BTM功放輸出實時檢測模塊的設計與實現

周永健，吳慶鵬，王東，王瑞，劉佳，梁迪

應答器傳輸單元（BTM）設備是CTCS-2/3級列控車載ATP設備的重要組成單元，由主機、天線單元和電纜組成。其基本工作原理是BTM主機中的功放單元將能量通過電纜發送至天線單元并輻射至地面，用于激活應答器進入工作狀態，應答器產生的上行鏈路信號由天線單元接收并通過電纜傳送至BTM主機。BTM設備故障時會導致 ATP 因無法接收地面應答器報文信息而觸發制動或停車［1］。BTM設備天線端、電纜端、主機端常見的功能失效問題可通過自身故障檢測得以發現，但對于因設備老化、接觸不良等導致主機功放輸出性能下降、電纜及天線阻抗不匹配等情況，目前還沒有有效的檢測手段。

庫內開機自檢及性能測試只能保證BTM設備發車時狀態良好，而在BTM設備動態工作過程中，因主機功放輸出性能下降、電纜及天線阻抗不匹配等導致的故障現象較為隱蔽［2-4］，給設備動態維護提出了新的挑戰。為此，本文在BTM功放單元上增設檢測模塊，對下行能量輻射通道阻抗匹配狀態進行實時檢測，為電務人員排查故障提供快速有效的判斷依據。

1 信號分離與提取

依據傳輸線理論［5-6］，高頻輸出信號回路（見圖1）信號源內阻Z0、傳輸線（電纜）等效阻抗Z1、天線負載阻抗Z2需要進行阻抗匹配。阻抗匹配情況下，信號源至負載功率最大且沒有反射；阻抗不匹配時（以下稱“阻抗失配”），信號的傳輸為非理想行波狀態（駐波或反射），傳輸線上的信號是入射波與反射波的疊加。

圖1 高頻輸出信號回路

圖1中信號源產生高頻信號用于驅動被測件（如電纜及天線），通過信號提取裝置（如矢量網絡分析儀常用定向耦合器）分別經I通道和R通道提取入射信號耦合電壓Ui和反射信號反射電壓Ur，并送入接收機，利用單端口矢量網絡法［7-8］計算被測件反射系數、阻抗等參數。

終端反射系數ΓL可以反映反射信號的大小，定義為

被測件阻抗ZL與反射系數關系為

式中：ZT為傳輸線的特征阻抗，一般取50 Ω或120 Ω。當終端開路時，ZL=∞，當終端短路時，ZL=0。從式（2）可以看出反射系數與阻抗映射是一一對應關系。

本文設計檢測模塊，通過定向耦合器實現耦合電壓、反射電壓的提取，經數據處理可得負載阻抗（反射系數）等參數，為阻抗匹配不同特征狀態（正常、短路、斷路、功放輸出異常）判定奠定基礎。

2 檢測模塊設計

檢測模塊是在既有BTM設備功放單元上增加定向耦合器、處理器MCU、通信接口等電路，見圖2中紅色部分，主要完成信號提取和檢測功能，對原電路功能幾乎沒有影響（定向耦合器僅對27 MHz信號源輸出有較少衰減）。

圖2 檢測模塊結構

檢測模塊主要工作流程如下。

Step 1功放單元產生27 MHz射頻信號，通過定向耦合器輸出至電纜及天線負載。

Step 2定向耦合器通過耦合端、隔離端提取耦合電壓和反射電壓。

Step 3MCU通過AD轉換獲取耦合電壓、反射電壓值，判定參數所在的特征狀態邊界，通過CAN通信將狀態標志上報給BTM主機。

2.1 硬件設計

1）頻率源。復用功放單元產生的27.095 MHz±5 kHz射頻能量信號。

2）處理器MCU。由于反射電壓、耦合電壓、反射系數等參數均為矢量，且大量矢量運算需要采用支持快速傅里葉變換（FFT）的處理器，因此，MCU選用有較強的數字信號處理能力且集成度較高的TMS32C28X系列，片內包含ADC芯片且支持外圍通信芯片的靈活配置，可以有效降低電路布線復雜度。MCU主頻達150 MHz，指令周期為6.67 ns，支持頻率達12.5 MHz的12位采樣芯片，支持ADC芯片的32位浮點運算，程序和數據存儲器容量為4Mx16位，同時支持串行通信（SCI）接口和同步串行通信（SPI）接口。

3）CAN通信。采用MCP2515，該芯片完全支持CAN V2.0B技術規范，能發送和接收標準和擴展數據幀及遠程幀，自帶的2個驗收屏蔽寄存器和6個驗收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報文，因此可減少MCU的開銷。MCP2515通過SPI接口與MCU連接。

