應答器上行鏈路信號實驗系統研究

李正交, 戴勝華, 呂建軍

(北京交通大學 電子信息工程學院, 北京 100044)

應答器上行鏈路信號實驗系統研究

李正交, 戴勝華, 呂建軍

(北京交通大學 電子信息工程學院, 北京 100044)

為滿足鐵道信號綜合實驗課程的研究性實驗教學需求,考慮列車運行條件下的靜態特性與動態特性而設計了應答器上行鏈路信號實驗系統。基于虛擬儀器軟件技術設計了人機交互模塊,以STM32處理器、AD9854芯片為核心設計了信號發生模塊,將示波器作為顯示測試模塊對輸出信號進行測試驗證,輸出信號動態特性實測值與理論值誤差在5%以內,能夠滿足實驗教學需要。應用表明,該實驗系統便于學生在實驗室靜態環境下掌握列車運行條件下應答器上行鏈路信號的波形特性,使學生實踐能力和科學素養獲得提高,取得了良好教學效果。

鐵道信號； 上行鏈路信號； 實驗教學； 靜態特性； 動態特性；

研究性實驗教學以類似于科學研究的情境和途徑組織實驗,引導學生主動探索、主動思考、主動實踐,通過開展研究性實驗,可以培養學生綜合分析問題、解決問題的能力以及創新能力,提高學生的綜合素質[1-3]。研究性實驗教學,更要注重教學過程的實踐性,突出實驗內容的創新性、探究性,進而提高學生自主學習的興趣,有力地推進了工程創新人才的培養[4-5]。因此,研究一個有科學深度和操作興趣的實驗系統對開展研究性教學很有現實意義。

應答器傳輸系統作為列車運行控制系統中的關鍵設備,通過應答器上行鏈路信號向運行列車傳輸線路基本參數、線路速度信息、臨時限速信息、特殊定位信息等列控安全信息。因此開展應答器上行鏈路信號實驗對應答傳輸系統關鍵技術的掌握至關重要。目前文獻[6]在考慮靜止和動態情況下分析上行鏈路信號幅度、頻率及相位變化情況,并采用2臺函數/任意波形發生器和1塊數據采集卡組建上行鏈路信號模擬器,但此模擬器造價較高,無法適用于批量實驗教學；文獻[7-8]均使用RFID來模擬應答器電磁耦合實驗教學過程,此方法模擬的信號無法反映上行鏈路信號真實特性,且未考慮靜態及動態情況下信號特性的變化問題。針對上述問題,本文設計的應答器上行鏈路信號實驗系統是集嵌入式、信號處理及Matlab等課程內容為一體的綜合實踐系統,該系統有利于提高學生的學習主動性、提高學生實踐動手能力、創新能力及相關課程知識綜合應用能力。

1 實驗系統總體設計

1.1 設計要求

該系統能夠模擬地面應答器上行鏈路信號的靜態特性與動態特性,特別是再現不同列車速度等級下高速列車通過地面應答器時,上行鏈路信號不同特性的再現。根據實驗教學需要,本系統主要實現信號頻率特性、幅度特性和固定報文加載功能,要求實驗系統頻率特性、報文內容與真實信號一致,考慮到實驗人員人身安全問題,對信號幅度特性進行等比例縮小。

1.2 設計方案

根據設計要求及信號發生器的基本設計方法[9-11],制定系統的設計方案。本實驗系統整體設計方案見圖1。系統主要包括人機交互軟件模塊、信號發生(RSG)模塊和顯示測量模塊3部分。人機交互模塊主要用于信號特性認知學習、固定報文信息選擇與加載以及速度影響下的信號波形選擇3項功能；信號發生模塊能夠接收人機交互模塊指令及數據,并根據指令及數據要求對靜態特性、動態特性波形信號進行頻率、幅度的調制,最終輸出相應信號的波形；顯示測量模塊主要對生成信號特性進行測量分析。

