基于列控车载BTM设备的应答器误码处理研究

张生文，刘 晔

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

应答器传输模块（Balise Transmission Module，BTM）是用于地-车间数据传输的车载模块，主要是处理与应答器间的上行链路信号和报文，并与车载主机单元设备通信。

接口“A”是地面应答器与车载天线单元间的信息传输接口，该接口采用电磁感应方式，为空气间隙接口；BTM 与天线单元间的接口“D”通常为数米长的同轴电缆，布置在车身线槽中；动车组电磁环境复杂，如升降弓引起的瞬态骚扰，运行线路中出现的发射塔同频干扰等，均可能导致 BTM 接收异常[1]。本文使用BTM 记录的应答器码流等数据，通过simulink 等仿真分析信号特征，为干扰来源的排查及后续BTM 的性能优化提供参考。

1 系统概述

应答器传输系统是安全点式信息传输系统，通过应答器实现地面设备向车载设备传输信息[2]。系统由地面设备和车载设备组成，地面设备包括有源应答器、无源应答器和地面电子单元（LEU）；车载设备包括天线单元和应答器传输模块主机，总称 BTM 设备。设备构成如图1 所示。

图1 应答器传输系统设备构成Fig.1 Equipment composition of balise transmission system

1.1 应答器工作特性

应答器是一种使用磁感应技术的地面传输单元，其上行链路（由地面到车载）磁场产生两种用于上行链路数据FSK 的频率，这两种频率分别是逻辑“0”（fL)的3.951 MHz 和逻辑“1” (fH)的 4.516 MHz，即二相移频键控(Binary Frequency Shift Keying，2FSK)。其平均数据速率应为 564.48 kbit/s，正常时其眼图如图2 所示。

1.2 BTM工作特性

天线单元接收到应答器发送的上行链路信号后，通过D 电缆发送回发送板。发送板滤波后向接收板上输出FSK 信号。

接收板主要完成上行链路FSK 信号的滤波、放大和解调，向解码板输出原始报文数据流，其中滤波放大为硬件电路实现，解调为FPGA[3]实现，如图3 所示。

图2 应答器0和1的正常眼图Fig.2 Normal waveform diagram for balise bit 0 and 1

图3 接收板功能框图Fig.3 Receiver board functional block diagram

中心频率为4.234 MHz 的FSK 信号波型数据，即解调前数据，能量强度，FPGA 解调后的数据均通过记录模块进行了数据采集，方便用于信号分析及故障定位。

2 仿真环境

BTM 设备跑车应用后，通过记录模块采集了大量的应答器原始波型数据、解调后的码流、信号能量强度等数据，通过对这些数据的分析可得到BTM的工作性能及状态，同时对应答器异常的原因进行快速定位，为BTM 的性能优化提供指导等十分必要，因此搭建了相应的仿真环境便于数据快速处理和分析。

2.1 解调方法

2FSK 的解调通常采用非相干解调或相干解调方法。虽然相干解调抗干扰性能好，但要求设置与发送设备中的高频载波同频同相的本地参考载波，实现较复杂，因此一般数字调频系统都采用非相干解调。常用的非相干解调算法有过零检测法和包络检测法[4]。

过零检测法：频率的高低可以通过单位时间内经过的零点次数来衡量，2FSK 信号载频不同，过零点数也不同，因此可以通过检测零点数得到频率之间的差异。

包络检测法：输入信号通过两个带通分路滤波器将2FSK 脉冲滤出，而后经过包络检波器取出包络，随后将其送至抽样判决器进行抽样判决，如图4所示。

图4 包络检测法的方框图Fig.4 Block diagram of envelope detection method

2.2 解调模块的simulink仿真

本文以过零检测法为例搭建了simulink 仿真框图[5]，如图5 所示。输入缓冲模块可以从记录文件中读取码流数据并按照期望的频率将数据依次传递给下一级；带通滤波器可对FSK 信号进行带通滤波，滤除应答器载频信号中的毛刺；低通滤波器可以将过零检测后的脉冲信号高频应答器载频交流成分滤除，仅保留其低频调制信号；示波器模块可将频谱，波形等直观展示。

3 应答器误码分析

列控车载BTM 正常接收应答器时，其波形通常如图2 所示。出现误码时，则可以利用仿真环境从信号的能量强度、波形、频谱等方面分析信号的特征以便定位误码原因，并对设计优化提供指导。

图5 过零检测法的simulink仿真框图Fig.5 Simulink simulation block diagram of zero-crossing detection method

3.1 干扰信号能量强度分析

仿真环境建立前，需使用示波器在现场对信号能量进行人工采集。受限于跑车环境，干扰信号出现频率等往往费时费力，却很难对干扰有全面的抓取。

仿真环境和记录模块的引入，可将整条线路或多次经过同一地点的信号能量波形数据[6]进行对比分析，快速分析得出干扰信号的强度、出现周期、地点等特点，如图6 所示，进而快速确定需采取的处理措施。

3.2 信号频谱分析

正常的应答器频谱应具有两个尖峰，若线路出现频带内的干扰信号等异常，则会对应答器的频谱信号造成影响，或者出现单频尖峰，此时通过信号频谱可快速判断同频干扰引起的异常[7]，如图7 所示。

3.3 误码位查找及波形分析

当应答器设备故障，串扰等异常发生时，将会在应答器上行链路发生帧错误、随机位错误、位插入和位丢失等错误[8]，导致BTM 设备对部分数据位的解调出现异常，发生误码，此时可对应答器码流的某些数据位进行逐位观察和测量，进而判断误码原因，如图8 所示。

4 结论

本文搭建了FSK 信号的解调等仿真环境，结合LKY·BTM-TH 型BTM 设备记录模块采集的数据，对应答器误码问题进行特征分析，为现场故障排查提供了分析方法，对BTM 设备的设计优化提供指导。

图6 应答器前后连续短时较强干扰信号能量强度Fig.6 Energy intensity of continuous and short-term strong interference signal in front and at the back of the balise

图7 某不可解码应答器解调前的频谱分布Fig.7 Spectrum distribution (dB) before demodulation of a non-decoding balise

图8 低通和带通滤波后的单数据位异常波形Fig.8 Low-pass and band-pass filtered single data bit abnormal waveform