適用于既有線的大容量應答器傳輸系統

劉星宇 梁 迪 趙會兵 朱林富

應用在既有線的列車運行控制記錄裝置(LKJ)作為控車設備，采用車載存儲基礎數據，在機車長交路運行、機車調配頻繁、既有線路數據變化及施工改造頻繁等現實情況下，需要頻繁的更新基礎數據，存在數據更新工作量大、維護成本高和管理難度大等問題。為了使LKJ的數據來源從車載下移到地面，提出使用應答器系統從地面向LKJ傳輸控車數據的方案。

由于LKJ所需數據量大，而應答器數據容量有限，既有線線路數據復雜，為滿足安全需求，需要安裝較多數量的應答器。但組內應答器數量過多，降低了系統可靠性，同時在復雜站場的咽喉區等位置難以布置應答器，嚴重影響了系統可用性，因此需要對應答器傳輸系統進行優化，增加應答器的數據容量，從而減少應答器使用數量。

1 方案比選

應答器傳輸系統優化方案比選中，應重點考慮以下因素:滿足互聯互通兼容性;不影響既有動車組的正常運行;應答器數據的安全性;應答器數據傳輸的安全性;應答器數據傳輸的抗干擾性;應答器數據接收的有效長度。

目前有5種方案可供選擇:雙信道FSK+PSK方案;A/B碼方案;壓縮編碼方案;雙FSK方案;報文交替方案。

方案1:雙信道FSK+PSK方案是在既有歐標應答器的基礎上，增加一個9.032 MHz的PSK數據傳輸信道。雙信道同時傳輸應答器報文，實現應答器傳輸系統數據容量倍增。此方案保持原有車載設備與地面設備之間的接口特性不變，符合SUBSET-036標準，與既有應答器傳輸系統兼容，不影響既有動車組的正常運行;PSK信道采用1023位長報文，編碼規則符合SUBSET-036規定，安全性與既有應答器系統一致，可以保證應答器數據安全;2個信道采用不同的調制方式，避免雙信道報文互譯，保證應答器數據傳輸的安全性;PSK信道占用頻帶遠離系統既有頻帶，保證系統內的互擾程度較低;PSK信道能夠接收到的數據長度與既有FSK信道一致，保證大容量應答器滿足不低于200 km/h的運用要求。

方案2:A/B碼方案是在應答器中存儲A、B 2條報文。當應答器被激活時，間隔6 ms交替發送報文A和報文B，中間插入至少75位連續的“0”或“1”，直至本次工作結束。該方案在抗擾性和速度適應性方面存在問題:應答器車載設備接收到的平均有效報文長度不及原來應答器的1/2，連續有效報文長度則更短，接收可靠性較低，不能滿足不低于200 km/h的運用要求。

方案3:壓縮編碼方案是在不改變既有應答器和車載設備硬件的基礎之上，通過采用無損壓縮編碼對應答器報文數據進行壓縮，實現應答器數據量擴容。將2條應答器830位的用戶報文，壓縮為1條830位的壓縮報文，再轉換成1023位的編碼報文進行發送。BTM將解析出的830位壓縮報文，解壓縮為2條830位應答器用戶報文。該方案在可用性和安全性方面存在問題:找到適合各種應答器報文的壓縮編碼算法有一定難度，壓縮和解壓縮算法的安全性尚不能證明。

方案4:雙FSK方案也是一個雙信道方案，在既有系統的基礎上，增加一個FSK數據傳輸信道，從而實現應答器傳輸系統數據容量倍增。但該方案存在雙信道互譯的風險:2個信道采用同樣的調制方式，在接收到相鄰信道的信號時，可能導致應答器報文互譯。

方案5:報文交替方案是將報文1和報文2按位交替，得到報文3，儲存在應答器中;BTM接收到報文3后，再將其恢復為報文1和報文2，實現應答器數據量擴容。該方案與“A/B碼”方案類似，在兼容性、安全性等方面存在問題:采用報文交替方案的應答器無法被既有動車車載設備接收，影響動車組運行。該方案對SUBSET-036的編解碼規則有所改動，可能引入安全風險，安全性證明困難。

通過對以上5種方案在互聯互通兼容性、數據安全性、數據傳輸安全性、抗干擾性及速度適用性等方面進行比較分析，最終選擇方案1雙信道FSK+PSK方案。

2 性能分析

方案1雙信道FSK+PSK方案，保持原有應答器傳輸系統的功能、性能及接口特性不變，符合SUBSET-036標準，與既有應答器傳輸系統兼容。新增PSK信道對既有FSK信道沒有影響，可以滿足兼容性要求，不影響既有動車組的正常運行。

新增的PSK信道，其報文編碼原則、數據傳輸速率、啟動特性等主要指標，與既有FSK信道保持一致。大容量應答器傳輸系統在列控系統中的運用可以參照既有系統，減少新增的安全風險或約束條件，保證了大容量應答器傳輸系統的安全性、可用性。

2.1 頻率選擇

應答器為無源設備，在車載天線經過的瞬間，應答器需要將接收到的27 MHz能量信號轉換為工作電源，啟動電路工作，并將足夠長的報文發送給車載設備。因此，雙信道同時工作時，應答器啟動時間是關鍵指標，必須盡量降低電路啟動功耗，在新增信道的頻率選擇上，應重點考慮這一點。9.032 MHz的選擇，既不干擾既有4.23 MHz信道，又要遠離27 MHz強射頻能量。9.032 MHz是傳輸速率564.48 kb/s的整數倍，也是射頻能量27.095 MHz的3分頻，易于實現，節省能量，所以新增信道的頻率選擇為9.032 MHz。

