应答器上行链路信号接收系统的研究

》遂《镕一象器§墨甏溢秦震§善

ｌ

麓勰毽羹一蘧萋莲蓬蓦专建；。

魄§口鼙藩薏霪氇。§《≮矿，气，

硕士学位论文

应答器上行链路信号接收系统的研究

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＢａｌｉｓｅＵｐｌｉｎｋ－ｓｉｇｎａｌＲｅｃｅｉｖｅｒＳｙｓｔｅｍ

作者姓名：

学科、专业：

学

…＋号：指导教师：

兀从口删：完成日期：

兰州交通大学

ＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

独创性声明

本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特雯ＩＩＪＪｊｒｌ以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含获得兰趔交通太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了

’

谢意。

学位论文作者签名：墨豇等签字日期：扣『ｆ年／月／３日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解兰趟銮亟太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权兰翅童通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文慨者签轹肛导师签名：≥啼噼

签字日期护ｏ．ｉ年阳孳明签字日期：０Ｌ，０１１年占月／乡日

●瘩

兰州交通大学硕士学位论文

摘要

随着我国铁路事业的发展，在客运专线和高速铁路的建设中，同时在现有铁路线路的基础上，提高铁路运能，提升铁路运输效率一直是铁路系统最关心的问题。无论基于轨道电路的列车运行控制系统、还是在通信的列车运行控制系统中，应答器设备作为车—她间信息传输的一种方式被广泛的应用，并发挥重要作用。目前我国使用的应答器尚不能完全国产，从国外引进的应答器技术基本满足我国铁路建设发展的需求，但是其核心技术～直被国外公司所垄断，设计生产我国自主知识产权的点式应答器有着重要的现实意义和经济价值。

本文通过对应答器的组成、分类和工作原理等进行分析，重点对应答器上行链路信号接收系统进行研究。结合我国高速铁路列车控制系统的现状，本文提出了一种新的应答器上行链路信号的接收设计方案。该方案共分为３个模块：数据采集模块、数据解调模块、译码模块。根据上行链路信号特点可确定该应答器的传输信息量、载波频率、解调方案、信息传输速率和传输带宽等参数。应答器接收系统信号外界干扰源较多，因此信息调制方式和载波频率的选择变得尤为重要。经过对几种解调算法的性能参数和运算复杂度等因素的综合考虑，本文将采用差分检波法进行解调。数字滤波器的设计是信号处理中非常重要的环节，在差分解调中涉及到带通、低通和延时滤波器的设计。通过ＭＡＴＬＡＢ软件进行了算法实现，使用ＳＩＭＵＬＩＮＫ工具对差分检波解调方法进行仿真验证，并在加入噪声的情况下对仿真结果的影响进行分析。在硬件上应用数字信号处理技术完成对各个功能模块的设计，最终完成上行链路信号解调板的设计工作。

通过对应答器报文编码原理的分析，在了解报文译码步骤的基础上，对应答器接收端的ＣＲＣ校验和报文解扰算法两个关键步骤进行分析与研究。根据编码的原理，对接收端的ＣＲＣ校验采用两种方法进行验证；根据加扰过程对接收端报文进行解扰运算。采用ＦＰＱＶ可编程逻辑器件）完成应答器报文译码的方案设计，对该方案进行各个功能模块的划分，并通过ＱｕａｒｔｕｓＵ软件的设计平台对应答器报文译码过程中的ＣＲＣ校验和解扰两个模块进行仿真验证。

关键词：应答器；上行链路；解调；译码论文类型：应用技术研究

——————————————————————————————————————————————————————————————————————————～—————————————————————————————————一

