本发明涉及铁路通信信号领域列车运行控制系统的点式应答器传输系统，尤其是一种便携式应答器误码率及误码分布测试仪及测试方法。
背景技术：
应用在我国高速客运专线的列车运行信号控制系统(CTCS-2和CTCS-3)都依赖着地面应答器。地面应答器(简称应答器)是一种通过车地信息传输技术，在线路的关键位置，将行车安全相关的关键线路数据(称为报文)提供给车载控制装置，以实现自动化的高速安全运行控制的点式设备。
应答器的工作原理是：地面的各种线路数据(如线路长度、坡度、弯道、公里标、换相点等)均由应答器存储；当列车驶入应答器的作用区域时，列车的车载BTM(应答器传输模块，Balise Transmission Module的简称)天线向地面辐射27.095MHz的能量，应答器得到能量后，立即将其存储的线路数据以载频4.23M的FSK调频方式向列车传送，由车载BTM天线接收。列车接收到应答器的信息后，经过放大、解调、译码最后再由列车控制系统实现自动控车。
由于应答器已广泛应用于各大铁路干线及客运专线，如果应答器出现异常，轻则影响行车效率，重则造成列车运行事故，因此对应答器的测试要求越来越高，对应答器测试手段、测试过程的快捷性、方便性的需求也越来越急迫。对于应答器的现场测试，通常采用应答器读写器(也称报文读写器)向应答器写入报文，然后通过读取刚写入的报文检查报文的正确性。但是报文读写器体积大、重量沉、携带不方便、且单价昂贵；而且仅能对应答器中存储的报文的正确性进行测试，不能对应答器的诸多参数特性(例如误码率及误码分布等)进行检测与判断。一旦应答器本身发生故障或应答器传输过程中发生错误，依然会影响到行车效率和行车安全。
误码率是反映应答器性能的一个重要参数。误码率是指测试过程中测试设备收到的异常比特数与该测试过程中收到的总比特数的比值。误码率高可能导致列车接收不到有效报文(列车需要接收到至少一条完整报文，即一帧1023位的报文的连续的1023位(或称比特)都是正确的)，导致无法获取该应答器中存储的线路数据，从而可能导致列车停车。由于应答器的因素导致列车接收不到有效报文，通常的原因可能是应答器本身的性能下降、安装不规范或者周围环境(例如周边电磁场、地质中铁含量、盐水等)对应答器的影响导致误码率高。对应答器误码率的测试，目前通常的做法是将应答器拆除运回实验室进行检测，该方法不能在拆除应答器之前先排除环境因素对应答器误码率的影响。目前尚没有便携的、可对应答器误码率进行现场测试的设备。
误码分布是反映应答器性能的另一个重要参数。误码分布表征了异常比特数在总比特数中的位置分布。误码分布会影响到列车在行经应答器时，在激活应答器的固定时间内，车载BTM接收到应答器的有效报文的时间点，从而影响到列车接收到有效报文的实际时间。目前尚没有便携的、可对应答器误码分布进行现场测试的设备。
技术实现要素：
为了解决上述的需要对应答器误码率进行现场测试以及对误码分布进行测试的问题，本发明提供了一种便携式应答器误码率及误码分布测试仪及测试方法，能够在应答器发生故障的现场对应答器的误码率及误码分布进行测量。
一种便携式应答器误码率及误码分布测试仪，包括处理单元、解调单元、至少一个功放单元、A4接口、A1接口、电源模块、显示模块；所述电源模块对所述处理单元、解调单元、功放单元、显示模块供电；所述显示模块与所述处理单元连接；
所述处理单元与所述功放单元、A4接口顺序连接；所述处理单元向所述功放单元发出能量触发信号；
所述处理单元还与所述解调单元、A1接口顺序连接；所述处理单元接收解调单元发送的基带码流并对其进行误码识别与统计，将统计后的误码率和/或误码分布结果显示在显示模块；
功放单元，用以放大能量触发信号并将其发给A4接口；
A4接口，通过电磁耦合方式将接收到的放大的能量触发信号作为激发能量向外发射；
A1接口，用以接收调制信号，并将调制信号发送给所述解调单元；
所述解调单元，用以将所述调制信号解调为基带码流，并发送给所述处理单元。
优选地，所述功放单元为第一功放单元；还包括具有与所述第一功放单元有不同的增益的至少一个第二功放单元；所述处理单元分别与所述第一功放单元和所述第二功放单元连接；所述处理单元选择一个功放单元，并向所选的功放单元发出能量触发信号；所选的功放单元将所述能量触发信号放大后发送给A4接口。
