應(yīng)答器上行鏈路信號的mtie測量

1、<p>　　應(yīng)答器上行鏈路信號的MTIE測量 </p><p>　　鄧能，呂旌陽，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號北京郵電</p><p>　?。ū本┼]電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）</p><p>　　摘要：應(yīng)答器是列車控制系統(tǒng)的重要組成部分，其上行鏈路信號質(zhì)量關(guān)系到車載設(shè)

4、備對接收信號的解析和還原，對列車行駛的安全性有著直接的影響。最大時間間隔誤差（MTIE）是評價應(yīng)答器上行鏈路信號質(zhì)量的一個重要參數(shù)。目前MTIE常用的測試方法是利用專有儀器搭建測試環(huán)境進行人工測量，效率較低。本文在詳細介紹了MTIE的定義及計算方法后，提出一種基于FPGA的自動測量方案，給出測量的系統(tǒng)框圖，并對MTIE參數(shù)計算的過程進行詳細說明，最后給出仿真結(jié)果圖。仿真結(jié)果表明論文提出的MTIE檢測方案準(zhǔn)確、高效，能滿足實際測試要求。&

5、lt;/p><p>　　關(guān)鍵詞：MTIE；應(yīng)答器；FPGA</p><p>　　中圖分類號：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。在整個通信系統(tǒng)中，信源的質(zhì)量好壞對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)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞c式設(shè)備，分為有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器，主要用于地面向列車

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

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

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

13、信號瞬時相位。瞬時相位（時間）相對偏差函數(shù)可以表示為</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　其中，為時鐘頻率。</b></p><p>　　定義時間誤差是標(biāo)稱值相同的參考時鐘和被測時鐘相對偏差時間函數(shù)的差，即</p><p><b>　?。?）</b

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

15、差（MTIE）的定義：在給定的測試周期T內(nèi)，測得N個時間間隔誤差值（取樣時間為），根據(jù)設(shè)定的觀測時間段，對每一觀測時間段內(nèi)的時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為最大時間間隔誤差。用數(shù)學(xué)表達式表示如（5）所示</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中：是N個時間間隔誤差樣本（取樣時間為）；</p>

16、<p>　　是設(shè)定的觀測時間段（）；</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　通常，時間間隔誤差通過專門的時間間隔誤差測量儀器及測量方法獲得，而MTIE則是通過計算獲得。基于的獲取方式，一般情況下都是利用圖1所示框圖進行測試[3]。</p>

17、<p>　　在進行測試之前，需要校準(zhǔn)遠程供電信號。按照歐標(biāo)應(yīng)答器的指標(biāo)要求，在啟動時間之后，應(yīng)答器的數(shù)據(jù)速率變化和抖動應(yīng)滿足MTIE1（與理論數(shù)據(jù)速率相關(guān)）或者MTIE2（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

18、的測量值。</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)率時的測量值。</p><p>　　圖1 上行鏈路信號MTIE測試系統(tǒng)框圖</p><p>　　Fig.1 MTIE test flow diagram for uplink si

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

20、<p>　　如圖2所示，在測量周期T內(nèi)，一共有N個時間間隔誤差樣本，每個樣本取樣間隔為，觀測時間長度為（），即為圖中的觀測時間窗。在第k個時間窗內(nèi)，有n個樣本，尋找這n個樣本中的最大和最小值，并求出他們的差值，記為。然后，將觀測時間窗往右移動一個取樣間隔，形成第k+1個取樣窗口，尋找窗口中樣本最大和最小值的差值，記為。依次類推，一共求出N-n個最大最小值的差值，取值最大的即為觀測時間為時所得到的MTIE值。調(diào)整觀測時間窗的大

21、小，即改變n的取值，會得到不同的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，觀測窗口大小需要從1到N-1進行遍歷，觀測窗的起始位置k需要從1到N-n進行遍歷，在實際的測試中，為了測試的完整性，對信號進行全面評估，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。直接按照定義進行MTIE的計算，非常耗時且效率較低。為此，在保證計算結(jié)果的精確度的

22、情況下，對直接計算的方法進行改進，以提高MTIE的計算效率。</p><p>　　對上述計算過程分析可以發(fā)現(xiàn)，在計算過程中每移動一個觀測窗口，需要進行重新計算最大最小值，并求出其差值，在前后相鄰大小為n的兩個觀測窗口中，一共有n-1個誤差樣本是重合的，因此重新計算最大最小值會導(dǎo)致產(chǎn)生許多不必要的重復(fù)性工作。根據(jù)MTIE的定義和運算法則，在每一個觀測的窗口內(nèi)，只有最大最小值的差值參與最后MTIE的最大值運算。即對于

23、下一個觀測時間窗口的數(shù)值有影響的只是上一個觀測時間窗口內(nèi)的最大最小值。因此，改進方法計算MTIE的原理如下，在第k個觀測時間窗口內(nèi)求得最大和最小值以后，記錄下最大和最小值的位置，下一個觀測時間窗口的起始位置就是以第k個觀測時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）。這樣跳過了一些不可能用于計算MTIE值的誤差樣本點。第k+1個觀測時間窗口的第一個樣本值就是第k個觀測時間窗口中的最值樣本，它一定包含

