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摘要：应答器报文的调制、解调是应答器工作的核心环节，选择合适的调制、解调方法是保证应答器报文快速可靠传输的关键。在对应答器系统及调制、解调方法进行深入研究后，对在通信领域中常用的几种2FSK信号调制、解调方法进行分析比较，选择直接调频法及自适应解调方法。本文运用MATLAB仿真软件对应答器报文进行了调制、加噪、解调仿真，结果表明应答器报文上的频率键控法调制方法及自适应解调方法能很好地实现应答器报文的准确可靠传输。
关键词：应答器报文；2FSK；自适应滤波器；调制；解调
中图分类号： U284文献标识码：A文章编号：
Research on the Method of Modulation and Demodulation about Balise Message in High Speed Railway
Xu Jin-jiang, Liu Guodong
(Tianjin Signal Depot of Beijing Railway Bureau, Tianjin 300000, China)
Abstract: Modulation and demodulation about balise message is the core of the balise system work link, select the appropriate modulation and demodulation method is the key to guarantee the balise message fast and reliable transmission.The balise system and conduct the thorough research to the balise, modulation and demodulation of a message, in the field of communication commonly used several kinds of 2FSK signal modulation and demodulation method carries on the analysis comparison, choose the direct frequency modulation method and adaptive demodulation method. This paper uses the MATLAB simulation software for balise message, adding noise, modulation demodulation simulation, the results show that the method of frequency shift keying modulation on the balise packet method and adaptive demodulation method can well realize the good accurate and reliable transmission of a message.
Key words:balise message, 2FSK, adaptive wave filter, modulation, demodulation
1 引言
高速鐵路中，应答器是在特定地点校准列车位置，实现车-地间的数据交换的重要的点式信息传输设备。随着世界铁路的发展，仅仅依靠轨道电路为列车提供地面信息的传统方式已远远不能满足列车提速的需要。应答器系统的引进，解决了高速铁路连续控车信息不足的问题。在CTCS-2系统中，应答器向列车提供线路允许速度、坡度、临时限速等线路信息[1]，在CTCS-3系统中，应答器用于向列控系统车载设备提供精确列车定位信息、等级转换信息、建立无线通信连接等信息。应答器系统是世界高速铁路不可或缺的一部分。
应答器系统主要由地面应答器、应答器传输模块(BTM)和车载应答器天线组成。在地面应答器中，应答器数据经过编码、调制成适合由地面向车载无线传输的电磁波形式的2FSK信号，当列车经过地面应答器有效区域时以电磁耦合方式被应答器天线接收，接收到的2FSK信号经应答器传输模块的解调、译码后传给列控车载设备ATP，作为重要的控车信息。可见应答器报文的调制、解调对应答器信息的可靠传输起着至关重要的作用。图1为应答器报文传输图。
图1应答器报文传输图
2 应答器系统组成及工作原理
应答器系统包括地面应答器、轨旁电子单元(LEU)、应答器天线、应答器传输模块BTM等。
地面应答器分为有源应答器和无源应答器(又称可变信息应答器和固定信息应答器)。有源应答器与轨旁电子单元(LEU)相连，当列车经过时，LEU根据来自信号机的实时信息将预先存储的一条报文传送给有源应答器。无源应答器发送的数据是固定不变的，它固定存储一条数据报文，包括线路坡度、最大允许运行速度、轨道电路参数、列车等级切换等信息。
地面应答器以电磁耦合的方式与车载应答器天线进行信息交换。应答器天线是一个双工的收发天线，不但要向地面连续发送27.095MHz的高频电磁能量信号，来激活地面应答器，而且要接收地面应答器发送来的数据报文，除此以外应答器天线还具有自检和断线检查功能[2]。应答器传输模块的作用主要是将接收到的应答器报文进行解调、译码并传输给列控车载设备ATP/ATO。