优选地，所述便携式应答器误码率及误码分布测试仪，还可以包括主机板和射频板；所述主机板包括所述处理单元；所述射频板包括所述解调单元、功放单元、A1接口、A4接口；所述电源模块给所述主机板和射频板供电。
优选地，所述主机板还可以包括存储单元；所述处理单元将误码率和/或误码分布结果存储在所述存储单元中。
一种便携式应答器误码率及误码分布测试仪，包括处理单元、解码单元、C接口、电源模块、显示模块；所述电源模块对所述处理单元、解码单元、显示模块供电；所述显示模块与所述处理单元连接；所述C接口接收LEU发送的DBPL码并传输给解码单元；所述解码单元将来自C接口的DBPL码解码为基带码流，并发送给所述处理单元；所述处理单元与所述解码单元、C接口顺序连接；所述处理单元接收解码单元发送的基带码流并对其进行误码识别与统计，将统计后的误码率和/或误码分布结果显示在显示模块。
优选地，所述处理单元进行误码识别与统计是指：处理单元接收设定时间内的基带码流，所述基带码流包含多于一帧报文的位数；首先找到首帧正确的报文，称为首帧报文；若整个基带码流中没找到一帧正确报文，则误码率直接记为100％；然后沿所述基带码流设定滑动窗口，所述滑动窗口的长度比一帧报文长度多一位，此时所述滑动窗口的首位对应所述首帧报文的首位，对比此时滑动窗口的末位与首位，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流中的位置，并对其取反进行纠正；然后，所述滑动窗口向末位端方向移动一位，再次对比此时滑动窗口的末位与首位，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流的位置，并对其取反进行纠正，重复上述步骤，直至滑动窗口的末位移到上述基带码流的末位；计算误码的总位数，并将其与基带码流中自首帧报文的首位至基带码流的末位的总位数之比作为误码率；统计误码在基带码流中的位置分布作为误码分布。
一种基于上述的便携式应答器误码率及误码分布测试仪的测试方法，包括如下步骤：
S100：所述处理单元向所述功放单元发出能量触发信号；所述功放单元放大所述能量触发信号并将其发给A4接口，所述A4接口通过电磁耦合方式将接收到的放大的能量触发信号作为激发能量向外发射给被测应答器；
S200：所述A1接口接收被测应答器发送的调制信号，并发给所述解调单元，所述解调单元将所述调制信号解调为基带码流，并将其发送给所述处理单元；
S300：所述处理单元接收解调单元发送的基带码流并对其进行误码识别与统计，
所述处理单元进行误码识别与统计是指：
S310：处理单元接收设定时间内的基带码流，所述基带码流包含多于一帧报文的位数；
S320：找到首帧正确的报文，称为首帧报文，执行步骤S330；若整个基带码流中没找到一帧正确报文，则误码率直接记为100％；
S330：沿所述基带码流设定滑动窗口，所述滑动窗口的长度比一帧报文长度多一位，此时所述滑动窗口的首位对应所述首帧报文的首位，对比此时滑动窗口的末位与首位，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流中的位置，并对其取反进行纠正；
S340：所述滑动窗口向末位端方向移动一位，对比此时滑动窗口的末位与首位，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流的位置，并对其取反进行纠正，
S350：重复执行步骤S340，直至滑动窗口的末位移到上述基带码流的末位；
S360：计算误码的总位数，并将其与基带码流中自首帧报文的首位至基带码流的末位的总位数之比作为误码率，和/或统计误码在基带码流中的位置分布作为误码分布；
S400：将统计后的误码率和/或误码分布结果显示在显示模块。
一种基于上述便携式应答器误码率及误码分布测试仪的测试方法，包括如下步骤：
S200：所述C接口接收LEU发送的DBPL码并传输给解码单元，所述解码单元将来自C接口的DBPL码解码为基带码流，并发送给所述处理单元；
