交叉電纜回線型TWC系統(tǒng)技術(shù)研究20110830

I 交叉電纜回線型 TWC 系統(tǒng)技術(shù)研究 RESEARCH OF TECHNOLOGY FOR CROSSOVER-STYLE TWC SYSTEM 學科 (專業(yè) ): 控制工程 作者姓名 : 指導教師姓名 : 答辯日期 : 年 月 II 交叉電纜回線型 TWC 系統(tǒng)技術(shù)研究 摘要 本文通過對車地通信 TWC系統(tǒng)的分析，確定 TWC系統(tǒng)的原理和采用的關(guān)鍵技術(shù)。并進一步確定相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)，包括軌旁環(huán)線、車載天線發(fā)送信號和接收信號的頻率 F、環(huán)線電阻值 R、電感 L、電容 C以及耦合單元電路元件電阻和電容 的參數(shù)；制定 TWC系統(tǒng)測試、維護技術(shù)方案，以規(guī)范 TWC維護流程，方便系統(tǒng)維護。提出 TWC系統(tǒng)維護建議，從而提高維護技術(shù)水平，提升系統(tǒng)的可靠性，減少交叉電纜回線型 TWC車地通信故障。 前期，對交叉電纜回線型 TWC系統(tǒng)進行技術(shù)分析，初步了解其所采用的關(guān)鍵技術(shù)、信息傳輸流程和系統(tǒng)實現(xiàn)原理。收集交叉電纜回線型 TWC故障及發(fā)生問題的記錄，對其進行分類、歸納、分析。選擇典型車站測試 TWC系統(tǒng)參數(shù)值，包括環(huán)線的幾何值和電路參數(shù)。選擇典型列車，對車載系統(tǒng)（天線）測量，包括物理參數(shù)。對現(xiàn)場檢測到的數(shù)據(jù)，根據(jù)電磁感應原理、諧振 電路理論、傳輸線理論進行分析。其次，搭建實驗室模擬環(huán)境進行實驗，鋪設 190米長的軌旁環(huán)線，設計制作檢測車，模擬現(xiàn)場環(huán)境進行測試、實驗。對模擬環(huán)境實驗數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，得到參數(shù)和結(jié)論，并用于解釋現(xiàn)場出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象。將研究的結(jié)果，返回現(xiàn)場進行實驗，驗證其合理性。修正研究結(jié)果和參數(shù)。最后，通過分析系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)，編制行之有效的維護方案。 關(guān)鍵詞： 車地通信，程序停車，連續(xù)傳輸模式，耦合單元 III RESEARCH OF TECHNOLOGY FOR CROSSOVER-STYLE TWC SYSTEM ABSTRACT Through the analysis of train-wayside communication TWC system in this article, determine the principles and key technologies of TWC systems. To further identify relevant system parameters, including wayside loop, carborne antennas send signals and receive signal of frequency, loop resistance, inductance, capacity C, resistance and capacitance of coupling unit and component parameters. Establish TWC systems test and maintenance project in order to standardize TWC maintenance procedure and convenient for system maintenance. This study make the suggestion of TWC system maintenance, thereby improve the level of maintenance technology, step up system reliability, reduce crossover loop style TWC communication fault. Prophase, technical analyze on the crossover cable line style back to TWC system, understand