CTCS-2點式應答器傳輸模塊的設計與應用

楊舒音

（上海鐵路通信有限公司，上海 200071）

CTCS-2點式應答器傳輸模塊的設計與應用

楊舒音

（上海鐵路通信有限公司，上海 200071）

針對目前中國高鐵的發展趨勢，設計一種適用于CTCS-2列控系統的應答器傳輸模塊，介紹應答器傳輸模塊的工作原理、系統構成及各模塊功能設計，并闡述其先進性及優點。

高速鐵路；應答器傳輸模塊；CTCS-2

1 概述

目前，中國投入運營的高速鐵路已達到1萬km。在建時速250～350 km的高速鐵路有5 000多km，我國高速鐵路運營里程居世界第一位。既有的通信信號制式對于高速鐵路的行車安全是不能保證的，在借鑒國外已成熟制式的基礎上，開發自主的、適合我國國情的CTCS-2級列控系統裝備，縮小與國際先進水平的差距，以適應國民經濟發展的需要。

應答器傳輸系統設備包括應答器傳輸模塊（BTM）、應答器兩部分，是CTCS-2級列控車載系統相關設備。該系統不僅適用于高速鐵路，也適用于城市軌道交通。

2 BTM系統構成

應答器傳輸系統設備主要包括BTM、應答器（無源應答器、有源應答器）、電纜線等。系統框圖如圖1所示。

BTM設備由BTM主機和車載天線（以下簡稱BTM天線）兩部分組成。整個車載設備系統結構如圖2所示。

BTM通過接口“A”向下發送27.095 MHz能量激活應答器，接收地面應答器發送的上行鏈路信號并解析應答器報文。BTM主機可通過接口“B”與列控車載設備（例如ATP、LKJ或GYK等）連接，周期接收列控車載設備發送的位置與速度信息，同時將接收到的應答器報文信息發送給列控車載設備。

圖1 應答器傳輸系統框圖

圖2 車載設備結構圖

應答器和BTM之間的數據傳輸通過空氣中磁場耦合完成。BTM天線持續向地面發送27.095 MHz的連續電磁波，為應答器提供產生電源的電磁場。當BTM天線接近應答器時，應答器感應到能量信號，通過電磁耦合將其轉換成電能，進入激活狀態，向車載設備循環發送報文，直至能量消失。

3 BTM工作原理

如圖3所示，BTM采用二乘二取二架構。BTM由天線單元、電源單元、功放單元、接收單元1/2和通信單元1/2組成，其中接收單元1/2組成冗余結構，通信單元1/2組成二乘二取二結構，保證BTM中只要各有一個接收單元和通信單元正常，設備就能正常工作。

圖3 BTM結構圖

4 BTM關鍵組成單元功能及設計

4.1 功放單元

功放單元負責產生27.095 MHz高穩定度時鐘信號，并經過緩沖驅動和功率放大，產生下行鏈路的27.095 MHz功率信號，然后通過同軸電纜傳輸到BTM天線。功放單元從BTM天線接收上行鏈路信號，濾波后提供給接收單元解調解碼。

4.2 接收單元

依法治理，共治食品藥品安全。市委將“食品安全”作為瀘州“三抓三主動”中“抓法治”的重要內容納入目標考核。各級監管人員加強監管執法，實行在線隨機選擇檢查對象、檢查人員，采取“三不兩直”法（不打招呼、不聽匯報、不要人員陪同，直奔基層、直插現場）檢查模式。組織區縣局開展“交叉執法”與“錯時執法”，及時查處違法行為。在新聞媒體、市局網站設立“曝光臺”欄目，將企業違法違規行為及時向社會公布。

接收單元實現應答器上行鏈路信號的接收和解調解碼。接收單元由A1信號調理電路、FSK解調和解碼模塊組成。硬件解調解碼模塊由FPGA完成，然后通過內部485總線將解調后的應答器報文數據實時發給通信單元。

4.3 通信單元

通信單元主要負責處理接收單元的應答器報文原始數據，并完成與列控車載設備（比如ATP或LKJ）的數據通信。通信單元是BTM主機的核心單元，其主要功能如下：

1） 接收ATP周期發送的速度里程信息；

2） 將接收單元發送的1 023 bit應答器報文進行校驗和譯碼，譯取830 bit應答器用戶報文；

3） 根據接收單元發送的原始應答器數據和ATP發送的速度里程信息，計算出應答器中心點位置信息；

4） 將830 bit應答器用戶報文和應答器中心點位置信息封裝成應答器報文幀發送至ATP；

通信單元由MCU和FPGA實現二取二數據處理功能，雙系MCU同時對接收單元發送的應答器報文數據進行校驗、譯碼和比較。比較一致后，通過FPGA向列控車載設備輸出應答器報文數據。

