一種基于感應(yīng)環(huán)線通信的數(shù)據(jù)接收器設(shè)計

劉偉中

（中國鐵路通信信號上海工程局集團(tuán)有限公司,上海 200436）

1 概述

列車自動控制系統(tǒng)分為列車自動防護(hù)系統(tǒng)（ATP）、列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）、列車自動監(jiān)督系統(tǒng)（ATS）和計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（CBI）。為了使列車自動控制系統(tǒng)能夠運(yùn)行，列車控制中心（VCC）必須保證與列車的可靠實(shí)時通信。在城市軌道交通系統(tǒng)中，感應(yīng)回路的數(shù)據(jù)通信方式已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)回路數(shù)據(jù)通信方式是一種采用環(huán)形電纜作為發(fā)射天線的一種無線數(shù)據(jù)傳輸方式。本文以感應(yīng)回路的數(shù)據(jù)通信方式應(yīng)用為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種基于感應(yīng)環(huán)線通信的數(shù)據(jù)接收器裝置。該裝置采用4個高頻數(shù)字接收器實(shí)現(xiàn)FSK信號的相位檢測。感應(yīng)回路數(shù)據(jù)通信方式以其數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、投資小成為一種新的鐵路數(shù)據(jù)傳輸手段，且在城市軌道交通系統(tǒng)中能夠得到廣泛的應(yīng)用，具有良好的市場前景。

2 基于感應(yīng)環(huán)線的通信系統(tǒng)總體設(shè)計

感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)包括軌間電纜、車載天線和數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備3部分。列車在運(yùn)行過程中，發(fā)送數(shù)據(jù)時車上的數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備將準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制為FSK信號，經(jīng)過功率放大后送到車載天線。依據(jù)電磁感應(yīng)原理，軌間電纜將感應(yīng)到微弱信號，此信號被送入VCC數(shù)據(jù)接收設(shè)備，經(jīng)過諧振、放大、濾波和解調(diào)，最終還原為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)時，過程正好相反。同時，列車和VCC分別采用不同載波頻率進(jìn)行FSK調(diào)制并發(fā)送，因此可以通過信道頻分復(fù)用實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

該通信系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，其總體設(shè)計原理如圖1所示。圖1中VCC通信模塊和車載通信模塊結(jié)構(gòu)相同，都包括兩塊通用數(shù)據(jù)收發(fā)電路器，一塊選頻放大電路模塊和一塊功放電路模塊。選頻放大電路板用于對接收到的小信號進(jìn)行濾波和選頻放大，它的好壞直接影響接收電路的性能。功放電路板對調(diào)制后的模擬信號進(jìn)行信號放大和功率放大，使之可以驅(qū)動發(fā)送設(shè)備，完成信號發(fā)送。

數(shù)字載波無線通信主要有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等幾種方式。本文研究的通信系統(tǒng)主要采用二進(jìn)制調(diào)頻方式（2FSK），或稱為二進(jìn)制頻移鍵控方式。在二進(jìn)制調(diào)頻方式中，載波頻率隨著調(diào)制信號“1”或“0”而變，調(diào)制信號“1”對應(yīng)于頻率f1，調(diào)制信號“0”對應(yīng)于頻率f2。對于一個二進(jìn)制數(shù)字序列{αk}其波形是恒包絡(luò)調(diào)頻波，若其相位連續(xù)，則時域表達(dá)式可寫為：

其中D（t）表示二進(jìn)制隨機(jī)波形，二進(jìn)制數(shù)字序列{αk}中，αk=l時，D（t）=1；αk=0時，D（t）=-1。2FSK信號的瞬時頻率由公式（2）確定：

其中，ωd=2fd為調(diào)制角頻偏，Vd為傳輸碼率，當(dāng)調(diào)制指數(shù)h比較小時，調(diào)制角頻偏碼2FSK信號經(jīng)過新型感應(yīng)環(huán)線系統(tǒng)后，在天線輸出端產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為：

因此，當(dāng)接收時，接收到的信號幅值近似相等，只要檢測接收信號的頻率，即能得到被調(diào)制的原始信號。圖2是一種簡單的相位不連續(xù)二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制方法，二進(jìn)制信息序列通過門電路控制振蕩頻率分別為碼元的兩個振蕩器的選通和關(guān)斷，則輸出信號即為調(diào)制波形。