24、了可用于MTIE計算的信息。</p><p>　　圖3 MTIE計算改進示意圖</p><p>　　Fig.3 improved MTIE calculation description </p><p>　　如圖3所示，假設(shè)在第k個觀測時間窗口內(nèi)，求得的最小值為為，最大值為，其對應(yīng)的位置分別為和（）。按照改進的計算方法，下一個觀測時間窗口的起始位置移動至處，即

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

26、，這時下一個觀測時間窗口就只能向右移動一個誤差樣本間隔，而不能采用跳躍形式。如圖3所示，觀測時間窗口k2中的的最大值是該觀測時間窗口中的第一個時間誤差樣本，那么下一個觀測時間窗口k3就不能采用階躍跳變的方式，只能右移一個樣本值。繼續(xù)分析發(fā)現(xiàn)窗口k3和窗口k2只有兩個樣本值發(fā)生了改變，即k2的第一個樣本和k3的最后一個樣本，對于k3觀測時間窗口而言，可分別稱為“移出樣本”和“移入樣本”。由于移出樣本為觀測時間窗口k2內(nèi)的一個最值，那么在k

27、2和k3重合的樣本中絕大多數(shù)情況下會存在k3內(nèi)的最值，通過對比移出樣本和移入樣本值，可以繼續(xù)對MTIE的計算方法進行簡化，判決情況如表1所示。</p><p>　　表1 MTIE計算判斷組合情況</p><p>　　Tab. 1 judgment conditions description</p><p><b>　　FPGA實現(xiàn)</b>

28、</p><p>　　在利用矢量信號分析儀等設(shè)備進行測試時，時間間隔誤差是通過專門的儀器進行測量得出。為了實現(xiàn)自動化測試，利用FPGA對采集到的數(shù)據(jù)進行分析計算，直接求出時間間隔誤差，并將結(jié)果送至后端PC進行MTIE的計算。FPGA中實現(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>　　模擬信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換芯片后輸入到FPGA中，通過時間間隔誤差計算模塊求出時間間隔誤差值，并將計算得到的結(jié)果存放到雙口RAM中，在得到所有需要的時間間隔誤差值之后通過RS485串口將結(jié)果輸出到后端PC計算MTIE值，并做出相應(yīng)的曲線圖進行直觀顯示。</p><p><b>　　時間間隔誤差計算</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通過希爾伯特濾波器求出解析信號，并通過反正切運算求出輸入數(shù)據(jù)的相位信息。相位信息是關(guān)于載波頻率的函數(shù)，對應(yīng)于一系列數(shù)據(jù)點，將這些離散點拼接，得到一條連續(xù)的折線。在數(shù)據(jù)信息進行“0”和“1”切換的時候，相位折線將會出現(xiàn)拐點，通過最小二乘法進行曲線擬合，可以求出拐點坐標(biāo)，即數(shù)據(jù)

31、信息的切換點。此切換點的坐標(biāo)值與理論的坐標(biāo)值的差值即為要求的時間間隔誤差。按照歐標(biāo)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的規(guī)范要求，數(shù)據(jù)符號最多存在連續(xù)8個相同的數(shù)據(jù)信息，為此，在進行計算時需要求出相鄰兩個相位折線拐點之間的數(shù)據(jù)符號數(shù)，并將時間間隔誤差平均到單個比特上。時間間隔誤差模塊的仿真波形如圖5所示[5]。</p><p>　　圖5 時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，低電平有效，i_clk為輸入時鐘信號，i_data是AD采樣的輸入數(shù)據(jù)，im_data是經(jīng)過希爾伯特濾波器之后的數(shù)據(jù)，hilbert_data_out是對信號的相位折線求拐點之后的判決輸出，hilbert_data_out_dge即為所求的拐點的位置，cnt_bit_num為兩個相鄰拐點之間的比特數(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，各個管腳對應(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管腳定義說明</p><p>　　Tab. 2 pins description of sp3485</p><p><b>　　MTIE計算及顯示</b></p><p>　　利用串口接收到時間間隔誤差值之后，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，但是計算的復(fù)雜度與消耗的時間太大。為此，在進行計算時采用改進之后的算法。求得的結(jié)果如圖7所示。</p><p>　　圖7 MTIE計算結(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的門限值，實線表示

36、實際算法求得的實際值，紅色虛線表示MTIE2的門限值，實線表示實際算法求得的實際值。通過算法求得的結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)要求的門限值以內(nèi)，符合規(guī)范。MTIE1和MTIE2有類似的含義，只是在進行測量時參考源不同，MTIE1是針對理論數(shù)據(jù)速率，而MTIE2是針對傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)速率。 </p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文詳細介紹了MTIE的定義及計算方

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

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