点式应答设备在高速条件下的性能研究

论文摘要

随着我国铁路建设的跨越式发展,铁路的运行速度和安全性越来越得到重视,为此铁道部门建立了符合我国国情的列车自动控制系统（Chinese Train Control System, CTCS）。而应答器作为CTCS的关键设备,支撑着机车的正常运行。因此应答器系统的研究还是很有价值的,但国内关于应答器系统研究的文献甚少。本文正是基于此选题,从理论,仿真,实测三个环节研究高速条件下的应答器的性能,为铁路建设服务。本文首先深入的研究了点式应答器以及车载应答器传输设备（Balise Transmission Module, BTM）的工作原理、传输接口、功能以及应答器的报文格式。由于应答器与BTM的通信是高频射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）系统在铁路建设上的应用,因此还必须对RFID系统进行理论分析。点式应答器和BTM通信的研究关键是点式应答器的空中接口,需要以天线理论以及天线之间的耦合理论为基础。本文以实际应答器出发,抽象出来矩形薄片天线的模型,然后理论推导出矩形薄片天线近场磁场的计算公式以及耦合度计算公式。再加之矩形薄片的天线理论,阻抗匹配理论之后仿真出来谐振频率4.23MHz,1MHz-10dB阻抗带宽的应答器天线,在此基础上仿真得到了应答器天线与BTM天线之间的耦合度以及两天线的最大作用距离,并在实测数据和理论计算中得到了印证。点式应答器的高速特性就是在高速条件下应答器与BTM数据传输的特性,由此本文分析出来了影响高速特性四个因素：多普勒频移、天线谐振点漂移、应答器动态作用距离以及噪声干扰。在此基础上定量的分析了多普勒频移、天线谐振点漂移、应答器动态作用距离的影响。得出结论：多普勒频移、谐振点漂移、动态作用距离这些因素的影响都是符合应答器规范的。最后本文分析噪声影响。首先研究频移键控（Frequency-Shift keying, FSK）信道模型的调制、噪声、解调过程。然后在京津城际高铁实测的基础上评估FSK信道模型中的噪声干扰,将噪声分为两类：来源于轨道电流噪声、空间电磁杂散噪声的同相区域噪声；来源于励磁涌流现象的过分相噪声。同相区域噪声非常小,不会对应答器的信号传输产生影响,但是过分相区域噪声则不然,所以我们在实测中主要讨论过分相噪声的影响。提取实测噪声拟合出来过分相噪声,并以实测信噪比为基础,在FSK信道模型里进行仿真。得到结论：过分相区域是应答器最容易出现“丢点”的区域。由此本文提出了两种解决方案：1)让过分相后的第一个应答器再远离分相连接点100到200米。2)在过分相后的第二个应答器必须包含核对过分相的报文。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 论文研究内容
• 2 应答器系统工作原理
• 2.1 CTCS简述
• 2.2 点式应答器系统的原理和功能
• 2.2.1 应答器原理
• 2.2.2 射频识别系统
• 2.2.3 应答器系统传输接口
• 2.2.4 应答器的功能
• 2.2.5 应答器传输质量和报文格式
• 2.3 矩形天线的近场耦合
• 2.3.1 矩形线圈的近场磁场计算
• 2.3.2 矩形薄片天线的互感耦合
• 3 应答器空中接口特性分析
• 3.1 应答器的空中接口
• 3.1.1 下行连续功率波与触发功率波
• 3.1.2 上行数据传输
• 3.2 天线基本知识
• 3.3 应答器与BTM天线设计
• 3.3.1 天线的设计
• 3.3.2 天线调谐与阻抗匹配
• 3.4 天线的仿真分析
• 3.4.1 常用电磁仿真软件介绍
• 3.4.2 单天线仿真
• 3.4.3 天线耦合仿真
• 3.5 高速条件下性能分析
• 3.5.1 多普勒频移
• 3.5.2 天线谐振频率点漂移
• 3.5.3 动态传输距离
• 4 列车运行过程中的应答器噪声分析
• 4.1 FSK信号的信道模型
• 4.2 FSK的接收性能
• 4.3 现场测试数据以及分析
• 4.3.1 机车过同相区域
• 4.3.2 机车过分相区域
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集