設(shè)備及軌旁車地通信設(shè)備。即利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了FSK信號(hào)的 調(diào)制解調(diào)，提高了FSK信號(hào)調(diào)制解調(diào)程序的編譯效率，減少了利用基礎(chǔ)VI編譯時(shí)可能出現(xiàn)的問題，完成了FSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)及對解調(diào)信號(hào)的分析處理。

2 檢測裝置的實(shí)現(xiàn)

檢測裝置主要由硬件和軟件兩部分組成。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件由 NI PXI－1031 主 機(jī) 箱、NI PXI－8106 控制器、NI PXI－6251M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡和SCB－68屏蔽接線盒組成，信號(hào)接收采用的是車地通信專用天線，放大器使用特殊放大器，功率為50W左右，可輸出有效值電壓最高為14V，檢測裝置硬件組成如圖2所示。

圖2 檢測裝置硬件

檢測裝置由圖2所示的硬件組成。圖2（a）為信息從軌旁傳輸?shù)杰囕d設(shè)備時(shí)的硬件組成和連接框圖，圖2（b）為信息從車載設(shè)備傳輸?shù)杰壟詴r(shí)的硬件組成和連接框圖。

模擬車載的信號(hào)檢測裝置安裝在軌道小車上，天線高度可調(diào)節(jié)，以測量天線不同高度時(shí)信號(hào)接收情況。軌道小車可在軌道上前進(jìn)后退，模擬軌旁的信號(hào)檢測設(shè)備放置在軌旁耦合板處，方便利用耦合板發(fā)送信號(hào)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為編碼調(diào)制、發(fā)送和接收、解調(diào)和分析處理三部分程序。圖3表示了信號(hào)的編碼、調(diào)制、傳輸、解調(diào)及校驗(yàn)等過程。

圖4所示為調(diào)制程序前面板，圖中波形為輸出波形，此波形在仿真解調(diào)時(shí)可用作解調(diào)波形，檢驗(yàn)解調(diào)是否正確。

圖3 信號(hào)傳輸流程圖

檢測裝置的傳輸速率4 800bit／s（可調(diào)為9 600 bit／s），采樣頻率為900kHz，在檢測系統(tǒng)中，傳輸“0”碼時(shí)，送出一個(gè)頻率f0為64kHz的正弦波，傳輸“1”碼時(shí)，送出一個(gè)頻率f1為54kHz的正弦波，相位連續(xù)，這是車地通信系統(tǒng)的傳輸頻率，因此將FSK信號(hào)載波頻率設(shè)置為59kHz，頻偏設(shè)置為5kHz。圖5為調(diào)制程序圖，調(diào)制好的波形在前面板顯示為發(fā)送的信號(hào)，由于FSK信號(hào)的兩個(gè)頻率分別為54kHz和64kHz，所以，在前面板顯示出來頻率差別不是很大。

圖4 調(diào)制程序前面板

圖5 部分調(diào)制程序圖

圖6為信號(hào)接收部分的前面板，界面上顯示出接收信號(hào)及解調(diào)后的二進(jìn)制碼元信息、誤碼率、是否存儲(chǔ)波形信息及存儲(chǔ)的路徑等，可以直觀并實(shí)時(shí)地觀察出信號(hào)接收的情況，是否有失真及在傳輸過程中是否有誤碼。圖7為部分接收程序圖，將接收到的波形濾波后進(jìn)行解調(diào)處理，程序圖中左側(cè)為解調(diào)所需的參數(shù)設(shè)置，右邊為解調(diào)模塊和顯示模塊，將解調(diào)后的數(shù)據(jù)信息顯示出來，同時(shí)將解調(diào)信息進(jìn)行校驗(yàn)、對比計(jì)算誤碼率。

3 測試及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)室測試

圖6 接收部分的前面板

圖7 部分接收程序框圖

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測試，確認(rèn)信號(hào)發(fā)送和接收都正確后，向環(huán)線發(fā)送FSK信號(hào)。在車載模擬裝置中，運(yùn)行信號(hào)解調(diào)程序，觀察解調(diào)面板上接收到的解調(diào)信號(hào)，查看幅值和頻率信息，及誤碼率等信息，待確認(rèn)接收和解調(diào)正常后，將小車在軌道上移動(dòng)，觀察接收界面是否仍有FSK波形存在，正確的情況下波形是存在的，且與小車不動(dòng)時(shí)波形基本相似，無明顯變化，當(dāng)小車在經(jīng)過環(huán)線交叉時(shí)，天線正好落在交叉處正上方的時(shí)候，由于交叉處兩根環(huán)線產(chǎn)生的電磁場方向正好相反，大小相等，因此，在交叉處，磁場相互抵消，所以，此時(shí)天線接收到的信號(hào)為空間亂碼，沒有FSK信號(hào)，這就是環(huán)線的過零點(diǎn)，環(huán)線總長度為186m，鋪滿整個(gè)站臺(tái)，定位的時(shí)候根據(jù)交叉過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)計(jì)算列車進(jìn)入的距離，實(shí)現(xiàn)列車定位。

