城市軌道交通信號系統(tǒng)PTI天線信號解調(diào)設計

付 斌

隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，屏蔽門的應用已十分廣泛，但是屏蔽門和車門不能聯(lián)動的故障時有發(fā)生。屏蔽門和車門聯(lián)動涉及信號、車輛、屏蔽門等多個專業(yè)，如何快速準確排查故障是一項難題。廣州地鐵2／8號線的屏蔽門和車門聯(lián)動是由PTI設備完成，安裝在ATO單元的感應信息傳輸系統(tǒng)IMU單元，將車載信息數(shù)據(jù)通過PTI設備傳給地面設備，經(jīng)處理后發(fā)送到ATS系統(tǒng)和PSD系統(tǒng)，來控制相應列車的行駛和屏蔽門的開關。因此，利用鎖相環(huán)技術跟蹤特性，對車載PTI天線信號進行解調(diào)，并對解調(diào)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以檢測PTI設備工作情況。

1 PTI設備

PTI設備主要用于車－地之間的單向通信，列車每個駕駛室安裝有PTI天線，位于列車下部，將車載PTI報文信息傳至軌旁。車載PTI設備由PTI處理板、電源板、車載K12繼電器、PTI天線組成，如圖1所示。

列車正常運營時，到站后屏蔽門的開關通過車載信號系統(tǒng)中ATO發(fā)出數(shù)據(jù)，經(jīng)K12繼電器閉合后發(fā)給PTI天線，通過無線方式傳輸至地面信號系統(tǒng)的PTI機柜；PTI地面設備將數(shù)據(jù)解調(diào)后向屏蔽門系統(tǒng)發(fā)送開關門信號，整個流程經(jīng)過信號系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)。

圖1 車載PTI設備示意圖

列車進站后，屏蔽門和車門不能聯(lián)動的常見原因：①ATO設備故障，ATO沒有發(fā)出開關門信號；②K12繼電器故障不能閉合，PTI天線沒有發(fā)送信號；③PTI天線脫落或故障，地面PTI設備沒有接收到信號；④PTI地面設備故障，屏蔽門系統(tǒng)沒有接收到開關門信號。這些都表現(xiàn)為到站停車無法自動開關門，車載MMI上沒有開門使能信號，地面設備沒有報文。

目前對設備的檢查只能通過廠家提供的診斷接口進行，在沒有確實數(shù)據(jù)參考的情況下，很難對故障進行分析和排查，而且有的故障是偶發(fā)的，比如ATO設備板件老化、繼電器觸點接觸不良、PTI天線虛接或松動、PTI地面設備板件老化等，要查出是哪個系統(tǒng)、哪個模塊出了問題就更有難度。

2 解調(diào)設計

如圖2所示，信號系統(tǒng)至屏蔽門系統(tǒng)的聯(lián)動過程，是從信號系統(tǒng)ATO發(fā)出指令到PTI天線發(fā)送無線信號，通過地面無線接收裝置解碼，并輸送給屏蔽門系統(tǒng)發(fā)出開關門命令。因此，可以通過X3－3接線端子讀取PTI天線的原始信號進行解調(diào)監(jiān)測，同時監(jiān)測K12繼電器電信號狀態(tài)來進行故障排查。

圖2中，在采集點部位設計高阻抗隔離電路，通過單片機捕捉采集信號，并記錄在CF卡等存儲裝置中，通過記錄回放，分析列車進站后屏蔽門開關異常是否與車載信號系統(tǒng)有關，可以檢查電路老化問題。還可以通過PTI解調(diào)碼記錄進行報文分析，縮小聯(lián)動故障排查范圍，提高故障排查的能力。

圖2 信號系統(tǒng)至屏蔽門系統(tǒng)的聯(lián)動框圖

2．1 原始信號的分析

在試車線及夜間正線調(diào)試作業(yè)時，邏輯分析儀實時采集車載PTI分線架上的數(shù)據(jù)情況，對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，波形頻率分為822～830kHz、874～880kHz 2個范圍。表1為2路獨立通道的數(shù)據(jù)采集情況。

表1 2路獨立通道的數(shù)據(jù)采集情況

現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)有明顯的移頻鍵控信號特性，波形變化如圖3所示。

圖3 原始波形類舉圖

導入Matlab軟件進行分析，可將2種頻率段數(shù)據(jù)用0和1進行替代，發(fā)現(xiàn)有明顯的幀頭、幀尾、校驗位等數(shù)據(jù)幀特性。根據(jù)移頻鍵控解調(diào)原理，利用鎖相環(huán)和濾波電路限制輸入波形，其他干擾信號無法通過解調(diào)，以此來判斷車載信號計算機是否發(fā)出PTI報文。

2．2 解調(diào)電路

只對車載PTI天線產(chǎn)生的±12V的FSK信號進行解調(diào)，解調(diào)部分電路設計如圖4所示。

圖4 PTI解調(diào)原理圖

已知輸入信號PTI1和PTI2的差分信號頻率fi＝ （850±2）kHz，經(jīng)過高阻抗的隔離差分放大電路，將信號設備和設計電路進行隔離。首先將調(diào)制信號送入鎖相環(huán)內(nèi)部限幅器，然后與壓控振蕩器輸出的850kHz進行相位比較，設此時輸入電壓信號Ui（t）的角頻率為Wi，瞬時相位Ei（t），壓控振蕩器的輸出信號Uo（t）的頻率為Wo，瞬時相位Eo（t），環(huán)路的參考輸出頻率即基準頻率為Wr，鑒相器應該滿足下列條件：

1．鎖相環(huán)路處于 “鎖定”狀態(tài)時，Wi＝Wo＝Wr，鑒相器無輸出電壓。

2．鎖相環(huán)路處于 “失鎖”狀態(tài)時，Wi＝Wr＋Ei（t）／dt，Wo＝Wr＋Eo（t）／dt。

滿足條件后輸出信號經(jīng)環(huán)路濾波放大，并驅(qū)動施密特觸發(fā)器，最終輸出解調(diào)后的方波。

3 設計驗證

開發(fā)一套PTI天線報文解調(diào)監(jiān)測裝置，設計電路能夠穩(wěn)定解調(diào)出報文并存儲，并經(jīng)過試驗室、試車線和正線調(diào)試測試。同時采集PTI原始信號和解調(diào)后信號進行實時對比，如表2所示。

邏輯分析儀實時捕捉原始信號和解調(diào)信號，原始信號最小周期1．210μs、最大周期1．139μs，對應頻率為826．4kHz和877．9kHz，與資料數(shù)據(jù)823．5kHz和875kHz吻合，且解調(diào)電平對應低、高電平也符合理論要求。

在試車線上通過斷開相關流程連接線，模擬了幾類常見故障狀態(tài)，對照報文進行驗證，如表3所示。

對于偶發(fā)性故障，通過運營維保檢修時對報文進行趨勢分析，可提前預防設備老化或松動的隱患故障。

表3 模擬常見故障驗證表

表2 PTI原始信號和解調(diào)后信號對比情況

4 結論

信號系統(tǒng)車載PTI天線解調(diào)設計可以排查車門－屏蔽門聯(lián)動故障，為此自行開發(fā)試驗設備進行現(xiàn)場試驗，對試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，驗證了利用鎖相環(huán)技術去解調(diào)城軌信號系統(tǒng)中PTI車載天線信號是可行的，可以快速判斷信號系統(tǒng)中故障范圍，而且對發(fā)現(xiàn)故障隱患有一定的幫助，提高運營維保能力，保證運營安全。

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