應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)的mtie測(cè)量

1、<p>　　應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)的MTIE測(cè)量 </p><p>　　鄧能，呂旌陽(yáng)，欒冰1.51.51.51.51.51.5School of Information and communication,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing,100876;School of Information and communicat

2、ion,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing,100876;School of Information and communication,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing,100876北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876;北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京

3、100876;北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876100876;100876;13426013876;15601230497;13426013876;15601230497;北京市海淀區(qū)西土城路10號(hào)北京郵電</p><p>　　（北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）</p><p>　　摘要：應(yīng)答器是列車(chē)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其上行鏈路信號(hào)質(zhì)量關(guān)系到車(chē)載設(shè)

4、備對(duì)接收信號(hào)的解析和還原，對(duì)列車(chē)行駛的安全性有著直接的影響。最大時(shí)間間隔誤差（MTIE）是評(píng)價(jià)應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。目前MTIE常用的測(cè)試方法是利用專(zhuān)有儀器搭建測(cè)試環(huán)境進(jìn)行人工測(cè)量，效率較低。本文在詳細(xì)介紹了MTIE的定義及計(jì)算方法后，提出一種基于FPGA的自動(dòng)測(cè)量方案，給出測(cè)量的系統(tǒng)框圖，并對(duì)MTIE參數(shù)計(jì)算的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，最后給出仿真結(jié)果圖。仿真結(jié)果表明論文提出的MTIE檢測(cè)方案準(zhǔn)確、高效，能滿足實(shí)際測(cè)試要求。&

5、lt;/p><p>　　關(guān)鍵詞：MTIE；應(yīng)答器；FPGA</p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP206</p><p>　　MTIE Measurement for Uplink Signal of Balise</p><p>　　DENG Neng, LV Jingyang, LUAN Bing</p><p>　　(

6、School of Information and communication,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing,100876)</p><p>　　Abstract: Balise is an important part of the train control system, the quality of its uplin

7、k signal directly determines the analysis and reduction of the signal conducted by the in-vehicle equipment and has a significant impact on safety driving .The maximum time interval error (MTIE) is an important parameter

8、 in the evaluation of the quality of balise uplink signal .Currently,the commonly used testing method for MTIE is manual measurement which adopts proprietary instrument to testing environme</p><p>　　Key word

9、s: MTIE; balise; FPGA</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　應(yīng)答器是高速鐵路通信系統(tǒng)設(shè)備的重要組成部分，隨著鐵路運(yùn)行速度的提升，通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性變的至關(guān)重要。在整個(gè)通信系統(tǒng)中，信源的質(zhì)量好壞對(duì)通信效果有著決定性的影響。應(yīng)答器是一種利用電磁感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞c(diǎn)式設(shè)備，分為有源應(yīng)答器和無(wú)源應(yīng)答器，主要用于地面向列車(chē)

10、傳輸包括線路基本參數(shù)、線路速度信息、線路臨時(shí)限速信息和特殊定位等信息在內(nèi)的控車(chē)數(shù)據(jù)，是列車(chē)控制系統(tǒng)的信源設(shè)備。當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，應(yīng)答器接收車(chē)載天線發(fā)出的遠(yuǎn)程供電信號(hào)，并通過(guò)耦合建立自身的工作電源，然后將存儲(chǔ)在應(yīng)答器內(nèi)部的固定數(shù)據(jù)報(bào)文以無(wú)線電的方式向車(chē)載設(shè)備發(fā)送[1]。</p><p>　　由于應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)的質(zhì)量直接影響車(chē)載設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的解析，因而，業(yè)界對(duì)上行鏈路信號(hào)的中心頻率偏移、平均符號(hào)速率、幅值抖動(dòng)、相位連續(xù)

