CTCS-2点式应答器传输模块的设计与应用

杨舒音

（上海铁路通信有限公司，上海 200071）

CTCS-2点式应答器传输模块的设计与应用

杨舒音

（上海铁路通信有限公司，上海 200071）

针对目前中国高铁的发展趋势，设计一种适用于CTCS-2列控系统的应答器传输模块，介绍应答器传输模块的工作原理、系统构成及各模块功能设计，并阐述其先进性及优点。

高速铁路；应答器传输模块；CTCS-2

1 概述

目前，中国投入运营的高速铁路已达到1万km。在建时速250～350 km的高速铁路有5 000多km，我国高速铁路运营里程居世界第一位。既有的通信信号制式对于高速铁路的行车安全是不能保证的，在借鉴国外已成熟制式的基础上，开发自主的、适合我国国情的CTCS-2级列控系统装备，缩小与国际先进水平的差距，以适应国民经济发展的需要。

应答器传输系统设备包括应答器传输模块（BTM）、应答器两部分，是CTCS-2级列控车载系统相关设备。该系统不仅适用于高速铁路，也适用于城市轨道交通。

2 BTM系统构成

应答器传输系统设备主要包括BTM、应答器（无源应答器、有源应答器）、电缆线等。系统框图如图1所示。

BTM设备由BTM主机和车载天线（以下简称BTM天线）两部分组成。整个车载设备系统结构如图2所示。

BTM通过接口“A”向下发送27.095 MHz能量激活应答器，接收地面应答器发送的上行链路信号并解析应答器报文。BTM主机可通过接口“B”与列控车载设备（例如ATP、LKJ或GYK等）连接，周期接收列控车载设备发送的位置与速度信息，同时将接收到的应答器报文信息发送给列控车载设备。

图1 应答器传输系统框图

图2 车载设备结构图

应答器和BTM之间的数据传输通过空气中磁场耦合完成。BTM天线持续向地面发送27.095 MHz的连续电磁波，为应答器提供产生电源的电磁场。当BTM天线接近应答器时，应答器感应到能量信号，通过电磁耦合将其转换成电能，进入激活状态，向车载设备循环发送报文，直至能量消失。

3 BTM工作原理

如图3所示，BTM采用二乘二取二架构。BTM由天线单元、电源单元、功放单元、接收单元1/2和通信单元1/2组成，其中接收单元1/2组成冗余结构，通信单元1/2组成二乘二取二结构，保证BTM中只要各有一个接收单元和通信单元正常，设备就能正常工作。

图3 BTM结构图

4 BTM关键组成单元功能及设计

4.1 功放单元

功放单元负责产生27.095 MHz高稳定度时钟信号，并经过缓冲驱动和功率放大，产生下行链路的27.095 MHz功率信号，然后通过同轴电缆传输到BTM天线。功放单元从BTM天线接收上行链路信号，滤波后提供给接收单元解调解码。

4.2 接收单元

依法治理，共治食品药品安全。市委将“食品安全”作为泸州“三抓三主动”中“抓法治”的重要内容纳入目标考核。各级监管人员加强监管执法，实行在线随机选择检查对象、检查人员，采取“三不两直”法（不打招呼、不听汇报、不要人员陪同，直奔基层、直插现场）检查模式。组织区县局开展“交叉执法”与“错时执法”，及时查处违法行为。在新闻媒体、市局网站设立“曝光台”栏目，将企业违法违规行为及时向社会公布。

接收单元实现应答器上行链路信号的接收和解调解码。接收单元由A1信号调理电路、FSK解调和解码模块组成。硬件解调解码模块由FPGA完成，然后通过内部485总线将解调后的应答器报文数据实时发给通信单元。

4.3 通信单元

通信单元主要负责处理接收单元的应答器报文原始数据，并完成与列控车载设备（比如ATP或LKJ）的数据通信。通信单元是BTM主机的核心单元，其主要功能如下：

1） 接收ATP周期发送的速度里程信息；

2） 将接收单元发送的1 023 bit应答器报文进行校验和译码，译取830 bit应答器用户报文；

3） 根据接收单元发送的原始应答器数据和ATP发送的速度里程信息，计算出应答器中心点位置信息；

4） 将830 bit应答器用户报文和应答器中心点位置信息封装成应答器报文帧发送至ATP；

通信单元由MCU和FPGA实现二取二数据处理功能，双系MCU同时对接收单元发送的应答器报文数据进行校验、译码和比较。比较一致后，通过FPGA向列控车载设备输出应答器报文数据。