the key technology, information transfer process and system implement principle. Collect the record of crossover cable line style back to TWC faults and occurred issues, then classify, sum up, analyze. Select typical station test TWC system parameter values, including link geometry values and circuit parameters. Select a typical train, measure on-vehicle system (antenna) including physical parameters. Analyze data which is detected on scene according to electromagnetic induction principle, resonant circuits theory and transmission line theory. Second, build a lab, do simulation environment test which lay 190 meters of track link, design inspection car, simulate live environment. Aim at experiment data, make a summary analysis, calculate parameter and make a conclusion. To validate the study result rationality, return scene and re-test. Correct the study results and parameters. Finally, draw up an effective plan for maintenance according to the key technology analysis system used. LuXinYuan (Control Engineering) Supervised by Jianmin Qian KEYWORDS: Train-to-Wayside Communication, Programmed Station-stop, CTM, Coupling Unit 1 1 前言 . 1 2 TWC 系統(tǒng)原理與問題分析 . 2 2.1 TWC 車地通信系統(tǒng)作用 . 2 2.2 TWC 車地通信系統(tǒng)組成 . 3 2.3 信息傳輸流程 . 8 2.4 系統(tǒng)原理 . 11 2.5 問題分析 . 19 3 實驗室模擬分析 . 23 3.1 實驗環(huán)境與試驗目的 . 23 3.2 軌旁環(huán)線發(fā)送試驗 . 25 3.4 環(huán)線電感 L3 的測定 . 29 3.5 電容 C3、 C1 變化試驗與分析 . 32 3.6 車載天線處于環(huán)線不同位置時對信號的影響 . 35 4 現(xiàn)場 測試與分析 . 36 4.1 車站測試數(shù)據(jù) . 36 4.2 測試方法 . 40 4.3 測試結(jié)果與分析 . 42 4.4 試車線實驗數(shù)據(jù)與分析 . 45 5 交叉電纜回線技術(shù)參數(shù) . 50 5.1 環(huán)線鋪設幾何參數(shù) . 50 5.2 環(huán)線電氣（物理）參數(shù) . 52 5.3 耦合單元電容參數(shù) . 52 5.4 環(huán)線電流 /電壓參數(shù) . 52 5.5 FSK 信號頻率 . 53 5.6 環(huán)線磁場分布 . 53 6 交叉電纜回線測試維護方案 . 53 6.1 交叉電纜回線系統(tǒng) 元器件測試方案： . 53 6.2 交叉電纜回線維護方案 . 56 7 結(jié)論與建議 . 61 7.1 交叉電纜回線系統(tǒng)原理 . 61 7.2 環(huán)線電感的測量 . 61 7.3 軌旁耦合單元 . 62 7.4 研究得到交叉電纜回線系統(tǒng)技術(shù)參數(shù) . 62 7.5 建立維護檔案 . 63 7.6 成果應用 . 63 7.7 若干建議 . 63 參考文獻 . 65 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文情況 . 67 致謝 . 68 2 1 1 前言 上海地鐵二號線是上海軌道交通網(wǎng)絡中的一條重要線路。