CN111970025B - 地铁cbtc跳频信号全频段同步差分检测方法 - Google Patents

地铁cbtc跳频信号全频段同步差分检测方法 Download PDF

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Abstract

地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，其特征在于包括以下步骤：高速ADC采样模块；通道滤波模块；差分检测模块；前导信号匹配模块；和PLCP头部检测模块。本发明用于CBTC通信系统跳频信号全频段快速定时同步，可有效提升定时同步的速度和准确度。其中跳频信号的全频段测试速度提升到50ms，并且测试精度可以达到1db。

Description

地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法
技术领域
本发明涉及地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，具体涉及一种面向地铁CBTC信号系统运维提出的一种CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，本发明属于轨道交通领域。
背景技术
地铁信号系统采用无线信道传输，主要使用2.4G频段，但是2.4G是开放频段，WiFi/蓝牙/无人机等设备都使用该频道，这些无线信号对于地铁信号传输构成干扰，干扰严重时，会影响地铁电客列车的运行安全。
地铁信号系统大都采用国外或者合资的CBTC信号系统，很多国外的信号设备采用了FHSS跳频信号等关键技术，无线信号每64ms跳频一次，因此信号测量和解析困难。目前只能利用国外的频谱分析仪器，进行人工测试。频谱仪主要在实验室和生产线应用，测量精度高，但是频谱仪仅能实现在频域上对CBTC跳频信号的无线场强进行测量，并不能实现对跳频信号的解析。
由于WiFi的普及，也相继出现了许多WiFi无线信号测量仪表。这些仪表能够测量2.4G和5.8G频段的WiFi无线信号。通过该仪表能够测量WiFi无线信号场强、信号覆盖、信号干扰等功能，完成对WiFi无线环境的质量检测。但是这些仪表测量的WiFi信号制式为仅限于直序扩频信号(DSSS)。
目前国内地铁关于针对CBTC系统2.4G无线环境的检测手段，多是利用国外的测试仪表进行人工测量和排障以及进行一些抗干扰的研究。这些仪表主要包括频谱仪、WiFi测量仪等，这些仪表主要是针对无线环境信号的直序扩频信号(DSSS)进行检测，而CBTC系统采用的是跳频扩频信号(FHSS)制式，通常，具有诸多缺点：
(1)这些仪表不具备对FHSS跳频信号检测的手段，无法有效的实行对无线环境的自动化巡检测量分析和故障定位。
(2)当无线环境异常时需要维护人员耗费大量的人力来进行故障查证，寻找故障原因，系统维护效率低。
发明内容
本发明的目的在于，提供地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，以克服现有技术所存在的上述缺点和不足。本发明用于CBTC通信系统跳频信号快速定时同步，可有效提升定时同步的速度和准确度。
本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：
地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)高速ADC采样模块；
(2)通道滤波模块；
(3)差分检测模块；
(4)前导信号匹配模块；
(5)PLCP头部检测模块。
其中，步骤(1)中，所述高速ADC采样模块用于对整个频段信号进行采样，输出高速采样信号。
考虑到系统实现的复杂度与性能的折衷，采样速率一般设置为频段宽度的2倍或者4倍。
其中，步骤(2)中，所述通道滤波模块用于对高速采样信号进行通道分离，根据CBTC规范，每个通道带宽为1MHz。
通道滤波模块通过带通滤波器将频段内所有的通道信号进行带通滤波，输出若干个通道信号Xk(n)，k∈[1，K],上式中，n表示采样点时刻，k表示通道号。
其中，步骤(3)中，所述差分检测模块用于对通道信号进行差分解调。
差分检测模块对上述每个通道信号的不同采样点独立进行计算相位差，即
Figure GDA0003390605960000031
其中，步骤(4)中，所述前导信号匹配模块用于对差分检测模块输出进行信号匹配。
CBTC系统的前导信号共有96个比特，假设前导信号序列为P(j)，j∈[1，96]，将差分检测模块输出与前导信号序列进行匹配，即
Figure GDA0003390605960000032
再找到匹配功率的峰值，作为最佳匹配点
Figure GDA0003390605960000033
其中，步骤(5)中，PLCP头部检测模块则使用上述最佳匹配点作为起点，通过差分检测算法，再对PLCP头部数据进行恢复。
恢复之后的数据包括有效数据载荷部分以及校验序列；通过校验序列可验证所恢复的PLCP头部是否为正确的数据；如果检验算法通过，则最佳匹配点即为正常的定时同步点；如果检验算法不通过，则最佳匹配点为虚假同步点，应删除。
本发明通过使用宽带信号，将所有的跳频通道信号可能出现的75个频点，并行进行同步差分检测，从而大大提升定时同步的速度，保证每次测量都可以成功解析跳频信号。
另一方面，本发明使用PLCP头部检测模块对同步点进行二次验证，以排除虚拟同步点，进而提升同步点的准确度，满足跳频信号测量精度的要求。
本发明的有益效果：
本发明用于CBTC通信系统跳频信号全频段快速定时同步，可有效提升定时同步的速度和准确度。其中跳频信号的全频段测试速度提升到50ms，并且测试精度可以达到1db。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
附图标记：
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
实施例1
图1为本发明的流程示意图，如图1所示。地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，包括：
本发明用于CBTC通信系统跳频信号快速定时同步，可有效提升定时同步的速度和准确度。如图1所示，本发明主要由以下几个模块构成：高速ADC采样模块、通道滤波模块、差分检测模块、前导信号匹配模块以及PLCP头部检测模块。各模块的主要功能如下：
高速ADC采样模块用于对整个频段信号进行采样，输出高速采样信号。考虑到系统实现的复杂度与性能的折衷，采样速率一般设置为频段宽度的2倍或者4倍。