4）定向耦合器。選用符合變壓器模型的四端口定向耦合器，見圖3，用于提取信號源耦合來的入射信號和負載端耦合來的反射信號。

圖3 定向耦合器示意

圖3中，四端口定向耦合器分為主線端（端口1、2）和從線端（端口3、4）。主線端信號從端口1輸入后大部分能量從端口2處輸出，主從線存在一定的耦合性，從線端信號端口3可以從端口1耦合出一定比例的能量，端口4為端口1的隔離端，不能耦合出端口1的能量，但可以耦合出端口2的部分反射能量。定向耦合器具有一定的方向性，若端口2作為輸入端，則端口4可以耦合端口2部分能量，但端口3無法耦合端口2的能量［9］。

定向耦合器電路設計關注的性能指標主要有插入損耗、耦合度、隔離度等。插入損耗反映輸入信號的衰減程度；耦合度反映耦合端耦合輸入信號的程度；隔離度表示輸入信號與隔離端信號的相互影響程度。如果設定向耦合器輸入功率、負載端獲得功率、耦合端功率、隔離端功率分別為P1、P2、P3、P4，則插入損耗IL、耦合度C、隔離度I等參數分別定義為IL耦合度和隔離度需根據后級信號采集及模數轉換采樣電路信號輸入范圍決定信號衰減程度，檢測模塊定向耦合器設計參數要求見表1。

表1 定向耦合器設計參數要求（負載匹配時）

2.2 參數分布分析

由于現場設備運用環境復雜，影響判定參數測量結果的變量較多，因此，不僅要設計符合參數要求的定向耦合器，還要研究不同條件下耦合器采集參數的差異。通過實驗室和現場測試，可獲得不同特征狀態下的耦合電壓、反射電壓等參數，經計算可得到反射系數等參數。

2.2.1 定向耦合器測試

選取5個定向耦合器樣本，在負載匹配情況下，采用網絡分析儀分別測量插入損耗、耦合度和隔離度，測試結果見表2。

表2 定向耦合器設計參數測試結果dB

由表2可知，在負載匹配情況下，樣本定向耦合器插入損耗、耦合度、隔離度基本達到設計要求。

2.2.2 參數分布影響因素

采用阻抗作為特征狀態判定參數，既可以與標準網絡分析儀測試結果進行對比，還具有實際物理意義。實驗室通過改變可能影響阻抗變化的條件，如耦合器差異、電纜長度、環境溫度、不同廠家應答器、應答器距離天線高度、添加金屬改變阻抗環境等，采用標準網絡分析儀和檢測模塊分別對不同類型負載阻抗進行測試。測試發現當改變溫度、電纜長度、應答器種類或應答器高度等時，引起的阻抗變化較小，此時測量誤差較??；當天線周邊放置金屬物引起的阻抗變化較大或功放輸出發生較大變化后，測量誤差顯著增大。

而實際現場由于不同動車組安裝環境不同，阻抗失配程度也有所不同，因此對于長客CR400BF、四方CR400AF、唐客CR400BF三種車型，現場各選取一列車分別進行靜態測試（動車段/所）和動態測試（京滬、滬寧、寧杭線），以豐富在阻抗失配（正常運行環境）情況下的檢測數據。

2.3 阻抗計算

2.3.1 阻抗判定誤差

實際電路設計時由于材料、工藝等的不同，電路的性能指標差異會對測量結果造成一定程度的影響。通過與標準網絡分析儀實際測量結果對比，分析檢測模塊的誤差來源及誤差項，見表3。

表3 誤差來源及誤差項

1）信號源的主要性能指標包括頻率準確度、相位噪聲、諧波衰減等，實際輸出與標定輸出的差異由頻率準確度衡量；頻譜純度由相位噪聲和諧波衰減衡量?！稇鹌鱾鬏斚到y技術條件》（TB/T 3485—2017）中7.1.2條對于BTM功放輸出有具體規定：“射頻能量信號為連續（CW）信號，磁場頻率為27.095 MHz±5 kHz，當頻偏不小于10 kHz時，載波噪聲應小于-110 dBc/Hz”［10］。功放元器件老化或性能下降可能會導致異常輸出，從而影響測量精度。

2）定向耦合器用于提取入射信號和反射信號，實際器件中輸入端部分信號會泄露到隔離端，這將導致隔離端提取的反射信號中參雜部分入射信號。另外，耦合端本身也會引起幅值衰減和相位漂移，這兩類誤差直接影響檢測精度。