圖1 實驗系統整體設計方案

2 上行鏈路信號特性分析

2.1 上行鏈路信號靜態特性

上行鏈路信號靜態特性指：當列車與地面應答器保持相對靜止且車載接收天線位于應答器接觸區域之內的情況下,車載天線接收到地面應答器傳輸的上行鏈路信號波形特性。根據文獻[6]的研究,相對靜止情況下,上行鏈路信號是一種相位連續的FSK調制信號,其僅為幅度、頻率和相位的函數,其中心頻率為4.234 MHz±200 kHz,調制頻偏為282.24 kHz±5%,數據速率為564.48 kbit/s±2.5%,調制信號為BCH編碼的應答器報文,其中頻率3.651 MHz代表邏輯0,頻率4.516 MHz代表邏輯1。上行鏈路信號的報文編制規定見表1。

表1 上行鏈路信號報文編制規定

2.2 上行鏈路信號動態特性

上行鏈路信號動態特性指：當列車與地面應答器處于相對運動狀態下,車載天線接收到地面應答器傳輸的上行鏈路信號波形特性。此時上行鏈路信號的幅度,特別是車載天線在不同列車速度情況下接收到的信號包絡曲線,即地面應答器與車載天線間的動態作用時間會發生改變[6,12]。而不同列車速度對信號頻率、相位特性影響不大[6]。本文基于電磁場基礎理論,對列車運行條件下應答器傳輸系統天線磁場分布模型進行研究,以期得出不同列車運行速度下上行鏈路信號的動態特性。

圖2為應答器上行鏈路信號傳輸過程的簡化模型,以地面應答器中心為坐標原點O,建立三維直角坐標系O-xyz,分別取地面應答器發送天線的AB邊和BC邊相平行的方向作為OX軸、OY軸,取與應答發送天線垂直向上的方向為OZ軸,其中OX軸正方向為列車運行方向。ABCD為應答器發送天線簡化模型,EFGH為車載天線簡化模型,車載天線水平安裝,安裝高度Z0保持不變,虛線部分為應答器車載天線運行軌跡。

根據文獻[12-13]的理論分析,選取應答器中心頻率fc=4.234 MHz,車載天線諧振電路品質因數Q=40,應答器安裝高度z0=220 mm,車載天線沿x軸移動距離2x0=2 600 mm,車載天線電流I=59 mA,應答器尺寸大小AB/2=187 mm,BC/2=218 mm,車載天線尺寸大小EF/2=100 mm,FG/2=195 mm,車載應答器傳輸模塊(BTM)內部門限電壓U門限=1 V,應答器報文為長報文(1 023 bit),此時得到不同列車運行速度下動態作用時間的Matlab仿真結果如圖3所示。

圖3 不同列車速度下動態作用時間仿真結果

根據圖3,按照中國列車運行控制系統CTCS1—4級規范列車速度分別設為v=120、160、250、350 km/h,另外選取500 km/h作為未來高速列車速度,分別計算各種列車速度下上行鏈路信號動態特性,即車載設備動態接收比特數ndec、動態接收數據幀數ntel和動態作用時間T動態,如表2所示。

表2 典型列車運行速度下上行鏈路信號動態特性

3 實驗系統詳細設計

3.1 系統硬件結構設計

本實驗系統基于虛擬儀器軟件進行人機交互界面、固定報文加載及不同速度影響下信號特性波形數據的生成,采用STM32F103RBT6作為波形數據的傳輸、信號調頻及調幅控制,基于直接數字合成(DDS)原理使用AD9854作為最終信號的發生模塊,將示波器作為發生信號的參數測量與波形顯示的模塊。系統硬件結構見圖4。