通道滤波模块用于对高速采样信号进行通道分离。根据CBTC规范，每个通道带宽为1MHz。通道滤波模块通过带通滤波器将频段内所有的通道信号进行带通滤波，输出若干个通道信号Xk(n)，k∈[1，K],上式中，n表示采样点时刻，k表示通道号差分检测模块用于对通道信号进行差分解调。差分检测模块对上述每个通道信号的不同采样点独立进行计算相位差，即
Figure GDA0003390605960000041
前导信号匹配模块用于对差分检测模块输出进行信号匹配。CBTC系统的前导信号共有96个比特，假设前导信号序列为P(j)，j∈[1，96]，将差分检测模块输出与前导信号序列进行匹配，即
Figure GDA0003390605960000042
再找到匹配功率的峰值，作为最佳匹配点
Figure GDA0003390605960000043
PLCP头部检测模块则使用上述最佳匹配点作为起点，通过差分检测算法，再PLCP头部数据进行恢复。恢复之后的数据包括有效数据载荷部分以及校验序列。通过校验序列可验证所恢复的PLCP头部是否为正确的数据；如果检验算法通过，则最佳匹配点即为正常的定时同步点；如果检验算法不通过，则最佳匹配点为虚假同步点，应删除。
本发明通过使用宽带信号，将所有的跳频通道信号可能出现的75个频点，并行进行同步差分检测，从而大大提升定时同步的速度，保证每次测量都可以成功解析跳频信号。
另一方面，本发明使用PLCP头部检测模块对同步点进行二次验证，以排除虚拟同步点，进而提升同步点的准确度，满足跳频信号测量精度的要求。
本发明用于CBTC通信系统跳频信号全频段快速定时同步，可有效提升定时同步的速度和准确度。其中跳频信号的全频段测试速度提升到50ms，并且测试精度可以达到1db。表1-表4为实验数据。
表1采集样例组1
采样时间 设备MAC 信道 RSSI SIR
2020-04-08 14:45:03.534088 00:20:D6:E1:7F:1D 18 -46.88 15.62
2020-04-08 14:45:03.797587 00:20:D6:E1:7F:1D 39 -44.81 15.31
2020-04-08 14:45:03.842299 00:20:D6:E1:7F:1D 28 -48.06 15.69
2020-04-08 14:45:05.379641 00:20:D6:E1:7F:1D 20 -46.50 15.12
2020-04-08 14:45:05.385164 00:20:D6:E1:7F:1D 20 -46.38 15.56
2020-04-08 14:45:12.928388 00:20:D6:E1:7F:1D 25 -45.56 15.19
2020-04-08 14:45:13.888592 00:20:D6:E1:7F:1D 18 -46.94 15.31
2020-04-08 14:45:17.461347 00:20:D6:E1:7F:1D 43 -46.81 15.25
2020-04-08 14:45:17.473900 00:20:D6:E1:7F:1D 43 -46.62 15.75
表2采集样例组2；
采样时间 设备MAC 信道 RSSI SIR
2020-04-08 14:45:53.105194 00:20:D6:E1:69:EA 21 -44.69 15.06
2020-04-08 14:45:54.589790 00:20:D6:E1:69:EA 28 -44.50 15.50
2020-04-08 14:45:58.806255 00:20:D6:E1:69:EA 35 -46.81 15.69
2020-04-08 14:45:58.833526 00:20:D6:E1:69:EA 35 -46.56 15.50
2020-04-08 14:45:00.151686 00:20:D6:E1:69:EA 25 -44.50 15.25
2020-04-08 14:45:04.307778 00:20:D6:E1:69:EA 22 -47.56 15.25
2020-04-08 14:45:04.311039 00:20:D6:E1:69:EA 22 -47.62 15.75
2020-04-08 14:45:04.314110 00:20:D6:E1:69:EA 22 -47.25 15.12
2020-04-08 14:45:04.323462 00:20:D6:E1:69:EA 22 -47.62 15.38
2020-04-08 14:45:04.326041 00:20:D6:E1:69:EA 22 -48.25 15.44
表3采集样例组3
采样时间 设备MAC 信道 RSSI SIR
2020-04-08 14:45:44.721764 00:20:D6:E1:7B:01 39 -46.38 15.69
2020-04-08 14:45:45.175290 00:20:D6:E1:7B:01 41 -48.12 15.50
2020-04-08 14:45:45.392935 00:20:D6:E1:7B:01 14 -45.75 15.31
2020-04-08 14:45:48.124226 00:20:D6:E1:7B:01 29 -45.88 15.31
2020-04-08 14:45:49.894121 00:20:D6:E1:7B:01 39 -48.25 15.44
2020-04-08 14:45:50.235818 00:20:D6:E1:7B:01 74 -46.62 15.38
表4采集样例组4
采样时间 设备MAC 信道 RSSI SIR
2020-04-08 14:45:57.400395 00:20:D6:E1:75:85 33 -47.69 15.44
2020-04-08 14:45:57.538718 00:20:D6:E1:75:85 29 -47.12 15.56
2020-04-08 14:45:57.541426 00:20:D6:E1:75:85 29 -46.81 15.31
2020-04-08 14:45:58.779771 00:20:D6:E1:75:85 44 -47.88 15.38
2020-04-08 14:45:58.799886 00:20:D6:E1:75:85 44 -46.88 15.50
以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。