应答器上行链路信号接收系统的研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒａｉｌｗａｙｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰａｓｓｅｎｇｅｒＤｅｄｉｃａｔｅｄＬｉｎｅｓａｎｄｔｈｅｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ，ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒａｉｌｒｏａｄｔｒａｎｓｐｏｒｔｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｔｈｅｒａｉｌｗａｙｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｈａｓａｌｗａｙｓｂｅｅｎｔｈｅｍｏｓｔｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇｉｓｓｕｅｉｎｔｈｅｒａｉｌｙｗａｙｓｙｓｔｅｍｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｒａｉｌｙｗａｙｌｉｎｅｓ．、ⅣｈｅｔｈｅｒｉｎＴＢＴＣｏｒＣＢＴＣ，ｂａｌｉｓｅｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｎｄｐｌａｙｅｄａｌｌｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌｒｏｌｅａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｒａｉｎｓａｎｄｔｈｅｔｒａｃｋｓ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｂａｌｉｓｅｕｓｅｄｉｎＣｈｉｎａｉｓｎｏｔｙｅｔｄｏｍｅｓｔｉｃ．Ｂａｌｉｓｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｒｏｍａｂｒｏａｄｃａｎｏｎｌｙｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒａｉｌｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｃｏｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｂａｌｉｓｅｈａｓｂｅｅｎｍｏｎｏｐｏｌｉｚｅｄｂｙｆｏｒｅｉｇｎｃｏｍｐａｎｉｅｓ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｂａｌｉｓｅｗｉｔｈｏｕｒｏｗｎｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｈａｖｅｖｉｔａｌｒｅａｌｉｓｔｉｃｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｖａｌｕｅ．

Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｓｏｒｔｓ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｂａｌｉｓｅ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｆｏｃｕｓｅｓＯｉｌｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｂａｉｉｓｅｕｐｌｉｎｋ－ｓｉｇｎａｌｒｅｃｅｉｖｅｒｓｙｓｔｅｍ．ＷｉｔｈｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎｅｓｅｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｔｒａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｅｗｂａｌｉｓｅｕｐｌｉｎｋ－ｓｉｇｎａｌｒｅｃｅｉｖｅｒｓｙｓｔｅｍｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｉｓｐｒｏｇｒａｍｉｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｈｒｅｅｍｏｄｕｌｅｓ：ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ，ｄａｔａｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ，ｄｅｃｏｄｉｎｇｍｏｄｕｌｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｕｐｌｉｎｋ ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｃａｒｒｉｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ。ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｃｍｅ，ｔｈｅｒａｔｅｏｆｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂａｎｄｗｉｄｔｈｗｉｌｌｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｂｅ圮．ａｕｓｅｔｈｅｒｅａｒｅｍｕｃｈｍｏｒｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎａｌｓｉｎｒｅｃｅｉｖｅｒｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅａｎｄｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｃａｒｒｉｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｒｃｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｓｅｖｅｒａｌｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓａｄｏｐｔｓｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｏｌｕｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｉｎｔｈｅｓｉｇｎａｌｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｉｎｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．，１１璩ｂａｎｄ．ｐａｓｓ，ｌｏｗ．ｐａｓｓａｎｄｄｅｌａｙｆｉｌｔｅｒｓａｒｃｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．删ＳａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂⅣＭＡＴＩＡＢ．日托ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｏｌｕｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｗｉｌｌｂｅｖｅｒｉｆｉｅｄｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇｏｆｔｈｅＳｎ仉，Ｉ，肿【ｔ００１．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ。ｏｎｔｈｅｃｏｎｃｅｒｎｏｆｔｈｅｎｏｉｓｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｗｉｌｌｂｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｈａｒｄｗａｒｅｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｏｄｅｉｓｕｓｅｄｔｏｆｉｎｉｓｈ２ＦＳＫｓｉｇｎａｌｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｌａｂｄｅｓｉｇｎｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．