11、性、MTIE等指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)范。在應(yīng)答器設(shè)備進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用之前，需要對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，以保證通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[2]。目前較為常用的測(cè)試方式是通過(guò)搭建測(cè)試環(huán)境，利用示波器、頻譜儀、矢量分析儀等設(shè)計(jì)進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，效率較低，且存在較大誤差。因此，可以考慮在對(duì)上行鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集解析的同時(shí)，通過(guò)算法在FPGA中實(shí)現(xiàn)對(duì)MTIE參數(shù)的直接測(cè)量，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)化測(cè)試。</p><p><b>　　MT

12、IE的定義</b></p><p>　　最大時(shí)間間隔誤差（Maximum Time Interval Error, MTIE）是描述信號(hào)漂移的常用指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算在一段時(shí)間內(nèi)的最大相位變化，可以非常有效的描述相位瞬變。設(shè)一個(gè)信號(hào)的數(shù)學(xué)形式如（1）所示</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　其中，為信號(hào)幅度，為

13、信號(hào)瞬時(shí)相位。瞬時(shí)相位（時(shí)間）相對(duì)偏差函數(shù)可以表示為</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　其中，為時(shí)鐘頻率。</b></p><p>　　定義時(shí)間誤差是標(biāo)稱(chēng)值相同的參考時(shí)鐘和被測(cè)時(shí)鐘相對(duì)偏差時(shí)間函數(shù)的差，即</p><p><b>　　（3）</b

14、></p><p>　　在實(shí)際測(cè)試中，用任何測(cè)試設(shè)備都不能得到瞬時(shí)相位，只能測(cè)出信號(hào)在某個(gè)時(shí)間間隔到內(nèi)的取樣平均值，因此定義時(shí)間間隔誤差如式（4）所示</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　其中，為取樣時(shí)間。</b></p><p>　　現(xiàn)在引入最大時(shí)間間隔誤

15、差（MTIE）的定義：在給定的測(cè)試周期T內(nèi)，測(cè)得N個(gè)時(shí)間間隔誤差值（取樣時(shí)間為），根據(jù)設(shè)定的觀測(cè)時(shí)間段，對(duì)每一觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)的時(shí)間間隔誤差求最大值與最小值（峰峰值），所有這些峰峰值中最大值稱(chēng)為最大時(shí)間間隔誤差。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如（5）所示</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中：是N個(gè)時(shí)間間隔誤差樣本（取樣時(shí)間為）；</p>

16、<p>　　是設(shè)定的觀測(cè)時(shí)間段（）；</p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　通常，時(shí)間間隔誤差通過(guò)專(zhuān)門(mén)的時(shí)間間隔誤差測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法獲得，而MTIE則是通過(guò)計(jì)算獲得?；诘墨@取方式，一般情況下都是利用圖1所示框圖進(jìn)行測(cè)試[3]。</p>

17、<p>　　在進(jìn)行測(cè)試之前，需要校準(zhǔn)遠(yuǎn)程供電信號(hào)。按照歐標(biāo)應(yīng)答器的指標(biāo)要求，在啟動(dòng)時(shí)間之后，應(yīng)答器的數(shù)據(jù)速率變化和抖動(dòng)應(yīng)滿足MTIE1（與理論數(shù)據(jù)速率相關(guān)）或者M(jìn)TIE2（與傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)速率相關(guān)）需求。</p><p><b>　　MTIE要求1：</b></p><p>　　其中，是觀察間隔（單位，比特），而MTIE是數(shù)據(jù)率為564.48kbit/s時(shí)

18、的測(cè)量值。</p><p><b>　　MTIE要求2：</b></p><p>　　其中，是觀察間隔（單位，比特），而MTIE是平均數(shù)據(jù)率時(shí)的測(cè)量值。</p><p>　　圖1 上行鏈路信號(hào)MTIE測(cè)試系統(tǒng)框圖</p><p>　　Fig.1 MTIE test flow diagram for uplink si

19、gnal</p><p><b>　　MTIE的計(jì)算方法</b></p><p>　　對(duì)MTIE的計(jì)算可以從其定義出發(fā)，直接對(duì)獲得的時(shí)間間隔誤差值樣本進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　圖2 MTIE計(jì)算示意圖</p><p>　　Fig.2 MTIE calculation description</p>