一期工程于 2000年開通，并于 2006 年底西延伸工程通車，目前的最大客流已達百萬人次。到 2010年 4 月，已延伸至浦東國際機場和虹橋國際機場。二號線的信號系統(tǒng)（ ATC 系統(tǒng)）是基于數(shù)字軌道電路的準移動閉塞系統(tǒng)，該系統(tǒng)由美國 US&S 信號公司提供。系統(tǒng)中車地通訊子系統(tǒng)（ TWC）信息的傳輸是通過 交叉電纜回線來 實現(xiàn)的，環(huán)線鋪設在站臺區(qū)域、折返線等處，它是 ATS 系統(tǒng)車地通信和程序定位停車的重要設備。同時， TWC 提供了列車曲線式停車功能，提高了乘客乘車舒適度。 二號線 ATC 系統(tǒng)投用以來，軌旁 ATC 與車載 ATC 子系統(tǒng)之間的密切性日益體現(xiàn)了出來，特別是車地通信系統(tǒng) （ TWC）重要性進一步顯現(xiàn)。二號線車地通信系統(tǒng)（ TWC）是中央、軌旁和列車信息交換系統(tǒng)，也是列車 ATO 運行、中央時刻表調(diào)整的重要環(huán)節(jié)。因此， TWC 子 系統(tǒng)運行質(zhì)量將直接影響到二號線整體運營質(zhì)量。 上海地鐵二號線投入運行以來，隨著時間的推移，出現(xiàn)一些問題和故障。例如，有些站臺的發(fā)車表示器時常發(fā)生不亮的現(xiàn)象， 司機不能及時發(fā)車，經(jīng)常 造成列車晚點，給正常運營制造了麻煩。其中最突出的是龍陽路下行、人民廣場下行和靜安 寺上行等站臺。通過回放和報警信息查詢，發(fā)現(xiàn)以上幾個站臺每天大約 有十幾次，甚至二十次以上的通信丟失，導致發(fā)車 表示器不亮，影響列車正點運營。經(jīng)過分析認為，這些現(xiàn)象的發(fā)生，問題主要集中在車地通信系統(tǒng)（ TWC）上。據(jù)統(tǒng)計，二號線 整個 信號系統(tǒng)發(fā)生的故障中，與車地通信有關(guān)的故障占 30%左右。 在 2010 年 開始的 二號線 西西、東 延伸工程， 新 列車調(diào)試中， TWC 的調(diào)試出現(xiàn)了許多問題，車地通信不穩(wěn)定，不可靠，為列車的調(diào)試造成了困難，嚴重影響了整個調(diào)試周期。 TWC 作為信號的一部分，其技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)完全歸外方公司（ US&S）所有。由于合同和技術(shù)保密的原因，系統(tǒng)供應商 US&S 公司并不提供系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，造成對系統(tǒng)故障的分析診斷、設備測 試與維護的困難。由于沒有有效的技術(shù)手段，使維護人員僅憑個人的經(jīng)驗、想象進行排故，造成系統(tǒng)的維護無標準、隨意性、效率低、水平低等問題。這些問題的存在，使得維護人員不能科學、有效 2 的對系統(tǒng)進行維護，影響了系統(tǒng)的可靠性，乃至線路的正常運營。 作為上海地鐵通號公司的 技術(shù)人員， 在 2009 年 已經(jīng)進行了摸底工作，對發(fā)生的問題認真觀察并記錄，如：有問題車站的具體站點、發(fā)生問題的次數(shù)。并對系統(tǒng)中的相關(guān)設備進行測試，取得了一些測試數(shù)據(jù)，如：軌旁耦合單元的檢查，相關(guān)的環(huán)線電流、相位、耦合板的電路參數(shù)。 隨著設備服務期的延長，設備逐 步老化，由此引起的問題和造成的故障也會隨之增加。二號線東到浦東國際機場，西到虹橋機場的線路延伸工程 項目調(diào)試 正在進行中，目前，二號線貫穿全市，連接兩大機場及虹橋綜合交通樞紐，最高單日客流 133 萬人次，其重要性不言而喻。所以，對二號線 TWC 系統(tǒng)進行研究，弄清關(guān)鍵技術(shù)，取得相關(guān)技術(shù)參數(shù)，為系統(tǒng)維護制定維護規(guī)程，為設備維修提供技術(shù)手段。提升維護的有效性，并減少由此引起的故障，使設備能夠安全、可靠的運行，為二號線的正常運營提供有力的技術(shù)保障。 2 TWC 系統(tǒng)原理與問題分析 2.1 TWC 車地通信系統(tǒng)作用 TWC（ Train-to-Wayside Communication）中文名稱叫車 -地通信，是列車運行自動控制（ ATC）系統(tǒng)不可或缺的一部分。 TWC 顧名思義就是列車與軌旁設備之間的相互通信，車地通信系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)車與地之間非安全信息的傳輸， 功能 表現(xiàn)為列車在站臺的指定位置定點停車，同時在列車運行過程中讓中央控制室不間斷地監(jiān)督列車的運行狀態(tài)，并發(fā)出不同指令調(diào)整列車的運行狀態(tài)。