ＴＩｌｉＳｔｈｅｓｉｓａｎａｌｙｚｅｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｉｎｔＯｔｈｅＣＲＣ（ＣｙｃｌｉｃＲｅｄｕｎｄａｎｃｙＣｈｅｃｋ）ａｎｄｄｅｓｃｒａｍｂｌｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｔｈｅｂａｌｉｓｅｒｅｃｒｉｖｅｒｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅ同ＦＦＳ（ＦｏｒｍＦｉｔＦｕｎｃｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）ｃｏｄｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｂａｌｉｓｅａｎｄｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｔｅｌｅｇｒａｍｄｅｃｏｄｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｃｏｄｉｎｇｔｈｅｏｒｙ，ｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｗｉｌｌｂｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙ也ｅ（汰Ｃ．Ｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｏｆｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｃｒａｍｂｌｉｎｇ，ｔｈｅｄｅｓｃｒａｍｂｌｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎａｔｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｓｉｄｅｗｉｌｌｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．ＦＰＧＡｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂａｌｉｓｅｔｅｌｅｇｒａｍｄｅｃｏｄｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ．Ａｎｄｅａｃｈ．Ⅱ．

兰州交通大学硕士学位论文

ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｉｓｐｒｏｇｒａｍｗｉｌｌｂｅｄｉｖｉｄｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｔｗｏｍｏｄｕｌｅｓｗｈｉｃｈａｒｅＣＲＣａｎｄｔｈｅｄｅｓｃｒａｍｂｌｉｎｇｍｏｄｕｌｅｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂａｌｉｓｅｔｅｌｅｇｒａｍｄｅｃｏｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｉｌｌｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｂｙＱｕａ＿ｎｕｓＩＩ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｂａｌｉｓｅ，Ｕｐｌｉｎｋ－Ｓｉｇｎａｉ，Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，Ｄｅｃｏｄｅ— ＩＩＩ—

ＬＬ

摘要……………………………………………………………………………………………………………………．ＩＡｂｓｔｒａｃｔ……………………………………………………………………………………………………………………．．ＩＩ】【绪论………………………………………………………．…………．…………………………………………………．．】【

１．１研究的背景和意义………………………………………………………………………………．１１．２国内研究现状…………………………………………………………………………………………．２１．３国外应答器的分析…………………………………………………………………………………３１．４论文主要研究内容………………………………………………………………………………。３２应答器的组成及工作原理………………………………………………………………………………５

２．１应答器的组成……………………………………………………………………………………．５

２．１．１地面应答器部分……………………………………………………………………………５２．１．２车载部分………………………………………………………………………………。６

２．２应答器主要技术参数及特点……………………．

２．２．１技术参数………………………………………………………………………………。７

２．２．２应答器的特点…………………………………………………………………………。８２．３应答器各接口的功能……………………………………………………………………．……８３上行链路信号采集和解调方法设计………………………………………………………………１０

３．１上行链路信号的频谱分析…………………………………………………………………。１０３．２数据采集中采样率的选择…………………………………………………………………１１３．３ＦＳＫ信号的解调……………………………………………………………………………。１４

３．３．１２ＦＳＫ解调方法…………………………………………………………………………………１５

３．３．２差分检波中延时器的实现……………………………………………………………１８３．４数字滤波器的设计………………………………………………………………………………１９３．５ＦＳＫ信号解调算法的Ｍａｔｌａｂ实现…………………………………………………………。２３３．６差分检波的Ｍａｆｌａｂ仿真………………………………………………………………………２４３．７硬件结构………………………………………………………………………………………２８

３．７．１总体硬件设计………………………………………………………………………．２８

３．７．２电源模块的设计………………………………………………………………………３１

３．７．３复位模块的设计……………………………………………………………………３３

３．７．４信号采集模块设计……………………………………………………………………３４３．７．５通信模块的设计……………………………………………………………………．３６

