一种基于感应环线通信的数据接收器设计

刘伟中

（中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司,上海 200436）

1 概述

列车自动控制系统分为列车自动防护系统（ATP）、列车自动驾驶系统（ATO）、列车自动监督系统（ATS）和计算机联锁系统（CBI）。为了使列车自动控制系统能够运行，列车控制中心（VCC）必须保证与列车的可靠实时通信。在城市轨道交通系统中，感应回路的数据通信方式已经得到广泛的应用。感应回路数据通信方式是一种采用环形电缆作为发射天线的一种无线数据传输方式。本文以感应回路的数据通信方式应用为基础，设计了一种基于感应环线通信的数据接收器装置。该装置采用4个高频数字接收器实现FSK信号的相位检测。感应回路数据通信方式以其数据稳定可靠、投资小成为一种新的铁路数据传输手段，且在城市轨道交通系统中能够得到广泛的应用，具有良好的市场前景。

2 基于感应环线的通信系统总体设计

感应环线通信系统包括轨间电缆、车载天线和数据收发设备3部分。列车在运行过程中，发送数据时车上的数据收发设备将准备发送的数据调制为FSK信号，经过功率放大后送到车载天线。依据电磁感应原理，轨间电缆将感应到微弱信号，此信号被送入VCC数据接收设备，经过谐振、放大、滤波和解调，最终还原为二进制数据。接收数据时，过程正好相反。同时，列车和VCC分别采用不同载波频率进行FSK调制并发送，因此可以通过信道频分复用实现全双工通信。

该通信系统采用模块化设计，其总体设计原理如图1所示。图1中VCC通信模块和车载通信模块结构相同，都包括两块通用数据收发电路器，一块选频放大电路模块和一块功放电路模块。选频放大电路板用于对接收到的小信号进行滤波和选频放大，它的好坏直接影响接收电路的性能。功放电路板对调制后的模拟信号进行信号放大和功率放大，使之可以驱动发送设备，完成信号发送。

数字载波无线通信主要有调幅、调频、调相等几种方式。本文研究的通信系统主要采用二进制调频方式（2FSK），或称为二进制频移键控方式。在二进制调频方式中，载波频率随着调制信号“1”或“0”而变，调制信号“1”对应于频率f1，调制信号“0”对应于频率f2。对于一个二进制数字序列{αk}其波形是恒包络调频波，若其相位连续，则时域表达式可写为：

其中D（t）表示二进制随机波形，二进制数字序列{αk}中，αk=l时，D（t）=1；αk=0时，D（t）=-1。2FSK信号的瞬时频率由公式（2）确定：

其中，ωd=2fd为调制角频偏，Vd为传输码率，当调制指数h比较小时，调制角频偏码2FSK信号经过新型感应环线系统后，在天线输出端产生的感应电势为：

因此，当接收时，接收到的信号幅值近似相等，只要检测接收信号的频率，即能得到被调制的原始信号。图2是一种简单的相位不连续二进制频移键控调制方法，二进制信息序列通过门电路控制振荡频率分别为码元的两个振荡器的选通和关断，则输出信号即为调制波形。

FSK的解调有非相干解调和相干解调两种方式，分别如图3，4所示。非相干解调利用包络检波器,将检波得到的信号滤波、判决，最终得到输出信号。相干解调时，解调器利用平方环或考斯塔斯环得到载波信号，然后将载波信号与cosω1t相乘后得到的信号进行滤波、判决即得输出信号。一般来说，相干解调的误码率要小于非相干解调，但是其电路也比非相干解调复杂得多。本文的数据接收器的解调采用相干解调法。

3 数据接收器设计

3.1 数据接收器总体设计

基于感应环线的通信系统以FSK调制载波信号，通过功率放大后馈送到环形感应天线。接收时，车上的数据收发设备将准备发送的数据调制为FSK信号，经过功率放大后送到车载天线。依据电磁感应原理，轨间电缆将感应到微弱信号，此信号被送入地上数据接收设备，经过谐振、放大、滤波、解调，最终还原为二进制数据完成数据的接收过程。数据接收器的总体设计如图5所示。

3.2 天线滤波器

天线滤波器模块为来自设备天线（电子电路途中的天线电流去耦）和输出到高频接收器A的信号级别控制器的信号提供一种选择性扩大方式。两个输入信号都分开处理。该两个信号都应用于高频接收器A的异相位。

天线滤波器模块芯片采用MAXIM公司设计的MAX291CPA芯片，该芯片采用DIP封装。MAX291CPA芯片是一款具有8阶低通滤波、开关电容滤波的通用滤波器芯片，滤波范围0.1～25 kHz。MAX291CPA芯片引脚图如图6所示。

3.3 高频数据接收电路模块设计

高频接收电路采用4个高频接收器实现。高频接收器A模块确保两个接收信号电压以相位形式输出到高频接收器C模块中，并开始进行回转线路的检测过程。高频接收器A模块使每个接收到的信号生成一个相位信号。在状态测量系统中，将这些双相位信号输出到高频接收器B模块中，用于检测感应回转线路和转变回路。