一旦正線 TWC 不穩(wěn)定將會造成列車晚點和停站精度產(chǎn)生偏差，也會使中央控制室無法及時掌握列車運行的參數(shù)，如列車追蹤等，這將影響到地鐵的快速、準點 運營，給廣大的乘客帶來不便。 3 2.2 TWC 車地通信系統(tǒng)組成 二號線 TWC 系統(tǒng)由車載電路板、車載 TWC 天線、軌旁 TWC 交叉電纜回線 ，軌旁室外耦合單元以及軌旁室內(nèi)電路板、傳輸線、本地工作站和中央控制室組成一個完整的鏈路。 (如圖 1 所示 ) 圖 1 車地通信鏈路圖 圖 2 車地通信系統(tǒng)框圖 車載 TWC PCB TWC 天線 軌旁 TWC PCB 耦合單元 環(huán)線 ATC ATO 軌旁 CPU ATO 傳輸線 C E N T R A L /N V L EW a y s i d eT W C( L o o p )V e h i c l eT W CW a y s i d eT W C( L o o p )W a y s i d eT W C( L o o p )O t h e r u n i t s t h a t a r e l o o p a d d r e s s e dI n d u c t i v e l y c o u p l e d( o n l y a t s t a t i o n s a n d s p e c i a l l o c a t i o n s )C o n t r o l sI n d i c a t i o n s 4 圖 3 車地通信系統(tǒng)示意圖 圖 4 TWC 現(xiàn)場照片 a.軌旁環(huán)線 5 圖 4 TWC 現(xiàn)場照片 b.六編組列車停站 圖 4 TWC 現(xiàn)場照片 c.八編組列車停站 6 圖 4 TWC 現(xiàn)場照片 d.車載天線 圖 4 TWC 現(xiàn)場照片 e.軌旁耦合單元（外） 7 圖 4 TWC 現(xiàn)場照片 f.軌旁耦合單元（內(nèi)） a.軌旁 PCB 板 b.車載 PCB 板 8 c.車載天線 d.軌旁耦合單元 圖 5 軌旁和車載 PCB 板、車載天線和軌旁耦合單元 2.3 信息傳輸流程 2.3.1 TWC 系統(tǒng)架構(gòu)圖 TWC 系統(tǒng)分成兩大部分：軌旁和車載。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖 6 所示。 9 圖 6 TWC 系統(tǒng)架構(gòu)圖 TWC 系統(tǒng)實現(xiàn)車地雙向通信，信息傳輸通道有兩個環(huán)節(jié)組成：有線電纜傳輸和無線電磁耦合。傳輸線傳輸?shù)氖?RS485 數(shù)字信號，車地無線通信信號是 FSK（頻移鍵控的模擬信號），上行和下行信道采用相同的頻率。 10 2.3.2 上行通信 (軌旁 車載 )信息流程圖： 圖 7 上行通信信息流程圖 軌旁 計算機 PCB 板 軌旁耦合單元 485 總線數(shù)字信號 FSK 信號 雙絞線 軌旁環(huán)線 車載天線 (接收 ) 磁場 耦合 解調(diào)器 串口 板 數(shù)字信號 解調(diào) ATC ATO 數(shù)字信號 接收濾波 串聯(lián)諧振放大 11 2.3.3 下行通信 (車載 軌旁 )信息流程圖： 圖 8 下行通信信息流程圖 2.4 系統(tǒng)原理 2.4.1 電磁感應原理 車載 TWC/ PCB 與軌旁 TWC/PCB 之間的進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸由兩部分通道：有線傳輸通道和無線通道。無線傳輸通道，正是在 TWC 天線和軌旁環(huán)線之間通過電磁感應實現(xiàn)。電磁感應則是實現(xiàn)車地通信的關(guān)鍵。電磁感應是 因磁通量變化產(chǎn)生感應電動勢 ，在互感線圈 中就會產(chǎn)生電流 。 感應電動勢 與 線圈匝數(shù)，磁通量變化 的關(guān)系： 1)E n/t法拉第電磁感應定律， E：感應電動勢 (V)， n：感應線圈匝數(shù)，/t:磁通量的變化率 ； 2)磁通量 BS :磁通量 (Wb),B:勻強磁場的磁感應強度 (T),S:有效 面積ATC ATO 調(diào)制放大器 數(shù)字信號 FSK 信號 調(diào)制 軌旁環(huán)線 車載天線 (發(fā)送 ) 磁場 耦合 濾 波調(diào)制器 PCB 板 數(shù)字信號 解調(diào) 軌旁 計算機 485 總線數(shù)字信號 接收濾波 放大 FSK 信號 串口 板 12 (m2)。 