３．７．６ＤＳＰ的ＪＴＡＧ接口设计……………………………………………………………．３８

……．．３９

……。３９

……．．４０

……．．４３

……．．４３

……。４３

……．．４３

……．．４６

……．．４６

……．．４９

……．．４９

……．．４９

……。５１

……．．５３

……．．５４

……．．５６

……．．５７

……。５８

……．．５９

……．．６１……．．６４

兰州交通大学硕士学位论文

１绪论

１．１研究的背景和意义

本世纪初中国铁路进入了高速发展阶段，为了满足铁路跨越式发展战略以及迎接客运专线建设和高速铁路建设的需求，同时在现有铁路线路的基础上，提高铁路运能，提升铁路运输效率一直是铁路系统最关心的问题ｉ传统的以地面信号为主的信号系统已不能保证行车安全和运输要求，因此必须采用列车运行控制系统。在参考欧洲ＥＴＣＳ（ＥｕｒｏｐｅａｎＴｒａｉｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ）的基础上，铁道部制定了中国的列车运行控制系统ＣＴＣＳ（ＣｈｉｎａＴｒａｉｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ），简称列控系统。其作用是对列车运行方向、运行间隔和运行速度进行控制，从而保证列车运行安全，提高运输效率【１Ｊ。

列控系统是由地面列控中心（无线闭塞中心）、轨道电路、地面信号设备和车载设备共同组成的安全系统【２１。列控系统设备构成如图１．１所示。在地面和列车间通信的方式可分为点式和连续式两种。应答器作为车一地间点式通信的主要方式被广泛用于各级列控系统中。图１．１列控系统设备构成图

应答器上行链路信号接收系统的研究

应答器作为必配的基础设备广泛地应用于ＣＴＣＳ系统各级中。点式应答器的使用进一步提高了列控系统的自动化程度，有力的保证铁路运输的安全性。在列车监控装置中，点式应答器是一个关键的设备，有着非常重要的作用。举例如下【３ｌ：

（１）在无人工操作下完成列车的定位，可以减少由于人为因素造成的失误导致的安全事故；

（２）提高了列车的定位精度，范围在±１米内；

（３）信息存储量大包括道岔限速、线路信息、列车运行前方区间空闲状态、临时限速等；

（４）与ＬＥＵ电子单元连接，可以传送变化的实时的信息，例如信号机得显示、来自联锁系统等信息；

（５）还可完成电力牵引机车分相自动转化及受电弓自动控制。

１．２国内研究现状

我国对应答器的研究起步相对较晚。１９８７年铁科院开始了研究应答器设备的工作，但是存在信息量小和作用距离近的缺点。沈阳铁路信号厂从１９９１年开始研究查询／应答器系统，经过几年的努力取得初步的满意成果，为后续的研究积累了经验。２００３年铁道部把开发数字查询／应答器系统列为重点项目，并明确规定在列车运行时速超过１６０ｋｍ／ｈ的线路上必须使用带有查询／｜应答器的列控设备【４】。

从国外引进的应答器技术基本符合我国铁路建设发展的需求，应答器中的核心技术一直被国外公司垄断。因此设计生产适合我国铁路建设需要的点式应答器是一件十分重要的工作。

目前，我国已经有多家科研机构、各大高校以及公司对应答器进行研究，但各家科研实力，技术水平参差不齐。无论是从软件还是硬件实力上与国外相比都有一定的差距。总体来讲，北京通号设计院实力最强。国内主要引进的应答器技术主要来自于法国阿尔斯通（砧ｓｔｏｍ）公司和西门子公司；其中，北京铁路信号厂和北京全路通信信号研究设计院共同完成应答器技术国产化任务。

应答器作为一种点式车一地通信设备，具有信息容量大、传输速率高的特点。它可应用于列车安全防护、定位停车、道口控制、进路预排、车种识别、报公里标、临时限速及其它各种限速、电力机车分相自动转换及受电弓自动控制方面【５，ｑ。因此，应答器是一种极具综合利用价值，并可广泛使用的基础信号设备。其不仅能推动铁路信号技术加快发展，实现行车调度指挥自动化、还能冲破功能单一及目前铁路信号制式多样化的现状。同时，推动铁路通信信号技术向数字化、智能化、网络化和综合化方向发展。此外，