20、<p>　　如圖2所示，在測(cè)量周期T內(nèi)，一共有N個(gè)時(shí)間間隔誤差樣本，每個(gè)樣本取樣間隔為，觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度為（），即為圖中的觀測(cè)時(shí)間窗。在第k個(gè)時(shí)間窗內(nèi)，有n個(gè)樣本，尋找這n個(gè)樣本中的最大和最小值，并求出他們的差值，記為。然后，將觀測(cè)時(shí)間窗往右移動(dòng)一個(gè)取樣間隔，形成第k+1個(gè)取樣窗口，尋找窗口中樣本最大和最小值的差值，記為。依次類(lèi)推，一共求出N-n個(gè)最大最小值的差值，取值最大的即為觀測(cè)時(shí)間為時(shí)所得到的MTIE值。調(diào)整觀測(cè)時(shí)間窗的大

21、小，即改變n的取值，會(huì)得到不同的MTIE取值，最終即可得到相應(yīng)的MTIE曲線。</p><p>　　從MTIE的定義公式（5）可以看出，觀測(cè)窗口大小需要從1到N-1進(jìn)行遍歷，觀測(cè)窗的起始位置k需要從1到N-n進(jìn)行遍歷，在實(shí)際的測(cè)試中，為了測(cè)試的完整性，對(duì)信號(hào)進(jìn)行全面評(píng)估，按照歐標(biāo)應(yīng)答器的指標(biāo)要求，至少需要1000bit的誤差樣本值。直接按照定義進(jìn)行MTIE的計(jì)算，非常耗時(shí)且效率較低。為此，在保證計(jì)算結(jié)果的精確度的

22、情況下，對(duì)直接計(jì)算的方法進(jìn)行改進(jìn)，以提高M(jìn)TIE的計(jì)算效率。</p><p>　　對(duì)上述計(jì)算過(guò)程分析可以發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算過(guò)程中每移動(dòng)一個(gè)觀測(cè)窗口，需要進(jìn)行重新計(jì)算最大最小值，并求出其差值，在前后相鄰大小為n的兩個(gè)觀測(cè)窗口中，一共有n-1個(gè)誤差樣本是重合的，因此重新計(jì)算最大最小值會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生許多不必要的重復(fù)性工作。根據(jù)MTIE的定義和運(yùn)算法則，在每一個(gè)觀測(cè)的窗口內(nèi)，只有最大最小值的差值參與最后MTIE的最大值運(yùn)算。即對(duì)于

23、下一個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口的數(shù)值有影響的只是上一個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口內(nèi)的最大最小值。因此，改進(jìn)方法計(jì)算MTIE的原理如下，在第k個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口內(nèi)求得最大和最小值以后，記錄下最大和最小值的位置，下一個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口的起始位置就是以第k個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口中靠前的最值的位置（假設(shè)最小值在前，即為最小值的位置，反之為最大值的位置）。這樣跳過(guò)了一些不可能用于計(jì)算MTIE值的誤差樣本點(diǎn)。第k+1個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口的第一個(gè)樣本值就是第k個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口中的最值樣本，它一定包含

24、了可用于MTIE計(jì)算的信息。</p><p>　　圖3 MTIE計(jì)算改進(jìn)示意圖</p><p>　　Fig.3 improved MTIE calculation description </p><p>　　如圖3所示，假設(shè)在第k個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口內(nèi)，求得的最小值為為，最大值為，其對(duì)應(yīng)的位置分別為和（）。按照改進(jìn)的計(jì)算方法，下一個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口的起始位置移動(dòng)至處，即

25、第k個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口內(nèi)的最小值，定義此觀測(cè)時(shí)間窗口為k1。在k1觀測(cè)窗口內(nèi)繼續(xù)求最大最小值，分別為和，對(duì)應(yīng)的位置分別為和（），則下一個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口的起始位置將移動(dòng)至處，依次類(lèi)推。顯然，利用改進(jìn)之后的方法，使觀測(cè)時(shí)間窗口跳躍式的移動(dòng)，既不會(huì)遺漏用用的最值數(shù)據(jù)，又能加快MTIE的計(jì)算速度[4]。</p><p>　　上述描述的是一種比較理想的情況，如果在一個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口內(nèi)的最值位置剛好是處于第一個(gè)時(shí)間樣本誤差所處的位置