環(huán)線之間的面積與環(huán)線和鋼軌之間的面積相等，但磁場方向相反，對車底而言（由輪對形成的回路）不會有感生電動勢產(chǎn)生，也就不會產(chǎn)生感應電流。 圖 9 軌旁環(huán)線示意圖 在列車進站過程中，經(jīng)過軌旁環(huán)線時，由于軌旁環(huán)線相鄰環(huán)的線圈磁場方向相反，車載天線線圈 平移時則會感應到零磁通 ， 并 對其進行計數(shù)，用于定位停車。 2.4.2 互感系數(shù) 當?shù)貙嚢l(fā)送時，軌旁環(huán)線產(chǎn)生磁場，從而使車載 線圈（天線）產(chǎn)生感應電動勢；反之，當車對地發(fā)送時，車載線圈（天線）產(chǎn)生磁場，從而使軌旁環(huán)線產(chǎn)生感應電動勢；他們之間是互感?；ジ须妱觿莸拇笮∨c信號頻率、面積、匝數(shù)、之間的距離有關(guān)，其互感系數(shù)量化關(guān)系： l SNNslnnIM 2121 要想增大感應電流，可以增加線圈的匝數(shù)和面積，同時減小線圈之間的距離。從現(xiàn)場的情況看，這些幾何參數(shù)受空間、高度等現(xiàn)場限制，是不會改變的。同時，地面對車載，車載對地面的互感系數(shù)是相等的，可以證明得到如下結(jié)論。 111 IM II 222 IM II tI 11 tI 22 可證明： MI1=MI2 這就是說，發(fā)送和接收是互易的，發(fā)送時對方感應得好；接收時，同樣得到好的結(jié)果 ，已從理論上證明了。同樣 做實驗時，只要給出一個方向最佳參數(shù)，則另一個方向也是相同的。數(shù)據(jù)在車地之間傳輸是以 FSK 模擬信號進行的，其發(fā)0 . 3 0 4 5 m m inim u ms e p a r t a t ion f r o m r a il& b o n d c a b lesa p p r o x . 0 . 6 mis b e s t 13 送和接收是通過線圈的電磁感應實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。 2.4.3 LC 電路和諧振電路 地鐵內(nèi)的電磁環(huán)境復雜，各種無線信號很多，如：公共移動電話，車載調(diào)度電話、列車牽引電機等。一般來講，有線傳輸只要能保證衰減滿足傳輸要求，干擾較小即可。而無線傳輸則與外界環(huán)境密切相關(guān)，電磁信號能否很好地耦合，很好地放大傳輸，則是非常關(guān)鍵的。 諧振電路通過共振，可以有效提高電流和電壓值，放大信號，并可以對諧振時的頻率信號有效的耦合接收。對軌旁環(huán)線來講，正是通過軌旁耦合單元中的諧振電路，實現(xiàn)提高發(fā)送電流和耦合車載信號的目的。 C3=.022C 4C 1 調(diào) 諧 電 容C2變 壓 器R1=3ohmO U TI N圖 10 軌旁耦合單元元件位置圖 圖 11 軌旁耦合單元電路圖 2.4.3.1 LC 電路 電路中重要的是 L、 C 元件，在交流電中，其阻抗（感抗、容抗）與信號的 14 頻率具有直接的關(guān)系： 電感元件： 感抗： fLZ L 2 ； ZLIUZmmL ； 2 in電感特性：通直流，阻交流；通低頻，阻高頻。電壓相位超前電流 90 度。 電容元件： 容抗：fcZ C 2 1=u/I ； ZcZ C 12 in電容特性：通交流，阻直流；通高頻，阻低頻。電流相位超前電壓 90 度。 2.4.3.2 串聯(lián)諧振（ RLC） 在系統(tǒng)電路中，電容 C3、電阻 R、環(huán)線電感（記為 L3）組成一個 RLC 串聯(lián)電路，其目的是利用串聯(lián)諧振特性，得到最大的電流，從而使環(huán)線產(chǎn)生最大的磁場，能夠使車載天線產(chǎn)生較大的感應電動勢，便于信號的接收。當軌旁環(huán)線作為接收端時，可以與發(fā)送端的信號產(chǎn)生共振，很好的耦合，得到較好的信號，向機房傳送。 圖 12 串聯(lián)諧振電路圖 在 RLC 串聯(lián)電路中，限制電流的因素為電路阻抗 ： 15 電壓與電流的相位差： )( P IIa r c t g CLin 產(chǎn)生諧振的頻率 條件： LCf 210特點：發(fā)生串聯(lián)諧振時，阻抗最小 Z=R ，電流最大，整個電路成純電阻性。 也稱電壓諧 振：UQUU CmLm 此時， CL ZZ 。 品質(zhì)因數(shù)： CLKQ1 fffffQ 0 00發(fā)送時，得到最大的電流 ； 接收時，此電路調(diào)諧以便能夠選擇到系統(tǒng)的信號頻率。當電路內(nèi)發(fā)生諧振時，由于感抗 LX 和容抗 CX 相等，即 LU 與 CU 大小相等，方向相反，彼此正好抵消，所以這時電阻上的電壓與外加總電壓相等，即SU = RU = RI 。