李正交, 戴勝華, 呂建軍

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100044)

應(yīng)答器上行鏈路信號實驗系統(tǒng)研究

李正交, 戴勝華, 呂建軍

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100044)

為滿足鐵道信號綜合實驗課程的研究性實驗教學(xué)需求,考慮列車運(yùn)行條件下的靜態(tài)特性與動態(tài)特性而設(shè)計了應(yīng)答器上行鏈路信號實驗系統(tǒng)。基于虛擬儀器軟件技術(shù)設(shè)計了人機(jī)交互模塊,以STM32處理器、AD9854芯片為核心設(shè)計了信號發(fā)生模塊,將示波器作為顯示測試模塊對輸出信號進(jìn)行測試驗證,輸出信號動態(tài)特性實測值與理論值誤差在5%以內(nèi),能夠滿足實驗教學(xué)需要。應(yīng)用表明,該實驗系統(tǒng)便于學(xué)生在實驗室靜態(tài)環(huán)境下掌握列車運(yùn)行條件下應(yīng)答器上行鏈路信號的波形特性,使學(xué)生實踐能力和科學(xué)素養(yǎng)獲得提高,取得了良好教學(xué)效果。

鐵道信號； 上行鏈路信號； 實驗教學(xué)； 靜態(tài)特性； 動態(tài)特性；

研究性實驗教學(xué)以類似于科學(xué)研究的情境和途徑組織實驗,引導(dǎo)學(xué)生主動探索、主動思考、主動實踐,通過開展研究性實驗,可以培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力以及創(chuàng)新能力,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[1-3]。研究性實驗教學(xué),更要注重教學(xué)過程的實踐性,突出實驗內(nèi)容的創(chuàng)新性、探究性,進(jìn)而提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣,有力地推進(jìn)了工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[4-5]。因此,研究一個有科學(xué)深度和操作興趣的實驗系統(tǒng)對開展研究性教學(xué)很有現(xiàn)實意義。

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)作為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,通過應(yīng)答器上行鏈路信號向運(yùn)行列車傳輸線路基本參數(shù)、線路速度信息、臨時限速信息、特殊定位信息等列控安全信息。因此開展應(yīng)答器上行鏈路信號實驗對應(yīng)答傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的掌握至關(guān)重要。目前文獻(xiàn)[6]在考慮靜止和動態(tài)情況下分析上行鏈路信號幅度、頻率及相位變化情況,并采用2臺函數(shù)/任意波形發(fā)生器和1塊數(shù)據(jù)采集卡組建上行鏈路信號模擬器,但此模擬器造價較高,無法適用于批量實驗教學(xué)；文獻(xiàn)[7-8]均使用RFID來模擬應(yīng)答器電磁耦合實驗教學(xué)過程,此方法模擬的信號無法反映上行鏈路信號真實特性,且未考慮靜態(tài)及動態(tài)情況下信號特性的變化問題。針對上述問題,本文設(shè)計的應(yīng)答器上行鏈路信號實驗系統(tǒng)是集嵌入式、信號處理及Matlab等課程內(nèi)容為一體的綜合實踐系統(tǒng),該系統(tǒng)有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、提高學(xué)生實踐動手能力、創(chuàng)新能力及相關(guān)課程知識綜合應(yīng)用能力。

1 實驗系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

該系統(tǒng)能夠模擬地面應(yīng)答器上行鏈路信號的靜態(tài)特性與動態(tài)特性,特別是再現(xiàn)不同列車速度等級下高速列車通過地面應(yīng)答器時,上行鏈路信號不同特性的再現(xiàn)。根據(jù)實驗教學(xué)需要,本系統(tǒng)主要實現(xiàn)信號頻率特性、幅度特性和固定報文加載功能,要求實驗系統(tǒng)頻率特性、報文內(nèi)容與真實信號一致,考慮到實驗人員人身安全問題,對信號幅度特性進(jìn)行等比例縮小。

