上海軌道交通2號線車地通信信號的檢測＊

梁鑒如 張莉萍 馬子彥 陳文杰 施 聰 陸鑫源

（1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，201620，上海；2.上海申通地鐵集團有限公司，200031，上海∥第一作者，教授）

上海軌道交通2號線是上海軌道交通網絡中一條重要的線路，其中車地通信系統是US ＆S（美國聯合信號國際公司）開發的基于數字軌道電路的地鐵信號系統的車地通信子系統，屬于信號專用系統。系統中車地通信信息的傳輸是通過環線實現的，環線鋪設在站臺區域、折返線等處，它是列車自動監控（Automatic Train Supervision，簡為 ATS）系統車地通信和程序定位停車的重要設備。目前，國內外還沒有此類信號檢測的專用裝置。

本文主要研究內容是車地通信信號的檢測。具體內容如下：

（1）車地通信信號檢測，利用LabVIEW軟件實現車地通信系統FSK（頻移鍵控）信號調制解調功能，以檢測信號的強度。

（2）對檢測裝置軟硬件的調試及部分實驗室測試給出數據結果，同時在2號線試車段現場進行FSK（頻移鍵控）信號檢測的現場測試，對現場數據和波形進行分析處理，并將結果以波形圖的形式顯示出來。

1 檢測裝置的原理

車地通信系統原理如圖1所示：當列車接近軌道站臺時，列車自動運行系統（Automatic Train Operation，簡為ATO）系統開始發送車地通信信號，當列車進入站臺車地通信環線內，ATO啟動不間斷傳輸模式（Continuous Transmission Mode，簡為CTM），即車載列車自動監控（Automatic Train Control，簡為ATC）通過車地通信接收控制中心（Operation Control Center，簡為 OCC）的 CTM 指令后，通過車地通信連續接收信息，當列車離開站臺時，ATO系統仍然保持一段時間發送車地通信信號，發送信號與接收信號存在著相位差。

數據在車地之間傳輸是以FSK模擬信號進行的，其發送和接收是通過線圈的電磁感應實現數據傳輸。

圖1 車地通信系統原理圖

本項目利用美國國家儀器儀表公司（National Instruments，簡為NI）設備及虛擬儀器技術來設計檢測裝置，利用檢測裝置來模擬車載車地通信（Trainto－wayside communication，簡為TWC）設備及軌旁車地通信設備。即利用LabVIEW實現了FSK信號的 調制解調，提高了FSK信號調制解調程序的編譯效率，減少了利用基礎VI編譯時可能出現的問題，完成了FSK信號的調制解調及對解調信號的分析處理。

2 檢測裝置的實現

檢測裝置主要由硬件和軟件兩部分組成。

2.1 硬件設計

硬件由 NI PXI－1031 主 機 箱、NI PXI－8106 控制器、NI PXI－6251M系列多功能數據采集卡和SCB－68屏蔽接線盒組成，信號接收采用的是車地通信專用天線，放大器使用特殊放大器，功率為50W左右，可輸出有效值電壓最高為14V，檢測裝置硬件組成如圖2所示。

圖2 檢測裝置硬件

檢測裝置由圖2所示的硬件組成。圖2（a）為信息從軌旁傳輸到車載設備時的硬件組成和連接框圖，圖2（b）為信息從車載設備傳輸到軌旁時的硬件組成和連接框圖。

模擬車載的信號檢測裝置安裝在軌道小車上，天線高度可調節，以測量天線不同高度時信號接收情況。軌道小車可在軌道上前進后退，模擬軌旁的信號檢測設備放置在軌旁耦合板處，方便利用耦合板發送信號。

2.2 軟件設計

軟件設計主要分為編碼調制、發送和接收、解調和分析處理三部分程序。圖3表示了信號的編碼、調制、傳輸、解調及校驗等過程。

圖4所示為調制程序前面板，圖中波形為輸出波形，此波形在仿真解調時可用作解調波形，檢驗解調是否正確。

圖3 信號傳輸流程圖

檢測裝置的傳輸速率4 800bit／s（可調為9 600 bit／s），采樣頻率為900kHz，在檢測系統中，傳輸“0”碼時，送出一個頻率f0為64kHz的正弦波，傳輸“1”碼時，送出一個頻率f1為54kHz的正弦波，相位連續，這是車地通信系統的傳輸頻率，因此將FSK信號載波頻率設置為59kHz，頻偏設置為5kHz。圖5為調制程序圖，調制好的波形在前面板顯示為發送的信號，由于FSK信號的兩個頻率分別為54kHz和64kHz，所以，在前面板顯示出來頻率差別不是很大。