此時電路中的電流大小僅與電阻有關(guān)，而與電感和電容無關(guān)。 2.4.3.3 并聯(lián)諧振（ RLC） 圖 13 并聯(lián)諧振電路圖 在耦合單元電路中，可以把 C1 與變壓器（稱為 L1）看作 LC 并聯(lián) 電路。 當電路發(fā)生諧振時，復導納最小 。 16 電路阻抗最大： R LRZ202 )(回路總電流最小，支路電流為其 Q 倍： eLC QIII 產(chǎn)生諧振的頻率條件 ： LCf 210特點：電流諧振，接收信號時， 放大電流，提高變壓器初級端電壓，向機房傳送。 2.4.3.4 用于系統(tǒng)計算的幾個公式 有效值： em UU 2mme UUU 7 0 7.021 PPm UU 21變壓器：2121 NNUUll 1221 NNIIll 221 )( NNZZLL 21 PP 波長：fc用于計算波長 2.4.3.5 串聯(lián)諧振電路的通頻帶和選擇性 串聯(lián)電路的通頻帶：實際信號常由多種頻率及不同相位關(guān)系分量組合而成的，當占有一定頻帶的信號在串聯(lián)諧振電路傳輸時，由于信號的各個頻率分量與諧振頻率不盡相同，因此電路諧振曲線的不均勻性和相位特性曲線的彎曲，必將改變原各個頻率分量的幅值和相位關(guān)系。為了減少失真，必須使電路的諧振曲線在被傳輸?shù)男盘栴l帶內(nèi)變化比較均勻，使得電路對各個頻率分量的響應也比較均勻，因而減少了失真，同時使相位曲線比較接近直線。這樣，諧振電路對每個頻率分量的傳輸 速度大體相同。因而也減少了相位失真。當頻率偏離諧振點不遠時， 17 曲線降落不太大的一段可看作基本上是平坦，也就是說對各個頻率分量的響應基本一致，把這一段頻帶叫作“通頻帶”。在無線電技術(shù)規(guī)定中，當電路的電壓幅值保持不變時，在諧振處前后電流或電壓跌落的程度不小于諧振值的 707.021 倍頻率范圍，定義為電路的通頻帶。 圖 14 通頻帶示意圖 電路通頻帶的絕對值為 lh ffB 式中 hf 、 Lf 分別稱為電路通頻帶的上限頻率和下限頻率，分別對應上圖中的 B、 A 兩點。選擇 21的原因是 21 的平方是 21 ，如果 21 來代表電流或電壓的變化，則電功率的變化就是 21 ，此時功率降成諧振點的一半。所以常常也把這種降成 0.707 的頻寬叫“半功率頻寬或稱 3 分貝頻寬”。上圖所示的為矩形諧振曲線，在諧振頻率左右一段范圍 內(nèi)形成一段平頂，頻率在平頂范圍以內(nèi)時，電路中的電流最大，且恒定不變的；超出平頂范圍外電流就跌為零。這只是理想的諧振曲線，實際上難以得到的。 根據(jù)通頻帶的概念，可計算電路的通頻帶和電路的參數(shù)的關(guān)系為： QfB 0 上式說明，諧振電路的通頻帶隨電路的諧振頻率的升高而變寬。隨著電路品質(zhì)因素的增加而變 窄 。在無線電技術(shù)中，有時則因電路的 Q 值太大，以致使電路的通頻帶小于傳輸?shù)耐l帶。為避免這種情況，人們在電路中加接一個適當大小的電阻，以減小電路的 Q 值，使電路的通頻帶符合傳輸信號的要 求。 串聯(lián)諧振電路的選擇性：通常，在作用于電路的信號源中，除了有需要傳輸 18 的有用信號外，還有干擾信號。電路從輸入的信號中選出有用信號的本領(lǐng)，稱為電路的選擇性。因為串聯(lián)諧振電路具有頻率諧振特性。所以該電路具有選擇信號的能力。諧振電路的諧振曲線愈尖銳，對無用信號的衰減愈強，它的選擇性愈好，同時，要求準確度也高。否則，一旦中心點偏移，所需信號便很難進入。 2.4.4 FSK 信號傳輸 在軌旁 PCB 板和車載 PCB 板之間的信號傳輸是采用 FSK 調(diào)制 信號。 FSK 是將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號。用兩組不同的頻率 f0 和 f1，分別表示 “ 0”和“ 1”。在發(fā)送端將數(shù)字信號“ 0”和“ 1”調(diào)制為兩組不同的頻率 f0 和 f1，用模擬信號傳輸；在接收端將頻率 f0 和 f1，解調(diào)為數(shù)字信號“ 0”和“ 1”。 根據(jù)現(xiàn)場測量，發(fā)送和接收使用同一組信道，“ 1”使用的 FSK 中心頻率是54KHz，“ 0”使用的 FSK 中心頻率是 64KHz。兩者相差 10KHz，信道帶寬超過4KHz 的國際標準，具有很大的富余量。 由于信號的中心頻率在 60KHz，計算波長（ fc ）在 5000 米左右，頻率很低，信號機房到軌旁的傳輸線上的輻射是很小的，幾乎可不考 慮。 2.4.5 傳輸線理論 在傳輸線中，由于信號波長特點和相位的變化，造成沿線 U、 I 及 Z 的變化具有一定的特性和規(guī)律。其表達式為： 19 圖 15 傳輸線中電壓 .