1.2 設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計要求及信號發(fā)生器的基本設(shè)計方法[9-11],制定系統(tǒng)的設(shè)計方案。本實驗系統(tǒng)整體設(shè)計方案見圖1。系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互軟件模塊、信號發(fā)生(RSG)模塊和顯示測量模塊3部分。人機(jī)交互模塊主要用于信號特性認(rèn)知學(xué)習(xí)、固定報文信息選擇與加載以及速度影響下的信號波形選擇3項功能；信號發(fā)生模塊能夠接收人機(jī)交互模塊指令及數(shù)據(jù),并根據(jù)指令及數(shù)據(jù)要求對靜態(tài)特性、動態(tài)特性波形信號進(jìn)行頻率、幅度的調(diào)制,最終輸出相應(yīng)信號的波形；顯示測量模塊主要對生成信號特性進(jìn)行測量分析。

圖1 實驗系統(tǒng)整體設(shè)計方案

2 上行鏈路信號特性分析

2.1 上行鏈路信號靜態(tài)特性

上行鏈路信號靜態(tài)特性指：當(dāng)列車與地面應(yīng)答器保持相對靜止且車載接收天線位于應(yīng)答器接觸區(qū)域之內(nèi)的情況下,車載天線接收到地面應(yīng)答器傳輸?shù)纳闲墟溌沸盘柌ㄐ翁匦浴８鶕?jù)文獻(xiàn)[6]的研究,相對靜止情況下,上行鏈路信號是一種相位連續(xù)的FSK調(diào)制信號,其僅為幅度、頻率和相位的函數(shù),其中心頻率為4.234 MHz±200 kHz,調(diào)制頻偏為282.24 kHz±5%,數(shù)據(jù)速率為564.48 kbit/s±2.5%,調(diào)制信號為BCH編碼的應(yīng)答器報文,其中頻率3.651 MHz代表邏輯0,頻率4.516 MHz代表邏輯1。上行鏈路信號的報文編制規(guī)定見表1。

表1 上行鏈路信號報文編制規(guī)定

2.2 上行鏈路信號動態(tài)特性

上行鏈路信號動態(tài)特性指：當(dāng)列車與地面應(yīng)答器處于相對運(yùn)動狀態(tài)下,車載天線接收到地面應(yīng)答器傳輸?shù)纳闲墟溌沸盘柌ㄐ翁匦?。此時上行鏈路信號的幅度,特別是車載天線在不同列車速度情況下接收到的信號包絡(luò)曲線,即地面應(yīng)答器與車載天線間的動態(tài)作用時間會發(fā)生改變[6,12]。而不同列車速度對信號頻率、相位特性影響不大[6]。本文基于電磁場基礎(chǔ)理論,對列車運(yùn)行條件下應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)天線磁場分布模型進(jìn)行研究,以期得出不同列車運(yùn)行速度下上行鏈路信號的動態(tài)特性。

圖2為應(yīng)答器上行鏈路信號傳輸過程的簡化模型,以地面應(yīng)答器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O,建立三維直角坐標(biāo)系O-xyz,分別取地面應(yīng)答器發(fā)送天線的AB邊和BC邊相平行的方向作為OX軸、OY軸,取與應(yīng)答發(fā)送天線垂直向上的方向為OZ軸,其中OX軸正方向為列車運(yùn)行方向。ABCD為應(yīng)答器發(fā)送天線簡化模型,EFGH為車載天線簡化模型,車載天線水平安裝,安裝高度Z0保持不變,虛線部分為應(yīng)答器車載天線運(yùn)行軌跡。

根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]的理論分析,選取應(yīng)答器中心頻率fc=4.234 MHz,車載天線諧振電路品質(zhì)因數(shù)Q=40,應(yīng)答器安裝高度z0=220 mm,車載天線沿x軸移動距離2x0=2 600 mm,車載天線電流I=59 mA,應(yīng)答器尺寸大小AB/2=187 mm,BC/2=218 mm,車載天線尺寸大小EF/2=100 mm,FG/2=195 mm,車載應(yīng)答器傳輸模塊(BTM)內(nèi)部門限電壓U門限=1 V,應(yīng)答器報文為長報文(1 023 bit),此時得到不同列車運(yùn)行速度下動態(tài)作用時間的Matlab仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同列車速度下動態(tài)作用時間仿真結(jié)果