3.2 實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)分析

驗(yàn)證檢測方法可行后，利用檢測裝置測試功放在不同功率情況下模擬車載設(shè)備信號(hào)接收強(qiáng)度，測量了天線不同高度及發(fā)送信號(hào)不同電壓時(shí)，模擬車載設(shè)備接收信號(hào)的強(qiáng)度。為了便于測量與分析接收波形。首先測得在接收端能穩(wěn)定接收到信號(hào)時(shí)的功放最小輸出電壓與在車地通信耦合板不產(chǎn)生噪聲干擾的前提下的功放最大輸出電壓。將最大值與最小值相減并除以6。這樣，分成7個(gè)電壓檔位進(jìn)行量化測量，表1所示為電壓檔位對應(yīng)的功放輸出電壓值，表2為測量天線不同高度所對應(yīng)的實(shí)際空間位置。

表1 電壓檔位表

表2 天線高度對應(yīng)表

綜合測試后的數(shù)據(jù)為表3所示，表內(nèi)數(shù)值表示不同高度不同電壓檔位下所測得的接收FSK信號(hào)的電壓峰值。

表3 不同高度及電壓檔位下接收信號(hào)電壓值 V

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，天線在相同高度下，發(fā)送信號(hào)電壓值越大，接收信號(hào)越強(qiáng)，失真越小。因此，在以后的測試中，在功放有效范圍內(nèi)，應(yīng)盡量將功率放大器放大倍數(shù)調(diào)大，以獲得更好的波形。在相同發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，天線位置越低，接收到的信號(hào)越強(qiáng)，失真越小。但在實(shí)際使用中無法將天線調(diào)整過低，只能盡量降低天線高度。

圖8所示曲線為表3中所述的各點(diǎn)繪制而成，而圖9為圖8所繪曲線的線性擬合圖，反映不同的檔位及天線高度下的接收電壓幅值之間的關(guān)系。因此可見，在電壓檔位變大的情況下接收信號(hào)也變大。

圖8 電壓檔位與電壓幅值間的對應(yīng)關(guān)系圖

圖9 電壓檔位與接收電壓幅值的線性擬合圖

3.3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

在試車線現(xiàn)場測試，用模擬軌旁裝置發(fā)送信號(hào)，軌道電路信號(hào)關(guān)閉，用模擬車載裝置能接收到FSK信號(hào)，且對FSK信號(hào)解調(diào)正常，此時(shí)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的功能可實(shí)現(xiàn)，此時(shí)的波形信息如圖10所示。

圖10 NI設(shè)備發(fā)送、軌道電路關(guān)閉時(shí)接收的信號(hào)

模擬車載裝置接收信號(hào)濾波后的波形如圖11所示。圖10中接收信號(hào)看起來較亂，但是經(jīng)過濾波后的圖11，可以清楚的看出FSK信號(hào)，且現(xiàn)場解調(diào)正常，證明程序?yàn)V除雜波的功能可行。

在信號(hào)發(fā)送端將環(huán)線發(fā)送信號(hào)連接到試車線軌旁發(fā)送信號(hào)的耦合板上，此時(shí)，車地通信系統(tǒng)完全采用現(xiàn)場的設(shè)備，信號(hào)接收端使用NI模擬車載裝置，對天線接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，此時(shí)軌道電路信號(hào)關(guān)閉，模擬車載設(shè)備收到的信號(hào)如圖12所示。

圖11 NI設(shè)備發(fā)送信號(hào)時(shí)、濾波后的信號(hào)

圖12 現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送、軌道電路關(guān)閉后接收的信號(hào)

現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送信號(hào)濾波后的波形圖如圖13所示，利用現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送時(shí)，接收信號(hào)很好，沒受到干擾，由于現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送信號(hào)功率較大，經(jīng)過濾波后信號(hào)依然很好且解調(diào)正常。

圖13 現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送信號(hào)、濾波后的信號(hào)