3应答器报文的2FSK调制方法研究
数字频率调制又称频移键控(FSK—Frequency Shift Keying)，二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率[3]。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。，数字调频可用直接调频法来实现，也可用键控法来实现。键控法是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通的方法，易于实现，但相位调制出来的2FSK信号的相位不连续。直接调频法一般使用数字频率合成器对应答器报文的数字基带信号进行调制。图2所示为数字频率合成器的组成原理图。
图2数字频率合成器的基本结构图
数字基带信号经过相位累加器ACC、ROM查找表、数模转换器DAC、低通滤波器LPF，最终变成平滑的2FSK形式的可传输信号。
4 应答器报文的2FSK自适应解调算法研究
当BTM接收到2FSK形式的应答器报文信号后后，如何滤除混入的高频噪声，准确地解调信号是BTM的关键，因为解调的误码率及速度直接影响着列车的安全运行。
常用的2FSK解调方法主要是相干解调法和非相干解调法两种。相干解调法抗干扰性能较好，但需要设置相干载波，实现起来过于复杂而很少采用。非相干解调方法简单易于实现，但抗干扰性能较差，当外部干扰比较强时会因误码率过高造成数据无效。
自适应解调方法是利用自适应滤波器的抗干扰性能和对有用信号的跟踪能力，对数字载波传输的信号进行解调的方法[4]。自适应滤波器能够有效地跟踪信号的幅度和相位，提取基带信号的方法更加简捷，能取得比常用相干解调更理想的性能。自适应解调2FSK信号的原理图如图3所示。
圖3自适应解调2FSK信号原理图
本文选用最小均方误差(LMS)自适应算法对应答器报文进行解调。上图中SFT1,SFT2是两个自动加权、单频的自适应滤波器。原始输入d(n)中包含了需要跟踪的某一频率ω0的信号，参考输入为本地频率为ω0的信号。设参考输入x1(n)与x2(n)间存在90o相移，即
x1(n)=c·cos(ω0n+φ)(1)
x2(n)=c·sin(ω0n+φ)
它们通过相关抵消回路以最小均方误差算法控制滤波器的权值ω1(n)和ω2(n),滤波器输出y(n)即为跟踪某一频率后的单频输出。LMS算法迭代加权公式为
ω1(n+1)=ω1(n)+2·μ·е(n)·x1(n)(2)
ω2(n+1)=ω2(n)+2·μ·е(n) ·x2(n)
其中μ是控制稳定性和收敛速率的收敛因子，定义误差函数为：
е(n)=d(n)-y(n) (3)
由式(1)~(3)就组成了自适应最小均方误差算法[5]。对式(3)进行求导，并使其为零，得到最佳权系数。如图4所示就是自适应单频跟踪器SFT的原理图。
图4自适应单频跟踪器SFT
5应答器报文解调、解调的Matlab仿真实现
在Matlab环境下，根据图2所示的方法，用编程实现一组应答器报文1 0 1 0 1 1 0 0 1 0的频键控法调制，取得2FSK调制信号，调制结果如图5所示。
图5应答器报文2FSK调制的MATLAB仿真图
在调制好的2FSK信号中加入高斯白噪声，模拟应答器报文在实际传输中所受的27.095MHz高频信号干扰[6]。根据自适应解调算法原理，对图3、图4所示的方法进行MATLAB仿真后，取得如图6所示的仿真结果，从而实现了对应答器报文的自适应解调。从图6可以看出，经过比较判决后的二进制序列为1 0 1 0 1 1 0 0 1 0，与调制、加噪前的二进制序列一致，可见应答器报文的自适应解调方法取得了预期的结果。
图6应答器报文2FSK解调的MATLAB仿真图
显然，应答器报文的自适应解调方法较相干解调法更加简洁易于实现。自适应解调算法对有用信号的跟踪能力解决了传统的非相干解调法难以解决的相位延迟问题，其优秀的抗干扰能力使应答器报文解调的误码率较非相干解调法降低不少。
图7是自适应解调法与传统的非相干解调法、相干解调法的误码率比较的Matlab仿真实现，结果可见，自适应解调法较传统方法明显降低了报文解调的误码率。
图7自适应解调与传统解调方法的误码率比较图
6 结论
应答器报文的调制、解调是应答器系统的核心，选择合适的调制、解调方法对实现应答器报文快速、准确的传输是很有必要的。本文采用频率键控法进行应答器报文的2FSK调制，方法简单易于实现。通过与传统相干解调、非相干解调方法的比较，本文引进了当前无线通信领域新兴的自适应解调方法对实现应答器报文的解调，在应对电气化铁路复杂的噪声环境时能取得比相干解调、非相干解调法更加理想的性能。
参考文献：
[1] 刘建章,杨光伦,贺航宇，谷世群.应答器传输单元关键解调
技术研究[J].铁道通信信号,2010.7.
[2] 王素珍,贺英.通信原理[M].北京邮电大学出版社,2010.
[3] 董昱.区间信号与列车运行控制系统[M].北京:中国铁道出
版社，2008：262-266.
[4] 刘国栋，董昱，张晓星.基于自适应算法的应答器传输模块解调方法研究[J].科学工程与技术，2013(23):6729-6733.
