張生文，劉 曄

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

應(yīng)答器傳輸模塊（Balise Transmission Module，BTM）是用于地-車間數(shù)據(jù)傳輸?shù)能囕d模塊，主要是處理與應(yīng)答器間的上行鏈路信號和報(bào)文，并與車載主機(jī)單元設(shè)備通信。

接口“A”是地面應(yīng)答器與車載天線單元間的信息傳輸接口，該接口采用電磁感應(yīng)方式，為空氣間隙接口；BTM 與天線單元間的接口“D”通常為數(shù)米長的同軸電纜，布置在車身線槽中；動(dòng)車組電磁環(huán)境復(fù)雜，如升降弓引起的瞬態(tài)騷擾，運(yùn)行線路中出現(xiàn)的發(fā)射塔同頻干擾等，均可能導(dǎo)致 BTM 接收異常[1]。本文使用BTM 記錄的應(yīng)答器碼流等數(shù)據(jù)，通過simulink 等仿真分析信號特征，為干擾來源的排查及后續(xù)BTM 的性能優(yōu)化提供參考。

1 系統(tǒng)概述

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)是安全點(diǎn)式信息傳輸系統(tǒng)，通過應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備向車載設(shè)備傳輸信息[2]。系統(tǒng)由地面設(shè)備和車載設(shè)備組成，地面設(shè)備包括有源應(yīng)答器、無源應(yīng)答器和地面電子單元（LEU）；車載設(shè)備包括天線單元和應(yīng)答器傳輸模塊主機(jī)，總稱 BTM 設(shè)備。設(shè)備構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成Fig.1 Equipment composition of balise transmission system

1.1 應(yīng)答器工作特性

應(yīng)答器是一種使用磁感應(yīng)技術(shù)的地面?zhèn)鬏攩卧?，其上行鏈路（由地面到車載）磁場產(chǎn)生兩種用于上行鏈路數(shù)據(jù)FSK 的頻率，這兩種頻率分別是邏輯“0”（fL)的3.951 MHz 和邏輯“1” (fH)的 4.516 MHz，即二相移頻鍵控(Binary Frequency Shift Keying，2FSK)。其平均數(shù)據(jù)速率應(yīng)為 564.48 kbit/s，正常時(shí)其眼圖如圖2 所示。

1.2 BTM工作特性

天線單元接收到應(yīng)答器發(fā)送的上行鏈路信號后，通過D 電纜發(fā)送回發(fā)送板。發(fā)送板濾波后向接收板上輸出FSK 信號。

接收板主要完成上行鏈路FSK 信號的濾波、放大和解調(diào)，向解碼板輸出原始報(bào)文數(shù)據(jù)流，其中濾波放大為硬件電路實(shí)現(xiàn)，解調(diào)為FPGA[3]實(shí)現(xiàn)，如圖3 所示。

圖2 應(yīng)答器0和1的正常眼圖Fig.2 Normal waveform diagram for balise bit 0 and 1

圖3 接收板功能框圖Fig.3 Receiver board functional block diagram

中心頻率為4.234 MHz 的FSK 信號波型數(shù)據(jù)，即解調(diào)前數(shù)據(jù)，能量強(qiáng)度，F(xiàn)PGA 解調(diào)后的數(shù)據(jù)均通過記錄模塊進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，方便用于信號分析及故障定位。

2 仿真環(huán)境

BTM 設(shè)備跑車應(yīng)用后，通過記錄模塊采集了大量的應(yīng)答器原始波型數(shù)據(jù)、解調(diào)后的碼流、信號能量強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的分析可得到BTM的工作性能及狀態(tài)，同時(shí)對應(yīng)答器異常的原因進(jìn)行快速定位，為BTM 的性能優(yōu)化提供指導(dǎo)等十分必要，因此搭建了相應(yīng)的仿真環(huán)境便于數(shù)據(jù)快速處理和分析。

2.1 解調(diào)方法

2FSK 的解調(diào)通常采用非相干解調(diào)或相干解調(diào)方法。雖然相干解調(diào)抗干擾性能好，但要求設(shè)置與發(fā)送設(shè)備中的高頻載波同頻同相的本地參考載波，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，因此一般數(shù)字調(diào)頻系統(tǒng)都采用非相干解調(diào)。常用的非相干解調(diào)算法有過零檢測法和包絡(luò)檢測法[4]。

