陳燕 福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350000

1 查詢應(yīng)答器的現(xiàn)狀

應(yīng)答器作為我國(guó)列控系統(tǒng)中的重要設(shè)備，擔(dān)負(fù)著車地信息交互和輔助定位的重要功能。但在一些現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中卻出現(xiàn)了列車通過(guò)地面應(yīng)答器但沒收到應(yīng)答器報(bào)文的現(xiàn)象。在實(shí)際鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)答器丟點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)可能導(dǎo)致列車無(wú)法獲取實(shí)時(shí)軌道信息而發(fā)生危險(xiǎn)。搭建應(yīng)答器測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證應(yīng)答器工作性能是十分必要的。

RSG（Reference Signal Generator）參考信號(hào)發(fā)生器在應(yīng)答器測(cè)試平臺(tái)中負(fù)責(zé)產(chǎn)生和發(fā)送報(bào)文，是整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的源頭，其性能好壞對(duì)整個(gè)應(yīng)答器測(cè)試的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重大影響。所以RSG參考信號(hào)發(fā)生器的研究對(duì)于應(yīng)答器測(cè)試平臺(tái)的發(fā)展有重要意義。

2 應(yīng)答器系統(tǒng)工作原理

應(yīng)答器是一種地面向列車發(fā)送報(bào)文的傳輸設(shè)備。既可以傳輸固定信息，也可連接軌旁單元傳送可變信息。其傳輸?shù)男畔ň€路基本參數(shù)、線路速度信息、臨時(shí)限速信息、道岔信息、特殊定位信息以及其他信息。應(yīng)答器系統(tǒng)工作原理如圖2-1所示，主要由BTM傳輸模塊、天線單元等車載設(shè)備，以及應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)、LEU等地面設(shè)備構(gòu)成。

圖 2 1：應(yīng)答器系統(tǒng)原理

3 RSG關(guān)鍵信號(hào)建模與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

RSG參考信號(hào)發(fā)生器的關(guān)鍵信號(hào)主要有3種：上行鏈路信號(hào)、射頻能量信號(hào)以及C接口信號(hào)。

3.1 上行鏈路FSK信號(hào)

上行鏈路FSK信號(hào)即應(yīng)答器通過(guò)A接口向車載天線發(fā)送的信號(hào)。應(yīng)答器測(cè)試規(guī)范085規(guī)范給出了上行鏈路輻射模式層靜態(tài)特性曲線，如圖3-1所示，第一條曲線表示的是上行鏈路輻射強(qiáng)度沿X軸方向（列車運(yùn)行方向）上的變化曲線，在X=0處，車載天線可接收到的輻射能量最大。

圖 3 1：上行鏈路輻射模式靜態(tài)特性曲線

圖3-1中“BTM接收門限”描述了BTM在不同X坐標(biāo)上對(duì)于上行鏈路信號(hào)的接收門限值。應(yīng)答器測(cè)試規(guī)范中定義的最強(qiáng)應(yīng)答器與最弱應(yīng)答器的輻射模式曲線如圖3-1所示。兩條曲線與“BTM接收門限”的交點(diǎn)分別為。在區(qū)間和區(qū)間內(nèi)，BTM能夠正常啟動(dòng)對(duì)最強(qiáng)與最弱應(yīng)答器的解調(diào)工作。

FSK信號(hào)的基本表達(dá)式為：

此公式計(jì)算得到的是列車與應(yīng)答器相對(duì)靜止情況下的理論上行鏈路信號(hào)，而實(shí)際上列車與應(yīng)答器的信息交互多數(shù)都處于高速運(yùn)動(dòng)中，此時(shí)車載天線接收到的信號(hào)幅度、相位、頻率等參數(shù)相較與靜止情況都存在較大差異。

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在環(huán)境與應(yīng)答器型號(hào)參數(shù)固定的情況下，空間磁場(chǎng)內(nèi)任何一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是固定的，而當(dāng)列車通過(guò)應(yīng)答器時(shí)，車載天線接收到的上行鏈路信號(hào)幅度應(yīng)該與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化一致，所以當(dāng)列車以任意速度V運(yùn)行時(shí)，BTM接收到的上行鏈路信號(hào)幅度包絡(luò)曲線形狀不變，只是在時(shí)間軸以速度 為比例因子進(jìn)行了壓縮。

在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)模擬列車實(shí)際通過(guò)應(yīng)答器的速度、應(yīng)答器規(guī)格以及應(yīng)答器與列車的垂直距離等參數(shù)即可計(jì)算得到上行鏈路信號(hào)的理論波形。但實(shí)驗(yàn)室模擬的幅度包絡(luò)僅僅是理論值，與實(shí)際情況存在一定差異，所以最好的辦法就是現(xiàn)場(chǎng)采集真實(shí)數(shù)據(jù)。但是由于上行鏈路信號(hào)是高頻信號(hào)，如果采集到的采樣點(diǎn)不夠多，還原出的信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重失真，無(wú)法滿足應(yīng)答器測(cè)試需求，雖然這種信號(hào)無(wú)法直接進(jìn)行應(yīng)答器測(cè)試，但是卻可以輸出真實(shí)幅度包絡(luò)。將計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)FSK信號(hào)使用模擬速度進(jìn)行頻率壓縮，再加載真實(shí)幅度包絡(luò)即可得到上行鏈路FSK信號(hào)。