圖4 調制程序前面板

圖5 部分調制程序圖

圖6為信號接收部分的前面板，界面上顯示出接收信號及解調后的二進制碼元信息、誤碼率、是否存儲波形信息及存儲的路徑等，可以直觀并實時地觀察出信號接收的情況，是否有失真及在傳輸過程中是否有誤碼。圖7為部分接收程序圖，將接收到的波形濾波后進行解調處理，程序圖中左側為解調所需的參數設置，右邊為解調模塊和顯示模塊，將解調后的數據信息顯示出來，同時將解調信息進行校驗、對比計算誤碼率。

3 測試及結果

3.1 實驗室測試

圖6 接收部分的前面板

圖7 部分接收程序框圖

在實驗室環境下進行測試，確認信號發送和接收都正確后，向環線發送FSK信號。在車載模擬裝置中，運行信號解調程序，觀察解調面板上接收到的解調信號，查看幅值和頻率信息，及誤碼率等信息，待確認接收和解調正常后，將小車在軌道上移動，觀察接收界面是否仍有FSK波形存在，正確的情況下波形是存在的，且與小車不動時波形基本相似，無明顯變化，當小車在經過環線交叉時，天線正好落在交叉處正上方的時候，由于交叉處兩根環線產生的電磁場方向正好相反，大小相等，因此，在交叉處，磁場相互抵消，所以，此時天線接收到的信號為空間亂碼，沒有FSK信號，這就是環線的過零點，環線總長度為186m，鋪滿整個站臺，定位的時候根據交叉過零點的個數計算列車進入的距離，實現列車定位。

3.2 實驗室測試數據分析

驗證檢測方法可行后，利用檢測裝置測試功放在不同功率情況下模擬車載設備信號接收強度，測量了天線不同高度及發送信號不同電壓時，模擬車載設備接收信號的強度。為了便于測量與分析接收波形。首先測得在接收端能穩定接收到信號時的功放最小輸出電壓與在車地通信耦合板不產生噪聲干擾的前提下的功放最大輸出電壓。將最大值與最小值相減并除以6。這樣，分成7個電壓檔位進行量化測量，表1所示為電壓檔位對應的功放輸出電壓值，表2為測量天線不同高度所對應的實際空間位置。

表1 電壓檔位表

表2 天線高度對應表

綜合測試后的數據為表3所示，表內數值表示不同高度不同電壓檔位下所測得的接收FSK信號的電壓峰值。

表3 不同高度及電壓檔位下接收信號電壓值 V

從表3中數據可以看出，天線在相同高度下，發送信號電壓值越大，接收信號越強，失真越小。因此，在以后的測試中，在功放有效范圍內，應盡量將功率放大器放大倍數調大，以獲得更好的波形。在相同發送信號強度時，天線位置越低，接收到的信號越強，失真越小。但在實際使用中無法將天線調整過低，只能盡量降低天線高度。

圖8所示曲線為表3中所述的各點繪制而成，而圖9為圖8所繪曲線的線性擬合圖，反映不同的檔位及天線高度下的接收電壓幅值之間的關系。因此可見，在電壓檔位變大的情況下接收信號也變大。

圖8 電壓檔位與電壓幅值間的對應關系圖

圖9 電壓檔位與接收電壓幅值的線性擬合圖

3.3 現場實驗數據及結果分析

在試車線現場測試，用模擬軌旁裝置發送信號，軌道電路信號關閉，用模擬車載裝置能接收到FSK信號，且對FSK信號解調正常，此時，實驗室環境下的功能可實現，此時的波形信息如圖10所示。