電流與波長的關(guān)系圖 在示意圖中，由于傳輸線具有 /4 阻抗變換特性，距短路終端 /4 的等效阻抗，這恰好就是開路線的情況。 2.5 問題分析 TWC 主要是實現(xiàn)車載 TWC-PCB 與軌旁 TWC-PCB 之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。其中在車載 TWC-PCB 和軌旁 TWC-PCB 之前是數(shù)字信號，經(jīng)過調(diào)制轉(zhuǎn)換成 FSK的模擬信號通過有線傳輸線分別到達車載天線和軌旁環(huán)線。在 TWC 天線和軌旁環(huán)線之間通過電磁感應實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)傳輸。 在地鐵線路上存在著電磁干擾的問題，地鐵內(nèi)的電磁環(huán)境復雜，各種無線信號很多，如：公共移動電話，車載調(diào)度電話、列車牽引電機等等。一般來講，有線傳輸只要能保證衰減滿足傳輸要求，干擾較小。而無線傳輸則與外界環(huán)境密切相關(guān)，電磁信號能否很好的耦合，很好的放大傳輸，則是非常關(guān)鍵的。 在 2008 年下半年的二號線西延伸工程 ， 及 2009 年 2 號線列車 東西延伸線 調(diào)試中，也發(fā)生了一些問題，直接影響了調(diào)試進度。問題主要表現(xiàn)在：發(fā)車表示器不亮，影響列車正點運營；停車定位不準確，造成列 車停站移位；系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，造成不同車、不同站臺時好時壞。 2.5.1 關(guān)于發(fā)車表示器不亮，說明車地通信不暢，沒有收到控制中心送出的信號。 多個列車，多個車站，同一列車同一車站，同一列車不同車站，同一車站不同列車發(fā)生問題。這些情況說明，沒有一套設備（系統(tǒng)）是徹底壞的，主要是系 20 統(tǒng)不穩(wěn)定，系統(tǒng)是雙向通信，任何一方向發(fā)生故障，都會造成通信不暢。 2.5.1.1 軌旁環(huán)線作用： 發(fā)送信號，把軌旁信號 FSK（ 54KHz， 64KHz）通過環(huán)線電磁感應，由車載天線接收。該信號只要信號強度足夠，通常情況下，應該不會發(fā)生問題。 在系統(tǒng)調(diào)試完成后，車載系統(tǒng)一般情況下是一致的、穩(wěn)定的，諧振點不會飄移，車載的接收性能不會降低。 接收信號，耦合接收車載天線發(fā)送的信號。車載天線送出的信號 FSK（ 54KHz， 64KHz）能否被軌旁環(huán)線很好地耦合，很好地放大傳輸，則是非常關(guān)鍵的。如果環(huán)線電路的諧振點不在信號中心頻率附近，那該信號就不能很好地被環(huán)線耦合。所以電路 L、 C、 R 參數(shù)是否滿足諧振條件，是至關(guān)重要的。 系統(tǒng)本身具有很大的富余量，之所以出現(xiàn)問題，是因為諧振點偏移較大。使得信號的接收變得困難，出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象。 2.5.1.2 車載天線作用： 發(fā)送信號，把車載信號 FSK（ 54KHz， 64KHz）通過車載天線發(fā)送，軌旁環(huán)線電磁感應接收。該信號只要信號強度足夠，通常情況下，應該沒有問題。關(guān)鍵是軌旁環(huán)線能否很好接收，而它的接收性能決定于環(huán)線的諧振點是否準確。 接收信號，耦合接收軌旁環(huán)線發(fā)送的信號。環(huán)線送出的信號 FSK（ 54KHz，64KHz）通過電磁感應由車載天線接收。 2.5.2 個別車站、個別列車停站不準 個別車站、個別列車停站不準 是由于環(huán)線交叉計數(shù)不準確造成。軌旁環(huán)線發(fā)送信號較弱，或者是由于突發(fā)干擾造成計數(shù)出錯?；谝陨戏治?，確定軌旁耦合單元的 諧振電路參數(shù)是解決此問題的關(guān)鍵。 2.5.3 軌旁數(shù)據(jù)不一致 下面圖表為實測軌旁環(huán)線及耦合單元數(shù)據(jù)和參數(shù)，從圖 16 和 17 中 可以看出， 21 數(shù)據(jù)沒有如預期分布在一定的范圍內(nèi)，有的甚至相差很大。 