實驗人員在PC機上使用人機交互軟件可進行功能模塊的選擇,實現上行鏈路信號靜態及動態特性即不同列車速度等級下波形的發送。選擇信號認知功能,系統將進行應答器傳輸系統信號特性的學習；選擇報文加載與發送功能,再選擇內置的固定報文信息,系統根據通信協議將BCH報文傳輸到應答器上行鏈路信號發生(RSG)模塊,RSG內部嵌入式軟件產生一定頻率的正弦信號作為FSK信號調制的載波信號,在報文信號的作用下進行FSK調制；若選擇速度影響下的信號波形功能,可以在界面上選取不同速度等級下的列車通過應答器組的運行速度作為輸入,人機交互模塊通過輸出內置的時間、頻率參數,使RSG在FSK信號調制后再進行AM幅度調制。RSG提供專用輸出接口,可通過示波器對輸出波形進行觀測。

圖4 實驗系統硬件結構

3.2 軟件功能分析與實現

上行鏈路信號即FSK調制的應答器報文信號,在進行模擬產生信號時,先加載報文,然后對報文進行FSK調制?？紤]靜態特性與動態特性的真實上行鏈路信號,需要在標準FSK信號上加載一個幅度包絡,因此在通過頻率調制得到標準FSK信號同時,還要對信號進行幅度調制,以模擬列車停止或通過地面應答器時車載設備接收到的真實上行鏈路信號。

頻率調制(FM)就是使載波信號的頻率按調制信號規律變化的一種調制方式。信號調頻主要為實現上行鏈路信號報文信息的攜帶,此時需要按照CTCS-3級列控系統應答器報文定義及運用原則中的報文編制標準[14-15],由人機交互模塊將需要傳輸的報文信息編制成二進制碼流,即用于傳輸的BCH基帶信號,再由信號發生(RSG)模塊對FSK信號進行調制輸出。幅度調制(AM)就是使載波信號的幅度隨調制信號的變化而變化的一種調制方式。調幅信號的幅度系數反映調制信號的變化,稱為調制信號的包絡[9],在實際控制幅度系數時,保持載波信號幅度不變,控制調制信號的幅度,就可以實現幅度系數在1%～100%調節。

系統通過人機交互模塊產生帶有固定報文信息的二進制碼流作為調制信號,由STM32讀取二進制碼元,采用端口置高/低電平并結合內部定時器的方式實現碼流的發送,并將其作為AD9854基帶調制信號的輸入,控制AD9854頻率控制字,實現信號頻率調制,同時采用樣點幅值量化計算的方法,以循環寫入的方式控制AD9854對信號包絡的控制,進而實現信號幅度調制。在此基礎上,系統還增加了低通濾波器,用于濾除基頻外雜波分量,抑制諧波。

4 實驗結果和結論

根據前文對實驗系統的分析設計,現對應答器上行鏈路信號實驗系統的實際信號效果進行測試。選取250、350、500 km/h 3個速度等級進行實測驗證,顯示測試模塊選用Agilent 2022A型雙通道示波器，Agilent-N2863B探頭連接實驗系統輸出信號,波形測試結果如圖5所示,特性參數結果見表3。

圖5 上行鏈路信號波形測試結果

列車速度/(km·h-1)動態作用時間/ms理論值實測值誤差/%2509．99．54．03507．16．92．85005．15．02．0

由表2數據可以得出:本系統作為為實驗教學系統在一定精度范圍內可以完成應答器上行鏈路信號的仿真輸出，輸出波形清晰穩定,信號特性符合要求。

本文通過相關理論分析與實物測試研究,參考對比國內外現有的數字信號合成方案,驗證了本文提出的基于虛擬儀器軟件的STM32+AD9854的上行鏈路信號發生方案的可行性,很好地模擬了應答器上行鏈路信號靜態特性與動態特性。得到以下結論:

(1) 本實驗系統加入了速度影響因素的研究,高度還原應答器上行鏈路信號波形特性,便于學生在實驗室靜態環境下掌握列車運行條件下應答器上行鏈路信號的波形特性；

(2) 實驗教學過程中,學生需要熟練掌握示波器的使用,并能夠運用Matlab對示波器導出波形進行實測分析,大大地提高了學生的學術研究素養；

(3) 應答器上行鏈路信號實驗系統適合用于研究性教學,學生可以根據自己對系統的掌握情況,自行設計和優化系統各模塊并對原系統模塊進行替代,既增強了學生實際動手能力,又發揮了學生的主觀能動性,提高其學習興趣和積極性。

References)

[1] 劉偉忠. 研究性教學中的難點與實施重點[J]. 中國高等教育, 2006(24):36-37.