兰州交通大学硕士学位论文

其运用潜力巨大，可以达到一次投入综合利用与综合服

投入产出比相当可观【１１。

１．３国外应答器的分析

在国外，应答器技术应用的比较早，技术相对比较成熟。最具有代表性的是欧洲应答器（Ｅｕｒｏｂａｌｉｓｅ），它由欧洲铁路联盟制定，并具有统一标准。在其它国家也有应答器技术的研究。其中，日本开发了一种称为电子式标定器的设备，其实质就是一种有源的查询应答器。应答器安装在地面，查询器置于列车上。Ｅｂｉｃａｂ／９００中的查询应答器是由瑞典ＡＢＢ公司研制的无源查询应答器。通过连接一套编码设备，它可以发送变换的信息。数据采用ＢＣＨ码周期重复地发送。ＢＣＨ码的码长２５５位，信息１８０位，ＢＣＨ码格式为（２５５９，１１，１７），其中有ＣＲＣ的校验，８１位的同步码。

ＣＴＣＳ在参考ＥＴＣＳ的制定过程中，应答器作为列控系统中的必要设备。欧洲应答器标准是我国制定应答器技术规范的重要参考。下面详细介绍欧洲应答器。

２０世纪９０年代欧洲铁路联盟制定了ＥＴＣＳ技术规范，同时统一了应答器的标准。它的灵活性更强，信息量更大，可靠性更高。应答器具有非常广泛的适用范围，适用于干线铁路、客运专线、高速铁路以及城市轨道交通线路；它不仅适用于点式列控系统，也适用于连续式列控系统１７Ｊ。

欧洲应答器的技术参数如表１．１表述。

’

表１．１欧洲应答器的技术参数

信息传输速率５６５ｋｂｉｔ／ｓ

编码方式ＢＣＨ循环码

能量传输频率２７．０９５ＭＨｚ

调频方式及参数方式：ＦＳＫ

调制频率：２８２髓ｚ

数据传输频率：４．３２１庄Ｉｚ

数据校验方式７５ｂｉｔｓ循环冗余（ｃＲＣ）校验

适用列车速度＜＝５００１妯／ｈ，＜＝３００ｋｍ／ｈ

报文码长１０２３ｂｉｔ（长码）３４１ｂｉｔ（短码）

１．４论文主要研究内容

本论文通过对应答器结构原理分析，重点对应答器的接收系统进行研究，采用了ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ的设计思想。信号的解调在ＤＳＰ上实现，报文的译码尝试在ＦＰＧＡ上实现。

应答器上行链路信号接收系统的研究

第１章绪论。介绍本论文研究的背景、意义、现状分析及论文主要内容。

第２章应答器的组成及工作原理。主要介绍应答器的组成和工作原理，重点分析车载接收系统的功能，参照ｃｒｃｓ．３应答器的技术规范提出了车载接收系统的设计方案。该方案分为３个模块：数据采集模块、数据解调模块、译码模块。．

第３章上行链路信号采集和解调方法设计。信号采集模块由前端滤波模块和刖Ｄ模块组成。前端滤波器的主要作用是防止信号在进入Ａ／Ｄ时产生频谱混叠现象。Ａ／Ｄ模块将输入的模拟信号转换为ＤＳＰ可以处理的数字信号。Ａ／Ｄ模块中采用ＡＤ９２１５芯片，它是一个１０位的ＡＤ转换器。

对几种解调方法的对比、分析和研究，根据运算复杂度和在ＤＳＰ上实现难易程度等，确定信号处理板中采用差分检波的方法进行解调。数字滤波器的设计及ＦＳＫ信号解调算法都通过Ｍａｔｌａｂ实现。使用Ｍａｔｌａｂ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建模仿真工具对解调方法进行仿真，并完成信号解调的硬件和软件设计。

第４章应答器报文译码的实现。在分析ＦＦＦＳ编码策略的基础上，重点分析译码策略和译码过程。采用ＦＰＧＡ实现译码的总体方案和模块划分（报文安全性模块和解码模块）。根据编码的原理采用两种方法对接收端的ＣＲＣ校验进行验证。根据加扰过程，在接收端进行解扰运算，并对ＣＲＣ校验和解扰在ＯｕａｒｔｅｒＩＩ仿真平台上进行仿真分析。一４一