環(huán)線電流00.511.522.50 5 10 15 20 25 30 35 40環(huán)線電流圖 16 不同車站環(huán)線電流 C3標稱00.0050.010.0150.020.0250.030.0351 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34C 3 標稱圖 17 不同車站 C3 標稱 22 050100150200250300350400450張江下 張江上龍陽路下 龍陽路上世紀公園下 世紀公園上楊高路下 楊高路上 靜安寺下 靜安寺上南京西路下 南京西路上陸家嘴下 陸家嘴上 東昌路下 東昌路上世紀大道下 世紀大道上 人民廣場下 人民廣場上 南京東路下 南京東路上 中山公園下 中山公園上江蘇路上 江蘇路下 凇虹路下 凇虹路上 北新涇上 北新涇下 婁山關(guān)上 婁山關(guān)下 威寧路上 威寧路下C 1 電壓I n 端電壓圖 18 各車站軌旁耦合板上 IN 端電壓和 C1 電壓 020040060080010001200張江下 張江上龍陽路下 龍陽路上世紀公園下 世紀公園上楊高路下 楊高路上 靜安寺下 靜安寺上南京西路下 南京西路上陸家嘴下 陸家嘴上 東昌路下 東昌路上世紀大道下 世紀大道上 人民廣場下 人民廣場上 南京東路下 南京東路上 中山公園下 中山公園上江蘇路上 江蘇路下 凇虹路下 凇虹路上 北新涇上 北新涇下 婁山關(guān)上 婁山關(guān)下 威寧路上 威寧路下O u t 端電壓C 3 電壓圖 19 各車站軌旁耦合板上 OUT 端電壓和 C3 電壓 23 2.5.4 關(guān)鍵原因 圖 20 軌旁耦合板電路圖 上圖所示是軌旁耦合單元電路板的電路圖，首先對耦合單元 的電路進行分析。在電路中，環(huán)線起到一個電感線圈的作用，從系統(tǒng)的功能和電路圖來看，電路中的元件有變壓器、電容 C1、電容 C3、電阻 R、環(huán)線電感 L。在現(xiàn)場中可以看到，變壓器、電阻 R、環(huán)線電感 L 是不可變的，其中，變壓器、電阻 R（標稱3 歐姆）是確定的，并且全線都是一樣的，環(huán)線電感 L 可能由于不同批次的電纜，現(xiàn)場環(huán)境的不同有所差別。電容 C1、電容 C3 是可變的。所以，研究要確定的是：電容 C1、電容 C3 與什么有關(guān)系？是什么樣關(guān)系，其值又如何設定？ 3 實驗室模擬分析 3.1 實驗環(huán)境與試驗目的 3.1.1 實驗環(huán)境 在實驗室模擬 搭建車地通信環(huán)境，按照現(xiàn)場軌旁環(huán)線的規(guī)格，鋪設環(huán)線，該環(huán)線鋪設兩次，其一，鋪設在一個大房間，中間來回折返；其二，鋪設在樓道的長通道上，以避免環(huán)線折返時造成參數(shù)的不準確，見照片。制作小推車，底下裝輪子，以便沿著環(huán)線推行，車上安裝車載天線，該天線可以上下移動，可以測量車載天線高度變化時對信號的影響。這樣小車位置可以變化，以模擬車載天線在不同環(huán)線位置時的情況。見測試推車照片。 24 圖 21 設計制作的測試推車與鋪設的室內(nèi)環(huán)線 圖 22 展開鋪設的環(huán)線 25 圖 23 展開鋪設的環(huán)線 3.1.2 實驗目的 車載天 線在環(huán)線不同位置（交叉點處）時信號的變化；環(huán)線電感；耦合單元電路的作用； C1， C3 的作用，以及其變化影響；對現(xiàn)場的問題進行模擬，并找出解決方案。 3.2 軌旁環(huán)線發(fā)送試驗 圖 24 小車試驗示意圖 200cm 61cm 11cm 小車運行方向 26 3.2.1 鋪設環(huán)線 首先，將 TWC 環(huán)線鋪設在實驗室中，但由于實驗室場地有限，所以采用了曲折鋪設的方法。 TWC 環(huán)線的長度和環(huán)線交叉點處的數(shù)量與實際情況一致。 3.2.2 實驗小車 實驗室測量時，采用了小車推行的方式：（小車規(guī)格如下）小車上車載天線與軌旁環(huán)線的垂直 距離為 403mm；小車外沿與車載天線外沿的距離為 11cm；小車規(guī)格為：長 200cm、寬 61cm。車載天線規(guī)格為：正方形，外層鐵架邊長 38.5cm，內(nèi)部天線邊長 29.7cm。 在實驗室測試時，內(nèi)容如下： a)分別將車載天線放在與軌旁環(huán)線不同的高度進行測量，將信號加載在耦合板上，測量天線的接收信號。 B)使用不同的電容參數(shù)，以模擬串聯(lián)電路不同的諧振頻率，將信號加載在耦合板上，測量天線的接收信號。 C）將信號加載在車載天線的發(fā)送線圈上，測量耦合板上變壓器的輸出波形。 3.2.3 安裝車載天線 實驗室小車上的車載天線：通過 測試，車載天線內(nèi)有兩組線圈，即發(fā)送和接收線圈。線圈 1：航空插頭標記號為 a 和 b；線圈 2：航空插頭標記號為 c 和 e，該線圈內(nèi)串有電容約為 100nf。經(jīng)過現(xiàn)場實裝車載天線對比，確認線圈 2（即線圈內(nèi)串有電容的線圈）為接收線圈。 27 3.2.4 實驗數(shù)據(jù)與結(jié)論