根據(jù)圖3,按照中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CTCS1—4級規(guī)范列車速度分別設(shè)為v=120、160、250、350 km/h,另外選取500 km/h作為未來高速列車速度,分別計算各種列車速度下上行鏈路信號動態(tài)特性,即車載設(shè)備動態(tài)接收比特數(shù)ndec、動態(tài)接收數(shù)據(jù)幀數(shù)ntel和動態(tài)作用時間T動態(tài),如表2所示。

表2 典型列車運(yùn)行速度下上行鏈路信號動態(tài)特性

3 實驗系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本實驗系統(tǒng)基于虛擬儀器軟件進(jìn)行人機(jī)交互界面、固定報文加載及不同速度影響下信號特性波形數(shù)據(jù)的生成,采用STM32F103RBT6作為波形數(shù)據(jù)的傳輸、信號調(diào)頻及調(diào)幅控制,基于直接數(shù)字合成(DDS)原理使用AD9854作為最終信號的發(fā)生模塊,將示波器作為發(fā)生信號的參數(shù)測量與波形顯示的模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖4。

實驗人員在PC機(jī)上使用人機(jī)交互軟件可進(jìn)行功能模塊的選擇,實現(xiàn)上行鏈路信號靜態(tài)及動態(tài)特性即不同列車速度等級下波形的發(fā)送。選擇信號認(rèn)知功能,系統(tǒng)將進(jìn)行應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)信號特性的學(xué)習(xí)；選擇報文加載與發(fā)送功能,再選擇內(nèi)置的固定報文信息,系統(tǒng)根據(jù)通信協(xié)議將BCH報文傳輸?shù)綉?yīng)答器上行鏈路信號發(fā)生(RSG)模塊,RSG內(nèi)部嵌入式軟件產(chǎn)生一定頻率的正弦信號作為FSK信號調(diào)制的載波信號,在報文信號的作用下進(jìn)行FSK調(diào)制；若選擇速度影響下的信號波形功能,可以在界面上選取不同速度等級下的列車通過應(yīng)答器組的運(yùn)行速度作為輸入,人機(jī)交互模塊通過輸出內(nèi)置的時間、頻率參數(shù),使RSG在FSK信號調(diào)制后再進(jìn)行AM幅度調(diào)制。RSG提供專用輸出接口,可通過示波器對輸出波形進(jìn)行觀測。

圖4 實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.2 軟件功能分析與實現(xiàn)

上行鏈路信號即FSK調(diào)制的應(yīng)答器報文信號,在進(jìn)行模擬產(chǎn)生信號時,先加載報文,然后對報文進(jìn)行FSK調(diào)制?？紤]靜態(tài)特性與動態(tài)特性的真實上行鏈路信號,需要在標(biāo)準(zhǔn)FSK信號上加載一個幅度包絡(luò),因此在通過頻率調(diào)制得到標(biāo)準(zhǔn)FSK信號同時,還要對信號進(jìn)行幅度調(diào)制,以模擬列車停止或通過地面應(yīng)答器時車載設(shè)備接收到的真實上行鏈路信號。