Claims (4)

1.地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)步骤(1)，高速ADC采样模块用于对整个频段信号进行采样，输出高速采样信号，考虑到系统实现的复杂度与性能的折衷，采样速率一般设置为频段宽度的2倍或者4倍；
(2)步骤(2)，通道滤波模块用于对高速采样信号进行通道分离；根据CBTC规范，每个通道带宽为1MHz；
通道滤波模块通过带通滤波器将频段内所有的通道信号进行带通滤波，输出若干个通道信号Xk(n)，k∈[1，K],上式中，n表示采样点时刻，k表示通道号；
(3)步骤(3)，差分检测模块用于对通道信号进行差分解调；所述差分检测模块对上述每个通道信号的不同采样点独立进行计算相位差，即
Figure FDA0003622277480000011
(4)步骤(4)，前导信号匹配模块用于对差分检测模块输出进行信号匹配；和
(5)步骤(5)，PLCP头部检测模块则使用最佳匹配点作为起点，通过差分检测算法，再对PLCP头部数据进行恢复；恢复之后的数据包括有效数据载荷部分以及校验序列。
2.根据权利要求1所述的地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，其特征在于：CBTC系统的前导信号共有96个比特，假设前导信号序列为P(j)，j∈[1，96]，将差分检测模块输出与前导信号序列进行匹配，即
Figure FDA0003622277480000012
再找到匹配功率的峰值，作为最佳匹配点
Figure FDA0003622277480000013
3.根据权利要求1所述的地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，其特征在于：其中，通过校验序列可验证所恢复的PLCP头部是否为正确的数据；如果检验算法通过，则最佳匹配点即为正常的定时同步点；如果检验算法不通过，则最佳匹配点为虚假同步点，应删除。
4.根据权利要求1所述的地铁CBTC跳频信号全频段同步差分检测方法，其特征在于：还包括步骤(6)使用PLCP头部检测模块对同步点进行二次验证，以排除虚拟同步点。
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Application publication date: 20201120

Assignee: Shanghai jianeng Intelligent Technology Co.,Ltd.

Assignor: Shanghai Gala Information Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022310000033

Denomination of invention: Full band synchronous differential detection method for Metro CBTC frequency hopping signal

Granted publication date: 20220614

License type: Common License

Record date: 20220705