兰州交通大学硕士学位论文

２应答器的组成及工作原理

应答器是一种基于电磁耦合原理而构成的高速点式数据传输设备，安装在特定地点完成地面与机车间的相互通信。位于两根钢轨中心枕木上的地面应答器不需要外加电源，平时处于休眠状态。当接收到机车天线的功率载波时，地面应答器被激活并开始工作，完成向车载天线发送编码信息【ｌｌｏ

２．１应答器的组成

２．１．Ｉ地面应答器部分

应答器的地面设备主要包括地面无源应答器和地面有源应答器两种。无源应答器和有源应答器的主要区别在于它们的供电方式和发送信息是否可变。

无源应答器本身不具备电源，只有当车载天线位于其耦合谐振位置时，从车载天线发出的功率高频信号作为电源给应答器供电。同时使应答器存储的固定信息发送出来，其信息一旦固定在应答器中，只能读出不能改变，所以无源应答器也叫固定信息应答器。如图２．１所示。

图２．１无源应答器组成框图

有源应答器本身具备电源，通过与地面电子单元（ＬＥＵ）相连，可以实时发送变化的信息。变化信息来源于列车控制中心（ＴＣＣ）。车站信息编码设备通过采集联锁系统的实时信息，经过ＬＥＵ电予单元传递给有源应答器。在无人工干预的情况下，有源应答器为列车提供站内（股道号、股道长度、临时限速）实时信息。

车站信息编码设备与轨旁电子单元之间的电缆和迸站口的信号机、轨道电路信号传输电缆合并，采用铁路内屏蔽数字信号电缆。因此应答器系统必须与车站联锁系统进行

应答器上行链路信号接收系统的研究

联接。如图２．２所示。

图２．２有源应答器原理框图

地面电子单元（简称ＬＥ奶是由数据采集电路、控制电路、滤波及放大电路组成的一种数据采集与处理单元。当列控中心有信息变化时，ＬＥＵ依据变化后的信息形成报文并传输给地面有源应答器进行发送。同ＬＥＵ应具有接收外部数据报文，并向地面有源应答器进行发送的功能，即具有报文透明传输功能。当有车载天线通过有源应答器时，ＬＥＵ不再改变报文信息【８】。一台ＬＥＵ可以同时向四台有源应答器发送不同的报文信息。ＬＥＵ实时对地面有源应答器间信息通道的状态进行监测，并及时向列控中心回送反馈信息。当ＬＥＵ与地面有源应答器通信中断时，不应产生危及行车安全的后果。当ＬＥＵ与列车控制中心间通信中断时，可以向有源应答器发送默认报文。ＬＥＵ多采用二乘二取二或双机比较型的冗余结构。

２．１．２车载部分

应答器车载设备由车载天线和应答器传输模块（ＢＴＭ）构成。车载天线是双工收发天线；下行向周围辐射２７．０９５ＭＨｚ载频磁能，用于向地面应答器传送能量；上行需要接收线路上应答器传送的数据报文。

车载天线接收到由应答器传送的上行载频电磁波后，应答器传输模块对其进行解调、报文还原等，再将还原后报文通过串口发送给车载安全计算机。车载天线还具有自检和断线检查功能。车载设备原理框图如图２．３所示。

机车天线是应答器系统的关键部件，它的主要功能是发送能量频率与接收信息载频，是一个双工的收发天线。天线的辐射扇面大于１５０度，耦合效率在６％一１０％，体积较小，垂直作用距离大于５００ｒａｍ，水平作用距离大于９００ｒａｍ。当机车与应答器相互一６一

—————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一

兰州交通大学硕士学位论文

作用时，尽可能多的读取数据，实现这一目的不仅和数据传输速率有关，还和作用的距离有关【３１。

Ｍ。ｔ×＇，（２．１）

其中：膨表示接收码总量，ｆ表示作用时间，ｖ表示传输速率。

图２．３应答器车载设备原理框图

车载传输模块（Ｂ耶哪由载频发生器、功率放大器和解码器组成。载频发生器和功率放大器用于产生激活地面应答器所需载频能量，并通过车载天线传递给地面应答器。解码器用于对地面应答器信息接收、滤波、数字解调与处理以及相关数据传输。处理好的数据通过相应接口在约定接口协议下传送至相关设备，如ＡＴＰ设备，显示设备或无线设备。