頻率調(diào)制(FM)就是使載波信號的頻率按調(diào)制信號規(guī)律變化的一種調(diào)制方式。信號調(diào)頻主要為實現(xiàn)上行鏈路信號報文信息的攜帶,此時需要按照CTCS-3級列控系統(tǒng)應(yīng)答器報文定義及運(yùn)用原則中的報文編制標(biāo)準(zhǔn)[14-15],由人機(jī)交互模塊將需要傳輸?shù)膱笪男畔⒕幹瞥啥M(jìn)制碼流,即用于傳輸?shù)腂CH基帶信號,再由信號發(fā)生(RSG)模塊對FSK信號進(jìn)行調(diào)制輸出。幅度調(diào)制(AM)就是使載波信號的幅度隨調(diào)制信號的變化而變化的一種調(diào)制方式。調(diào)幅信號的幅度系數(shù)反映調(diào)制信號的變化,稱為調(diào)制信號的包絡(luò)[9],在實際控制幅度系數(shù)時,保持載波信號幅度不變,控制調(diào)制信號的幅度,就可以實現(xiàn)幅度系數(shù)在1%～100%調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)通過人機(jī)交互模塊產(chǎn)生帶有固定報文信息的二進(jìn)制碼流作為調(diào)制信號,由STM32讀取二進(jìn)制碼元,采用端口置高/低電平并結(jié)合內(nèi)部定時器的方式實現(xiàn)碼流的發(fā)送,并將其作為AD9854基帶調(diào)制信號的輸入,控制AD9854頻率控制字,實現(xiàn)信號頻率調(diào)制,同時采用樣點(diǎn)幅值量化計算的方法,以循環(huán)寫入的方式控制AD9854對信號包絡(luò)的控制,進(jìn)而實現(xiàn)信號幅度調(diào)制。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)還增加了低通濾波器,用于濾除基頻外雜波分量,抑制諧波。

4 實驗結(jié)果和結(jié)論

根據(jù)前文對實驗系統(tǒng)的分析設(shè)計,現(xiàn)對應(yīng)答器上行鏈路信號實驗系統(tǒng)的實際信號效果進(jìn)行測試。選取250、350、500 km/h 3個速度等級進(jìn)行實測驗證,顯示測試模塊選用Agilent 2022A型雙通道示波器，Agilent-N2863B探頭連接實驗系統(tǒng)輸出信號,波形測試結(jié)果如圖5所示,特性參數(shù)結(jié)果見表3。

圖5 上行鏈路信號波形測試結(jié)果

列車速度/(km·h-1)動態(tài)作用時間/ms理論值實測值誤差/%2509．99．54．03507．16．92．85005．15．02．0

由表2數(shù)據(jù)可以得出:本系統(tǒng)作為為實驗教學(xué)系統(tǒng)在一定精度范圍內(nèi)可以完成應(yīng)答器上行鏈路信號的仿真輸出，輸出波形清晰穩(wěn)定,信號特性符合要求。

本文通過相關(guān)理論分析與實物測試研究,參考對比國內(nèi)外現(xiàn)有的數(shù)字信號合成方案,驗證了本文提出的基于虛擬儀器軟件的STM32+AD9854的上行鏈路信號發(fā)生方案的可行性,很好地模擬了應(yīng)答器上行鏈路信號靜態(tài)特性與動態(tài)特性。得到以下結(jié)論:

(1) 本實驗系統(tǒng)加入了速度影響因素的研究,高度還原應(yīng)答器上行鏈路信號波形特性,便于學(xué)生在實驗室靜態(tài)環(huán)境下掌握列車運(yùn)行條件下應(yīng)答器上行鏈路信號的波形特性；

(2) 實驗教學(xué)過程中,學(xué)生需要熟練掌握示波器的使用,并能夠運(yùn)用Matlab對示波器導(dǎo)出波形進(jìn)行實測分析,大大地提高了學(xué)生的學(xué)術(shù)研究素養(yǎng)；

(3) 應(yīng)答器上行鏈路信號實驗系統(tǒng)適合用于研究性教學(xué),學(xué)生可以根據(jù)自己對系統(tǒng)的掌握情況,自行設(shè)計和優(yōu)化系統(tǒng)各模塊并對原系統(tǒng)模塊進(jìn)行替代,既增強(qiáng)了學(xué)生實際動手能力,又發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性,提高其學(xué)習(xí)興趣和積極性。

References)

[1] 劉偉忠. 研究性教學(xué)中的難點(diǎn)與實施重點(diǎn)[J]. 中國高等教育, 2006(24):36-37.

