上海轨道交通2号线车地通信信号的检测＊

2013-09-25梁鉴如张莉萍马子彦陈文杰陆鑫源

城市轨道交通研究 2013年8期

梁鉴如张莉萍马子彦陈文杰施聪陆鑫源

（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，201620，上海；2.上海申通地铁集团有限公司，200031，上海∥第一作者，教授）

上海轨道交通2号线是上海轨道交通网络中一条重要的线路，其中车地通信系统是US ＆S（美国联合信号国际公司）开发的基于数字轨道电路的地铁信号系统的车地通信子系统，属于信号专用系统。系统中车地通信信息的传输是通过环线实现的，环线铺设在站台区域、折返线等处，它是列车自动监控（Automatic Train Supervision，简为 ATS）系统车地通信和程序定位停车的重要设备。目前，国内外还没有此类信号检测的专用装置。

本文主要研究内容是车地通信信号的检测。具体内容如下：

（1）车地通信信号检测，利用LabVIEW软件实现车地通信系统FSK（频移键控）信号调制解调功能，以检测信号的强度。

（2）对检测装置软硬件的调试及部分实验室测试给出数据结果，同时在2号线试车段现场进行FSK（频移键控）信号检测的现场测试，对现场数据和波形进行分析处理，并将结果以波形图的形式显示出来。

1 检测装置的原理

车地通信系统原理如图1所示：当列车接近轨道站台时，列车自动运行系统（Automatic Train Operation，简为ATO）系统开始发送车地通信信号，当列车进入站台车地通信环线内，ATO启动不间断传输模式（Continuous Transmission Mode，简为CTM），即车载列车自动监控（Automatic Train Control，简为ATC）通过车地通信接收控制中心（Operation Control Center，简为 OCC）的 CTM 指令后，通过车地通信连续接收信息，当列车离开站台时，ATO系统仍然保持一段时间发送车地通信信号，发送信号与接收信号存在着相位差。

数据在车地之间传输是以FSK模拟信号进行的，其发送和接收是通过线圈的电磁感应实现数据传输。

图1 车地通信系统原理图

本项目利用美国国家仪器仪表公司（National Instruments，简为NI）设备及虚拟仪器技术来设计检测装置，利用检测装置来模拟车载车地通信（Trainto－wayside communication，简为TWC）设备及轨旁车地通信设备。即利用LabVIEW实现了FSK信号的调制解调，提高了FSK信号调制解调程序的编译效率，减少了利用基础VI编译时可能出现的问题，完成了FSK信号的调制解调及对解调信号的分析处理。

2 检测装置的实现

检测装置主要由硬件和软件两部分组成。

2.1 硬件设计

硬件由 NI PXI－1031 主机箱、NI PXI－8106 控制器、NI PXI－6251M系列多功能数据采集卡和SCB－68屏蔽接线盒组成，信号接收采用的是车地通信专用天线，放大器使用特殊放大器，功率为50W左右，可输出有效值电压最高为14V，检测装置硬件组成如图2所示。

图2 检测装置硬件

检测装置由图2所示的硬件组成。图2（a）为信息从轨旁传输到车载设备时的硬件组成和连接框图，图2（b）为信息从车载设备传输到轨旁时的硬件组成和连接框图。

模拟车载的信号检测装置安装在轨道小车上，天线高度可调节，以测量天线不同高度时信号接收情况。轨道小车可在轨道上前进后退，模拟轨旁的信号检测设备放置在轨旁耦合板处，方便利用耦合板发送信号。

2.2 软件设计

软件设计主要分为编码调制、发送和接收、解调和分析处理三部分程序。图3表示了信号的编码、调制、传输、解调及校验等过程。

图4所示为调制程序前面板，图中波形为输出波形，此波形在仿真解调时可用作解调波形，检验解调是否正确。

图3 信号传输流程图

检测装置的传输速率4 800bit／s（可调为9 600 bit／s），采样频率为900kHz，在检测系统中，传输“0”码时，送出一个频率f0为64kHz的正弦波，传输“1”码时，送出一个频率f1为54kHz的正弦波，相位连续，这是车地通信系统的传输频率，因此将FSK信号载波频率设置为59kHz，频偏设置为5kHz。图5为调制程序图，调制好的波形在前面板显示为发送的信号，由于FSK信号的两个频率分别为54kHz和64kHz，所以，在前面板显示出来频率差别不是很大。

图4 调制程序前面板

图5 部分调制程序图

图6为信号接收部分的前面板，界面上显示出接收信号及解调后的二进制码元信息、误码率、是否存储波形信息及存储的路径等，可以直观并实时地观察出信号接收的情况，是否有失真及在传输过程中是否有误码。图7为部分接收程序图，将接收到的波形滤波后进行解调处理，程序图中左侧为解调所需的参数设置，右边为解调模块和显示模块，将解调后的数据信息显示出来，同时将解调信息进行校验、对比计算误码率。