高频接收器C模块在加法网络中包含两个同步信号，扩大结果相加的信号，同时将其应用于高频接收器A中作等相控制。通过高频接收器C合成（相加）的FSK信号是由36 kHz FSK信号和模块生成的40 kHz信号混合生成的单一4 kHz FSK输出信号。

高频接收器D模块从4 kHz的FSK信号中抽取1 200波特的连续电报，并将其应用于数字接收器A中。另外，高频接收器D模块制造两个反馈于天线滤波器的自动控制信号来控制传入到高频接收器A模块的输入信号。如果回路信号水平降得太低，高频接收器D将使阻止检波噪音的检波程序瘫痪。当信号可识别，G1通道将打开。

接收系统中信息的接收、动作的判断等数据信号处理都是在单片机的统一控制下完成的。其工作原理：单片机收到指令脉冲后，首先对其解码还原出原始的指令代码，确定是何种控制指令后控制各相应的动作执行。完成电报数据头识别和冗余检查后，数据接收器A模块将数据头从电报中删去。系统的时钟频率（包括基础系统定时的15 Hz时钟中断13）在1 228.8 kHz晶体振荡器中的数字接收器A中生成。时钟脉冲的失败致使车载列车自动控制系统停止。

数据接收器B使接收到的来自高频接收器D模块的电报信号与本地系统时钟同步,并将其传送到数字接收器B模块中完成并列转换。将78个信息位和冗余信息位转变成10个8 Byte的独立组元；然后通过CPU1的3号接口和CPU2的6号接口将每个字节输入到两个CPU中。在接受一个电报之前，车载控制器交叉对比电报的冗余信息位。如果两个连贯的电报对比失败，车载控制器以通信错误停止运作，否则，电报被解码。因需要整合每一个字节，数字接收器B输出一个中断11到两个CPU中。在接收11中断时，每个CPU命名相关的输入接口并将字节转换到CPU的数据中线上。在连接10个电报字节的程序中，数字接收器B也会输出一个4信息位状态的数字。将这个数字输入到两个CPU中，并报告CPU中正在输入的数据字节在车载列车自动控制系统识别模块中水平连接CPU2对比车辆识别。车载列车自动控制系统识别模块包含在 8 Byte中（信息位 55-64）。

在对数字信号进行取样判决时，取样脉冲的出现时间对判决的结果有很大的影响，可以说直接影响了误码率的大小。取样脉冲一般从接收的信号中提取，所得到的信号称为码元同步信号，也称为位同步信号，它是与发送端频率相同、相位差固定的时钟脉冲。实现位同步的方法有两类：插入导频法和直接法，本系统采用直接法。

从提高接收机的工作速度、可靠性和减小硬件规模、降低功耗的目的出发，选用集成高速调制解调器FX589实现接收与发射的位同步。其芯片引脚如图7所示，功能模块如图8所示。

FX589用于无线数据传输的单片集成同步调制解调器。通过采用最小高斯频移键控调制，FX589具有很宽的数据速率，其数据速率范围从4～64 kbit/s。可以通过片端编程实现数据速率和BT选择（0.3或0.5），以满足不同系统带宽需要。

主要特性如下：

*数据速率为4～64 kbit/s；

*全双工或半双工最小高斯频移键控调制（GMSK）；

*可选BT（0.3或0.5）；

* 低功耗 ：3.0 V，20 kbit/s，1.5 mA typ ；

5.0 V，64 kbit/s，4.0 mA typ ；

*适合PCMCIA/PC卡的小型TSSOP封装形式。

4 数据接收器仿真

高频接收器A的S输出信号和K输出信号如图9所示。

相位信号如图10所示。

高频接收器C的FSK输出信号如图11所示。

高频接收器D的FSK输出信号如图12所示。

5 结论

本文的系统设计方案，从研制必要性、国内外相关研究的动态分析、研究思路、实现方法等方面入手，对整个系统的设计做了详细的分析和阐述，总体遵循了先进性、安全性、可靠性等准则。通过大量系统仿真试验测试，对环形感应天线通信系统的各部分进行了充分的原理设计和试验。并且从性能和经济性两方面的考虑出发，完成了接收电路硬件设计，并对电路进行了优化，达到了预期效果。

[1]黄剑.对称感应环线断线检测方法及装置[J].铁路通信信号工程技术，2012（4）：1-3.

[2]李壮.基于新型感应环线的磁浮列车通信和定位测速系统设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2006.

[3]胡中豫.现代短波通信[M].北京：国防工业出版社，2003.

[4] R.E.Putman, F.C.Huff, J.K.Pal, Optimal reactive power control for industrial power，networks, IEEE Transactions on Industry Applications,1999，35：103-114.