3）AD采樣芯片用于將模擬信號轉為數字信號，其量化誤差決定ADC信噪比，也直接影響檢測精度。

綜上所述，檢測模塊設計時需充分考慮器件的非標準性、非理想性等因素，下面通過引入誤差校準算法，進一步提高阻抗檢測精度。

2.3.2 誤差校準算法

檢測模塊中主要存在隨機誤差、漂移誤差和系統誤差。隨機誤差是可變、隨機且無法重復的，工程實踐中常通過多次測量取平均值的方式在統計層面減小這類誤差；漂移誤差是環境變化引起各組成器件性能參數出現漂移造成的誤差，一般采用定期校準的方式減小這類誤差；系統誤差一般是因器件的非理想性、非標準性引起，是檢測模塊的主要誤差來源，可通過校準方式減小這類誤差。

檢測模塊可以簡化為一個單端口網絡分析儀，典型的單端口誤差模型見圖4。系統誤差包含方向性誤差、反向跟蹤誤差和源失配誤差，分別表示為ED、ER、ES，其中ED=e00，ER=e10e01，ES=e11［11-13］。

圖4 單端口誤差模型

測量端接收到a0（反射電壓）、b0（耦合電壓）信號后計算反射系數ΓM

式中：Γ為負載端的實際反射系數。

?？捎墒剑?）換算得到

采用標準負載、開路負載、短路負載校準件，通過以下步驟測量3類系統誤差，從而進行測量校準。

Step 1測量連接開路負載校準件時的反射系數Γopen。理想情況下反射系數為1，代入式（4）得

Step 2測量連接短路負載校準件時的反射系數Γshort。理想情況下反射系數為-1，代入式（4）得

Step 3測量連接標準負載校準件時的反射系數Γload。理想情況下反射系數為0，代入式（4）得

Step 4將式（5）、式（6）、式（7）聯立最終可以解得

引入誤差校準算法后，檢測模塊在不同條件下（含阻抗失配情況）不同特征狀態的反射系數分布范圍見表4。

表4 校準后不同特征狀態反射系數分布范圍

由表4可知，正常狀態和功放輸出異常狀態反射系數分布范圍存在部分重疊，若將反射系數（即阻抗）作為特征狀態判定參數，將出現1個判定參數對應2個特征狀態的情況。由于檢測模塊僅需對各特征狀態做分類判定，而阻抗、反射系數主要是反映隔離端反射信號的特征變化，因此可以考慮增加另一個維度觀察變量，如入射信號耦合電壓，這樣更有利于樣本數據分類處理。

3 軟件優化

3.1 判定參數優化

采用耦合電壓和反射電壓“與”的方式作為判定參數，不同特征狀態下耦合電壓與反射電壓二維平面散點圖分布見圖5。

圖5 耦合電壓與反射電壓二維平面散點圖分布

綜合實驗室和現場測試數據，在不同測試條件下，不同特征狀態樣本數據點分布在特定區域內，確定邊界時應考慮樣本數據點不重復、全覆蓋，以滿足不誤報、不漏報原則，例如功放輸出異常狀態判定條件為（Ui＜1.8 V）＆amp;（Ur＜1.485 V）。通過限定耦合電壓、反射電壓取值范圍可以有效判定特征狀態類型。

3.2 特征狀態判斷

由于現場運行環境復雜多變，實際電路工作過程中會出現測量值在邊界附近抖動的情況，抖動較大時檢測結果可能與實際相差較大，因此軟件采用基于時間窗口的統計計數法消除抖動的影響。即統計在一段時間內落在各個狀態特征區間內點的數量，點數最多的數據所對應的區間狀態為最終狀態，若點數一致則按優先級高低發送優先級高的狀態（故障級別優先級為短路＞斷路＞輸出異常＞正常）。特征狀態判決邏輯見圖6。

圖6 特征狀態判決邏輯

4 結束語

基于現場BTM設備故障檢測需求，研究在現有BTM設備的功放單元上設計檢測模塊，實現對功放輸出異常、電纜短路、電纜斷路、運行正常4種狀態的檢測。根據傳輸線理論，采用定向耦合器提取功放輸出信號耦合電壓和反射電壓，獲取實驗室和現場不同測量條件下不同特征狀態的參數分布范圍。采用阻抗作為特征狀態判定參數時，由于特征狀態區間存在部分重疊，故最終選取耦合電壓和反射電壓共同作為判定參數。

目前檢測模塊已經通過多次動態測試驗證，即將運用于現場動車組運行時BTM設備的在線檢測。檢測模塊的研制，提高了BTM設備自身可靠性和可用性，針對現場因接觸不良、元器件老化引起的BTM功放、電纜功能異常等隱蔽故障，為電務人員增加了動車組動態運行時BTM設備工作狀態實時監測手段，提高了BTM設備質量和運營維護效率。