基于列控車載BTM設備的應答器誤碼處理研究

張生文，劉 曄

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070)

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

接口“A”是地面應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；動車組電磁環(huán)境復雜，如升降弓引起的瞬態(tài)騷擾，運行線路中出現(xiàn)的發(fā)射塔同頻干擾等，均可能導致 BTM 接收異常[1]。本文使用BTM 記錄的應答器碼流等數(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

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

圖1 應答器傳輸系統(tǒng)設備構成Fig.1 Equipment composition of balise transmission system

1.1 應答器工作特性

應答器是一種使用磁感應技術的地面?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)速率應為 564.48 kbit/s，正常時其眼圖如圖2 所示。

1.2 BTM工作特性

天線單元接收到應答器發(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，向解碼板輸出原始報文數(shù)據(jù)流，其中濾波放大為硬件電路實現(xiàn)，解調為FPGA[3]實現(xiàn)，如圖3 所示。

圖2 應答器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)，即解調前數(shù)據(jù)，能量強度，F(xiàn)PGA 解調后的數(shù)據(jù)均通過記錄模塊進行了數(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 設備跑車應用后，通過記錄模塊采集了大量的應答器原始波型數(shù)據(jù)、解調后的碼流、信號能量強度等數(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)，同時對應答器異常的原因進行快速定位，為BTM 的性能優(yōu)化提供指導等十分必要，因此搭建了相應的仿真環(huán)境便于數(shù)據(jù)快速處理和分析。

2.1 解調方法

2FSK 的解調通常采用非相干解調或相干解調方法。雖然相干解調抗干擾性能好，但要求設置與發(fā)送設備中的高頻載波同頻同相的本地參考載波，實現(xiàn)較復雜，因此一般數(shù)字調頻系統(tǒng)都采用非相干解調。常用的非相干解調算法有過零檢測法和包絡檢測法[4]。

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

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

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

2.2 解調模塊的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 信號進行帶通濾波，濾除應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答器載頻交流成分濾除，僅保留其低頻調制信號；示波器模塊可將頻譜，波形等直觀展示。

3 應答器誤碼分析

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

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)頻率等往往費時費力，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)過同一地點的信號能量波形數(shù)據(jù)[6]進行對比分析，快速分析得出干擾信號的強度、出現(xiàn)周期、地點等特點，如圖6 所示，進而快速確定需采取的處理措施。

3.2 信號頻譜分析

正常的應答器頻譜應具有兩個尖峰，若線路出現(xiàn)頻帶內(nèi)的干擾信號等異常，則會對應答器的頻譜信號造成影響，或者出現(xiàn)單頻尖峰，此時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

當應答器設備故障，串擾等異常發(fā)生時，將會在應答器上行鏈路發(fā)生幀錯誤、隨機位錯誤、位插入和位丟失等錯誤[8]，導致BTM 設備對部分數(shù)據(jù)位的解調出現(xiàn)異常，發(fā)生誤碼，此時可對應答器碼流的某些數(shù)據(jù)位進行逐位觀察和測量，進而判斷誤碼原因，如圖8 所示。

4 結論

本文搭建了FSK 信號的解調等仿真環(huán)境，結合LKY·BTM-TH 型BTM 設備記錄模塊采集的數(shù)據(jù)，對應答器誤碼問題進行特征分析，為現(xiàn)場故障排查提供了分析方法，對BTM 設備的設計優(yōu)化提供指導。

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

圖7 某不可解碼應答器解調前的頻譜分布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