開啟軌道電路信號(hào)后，軌道電路信號(hào)會(huì)對車地通信系統(tǒng)FSK信號(hào)的接收和解調(diào)產(chǎn)生一定的干擾，當(dāng)使用模擬軌旁裝置發(fā)送信號(hào)時(shí)，由于NI設(shè)備發(fā)送信號(hào)的功率較小，電壓值較低，因此，信號(hào)接收端接收到的幅度較小，受到軌道電路信號(hào)的影響較大，此時(shí)模擬車載裝置接收端接收到的信號(hào)如圖14所示，此時(shí)波形頻率為軌道電路信號(hào)的頻率，經(jīng)過濾波后，會(huì)將軌道電路信號(hào)濾掉，只顯示車地通信系統(tǒng)的FSK信號(hào)。

圖14 NI設(shè)備發(fā)送、軌道電路開啟時(shí)接收的信號(hào)

雖然信號(hào)受到干擾較大，但是經(jīng)過程序?yàn)V波后，信號(hào)可以較好地從干擾信號(hào)中剝離出來，經(jīng)過濾波后的信號(hào)如圖15所示，且程序能正常解調(diào)出波形信息，證明算法抗干擾能力較強(qiáng)。

圖15 NI設(shè)備發(fā)送、軌道電路開啟時(shí)濾波后的信號(hào)

當(dāng)軌道電路開啟，同時(shí)使用現(xiàn)場軌旁設(shè)備發(fā)送信號(hào)時(shí)接收到的信號(hào)波形如圖16所示。

圖16 現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送、軌道電路開啟時(shí)接收的信號(hào)

從圖16中可以看出，波形情況較好，且沒有干擾，此時(shí)，由于軌旁設(shè)備發(fā)送信號(hào)時(shí)，功率較大，信號(hào)幅度較強(qiáng)，因此，軌道電路對接收信號(hào)的影響較小，但仍需對接收信號(hào)進(jìn)行濾波，以消除軌道電路信號(hào)對車地通信系統(tǒng)接收信號(hào)的影響，程序?yàn)V波后的波形如圖17所示。

圖17 現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送、軌道電路開啟時(shí)濾波后信號(hào)

綜合上述幾個(gè)實(shí)驗(yàn)后，可以發(fā)現(xiàn)，在單獨(dú)使用NI設(shè)備進(jìn)行信號(hào)發(fā)送的時(shí)候，功率較小，可以觀察到接收信號(hào)波形有較小失真，但軟件仍能對其進(jìn)行正確解調(diào)，為能使接收信號(hào)不產(chǎn)生失真，在系統(tǒng)中使用了功放，將信號(hào)功率放大到最大50W左右，發(fā)送信號(hào)峰峰值到最大50V左右，有效值最大14V左右。由此可見，接收信號(hào)幅值增大，抗干擾能力增強(qiáng)。

因此該檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)對FSK信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制、數(shù)據(jù)解調(diào)處理等功能，能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)波形信息及回放功能。

4 結(jié)語

（1）車地通信系統(tǒng)檢測裝置作為上海軌道交通2號(hào)線信號(hào)檢測的專用設(shè)備，可為地鐵維護(hù)提供指導(dǎo)和幫助信息，有效縮短維護(hù)時(shí)間和維護(hù)成本，提高維護(hù)效率。

（2）車地通信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)為2FSK信號(hào)，檢測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對2FSK信號(hào)的調(diào)制解調(diào)及對波形信息的存儲(chǔ)、回放等功能。

（3）研究成果可應(yīng)用于上海軌道交通2號(hào)線車地通信設(shè)備維護(hù)和故障檢修，同時(shí)也可應(yīng)用于所有采用US ＆S開發(fā)的地鐵信號(hào)系統(tǒng)的其他城市軌道交通線路。

［1］張煥增，柴曉冬，馬子彥，等.基于LabVIEW軌道交通車地通信系統(tǒng)FSK信號(hào)檢測裝置［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào).2010，24（2）：101.

［2］余輝.上海地鐵二號(hào)線車地通信系統(tǒng)分析［J］.鐵道通信信號(hào)，2004，（10）：32.

［3］張煥增，柴曉冬，馬子彥，等.基于LabVIEW的頻移鍵控信號(hào)檢測裝置的研究［J］.城市軌道交通研究.2011（4）：55.

［4］徐曉東，鄭對元，肖武編.LabVIEW 8.5常用功能與編程實(shí)例精講.［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.