圖10 NI設備發送、軌道電路關閉時接收的信號

模擬車載裝置接收信號濾波后的波形如圖11所示。圖10中接收信號看起來較亂，但是經過濾波后的圖11，可以清楚的看出FSK信號，且現場解調正常，證明程序濾除雜波的功能可行。

在信號發送端將環線發送信號連接到試車線軌旁發送信號的耦合板上，此時，車地通信系統完全采用現場的設備，信號接收端使用NI模擬車載裝置，對天線接收到的信號進行處理，此時軌道電路信號關閉，模擬車載設備收到的信號如圖12所示。

圖11 NI設備發送信號時、濾波后的信號

圖12 現場設備發送、軌道電路關閉后接收的信號

現場設備發送信號濾波后的波形圖如圖13所示，利用現場設備發送時，接收信號很好，沒受到干擾，由于現場設備發送信號功率較大，經過濾波后信號依然很好且解調正常。

圖13 現場設備發送信號、濾波后的信號

開啟軌道電路信號后，軌道電路信號會對車地通信系統FSK信號的接收和解調產生一定的干擾，當使用模擬軌旁裝置發送信號時，由于NI設備發送信號的功率較小，電壓值較低，因此，信號接收端接收到的幅度較小，受到軌道電路信號的影響較大，此時模擬車載裝置接收端接收到的信號如圖14所示，此時波形頻率為軌道電路信號的頻率，經過濾波后，會將軌道電路信號濾掉，只顯示車地通信系統的FSK信號。

圖14 NI設備發送、軌道電路開啟時接收的信號

雖然信號受到干擾較大，但是經過程序濾波后，信號可以較好地從干擾信號中剝離出來，經過濾波后的信號如圖15所示，且程序能正常解調出波形信息，證明算法抗干擾能力較強。

圖15 NI設備發送、軌道電路開啟時濾波后的信號

當軌道電路開啟，同時使用現場軌旁設備發送信號時接收到的信號波形如圖16所示。

圖16 現場設備發送、軌道電路開啟時接收的信號

從圖16中可以看出，波形情況較好，且沒有干擾，此時，由于軌旁設備發送信號時，功率較大，信號幅度較強，因此，軌道電路對接收信號的影響較小，但仍需對接收信號進行濾波，以消除軌道電路信號對車地通信系統接收信號的影響，程序濾波后的波形如圖17所示。

圖17 現場設備發送、軌道電路開啟時濾波后信號

綜合上述幾個實驗后，可以發現，在單獨使用NI設備進行信號發送的時候，功率較小，可以觀察到接收信號波形有較小失真，但軟件仍能對其進行正確解調，為能使接收信號不產生失真，在系統中使用了功放，將信號功率放大到最大50W左右，發送信號峰峰值到最大50V左右，有效值最大14V左右。由此可見，接收信號幅值增大，抗干擾能力增強。

因此該檢測裝置可以實現對FSK信號進行編碼調制、數據解調處理等功能，能夠實時存儲波形信息及回放功能。

4 結語

（1）車地通信系統檢測裝置作為上海軌道交通2號線信號檢測的專用設備，可為地鐵維護提供指導和幫助信息，有效縮短維護時間和維護成本，提高維護效率。

（2）車地通信系統中傳輸的信號為2FSK信號，檢測裝置能夠實現對2FSK信號的調制解調及對波形信息的存儲、回放等功能。

（3）研究成果可應用于上海軌道交通2號線車地通信設備維護和故障檢修，同時也可應用于所有采用US ＆S開發的地鐵信號系統的其他城市軌道交通線路。

［1］張煥增，柴曉冬，馬子彥，等.基于LabVIEW軌道交通車地通信系統FSK信號檢測裝置［J］.上海工程技術大學學報.2010，24（2）：101.

［2］余輝.上海地鐵二號線車地通信系統分析［J］.鐵道通信信號，2004，（10）：32.

［3］張煥增，柴曉冬，馬子彥，等.基于LabVIEW的頻移鍵控信號檢測裝置的研究［J］.城市軌道交通研究.2011（4）：55.

［4］徐曉東，鄭對元，肖武編.LabVIEW 8.5常用功能與編程實例精講.［M］.北京：電子工業出版社，2009.