過零檢測法：頻率的高低可以通過單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過的零點(diǎn)次數(shù)來衡量，2FSK 信號載頻不同，過零點(diǎn)數(shù)也不同，因此可以通過檢測零點(diǎn)數(shù)得到頻率之間的差異。

包絡(luò)檢測法：輸入信號通過兩個(gè)帶通分路濾波器將2FSK 脈沖濾出，而后經(jīng)過包絡(luò)檢波器取出包絡(luò)，隨后將其送至抽樣判決器進(jìn)行抽樣判決，如圖4所示。

圖4 包絡(luò)檢測法的方框圖Fig.4 Block diagram of envelope detection method

2.2 解調(diào)模塊的simulink仿真

本文以過零檢測法為例搭建了simulink 仿真框圖[5]，如圖5 所示。輸入緩沖模塊可以從記錄文件中讀取碼流數(shù)據(jù)并按照期望的頻率將數(shù)據(jù)依次傳遞給下一級；帶通濾波器可對FSK 信號進(jìn)行帶通濾波，濾除應(yīng)答器載頻信號中的毛刺；低通濾波器可以將過零檢測后的脈沖信號高頻應(yīng)答器載頻交流成分濾除，僅保留其低頻調(diào)制信號；示波器模塊可將頻譜，波形等直觀展示。

3 應(yīng)答器誤碼分析

列控車載BTM 正常接收應(yīng)答器時(shí)，其波形通常如圖2 所示。出現(xiàn)誤碼時(shí)，則可以利用仿真環(huán)境從信號的能量強(qiáng)度、波形、頻譜等方面分析信號的特征以便定位誤碼原因，并對設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

圖5 過零檢測法的simulink仿真框圖Fig.5 Simulink simulation block diagram of zero-crossing detection method

3.1 干擾信號能量強(qiáng)度分析

仿真環(huán)境建立前，需使用示波器在現(xiàn)場對信號能量進(jìn)行人工采集。受限于跑車環(huán)境，干擾信號出現(xiàn)頻率等往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，卻很難對干擾有全面的抓取。

仿真環(huán)境和記錄模塊的引入，可將整條線路或多次經(jīng)過同一地點(diǎn)的信號能量波形數(shù)據(jù)[6]進(jìn)行對比分析，快速分析得出干擾信號的強(qiáng)度、出現(xiàn)周期、地點(diǎn)等特點(diǎn)，如圖6 所示，進(jìn)而快速確定需采取的處理措施。

3.2 信號頻譜分析

正常的應(yīng)答器頻譜應(yīng)具有兩個(gè)尖峰，若線路出現(xiàn)頻帶內(nèi)的干擾信號等異常，則會(huì)對應(yīng)答器的頻譜信號造成影響，或者出現(xiàn)單頻尖峰，此時(shí)通過信號頻譜可快速判斷同頻干擾引起的異常[7]，如圖7 所示。

3.3 誤碼位查找及波形分析

當(dāng)應(yīng)答器設(shè)備故障，串?dāng)_等異常發(fā)生時(shí)，將會(huì)在應(yīng)答器上行鏈路發(fā)生幀錯(cuò)誤、隨機(jī)位錯(cuò)誤、位插入和位丟失等錯(cuò)誤[8]，導(dǎo)致BTM 設(shè)備對部分?jǐn)?shù)據(jù)位的解調(diào)出現(xiàn)異常，發(fā)生誤碼，此時(shí)可對應(yīng)答器碼流的某些數(shù)據(jù)位進(jìn)行逐位觀察和測量，進(jìn)而判斷誤碼原因，如圖8 所示。

4 結(jié)論

本文搭建了FSK 信號的解調(diào)等仿真環(huán)境，結(jié)合LKY·BTM-TH 型BTM 設(shè)備記錄模塊采集的數(shù)據(jù)，對應(yīng)答器誤碼問題進(jìn)行特征分析，為現(xiàn)場故障排查提供了分析方法，對BTM 設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

圖6 應(yīng)答器前后連續(xù)短時(shí)較強(qiáng)干擾信號能量強(qiáng)度Fig.6 Energy intensity of continuous and short-term strong interference signal in front and at the back of the balise

圖7 某不可解碼應(yīng)答器解調(diào)前的頻譜分布Fig.7 Spectrum distribution (dB) before demodulation of a non-decoding balise

圖8 低通和帶通濾波后的單數(shù)據(jù)位異常波形Fig.8 Low-pass and band-pass filtered single data bit abnormal waveform