[2] 崔學(xué)榮, 曹愛請, 李娟,等. 研究性教學(xué)模式在實驗教學(xué)方法改革中的應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2016,33(1):176-178.

[3] 俞麗珍, 寧春花, 左曉兵,等. 設(shè)計性、研究性實驗教學(xué)探索與實踐[J].實驗科學(xué)與技術(shù), 2017, 15(1):117-119.

[4] 花奇芹, 陸娟, 戴躍儂. 專業(yè)層面研究性教學(xué)改革的基本原則及其要點(diǎn)[J].中國大學(xué)教育,2017,33(1):176-178.

[5] 楊春玲, 朱敏, 張巖. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)研究性教學(xué)方法的探索與實踐[J]. 中國大學(xué)教學(xué), 2014(2):58-60.

[6] 王瑞, 趙會兵, 王舒民. 面向應(yīng)答器傳輸模塊測試的上行鏈路信號模擬器研究[J]. 鐵道學(xué)報, 2008, 30(6):46-50.

[7] 華勇, 盧海, 張濤. 應(yīng)答器教學(xué)系統(tǒng)研究[J]. 鐵道通信信號, 2009, 45(4):36-37.

[8] 莫振棟, 趙中華. 物聯(lián)網(wǎng)RFID和ZigBee技術(shù)在高鐵列控系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]. 中國測試, 2014, 40(1):97-100.

[9] 陳小橋, 黃恩民, 張雪濱,等. 基于單片機(jī)與AD9851的信號發(fā)生器[J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(8):98-102.

[10] 熊飛麗, 王光明, 劉國福. 多功能智能函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計[J]. 測控技術(shù), 2003, 22(4):9-12.

[11] 薛雪, 劉曉文, 陳桂真,等. 波形發(fā)生器開放實驗實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2015, 32(12):36-39.

[12] 梁迪, 趙會兵, 全宏宇, 等. 應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的電磁耦合機(jī)理及工程安裝優(yōu)化研究[J]. 鐵道學(xué)報, 2014, 36(5):64-70.

[13] Zhao L, Jiang Y. Modeling and optimization research for dynamic transmission process of balise tele-powering signal in high-speed railways[J]. Progress In Electromagnetics Research, 2013, 140:563-588.

[14] 鐵道部.CTCS-3級列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則(V2.0)：科技運(yùn)[2008]144號[Z].

[15] 鐵道部.應(yīng)答器技術(shù)條件：科技運(yùn)函[2004]114號[Z].2004.

Research on transponder uplink signal experimental system

Li Zhengjiao, Dai Shenghua, Lü Jianjun

(School of Electronic Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

In order to meet the needs of the research-oriented experimental teaching of the Railway Signal Comprehensive Experiment course, and on the basis of the consideration of the static characteristics and dynamic characteristics under the train running conditions, the transponder uplink signal experimental system is designed. Based on the virtual instrument software technology, the human-computer interaction module is designed, and with STM32 processor and AD9854 chip as the core, the signal generation module is designed. The oscilloscope is used as the display test module to verify the output signal, and the error between the real measured value and theoretical value of the dynamic characteristics of the output signal is less than 5%, which can meet the needs of the experimental teaching. The application shows that the experimental system is convenient for students to master the waveform characteristics of transponder uplink signal under the train running conditions in the laboratory static environment, so that students’ practical ability and scientific literacy are improved, and the good teaching effect is achieved.

railway signal; uplink signal; experimental teaching; static characteristics; dynamic characteristics

2017-06-05修改日期2017-08-06

國家自然科學(xué)基金重大項目(61490705),中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目(2015JBM012)資助; 北京交通大學(xué)2017年校級教改項目(B類-29)

李正交(1986—),男,河南南陽,碩士,實驗師,研究方向為軌道交通自動化與控制.

E-mail：lizhj@bjtu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.016

U284.48; G642.0

A

1002-4956(2017)12-0066-05