26、，這時(shí)下一個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口就只能向右移動(dòng)一個(gè)誤差樣本間隔，而不能采用跳躍形式。如圖3所示，觀測(cè)時(shí)間窗口k2中的的最大值是該觀測(cè)時(shí)間窗口中的第一個(gè)時(shí)間誤差樣本，那么下一個(gè)觀測(cè)時(shí)間窗口k3就不能采用階躍跳變的方式，只能右移一個(gè)樣本值。繼續(xù)分析發(fā)現(xiàn)窗口k3和窗口k2只有兩個(gè)樣本值發(fā)生了改變，即k2的第一個(gè)樣本和k3的最后一個(gè)樣本，對(duì)于k3觀測(cè)時(shí)間窗口而言，可分別稱(chēng)為“移出樣本”和“移入樣本”。由于移出樣本為觀測(cè)時(shí)間窗口k2內(nèi)的一個(gè)最值，那么在k

27、2和k3重合的樣本中絕大多數(shù)情況下會(huì)存在k3內(nèi)的最值，通過(guò)對(duì)比移出樣本和移入樣本值，可以繼續(xù)對(duì)MTIE的計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，判決情況如表1所示。</p><p>　　表1 MTIE計(jì)算判斷組合情況</p><p>　　Tab. 1 judgment conditions description</p><p><b>　　FPGA實(shí)現(xiàn)</b>

28、</p><p>　　在利用矢量信號(hào)分析儀等設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)，時(shí)間間隔誤差是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的儀器進(jìn)行測(cè)量得出。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，利用FPGA對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，直接求出時(shí)間間隔誤差，并將結(jié)果送至后端PC進(jìn)行MTIE的計(jì)算。FPGA中實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。</p><p><b>　　圖4 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　Fig.4 s

29、ystem description</p><p>　　模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換芯片后輸入到FPGA中，通過(guò)時(shí)間間隔誤差計(jì)算模塊求出時(shí)間間隔誤差值，并將計(jì)算得到的結(jié)果存放到雙口RAM中，在得到所有需要的時(shí)間間隔誤差值之后通過(guò)RS485串口將結(jié)果輸出到后端PC計(jì)算MTIE值，并做出相應(yīng)的曲線圖進(jìn)行直觀顯示。</p><p><b>　　時(shí)間間隔誤差計(jì)算</b></p&

30、gt;<p>　　在歐標(biāo)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)中，應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)采用2FSK的調(diào)制方式，其載波頻率分別為（數(shù)據(jù)“0”）和（數(shù)據(jù)“1”）。將采樣得到的輸入信號(hào)通過(guò)希爾伯特濾波器求出解析信號(hào)，并通過(guò)反正切運(yùn)算求出輸入數(shù)據(jù)的相位信息。相位信息是關(guān)于載波頻率的函數(shù)，對(duì)應(yīng)于一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)，將這些離散點(diǎn)拼接，得到一條連續(xù)的折線。在數(shù)據(jù)信息進(jìn)行“0”和“1”切換的時(shí)候，相位折線將會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，可以求出拐點(diǎn)坐標(biāo)，即數(shù)據(jù)

31、信息的切換點(diǎn)。此切換點(diǎn)的坐標(biāo)值與理論的坐標(biāo)值的差值即為要求的時(shí)間間隔誤差。按照歐標(biāo)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的規(guī)范要求，數(shù)據(jù)符號(hào)最多存在連續(xù)8個(gè)相同的數(shù)據(jù)信息，為此，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要求出相鄰兩個(gè)相位折線拐點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)符號(hào)數(shù)，并將時(shí)間間隔誤差平均到單個(gè)比特上。時(shí)間間隔誤差模塊的仿真波形如圖5所示[5]。</p><p>　　圖5 時(shí)間間隔誤差仿真波形</p><p>　　Fig.5 simulati