[5] 曾晓宏，胡爱群.自适应滤波算法及其数字载波解调应用的仿真研究[D].东南大学,2004:10-12.
[6] 赵会兵,唐抗尼,李伟等.应答器传输模块的动态特性及高速条件下的适用性评价[J].中国铁道科学,2010.5,31(3):93-98.
关键词：应答器报文；2FSK；自适应滤波器；调制；解调
中图分类号： U284文献标识码：A文章编号：
Research on the Method of Modulation and Demodulation about Balise Message in High Speed Railway
Xu Jin-jiang, Liu Guodong
(Tianjin Signal Depot of Beijing Railway Bureau, Tianjin 300000, China)
Abstract: Modulation and demodulation about balise message is the core of the balise system work link, select the appropriate modulation and demodulation method is the key to guarantee the balise message fast and reliable transmission.The balise system and conduct the thorough research to the balise, modulation and demodulation of a message, in the field of communication commonly used several kinds of 2FSK signal modulation and demodulation method carries on the analysis comparison, choose the direct frequency modulation method and adaptive demodulation method. This paper uses the MATLAB simulation software for balise message, adding noise, modulation demodulation simulation, the results show that the method of frequency shift keying modulation on the balise packet method and adaptive demodulation method can well realize the good accurate and reliable transmission of a message.
Key words:balise message, 2FSK, adaptive wave filter, modulation, demodulation
1 引言
高速鐵路中，应答器是在特定地点校准列车位置，实现车-地间的数据交换的重要的点式信息传输设备。随着世界铁路的发展，仅仅依靠轨道电路为列车提供地面信息的传统方式已远远不能满足列车提速的需要。应答器系统的引进，解决了高速铁路连续控车信息不足的问题。在CTCS-2系统中，应答器向列车提供线路允许速度、坡度、临时限速等线路信息[1]，在CTCS-3系统中，应答器用于向列控系统车载设备提供精确列车定位信息、等级转换信息、建立无线通信连接等信息。应答器系统是世界高速铁路不可或缺的一部分。
应答器系统主要由地面应答器、应答器传输模块(BTM)和车载应答器天线组成。在地面应答器中，应答器数据经过编码、调制成适合由地面向车载无线传输的电磁波形式的2FSK信号，当列车经过地面应答器有效区域时以电磁耦合方式被应答器天线接收，接收到的2FSK信号经应答器传输模块的解调、译码后传给列控车载设备ATP，作为重要的控车信息。可见应答器报文的调制、解调对应答器信息的可靠传输起着至关重要的作用。图1为应答器报文传输图。
图1应答器报文传输图
2 应答器系统组成及工作原理
应答器系统包括地面应答器、轨旁电子单元(LEU)、应答器天线、应答器传输模块BTM等。
地面应答器分为有源应答器和无源应答器(又称可变信息应答器和固定信息应答器)。有源应答器与轨旁电子单元(LEU)相连，当列车经过时，LEU根据来自信号机的实时信息将预先存储的一条报文传送给有源应答器。无源应答器发送的数据是固定不变的，它固定存储一条数据报文，包括线路坡度、最大允许运行速度、轨道电路参数、列车等级切换等信息。
地面应答器以电磁耦合的方式与车载应答器天线进行信息交换。应答器天线是一个双工的收发天线，不但要向地面连续发送27.095MHz的高频电磁能量信号，来激活地面应答器，而且要接收地面应答器发送来的数据报文，除此以外应答器天线还具有自检和断线检查功能[2]。应答器传输模块的作用主要是将接收到的应答器报文进行解调、译码并传输给列控车载设备ATP/ATO。
3应答器报文的2FSK调制方法研究