3.2 射頻能量信號(hào)

射頻能量信號(hào)是指車載天線通過(guò)A接口發(fā)送的、用于激活地面無(wú)源應(yīng)答器的能量信號(hào)。當(dāng)列車接近應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器線圈感應(yīng)到27MHz的磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，當(dāng)電流強(qiáng)度逐步增強(qiáng)到應(yīng)答器工作的額定電流時(shí)，應(yīng)答器開始工作，車載天線駛離應(yīng)答器時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)感應(yīng)電流降低到應(yīng)答器工作電壓以下時(shí)，應(yīng)答器停止工作。不同于其他應(yīng)答器信號(hào)，射頻能量信號(hào)的作用僅僅是激活地面無(wú)源應(yīng)答器，不攜帶任何數(shù)據(jù)信息，因此在模擬生成射頻能量信號(hào)時(shí)，只需模擬出信號(hào)幅度的大致變化即可。

當(dāng)應(yīng)答器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流達(dá)到某一固定值時(shí)應(yīng)答器就會(huì)被激活，應(yīng)答器工作期間，電流強(qiáng)度保持在固定值以上即可，所以生成射頻能量信號(hào)時(shí)，應(yīng)答器激活期間的信號(hào)幅度可保持恒定，并且應(yīng)持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以保證測(cè)試的進(jìn)行，而當(dāng)列車接近、遠(yuǎn)離應(yīng)答器的過(guò)程中，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，射頻能量信號(hào)的幅度應(yīng)呈現(xiàn)一個(gè)相反且對(duì)稱升降過(guò)程，因此，列車通過(guò)應(yīng)答器的過(guò)程中，射頻能量信號(hào)的幅度呈梯形，并且由于軌道上兩個(gè)應(yīng)答器之間的距離遠(yuǎn)大于應(yīng)答器的有效作用范圍，因此要求射頻能量信號(hào)占空比小于1%。

3.3 “C”接口信號(hào)

“C”接口由LEU向應(yīng)答器傳輸?shù)腄BPL編碼的“C1”信號(hào)和向地面應(yīng)答器提供電源的“C6”正弦信號(hào)組成。主要用于LEU向應(yīng)答器供電并進(jìn)行信息交互。

應(yīng)答器測(cè)試規(guī)范規(guī)定了接口“C1”信號(hào)的平均傳輸速率為564.480kbit/s，也就是說(shuō)“C1”信號(hào)一比特?cái)?shù)據(jù)的傳輸時(shí)間為1/564480s，而接口“C6”信號(hào)的頻率為8.82kHz，可以看出接口“C6”信號(hào)的周期正好是“C1”信號(hào)一比特?cái)?shù)據(jù)傳輸時(shí)間的64倍，在生成“C”接口信號(hào)時(shí)，確保接口“C6”信號(hào)的1s內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為接口“C1”信號(hào)一個(gè)比特位點(diǎn)數(shù)的64倍，逐點(diǎn)疊加即可生成理論“C”接口信號(hào)。

在模擬產(chǎn)生真實(shí)“C”接口信號(hào)時(shí)還需考慮時(shí)間抖動(dòng)和諧波的影響，應(yīng)答器測(cè)試規(guī)范要求時(shí)間抖動(dòng)應(yīng)小于60ns，通過(guò)隨機(jī)函數(shù)隨機(jī)生成不同的時(shí)間抖動(dòng)值，模擬不同情況下的應(yīng)答器接收性能，同時(shí)還要求所有高頻諧波的幅值和小于0.22vpp，在生成這些諧波信號(hào)時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為與接口“C6”信號(hào)一致，這樣無(wú)需額外運(yùn)算即可完成信號(hào)疊加。

3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)答器作為列控系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能關(guān)系到鐵路運(yùn)營(yíng)安全，因此對(duì)測(cè)試精度要求非常高，同時(shí)平臺(tái)的測(cè)試項(xiàng)目也必須完備。為了滿足應(yīng)答器測(cè)試精度的要求，并且達(dá)到動(dòng)態(tài)配置參數(shù)的目的，嚴(yán)格挑選精度滿足要求的硬件設(shè)備搭建起圖4-1所示的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖 4 1：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

由PC機(jī)以高采樣率的方式生成精度很高的測(cè)試信號(hào)，然后經(jīng)GPIB總線寫入AWG5002B任意波形發(fā)生器，再將不同信號(hào)通過(guò)不同的發(fā)送設(shè)備分別輸出，用于上行鏈路、應(yīng)答器激活、LTE傳輸?shù)葴y(cè)試項(xiàng)目。

4 結(jié)論與展望

在鐵路事業(yè)快速發(fā)展的今天，列車的運(yùn)行速度不斷提升，而應(yīng)答器作為高速地對(duì)車通信的關(guān)鍵設(shè)備，如何提高其性能指標(biāo)變得越來(lái)越重要。本文通過(guò)分析RSG關(guān)鍵信號(hào)特征，提出了信號(hào)模擬方案。

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