城市轨道交通信号系统PTI天线信号解调设计

付 斌

随着轨道交通行业的快速发展，屏蔽门的应用已十分广泛，但是屏蔽门和车门不能联动的故障时有发生。屏蔽门和车门联动涉及信号、车辆、屏蔽门等多个专业，如何快速准确排查故障是一项难题。广州地铁2／8号线的屏蔽门和车门联动是由PTI设备完成，安装在ATO单元的感应信息传输系统IMU单元，将车载信息数据通过PTI设备传给地面设备，经处理后发送到ATS系统和PSD系统，来控制相应列车的行驶和屏蔽门的开关。因此，利用锁相环技术跟踪特性，对车载PTI天线信号进行解调，并对解调数据进行统计分析，可以检测PTI设备工作情况。

1 PTI设备

PTI设备主要用于车－地之间的单向通信，列车每个驾驶室安装有PTI天线，位于列车下部，将车载PTI报文信息传至轨旁。车载PTI设备由PTI处理板、电源板、车载K12继电器、PTI天线组成，如图1所示。

列车正常运营时，到站后屏蔽门的开关通过车载信号系统中ATO发出数据，经K12继电器闭合后发给PTI天线，通过无线方式传输至地面信号系统的PTI机柜；PTI地面设备将数据解调后向屏蔽门系统发送开关门信号，整个流程经过信号系统和屏蔽门系统。

图1 车载PTI设备示意图

列车进站后，屏蔽门和车门不能联动的常见原因：①ATO设备故障，ATO没有发出开关门信号；②K12继电器故障不能闭合，PTI天线没有发送信号；③PTI天线脱落或故障，地面PTI设备没有接收到信号；④PTI地面设备故障，屏蔽门系统没有接收到开关门信号。这些都表现为到站停车无法自动开关门，车载MMI上没有开门使能信号，地面设备没有报文。

目前对设备的检查只能通过厂家提供的诊断接口进行，在没有确实数据参考的情况下，很难对故障进行分析和排查，而且有的故障是偶发的，比如ATO设备板件老化、继电器触点接触不良、PTI天线虚接或松动、PTI地面设备板件老化等，要查出是哪个系统、哪个模块出了问题就更有难度。

2 解调设计

如图2所示，信号系统至屏蔽门系统的联动过程，是从信号系统ATO发出指令到PTI天线发送无线信号，通过地面无线接收装置解码，并输送给屏蔽门系统发出开关门命令。因此，可以通过X3－3接线端子读取PTI天线的原始信号进行解调监测，同时监测K12继电器电信号状态来进行故障排查。

图2中，在采集点部位设计高阻抗隔离电路，通过单片机捕捉采集信号，并记录在CF卡等存储装置中，通过记录回放，分析列车进站后屏蔽门开关异常是否与车载信号系统有关，可以检查电路老化问题。还可以通过PTI解调码记录进行报文分析，缩小联动故障排查范围，提高故障排查的能力。

图2 信号系统至屏蔽门系统的联动框图

2．1 原始信号的分析

在试车线及夜间正线调试作业时，逻辑分析仪实时采集车载PTI分线架上的数据情况，对数据统计分析，波形频率分为822～830kHz、874～880kHz 2个范围。表1为2路独立通道的数据采集情况。

表1 2路独立通道的数据采集情况

现场测量数据有明显的移频键控信号特性，波形变化如图3所示。

图3 原始波形类举图

导入Matlab软件进行分析，可将2种频率段数据用0和1进行替代，发现有明显的帧头、帧尾、校验位等数据帧特性。根据移频键控解调原理，利用锁相环和滤波电路限制输入波形，其他干扰信号无法通过解调，以此来判断车载信号计算机是否发出PTI报文。

2．2 解调电路

只对车载PTI天线产生的±12V的FSK信号进行解调，解调部分电路设计如图4所示。

图4 PTI解调原理图

已知输入信号PTI1和PTI2的差分信号频率fi＝ （850±2）kHz，经过高阻抗的隔离差分放大电路，将信号设备和设计电路进行隔离。首先将调制信号送入锁相环内部限幅器，然后与压控振荡器输出的850kHz进行相位比较，设此时输入电压信号Ui（t）的角频率为Wi，瞬时相位Ei（t），压控振荡器的输出信号Uo（t）的频率为Wo，瞬时相位Eo（t），环路的参考输出频率即基准频率为Wr，鉴相器应该满足下列条件：

1．锁相环路处于 “锁定”状态时，Wi＝Wo＝Wr，鉴相器无输出电压。

2．锁相环路处于 “失锁”状态时，Wi＝Wr＋Ei（t）／dt，Wo＝Wr＋Eo（t）／dt。

满足条件后输出信号经环路滤波放大，并驱动施密特触发器，最终输出解调后的方波。

3 设计验证

开发一套PTI天线报文解调监测装置，设计电路能够稳定解调出报文并存储，并经过试验室、试车线和正线调试测试。同时采集PTI原始信号和解调后信号进行实时对比，如表2所示。

逻辑分析仪实时捕捉原始信号和解调信号，原始信号最小周期1．210μs、最大周期1．139μs，对应频率为826．4kHz和877．9kHz，与资料数据823．5kHz和875kHz吻合，且解调电平对应低、高电平也符合理论要求。

在试车线上通过断开相关流程连接线，模拟了几类常见故障状态，对照报文进行验证，如表3所示。

对于偶发性故障，通过运营维保检修时对报文进行趋势分析，可提前预防设备老化或松动的隐患故障。

表3 模拟常见故障验证表

表2 PTI原始信号和解调后信号对比情况

4 结论

信号系统车载PTI天线解调设计可以排查车门－屏蔽门联动故障，为此自行开发试验设备进行现场试验，对试验数据统计分析，验证了利用锁相环技术去解调城轨信号系统中PTI车载天线信号是可行的，可以快速判断信号系统中故障范围，而且对发现故障隐患有一定的帮助，提高运营维保能力，保证运营安全。

［1］ 董昱．区间信号与列车自动控制系统［M］．北京：中国铁道出版社，2008．

［2］ 何霖．广州地铁运营事业总部技术论文集［C］．广州：广州地铁运营事业总部技术部，2003．

［3］ 徐岩．移频键控信号解调方法研究［J］．兰州铁道学院学报（自然科学版），2000（19）：60－61．

［4］ 张治梁．浅谈南京地铁1号线信号系统的降级模式［J］．现代城市轨道交通，2008，21（3）：8－11．

［5］ 潘桂芳．地铁信号与屏蔽门联动控制系统分析［J］．铁道通信信号，2006（01）．