数字频率调制又称频移键控(FSK—Frequency Shift Keying)，二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率[3]。2FSK信号便是符号“1”对应于载频，而符号“0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间的改变是瞬间完成的。，数字调频可用直接调频法来实现，也可用键控法来实现。键控法是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通的方法，易于实现，但相位调制出来的2FSK信号的相位不连续。直接调频法一般使用数字频率合成器对应答器报文的数字基带信号进行调制。图2所示为数字频率合成器的组成原理图。
图2数字频率合成器的基本结构图
数字基带信号经过相位累加器ACC、ROM查找表、数模转换器DAC、低通滤波器LPF，最终变成平滑的2FSK形式的可传输信号。
4 应答器报文的2FSK自适应解调算法研究
当BTM接收到2FSK形式的应答器报文信号后后，如何滤除混入的高频噪声，准确地解调信号是BTM的关键，因为解调的误码率及速度直接影响着列车的安全运行。
常用的2FSK解调方法主要是相干解调法和非相干解调法两种。相干解调法抗干扰性能较好，但需要设置相干载波，实现起来过于复杂而很少采用。非相干解调方法简单易于实现，但抗干扰性能较差，当外部干扰比较强时会因误码率过高造成数据无效。
自适应解调方法是利用自适应滤波器的抗干扰性能和对有用信号的跟踪能力，对数字载波传输的信号进行解调的方法[4]。自适应滤波器能够有效地跟踪信号的幅度和相位，提取基带信号的方法更加简捷，能取得比常用相干解调更理想的性能。自适应解调2FSK信号的原理图如图3所示。
圖3自适应解调2FSK信号原理图
本文选用最小均方误差(LMS)自适应算法对应答器报文进行解调。上图中SFT1,SFT2是两个自动加权、单频的自适应滤波器。原始输入d(n)中包含了需要跟踪的某一频率ω0的信号，参考输入为本地频率为ω0的信号。设参考输入x1(n)与x2(n)间存在90o相移，即
x1(n)=c·cos(ω0n+φ)(1)
x2(n)=c·sin(ω0n+φ)
它们通过相关抵消回路以最小均方误差算法控制滤波器的权值ω1(n)和ω2(n),滤波器输出y(n)即为跟踪某一频率后的单频输出。LMS算法迭代加权公式为
ω1(n+1)=ω1(n)+2·μ·е(n)·x1(n)(2)
ω2(n+1)=ω2(n)+2·μ·е(n) ·x2(n)
其中μ是控制稳定性和收敛速率的收敛因子，定义误差函数为：
е(n)=d(n)-y(n) (3)
由式(1)~(3)就组成了自适应最小均方误差算法[5]。对式(3)进行求导，并使其为零，得到最佳权系数。如图4所示就是自适应单频跟踪器SFT的原理图。
图4自适应单频跟踪器SFT
5应答器报文解调、解调的Matlab仿真实现
在Matlab环境下，根据图2所示的方法，用编程实现一组应答器报文1 0 1 0 1 1 0 0 1 0的频键控法调制，取得2FSK调制信号，调制结果如图5所示。
图5应答器报文2FSK调制的MATLAB仿真图
在调制好的2FSK信号中加入高斯白噪声，模拟应答器报文在实际传输中所受的27.095MHz高频信号干扰[6]。根据自适应解调算法原理，对图3、图4所示的方法进行MATLAB仿真后，取得如图6所示的仿真结果，从而实现了对应答器报文的自适应解调。从图6可以看出，经过比较判决后的二进制序列为1 0 1 0 1 1 0 0 1 0，与调制、加噪前的二进制序列一致，可见应答器报文的自适应解调方法取得了预期的结果。
图6应答器报文2FSK解调的MATLAB仿真图
显然，应答器报文的自适应解调方法较相干解调法更加简洁易于实现。自适应解调算法对有用信号的跟踪能力解决了传统的非相干解调法难以解决的相位延迟问题，其优秀的抗干扰能力使应答器报文解调的误码率较非相干解调法降低不少。
图7是自适应解调法与传统的非相干解调法、相干解调法的误码率比较的Matlab仿真实现，结果可见，自适应解调法较传统方法明显降低了报文解调的误码率。
图7自适应解调与传统解调方法的误码率比较图
6 结论
应答器报文的调制、解调是应答器系统的核心，选择合适的调制、解调方法对实现应答器报文快速、准确的传输是很有必要的。本文采用频率键控法进行应答器报文的2FSK调制，方法简单易于实现。通过与传统相干解调、非相干解调方法的比较，本文引进了当前无线通信领域新兴的自适应解调方法对实现应答器报文的解调，在应对电气化铁路复杂的噪声环境时能取得比相干解调、非相干解调法更加理想的性能。
参考文献：
[1] 刘建章,杨光伦,贺航宇，谷世群.应答器传输单元关键解调
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[2] 王素珍,贺英.通信原理[M].北京邮电大学出版社,2010.
[3] 董昱.区间信号与列车运行控制系统[M].北京:中国铁道出
版社，2008：262-266.
[4] 刘国栋，董昱，张晓星.基于自适应算法的应答器传输模块解调方法研究[J].科学工程与技术，2013(23):6729-6733.
[5] 曾晓宏，胡爱群.自适应滤波算法及其数字载波解调应用的仿真研究[D].东南大学,2004:10-12.
[6] 赵会兵,唐抗尼,李伟等.应答器传输模块的动态特性及高速条件下的适用性评价[J].中国铁道科学,2010.5,31(3):93-98.