選擇2PSK作為新增信道的調制方式，主要考慮其頻帶利用率、誤碼率、信道雜散干擾和數據安全性等性能指標。

2.2 頻帶利用率

二進制數字調制系統中，2PSK和2ASK系統頻帶寬度相同，均為碼元傳輸速率 R的2倍。2FSK的頻帶寬度近似為2R+|f2-f1|，大于2PSK和2ASK系統的頻帶寬度。從頻帶寬度或頻帶利用率上看，2PSK的頻帶利用率要高于2FSK。應答器系統的傳輸速率R為564.48 kb/s，當2PSK運用于應答器系統時信道帶寬約為1.12 MHz，而2FSK信道帶寬約為1.69 MHz。

2.3 誤碼率

誤碼率是衡量一個數字通信系統性能的重要指標，在信道高斯白噪聲的干擾下，各種二進制數字調制系統的誤碼率取決于解調器輸入信噪比。相干解調時，2FSK的誤碼率表達式為，2PSK的誤碼率表達式為。其中r，erfc為信噪比，erfc為互補誤差函數，2種調制系統的誤碼率與信噪比的關系如圖1所示。

圖1 理論誤碼率曲線

從圖1中可以看出，在相同的信噪比r下，相干解調的2PSK系統的誤碼率比2FSK的誤碼率要低。使用Matlab的simulink仿真功能，對FSK和PSK的誤碼率進行仿真，結果如圖2所示，結論與圖1中相同，在相同的信噪比r下，相干解調的2PSK系統的誤碼率比2FSK的誤碼率要低。

圖2 實際誤碼率-信噪比曲線

2.4 FSK、PSK頻譜

使用Matlab對FSK和PSK調制進行仿真，對雙信道和單信道輸出信號分別進行頻譜分析。結果顯示，FSK和PSK信號疊加在一起時，信號峰值對應的頻率分別為 3.952 MHz、4.516 MHz和9.032 MHz。對單信道FSK信號進行頻譜分析，信號峰值對應頻率為3.952 MHz和4.516 MHz。對單信道PSK信號進行頻譜分析，信號峰值對應頻率為9.032 MHz。雙信道疊加后，FSK和PSK的載頻滿足規范要求。

2.5 雜散干擾

雜散干擾指遠離帶內的頻率分量對其他信道的影響，一般落在信號中心頻率兩側、信號帶寬2.5倍以外的頻帶，不包括帶外干擾;帶外干擾的頻帶介于帶內和雜散之間。

對FSK、PSK雙通道間的雜散干擾進行仿真，碼元傳輸速率為564.48 kb/s，結果如表1所示。

表1 FSK、PSK雜散干擾

表1中“FSK對PSK”，指FSK信號對PSK信號的雜散干擾，是PSK信號自身帶內的峰值與FSK在PSK帶內頻率分量的峰值比;表1中“PSK對FSK”，指PSK信號對FSK信號的雜散干擾，是FSK信號自身帶內的峰值與PSK在FSK帶內頻率分量的峰值比。報文類型中的8，9，10，11，12是指SUBSET-085應答器測試規范規定的典型測試報文，8_FSK指8#報文采用FSK調制方式發送，9_PSK指9#報文采用PSK調制方式發送，以此類推。

從表1中可以看出，FSK對PSK的雜散干擾在50 dB以上，PSK對FSK的雜散干擾在40 dB以上，滿足標準規定的雜散干擾的要求。

3 實驗驗證

搭建應答器測試環境，如圖3所示，使用參考環發射27 MHz射頻能量激活大容量應答器，對大容量應答器實驗樣機發射的上行鏈路信號，通過另一參考環進行數據采樣，采樣頻率為100 MHz，采樣時間為2.5 ms。

圖3 大容量應答器測試環境

對采樣信號進行頻譜分析，結果顯示信號峰值對應頻率:下邊頻fL為3.938 MHz，上邊頻fH為4.5 MHz，fPSK為8.82 MHz。

下邊頻允許波動范圍3.951(1±7%)MHz，即3.67443 MHz～4.22757 MHz，采樣信號下邊頻fL為3.938 MHz，落在允許范圍內;上邊頻允許波動范圍是4.516(1±7%)MHz;即4.19988 MHz～4.83212 MHz，采樣信號上邊頻 fH為4.5 MHz，落在允許范圍內;中心頻率 (fH+fL)/2是4.219 MHz，落在允許范圍(4.234 MHz±175 kHz)內;新增的PSK信號載頻范圍為9.032 MHz±350 kHz，即8.682 MHz～9.382 MHz，fPSK落在允許范圍內，滿足需求。

從頻譜分析結果可以看出，新增的PSK信號沒有對既有的FSK信號產生影響，FSK的上下邊頻、中心頻率指標仍然滿足規范要求。PSK信號載頻也滿足規范要求。

對原始信號進行帶通濾波，經帶通濾波后，信號變為單信道信號，可以采用既有的單信道信號解調方法進行解調。

4 結論

該方案適用于既有線的大容量應答器傳輸系統，增加了數據容量，各項性能和技術指標滿足規范要求。實驗結果表明大容量應答器FSK信號載頻和PSK信號載頻滿足規范要求，能夠被大容量BTM解析報文。大容量應答器傳輸系統進一步提高了既有線列控數據的安全性，降低了維護成本和管理難度。

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