32、on wave of TIE</p><p>　　在圖5中，i_rst_n是復(fù)位信號(hào)，低電平有效，i_clk為輸入時(shí)鐘信號(hào)，i_data是AD采樣的輸入數(shù)據(jù)，im_data是經(jīng)過(guò)希爾伯特濾波器之后的數(shù)據(jù)，hilbert_data_out是對(duì)信號(hào)的相位折線求拐點(diǎn)之后的判決輸出，hilbert_data_out_dge即為所求的拐點(diǎn)的位置，cnt_bit_num為兩個(gè)相鄰拐點(diǎn)之間的比特?cái)?shù)。</p>&l

33、t;p><b>　　串口輸出</b></p><p>　　串口輸出選用的芯片是sp3485，支持RS485和RS422串行傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)半雙工模式，最高支持10Mbps的傳輸速率，能有效的滿足傳輸需求。其有效的電路圖如圖6所示，各個(gè)管腳對(duì)應(yīng)的含義如表2所示。</p><p>　　圖6 485電路連接圖</p><p>　　Fig.6

34、schematic of sp3485</p><p>　　表2 sp3485管腳定義說(shuō)明</p><p>　　Tab. 2 pins description of sp3485</p><p><b>　　MTIE計(jì)算及顯示</b></p><p>　　利用串口接收到時(shí)間間隔誤差值之后，利用Matlab求出MTIE

35、值。從第2節(jié)的分析可以看出，利用直接定義的方法可以求得結(jié)果，但是計(jì)算的復(fù)雜度與消耗的時(shí)間太大。為此，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用改進(jìn)之后的算法。求得的結(jié)果如圖7所示。</p><p>　　圖7 MTIE計(jì)算結(jié)果圖</p><p>　　Fig.7 simulation result of MTIE</p><p>　　從圖7中可以看到，黑色虛線表示MTIE1的門(mén)限值，實(shí)線表示

36、實(shí)際算法求得的實(shí)際值，紅色虛線表示MTIE2的門(mén)限值，實(shí)線表示實(shí)際算法求得的實(shí)際值。通過(guò)算法求得的結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)要求的門(mén)限值以?xún)?nèi)，符合規(guī)范。MTIE1和MTIE2有類(lèi)似的含義，只是在進(jìn)行測(cè)量時(shí)參考源不同，MTIE1是針對(duì)理論數(shù)據(jù)速率，而MTIE2是針對(duì)傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)速率。 </p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文詳細(xì)介紹了MTIE的定義及計(jì)算方

37、法，并提出了一種能夠快速提升計(jì)算效率的改進(jìn)方案。以應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)為背景，測(cè)量上行鏈路信號(hào)的MTIE值。在不利用專(zhuān)有儀器設(shè)備的情況下，在FPGA中對(duì)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，求出時(shí)間間隔誤差值，并將結(jié)果通過(guò)串口傳輸?shù)胶蠖薖C進(jìn)行MTIE的計(jì)算和顯示。由最后的計(jì)算結(jié)果可以看出，通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行MTIE的計(jì)算是可行的，不需要搭建復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境來(lái)進(jìn)行測(cè)量，極大的減少了測(cè)試用的時(shí)間和成本，提升了測(cè)試效率。</p>&l

38、t;p>　　[參考文獻(xiàn)] (References)</p><p>　　[1] 王瑞,趙會(huì)兵,王舒民等.面向應(yīng)答器傳輸模塊測(cè)試的上行鏈路信號(hào)模擬器研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2008,30(6):46-50[2] 王國(guó)英.簡(jiǎn)析應(yīng)答器傳輸模塊系統(tǒng)的歐標(biāo)測(cè)試規(guī)范[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù),2014,11(3):97-99.[3] 耿悅. 應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)參數(shù)估計(jì)的研究[D].北京交通大學(xué),2010. [4]