FSK的解調(diào)有非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方式，分別如圖3，4所示。非相干解調(diào)利用包絡(luò)檢波器,將檢波得到的信號濾波、判決，最終得到輸出信號。相干解調(diào)時，解調(diào)器利用平方環(huán)或考斯塔斯環(huán)得到載波信號，然后將載波信號與cosω1t相乘后得到的信號進(jìn)行濾波、判決即得輸出信號。一般來說，相干解調(diào)的誤碼率要小于非相干解調(diào)，但是其電路也比非相干解調(diào)復(fù)雜得多。本文的數(shù)據(jù)接收器的解調(diào)采用相干解調(diào)法。

3 數(shù)據(jù)接收器設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)接收器總體設(shè)計

基于感應(yīng)環(huán)線的通信系統(tǒng)以FSK調(diào)制載波信號，通過功率放大后饋送到環(huán)形感應(yīng)天線。接收時，車上的數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備將準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制為FSK信號，經(jīng)過功率放大后送到車載天線。依據(jù)電磁感應(yīng)原理，軌間電纜將感應(yīng)到微弱信號，此信號被送入地上數(shù)據(jù)接收設(shè)備，經(jīng)過諧振、放大、濾波、解調(diào)，最終還原為二進(jìn)制數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)的接收過程。數(shù)據(jù)接收器的總體設(shè)計如圖5所示。

3.2 天線濾波器

天線濾波器模塊為來自設(shè)備天線（電子電路途中的天線電流去耦）和輸出到高頻接收器A的信號級別控制器的信號提供一種選擇性擴(kuò)大方式。兩個輸入信號都分開處理。該兩個信號都應(yīng)用于高頻接收器A的異相位。

天線濾波器模塊芯片采用MAXIM公司設(shè)計的MAX291CPA芯片，該芯片采用DIP封裝。MAX291CPA芯片是一款具有8階低通濾波、開關(guān)電容濾波的通用濾波器芯片，濾波范圍0.1～25?kHz。MAX291CPA芯片引腳圖如圖6所示。

3.3 高頻數(shù)據(jù)接收電路模塊設(shè)計

高頻接收電路采用4個高頻接收器實(shí)現(xiàn)。高頻接收器A模塊確保兩個接收信號電壓以相位形式輸出到高頻接收器C模塊中，并開始進(jìn)行回轉(zhuǎn)線路的檢測過程。高頻接收器A模塊使每個接收到的信號生成一個相位信號。在狀態(tài)測量系統(tǒng)中，將這些雙相位信號輸出到高頻接收器B模塊中，用于檢測感應(yīng)回轉(zhuǎn)線路和轉(zhuǎn)變回路。

高頻接收器C模塊在加法網(wǎng)絡(luò)中包含兩個同步信號，擴(kuò)大結(jié)果相加的信號，同時將其應(yīng)用于高頻接收器A中作等相控制。通過高頻接收器C合成（相加）的FSK信號是由36?kHz?FSK信號和模塊生成的40?kHz信號混合生成的單一4?kHz?FSK輸出信號。

高頻接收器D模塊從4?kHz的FSK信號中抽取1?200波特的連續(xù)電報，并將其應(yīng)用于數(shù)字接收器A中。另外，高頻接收器D模塊制造兩個反饋于天線濾波器的自動控制信號來控制傳入到高頻接收器A模塊的輸入信號。如果回路信號水平降得太低，高頻接收器D將使阻止檢波噪音的檢波程序癱瘓。當(dāng)信號可識別，G1通道將打開。

接收系統(tǒng)中信息的接收、動作的判斷等數(shù)據(jù)信號處理都是在單片機(jī)的統(tǒng)一控制下完成的。其工作原理：單片機(jī)收到指令脈沖后，首先對其解碼還原出原始的指令代碼，確定是何種控制指令后控制各相應(yīng)的動作執(zhí)行。完成電報數(shù)據(jù)頭識別和冗余檢查后，數(shù)據(jù)接收器A模塊將數(shù)據(jù)頭從電報中刪去。系統(tǒng)的時鐘頻率（包括基礎(chǔ)系統(tǒng)定時的15?Hz時鐘中斷13）在1?228.8?kHz晶體振蕩器中的數(shù)字接收器A中生成。時鐘脈沖的失敗致使車載列車自動控制系統(tǒng)停止。