通信单元的原理设计如图4所示，其核心模块由MCU和FPGA组成，各模块功能描述如下。

图4 通信单元原理图

1） MCU-1和MCU-2通 过F1/2接 口 接 收1 023 bit应答器报文，从应答器报文中提取830 bit应答器用户报文，并根据G1/2接口的原始应答器报文数据和D1/2接口的速度里程信息计算出应答器中心点位置信息，然后将用户报文和应答器中心点位置信息重组成应答器报文帧，并计算应答器报文帧的CRC48。在此过程中，MCU-1和MCU-2通过B接口实时比较各逻辑运算结果是否一致。如果二者的运算过程结果完全一致，则MCU-1通过A1接口向FPGA输出应答器报文帧，MCU-2通过A2接口向FPGA输出CRC48，FPGA将这两组数据拼接成一帧数据，然后通过E接口发送至ATP。

2） FPGA实现如下两项功能

速度里程信息透传：FPGA通过D1/2接口周期性接收ATP速度信息，然后通过A2和C2接口分别发送至MCU-1和MCU-2；

应答器报文帧透传：FPGA将MCU-1和MCU-2发送的应答器报文帧和CRC48拼接成一帧完整的数据帧，然后通过E接口发送至ATP。此外FPGA还将通过A2和C2接口将数据帧抄送至MCU-1和MCU-2，以供MCU通过数据帧的校验判断当前应答器用户报文传输是否正确。

通信单元同时记录BTM的重要信息，其中包括：

1）设备工作状态：BTM天线、电缆、电源单元、功放单元、接收单元和通信单元的工作状态；2）应答器报文和用户报文；3）列控车载设备通信数据。

4.4 天线单元

BTM天线单元由27.095 MHz和4.234 MHz宽带天线组成。27.095 MHz天线负责向地面发送27.095 MHz的 信 号；4.234 MHz负责接收应答器上行链路信号，并将该信号通过BTM专用电缆传送给BTM主机。BTM天线内置检测单元，用于实现电缆短断路和BTM天线单元的在线故障检测。

5 实测结果

根据BTM系统方案搭建测试环境，系统测试框如图5所示，

图5 系统集成测试环境框图

测试结果：在设备上电后，手持应答器从BTM天线上面挥过，通过测试箱向列控车载设备加速，DMI上显示列车当前速度；保持一定的速度运行，直到列控车载设备进入完全模式；下载列控车载设备的数据进行分析，数据里有BTM上报的应答器报文数据，且无任何报警信息，列控车载设备接收的应答器报文与测试箱发送的应答器报文一致。

6 总结

本文介绍的应答器传输模块（BTM）严格按照 GB/T 21562-2008、GB/T 28808-2012、GB/T 28809-2012标准规范进行研制，并满足“故障-安全”原则。设备的安全度等级（SIL）满足GB/T 21562-2008中4级的要求，系统关键技术涉及射频技术、天线理论、电源泵电路技术、高速信号处理等多学科领域。目前该产品已通过铁路总公司技术评审，取得了CRCC证书，并在大铁、城市轨道交通等领域获得大量推广，得到现场用户的一致好评。

与进口BTM相比，该BTM采用先进的数字解调、模拟滤波和数字滤波技术，可以有效地滤除外界的突发干扰信号，提高应答器报文数据接收的可靠性，有效地解决进口BTM易受外界干扰导致应答器报文丢失的问题。此外，该BTM还拥有丰富的维护和监测接口，便于现场技术人员实时监测BTM的应答器报文接收质量以及设备工作状态，帮助现场技术人员直观有效地分析应答器报文丢失和设备故障原因。

图6 监控软件报文显示界面

［1］郭瑞，李胤，王永超，等.CTCS点式应答器系统中BTM接收模块设计［J］.电子测量技术，2010（7）：19-22.

［2］中国铁路总公司.铁总运［2014］29号 CTCS-2级列控车载设备暂行技术规范（V1.0）［S］.

［3］ ALSTOM，ANSALDO，BOMBARDIER，etc.FFFIS for Eurobalise，SUBSET-036 v300［S］.February 24，2012.

According to the development trend of Chinese high-speed railways， the paper presents the design of a balise transmission module suitable for CTCS-2， introduces the working principle， system structure and each module function of the module， and expounds its advancement and advantages.

high-speed railway； balise transmission module； Chinese Train Control System level 2 （CTCS-2）

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.006

（2016-03-22）