3 测试及结果

3.1 实验室测试

图6 接收部分的前面板

图7 部分接收程序框图

在实验室环境下进行测试，确认信号发送和接收都正确后，向环线发送FSK信号。在车载模拟装置中，运行信号解调程序，观察解调面板上接收到的解调信号，查看幅值和频率信息，及误码率等信息，待确认接收和解调正常后，将小车在轨道上移动，观察接收界面是否仍有FSK波形存在，正确的情况下波形是存在的，且与小车不动时波形基本相似，无明显变化，当小车在经过环线交叉时，天线正好落在交叉处正上方的时候，由于交叉处两根环线产生的电磁场方向正好相反，大小相等，因此，在交叉处，磁场相互抵消，所以，此时天线接收到的信号为空间乱码，没有FSK信号，这就是环线的过零点，环线总长度为186m，铺满整个站台，定位的时候根据交叉过零点的个数计算列车进入的距离，实现列车定位。

3.2 实验室测试数据分析

验证检测方法可行后，利用检测装置测试功放在不同功率情况下模拟车载设备信号接收强度，测量了天线不同高度及发送信号不同电压时，模拟车载设备接收信号的强度。为了便于测量与分析接收波形。首先测得在接收端能稳定接收到信号时的功放最小输出电压与在车地通信耦合板不产生噪声干扰的前提下的功放最大输出电压。将最大值与最小值相减并除以6。这样，分成7个电压档位进行量化测量，表1所示为电压档位对应的功放输出电压值，表2为测量天线不同高度所对应的实际空间位置。

表1 电压档位表

表2 天线高度对应表

综合测试后的数据为表3所示，表内数值表示不同高度不同电压档位下所测得的接收FSK信号的电压峰值。

表3 不同高度及电压档位下接收信号电压值 V

从表3中数据可以看出，天线在相同高度下，发送信号电压值越大，接收信号越强，失真越小。因此，在以后的测试中，在功放有效范围内，应尽量将功率放大器放大倍数调大，以获得更好的波形。在相同发送信号强度时，天线位置越低，接收到的信号越强，失真越小。但在实际使用中无法将天线调整过低，只能尽量降低天线高度。

图8所示曲线为表3中所述的各点绘制而成，而图9为图8所绘曲线的线性拟合图，反映不同的档位及天线高度下的接收电压幅值之间的关系。因此可见，在电压档位变大的情况下接收信号也变大。

图8 电压档位与电压幅值间的对应关系图

图9 电压档位与接收电压幅值的线性拟合图

3.3 现场实验数据及结果分析

在试车线现场测试，用模拟轨旁装置发送信号，轨道电路信号关闭，用模拟车载装置能接收到FSK信号，且对FSK信号解调正常，此时，实验室环境下的功能可实现，此时的波形信息如图10所示。

图10 NI设备发送、轨道电路关闭时接收的信号

模拟车载装置接收信号滤波后的波形如图11所示。图10中接收信号看起来较乱，但是经过滤波后的图11，可以清楚的看出FSK信号，且现场解调正常，证明程序滤除杂波的功能可行。

在信号发送端将环线发送信号连接到试车线轨旁发送信号的耦合板上，此时，车地通信系统完全采用现场的设备，信号接收端使用NI模拟车载装置，对天线接收到的信号进行处理，此时轨道电路信号关闭，模拟车载设备收到的信号如图12所示。

图11 NI设备发送信号时、滤波后的信号

图12 现场设备发送、轨道电路关闭后接收的信号

现场设备发送信号滤波后的波形图如图13所示，利用现场设备发送时，接收信号很好，没受到干扰，由于现场设备发送信号功率较大，经过滤波后信号依然很好且解调正常。

图13 现场设备发送信号、滤波后的信号

开启轨道电路信号后，轨道电路信号会对车地通信系统FSK信号的接收和解调产生一定的干扰，当使用模拟轨旁装置发送信号时，由于NI设备发送信号的功率较小，电压值较低，因此，信号接收端接收到的幅度较小，受到轨道电路信号的影响较大，此时模拟车载装置接收端接收到的信号如图14所示，此时波形频率为轨道电路信号的频率，经过滤波后，会将轨道电路信号滤掉，只显示车地通信系统的FSK信号。

图14 NI设备发送、轨道电路开启时接收的信号

虽然信号受到干扰较大，但是经过程序滤波后，信号可以较好地从干扰信号中剥离出来，经过滤波后的信号如图15所示，且程序能正常解调出波形信息，证明算法抗干扰能力较强。

图15 NI设备发送、轨道电路开启时滤波后的信号

当轨道电路开启，同时使用现场轨旁设备发送信号时接收到的信号波形如图16所示。

图16 现场设备发送、轨道电路开启时接收的信号

从图16中可以看出，波形情况较好，且没有干扰，此时，由于轨旁设备发送信号时，功率较大，信号幅度较强，因此，轨道电路对接收信号的影响较小，但仍需对接收信号进行滤波，以消除轨道电路信号对车地通信系统接收信号的影响，程序滤波后的波形如图17所示。

图17 现场设备发送、轨道电路开启时滤波后信号

综合上述几个实验后，可以发现，在单独使用NI设备进行信号发送的时候，功率较小，可以观察到接收信号波形有较小失真，但软件仍能对其进行正确解调，为能使接收信号不产生失真，在系统中使用了功放，将信号功率放大到最大50W左右，发送信号峰峰值到最大50V左右，有效值最大14V左右。由此可见，接收信号幅值增大，抗干扰能力增强。

因此该检测装置可以实现对FSK信号进行编码调制、数据解调处理等功能，能够实时存储波形信息及回放功能。