通信單元的原理設計如圖4所示，其核心模塊由MCU和FPGA組成，各模塊功能描述如下。

圖4 通信單元原理圖

1） MCU-1和MCU-2通 過F1/2接 口 接 收1 023 bit應答器報文，從應答器報文中提取830 bit應答器用戶報文，并根據G1/2接口的原始應答器報文數據和D1/2接口的速度里程信息計算出應答器中心點位置信息，然后將用戶報文和應答器中心點位置信息重組成應答器報文幀，并計算應答器報文幀的CRC48。在此過程中，MCU-1和MCU-2通過B接口實時比較各邏輯運算結果是否一致。如果二者的運算過程結果完全一致，則MCU-1通過A1接口向FPGA輸出應答器報文幀，MCU-2通過A2接口向FPGA輸出CRC48，FPGA將這兩組數據拼接成一幀數據，然后通過E接口發送至ATP。

2） FPGA實現如下兩項功能

速度里程信息透傳：FPGA通過D1/2接口周期性接收ATP速度信息，然后通過A2和C2接口分別發送至MCU-1和MCU-2；

應答器報文幀透傳：FPGA將MCU-1和MCU-2發送的應答器報文幀和CRC48拼接成一幀完整的數據幀，然后通過E接口發送至ATP。此外FPGA還將通過A2和C2接口將數據幀抄送至MCU-1和MCU-2，以供MCU通過數據幀的校驗判斷當前應答器用戶報文傳輸是否正確。

通信單元同時記錄BTM的重要信息，其中包括：

1）設備工作狀態：BTM天線、電纜、電源單元、功放單元、接收單元和通信單元的工作狀態；2）應答器報文和用戶報文；3）列控車載設備通信數據。

4.4 天線單元

BTM天線單元由27.095 MHz和4.234 MHz寬帶天線組成。27.095 MHz天線負責向地面發送27.095 MHz的 信 號；4.234 MHz負責接收應答器上行鏈路信號，并將該信號通過BTM專用電纜傳送給BTM主機。BTM天線內置檢測單元，用于實現電纜短斷路和BTM天線單元的在線故障檢測。

5 實測結果

根據BTM系統方案搭建測試環境，系統測試框如圖5所示，

圖5 系統集成測試環境框圖

測試結果：在設備上電后，手持應答器從BTM天線上面揮過，通過測試箱向列控車載設備加速，DMI上顯示列車當前速度；保持一定的速度運行，直到列控車載設備進入完全模式；下載列控車載設備的數據進行分析，數據里有BTM上報的應答器報文數據，且無任何報警信息，列控車載設備接收的應答器報文與測試箱發送的應答器報文一致。

6 總結

本文介紹的應答器傳輸模塊（BTM）嚴格按照 GB/T 21562-2008、GB/T 28808-2012、GB/T 28809-2012標準規范進行研制，并滿足“故障-安全”原則。設備的安全度等級（SIL）滿足GB/T 21562-2008中4級的要求，系統關鍵技術涉及射頻技術、天線理論、電源泵電路技術、高速信號處理等多學科領域。目前該產品已通過鐵路總公司技術評審，取得了CRCC證書，并在大鐵、城市軌道交通等領域獲得大量推廣，得到現場用戶的一致好評。

與進口BTM相比，該BTM采用先進的數字解調、模擬濾波和數字濾波技術，可以有效地濾除外界的突發干擾信號，提高應答器報文數據接收的可靠性，有效地解決進口BTM易受外界干擾導致應答器報文丟失的問題。此外，該BTM還擁有豐富的維護和監測接口，便于現場技術人員實時監測BTM的應答器報文接收質量以及設備工作狀態，幫助現場技術人員直觀有效地分析應答器報文丟失和設備故障原因。

圖6 監控軟件報文顯示界面

［1］郭瑞，李胤，王永超，等.CTCS點式應答器系統中BTM接收模塊設計［J］.電子測量技術，2010（7）：19-22.

［2］中國鐵路總公司.鐵總運［2014］29號 CTCS-2級列控車載設備暫行技術規范（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）