２．２应答器主要技术参数及特点

２．２．１技术参数

（１）报文长度：１０２３ｂｉｔ；

（２）感应线圈尺寸：２００ｍｍｘ３９０舳；

（３）定位精度：１ｍ：

（４）接收电磁能量频率：２７．０９５瑚ｚ±５ＫＨｚ连续波（Ｃ、聊；（５）平均传输速率：５６４．４８±２．５％Ｋｂｉｔ／ｓ；

应答器上行链路信号接收系统的研究

（６）上行数据链路传输方式：移频键控ＦＳＫ；

中心频率：４．２３４ＭＨｚ±１７５ＫＨｚ

调制频偏：２８２．２４ＫＨｚｅ７％

．∽温度范围：．４００Ｃ一＋７００Ｃ。

２．２．２应答器的特点

应答器是一种能向列控车载子系统发送报文信息的点式传输设备，既可以传送固定信息，也可连接轨旁单元传送可变信息。由于具有数据传输可靠性高和信息传输容量大的特点，在列控系统中作为车一地通信的方式得到了广泛的应用。应答器具有以下主要特点【９ｌ：

（１）无源应答器不需要提供外接电源，可提供固定的信息内容：

（２）有源应答器可提供实时信息；

（３）适用范围广泛，具有高速、高可靠的无线车地数据传输功能；适用于干线铁路、客运专线、高速铁路以及城市轨道交通线路；既适用于点式列控系统，也适用于连续式列控系统；

（４）借助专用设备，可将应答器内的数据反复编码；

（５）不受频带限制，频率运用灵活；

（６）使用寿命长，无需维护，可节约维修资金。

２．３应答器各接口的功能

应答器接口如图２．４所示。

（１）接口Ａ

Ａ接口为地面应答器与车载无线设备间的通信接口，其接口定义对确保不同应答器设备间互联互通以及信息传输的高效、安全、可靠具有重要的意义。

它具有以下功能：

①车载天线设备向地面应答器提供电磁能量；

②地面应答器向车载天线设备发送数据报文；

③无线读写器对地面应答器读写数据报文。

（２）接１：３Ｓ

Ｓ接口是地面电子单元（ＬＥＵ）与车站列控中心（ＴＣＣ）的有线通信接口，ＬＥＵ根据外部信息变化，向地面有源应答器发送相应数据报文。

（３）接１：３Ｂ

兰州交通大学硕士学位论文

Ｂ接ｉ：３为车载解码器与列控车载计算机间的通信接口，将解码后的数据传给车载列车设备。接口Ｄ为车载天线与应答器传输模块间的设备内部接口。

图２．４应答器接口图

（４）接口Ｃ

给地面电子单元㈣。ＬＥＵ根据接收到的信息，选择已在其内部存储的相应报文，并Ｃ接口是ＬＥＵ和有源应答器之间通信接口。列控中心将控车信息通过Ｓ接口传送通过Ｃ接口将上行链路报文发送给有源应答器；应答器再将控车报文传送给列控车载设备。下行链路数据传输过程是上行链路传输逆过程，由车载设备发送给应答器，再由应答器通过Ｃ接口转送给地面电子单元。Ｃ接口包括Ｃ１、Ｃ４和Ｃ６三个。Ｃ１接口为地面电子单元与有源应答器间传输数据接口，采用双向差分电平（ＤＢＰＬ）编码，平均数据速率为５６４．４８ｋｂｉｔ／ｓ；当有车载天线经过时，应答器产生低阻信号，通过ＣＡ接口向地面电子单元传送被激活的信号；地面电子单元通过Ｃ６接口向有源应答器提供接口工作电压。三个接口信号靠同一条双绞线传输【１０，１１Ｊ。一９一

应答器上行链路信号接收系统的研究

３上行链路信号采集和解调方法设计

上行链路信号接收系统为应答器系统中车载查询器的信息接收处理部分，主要是对车载天线接收到的上行链路２ＦＳＫ信号进行采样、存储、解调及译码处理以获取地面应答器发送的原始报文信息，并将处理后的信息输出给车载列控系统。