數(shù)據(jù)接收器B使接收到的來自高頻接收器D模塊的電報信號與本地系統(tǒng)時鐘同步,并將其傳送到數(shù)字接收器B模塊中完成并列轉(zhuǎn)換。將78個信息位和冗余信息位轉(zhuǎn)變成10個8?Byte的獨(dú)立組元；然后通過CPU1的3號接口和CPU2的6號接口將每個字節(jié)輸入到兩個CPU中。在接受一個電報之前，車載控制器交叉對比電報的冗余信息位。如果兩個連貫的電報對比失敗，車載控制器以通信錯誤停止運(yùn)作，否則，電報被解碼。因需要整合每一個字節(jié)，數(shù)字接收器B輸出一個中斷11到兩個CPU中。在接收11中斷時，每個CPU命名相關(guān)的輸入接口并將字節(jié)轉(zhuǎn)換到CPU的數(shù)據(jù)中線上。在連接10個電報字節(jié)的程序中，數(shù)字接收器B也會輸出一個4信息位狀態(tài)的數(shù)字。將這個數(shù)字輸入到兩個CPU中，并報告CPU中正在輸入的數(shù)據(jù)字節(jié)在車載列車自動控制系統(tǒng)識別模塊中水平連接CPU2對比車輛識別。車載列車自動控制系統(tǒng)識別模塊包含在 8?Byte中（信息位 55-64）。

在對數(shù)字信號進(jìn)行取樣判決時，取樣脈沖的出現(xiàn)時間對判決的結(jié)果有很大的影響，可以說直接影響了誤碼率的大小。取樣脈沖一般從接收的信號中提取，所得到的信號稱為碼元同步信號，也稱為位同步信號，它是與發(fā)送端頻率相同、相位差固定的時鐘脈沖。實(shí)現(xiàn)位同步的方法有兩類：插入導(dǎo)頻法和直接法，本系統(tǒng)采用直接法。

從提高接收機(jī)的工作速度、可靠性和減小硬件規(guī)模、降低功耗的目的出發(fā)，選用集成高速調(diào)制解調(diào)器FX589實(shí)現(xiàn)接收與發(fā)射的位同步。其芯片引腳如圖7所示，功能模塊如圖8所示。

FX589用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹赏秸{(diào)制解調(diào)器。通過采用最小高斯頻移鍵控調(diào)制，F(xiàn)X589具有很寬的數(shù)據(jù)速率，其數(shù)據(jù)速率范圍從4～64?kbit/s。可以通過片端編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率和BT選擇（0.3或0.5），以滿足不同系統(tǒng)帶寬需要。

主要特性如下：

*數(shù)據(jù)速率為4～64?kbit/s；

*全雙工或半雙工最小高斯頻移鍵控調(diào)制（GMSK）；

*可選BT（0.3或0.5）；

* 低功耗 ：3.0?V，20?kbit/s，1.5?mA?typ ；

5.0?V，64?kbit/s，4.0?mA?typ ；

*適合PCMCIA/PC卡的小型TSSOP封裝形式。

4 數(shù)據(jù)接收器仿真

高頻接收器A的S輸出信號和K輸出信號如圖9所示。

相位信號如圖10所示。

高頻接收器C的FSK輸出信號如圖11所示。

高頻接收器D的FSK輸出信號如圖12所示。

5 結(jié)論

本文的系統(tǒng)設(shè)計方案，從研制必要性、國內(nèi)外相關(guān)研究的動態(tài)分析、研究思路、實(shí)現(xiàn)方法等方面入手，對整個系統(tǒng)的設(shè)計做了詳細(xì)的分析和闡述，總體遵循了先進(jìn)性、安全性、可靠性等準(zhǔn)則。通過大量系統(tǒng)仿真試驗(yàn)測試，對環(huán)形感應(yīng)天線通信系統(tǒng)的各部分進(jìn)行了充分的原理設(shè)計和試驗(yàn)。并且從性能和經(jīng)濟(jì)性兩方面的考慮出發(fā)，完成了接收電路硬件設(shè)計，并對電路進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了預(yù)期效果。

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