[2] 崔學榮, 曹愛請, 李娟,等. 研究性教學模式在實驗教學方法改革中的應用[J]. 實驗技術與管理, 2016,33(1):176-178.

[3] 俞麗珍, 寧春花, 左曉兵,等. 設計性、研究性實驗教學探索與實踐[J].實驗科學與技術, 2017, 15(1):117-119.

[4] 花奇芹, 陸娟, 戴躍儂. 專業層面研究性教學改革的基本原則及其要點[J].中國大學教育,2017,33(1):176-178.

[5] 楊春玲, 朱敏, 張巖. 數字電子技術基礎研究性教學方法的探索與實踐[J]. 中國大學教學, 2014(2):58-60.

[6] 王瑞, 趙會兵, 王舒民. 面向應答器傳輸模塊測試的上行鏈路信號模擬器研究[J]. 鐵道學報, 2008, 30(6):46-50.

[7] 華勇, 盧海, 張濤. 應答器教學系統研究[J]. 鐵道通信信號, 2009, 45(4):36-37.

[8] 莫振棟, 趙中華. 物聯網RFID和ZigBee技術在高鐵列控系統的應用研究[J]. 中國測試, 2014, 40(1):97-100.

[9] 陳小橋, 黃恩民, 張雪濱,等. 基于單片機與AD9851的信號發生器[J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(8):98-102.

[10] 熊飛麗, 王光明, 劉國福. 多功能智能函數信號發生器的設計[J]. 測控技術, 2003, 22(4):9-12.

[11] 薛雪, 劉曉文, 陳桂真,等. 波形發生器開放實驗實踐[J]. 實驗技術與管理, 2015, 32(12):36-39.

[12] 梁迪, 趙會兵, 全宏宇, 等. 應答器傳輸系統的電磁耦合機理及工程安裝優化研究[J]. 鐵道學報, 2014, 36(5):64-70.

[13] Zhao L, Jiang Y. Modeling and optimization research for dynamic transmission process of balise tele-powering signal in high-speed railways[J]. Progress In Electromagnetics Research, 2013, 140:563-588.

[14] 鐵道部.CTCS-3級列控系統應答器應用原則(V2.0)：科技運[2008]144號[Z].

[15] 鐵道部.應答器技術條件：科技運函[2004]114號[Z].2004.

Research on transponder uplink signal experimental system

Li Zhengjiao, Dai Shenghua, Lü Jianjun

(School of Electronic Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

In order to meet the needs of the research-oriented experimental teaching of the Railway Signal Comprehensive Experiment course, and on the basis of the consideration of the static characteristics and dynamic characteristics under the train running conditions, the transponder uplink signal experimental system is designed. Based on the virtual instrument software technology, the human-computer interaction module is designed, and with STM32 processor and AD9854 chip as the core, the signal generation module is designed. The oscilloscope is used as the display test module to verify the output signal, and the error between the real measured value and theoretical value of the dynamic characteristics of the output signal is less than 5%, which can meet the needs of the experimental teaching. The application shows that the experimental system is convenient for students to master the waveform characteristics of transponder uplink signal under the train running conditions in the laboratory static environment, so that students’ practical ability and scientific literacy are improved, and the good teaching effect is achieved.

railway signal; uplink signal; experimental teaching; static characteristics; dynamic characteristics

2017-06-05修改日期2017-08-06

國家自然科學基金重大項目(61490705),中央高校基本科研業務費專項資金項目(2015JBM012)資助; 北京交通大學2017年校級教改項目(B類-29)

李正交(1986—),男,河南南陽,碩士,實驗師,研究方向為軌道交通自動化與控制.

E-mail：lizhj@bjtu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.016

U284.48; G642.0

A

1002-4956(2017)12-0066-05