３．１上行链路信号的频谱分析

在应答器接收系统中，信号调制方式是二进制频移键控（２ＦＳＫ）。载波频率为４．２３ＭＨｚ，频偏为＿２８２ＫＨｚ，码率为５６４ｋｂｐｓ，当接收到“０”时，发送载频为３．９４８ＭＨｚ，当接收到“１＂时，发送载频为４．５１２ＭＨｚ的调制信号。对上行链路２ＦＳＫ信号的频谱分析如图３．１所示。

ＪＬｒｅ（ｔ）

－五一

，；

／＼。

ＯＶ石二Ⅳ多彤．

图３．１ＦＳＫ信号功率谱密度

从上面的功率谱密度图可以发现：第一，功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱有两个中心位于五和厶的双边谱叠加组成，离散谱出现在两个载频的位置上。第二，由于五一厶＞正出现双峰值。第三，若以第一个零点计算带宽Ｂ，则其带宽近似为１１２１：

Ｂ＝ｆ厶－ＡＩ＋２Ｌ－１．６９２ＭＨｚ

即：上行链路中２ＦＳＫ信号的带宽为１．６９２ＭＨｚ。（３．１）Ｌ

——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一１

兰州交通大学硕士学位论文

３．２数据采集中采样率的选择

应答器上行链路接收系统中２ＦＳＫ信号载波中心频率为４．２３ＭＨｚ，频偏为±

Ｄ

２８２ＫＨｚ，频谱中的最高频率分量，删一厶＋詈；５．０８ＭＩ－Ｉｚ。二

根据上行链路信号的特征，采样频率选择满足以下几个方面的要求：

（１）首先要满足采样频率无大于信号中最高频率，雠的２倍的要求，采样后所得到的数字信号经过处理后能够从中提取有用的信息而不会发生混叠【１３】；

（２）采样频率最好为输出数据速率５６４ｋｂｐｓ的整数倍；

（３）如果Ａ／Ｄ采样率太高，就会导致信息量太大，耗费不必要的软硬件资源。一般都采用Ａ／Ｄ的采样率是输入信号的３．５倍。上行链路信号频率范围为２．２３ＭＨｚ一５．０８ＭＨｚ，确定采样率为２０．３２ＭＳＰｓ。一方面满足低通采样定理，另外一方面２０．３２ＭＳＰｓ是０．５６４ＭＳＰｓ的３６倍，这就确定了抽取率为３６倍。

根据上行链路信号参数，在Ｍａｔｌａｂ中生成ＦＳＫ信号的频谱如图３．２所示【体１６１。

％信号采样率

ｆｓ＝４．２３事１００００００幸１０；

％信号的频率偏移

ｄｅｔｌａＦ＝５６４幸１０００；

ｔｂ＝ｄｅｔｌａＦ；

％ＦＳＫ信号的中心频率

ｆｅ＝４．２３掌１００００００；

％数字基带码的个数

ｅｏｄｅＮｕｍ＝６８；

ｆｌ＝ｆｅ－ｄｅｔｌａＦ／２；

ｆ２＝ｆｃ＋ｄｅｔｌａＦ／２；

％一个码元周期内的数据量

ＤＯＴ＝ｆｓ／ｆｂ；

％％％％％％％％随机生成数字基带信号％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％ｅｏｄｅ＝ｒａｎｄｎ（１，ｃｏｄｅＮｕｍ）；

ｃｏｄｅ（ｃｏｄｅ＞Ｏ）＝１；

ｃｏｄｅ（ｃｏｄｅ＜＝０）＝０；

％％％％％％％％％％％％随机生成数字基带信号ＥＮＤ％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％生成ＦＳＫ信号％％％％％％％％％％％％％％％％％％％ｃｏｄｅ０＝ｓｉｎ（２凇ｐｉ木ｆｌ毒［０：ｌ／ｆｓ：（ｃｏｄｅＮｕｍ木ＤＯＴ－１）／ｆｓＤ；

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ndem.html