S300：所述处理单元接收解码单元发送的基带码流并对其进行误码识别与统计，
所述处理单元进行误码识别与统计是指：
S310：处理单元接收设定时间内的基带码流，所述基带码流包含多于一帧报文的位数；
S320：找到首帧正确的报文，称为首帧报文；若整个基带码流中没找到一帧正确报文，则误码率直接记为100％；
S330：沿所述基带码流设定滑动窗口，所述滑动窗口的长度比一帧报文长度多一位，此时所述滑动窗口的首位对应所述首帧报文的首位，对比此时滑动窗口的末位与首位，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流中的位置，并对其取反进行纠正；
S340：所述滑动窗口向末位端方向移动一位，对比此时滑动窗口的末位与首位，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流的位置，并对其取反进行纠正，
S350：重复执行步骤S340，直至滑动窗口的末位移到上述基带码流的末位；
S360：计算误码的总位数，并将其与基带码流中自首帧报文的首位至基带码流的末位的总位数之比作为误码率，和/或统计误码在基带码流中的位置分布作为误码分布；
S400：将统计后的误码率和/或误码分布结果显示在显示模块。
本发明的有益效果：本发明的便携式应答器误码率及误码分布测试仪，重量轻、便于携带，因此可以对故障应答器或LEU，或需要检修的应答器或LEU现场检测其误码率和/或误码分布，能够得到使用环境因素影响下的第一手资料，从而减少了因环境改变导致的应答器或LEU拆卸回工厂或实验室时应答器故障无法复现的情况。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1a是本发明一个实施例的便携式应答器误码率及误码分布测试仪的结构示意图。
图1b是图1a的便携式应答器误码率及误码分布测试仪发射激发能量过程中的示意图。
图1c是图1a的便携式应答器误码率及误码分布测试仪接收调制信号过程中的示意图。
图2a是基带码流的示意图。
图2b是滑动窗口的示意图。
图3a是本发明一个实施例的便携式应答器误码率及误码分布测试仪的结构示意图。
图3b是图3a的便携式应答器误码率及误码分布测试仪发射激发能量过程中的示意图。
图3c是图3a的便携式应答器误码率及误码分布测试仪接收调制信号过程中的示意图。
图4是本发明一个实施例的便携式应答器误码率及误码分布测试仪的结构示意图。
图5是规范036的上行链路场强的应答器输入输出特性曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，下面结合实施例以及附图对本发明实施例中的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在此，本发明的示意性实施方式及其说明主要用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
一种便携式应答器误码率及误码分布测试仪，如图1a所示，包括主机板、射频板、电源模块、显示模块；所述主机板包括处理单元；所述射频板包括解调单元、至少一个功放单元、A4接口、A1接口；所述电源模块对主机板、射频板、显示模块供电，也就是对主机板、射频板中的各电子功能模块(即处理单元、解调单元、功放单元)供电；所述显示模块与所述处理单元连接。
所述处理单元与所述功放单元、A4接口顺序连接。在发射激发能量阶段，如图1b所示，所述处理单元向所述功放单元发出能量触发信号。功放单元用以放大能量触发信号并将其发给A4接口。A4接口通过电磁耦合方式将接收到的放大的能量触发信号作为激发能量向外发射。A4接口是向应答器提供电源的接口，也可以代表射频发射天线的统称。按照CTCS(中国列车运行控制系统)的要求，A4接口向地面应答器发出27.095MHz的激发能量，为应答器提供能量，用以激活应答器工作。本发明中A4接口发出的27.095MHz的激发能量激活被测应答器工作，使被测应答器发出调制的报文数据。
在接收被测应答器的调制信号阶段，如图1c所示，A1接口用以接收所述调制信号。所述调制信号即由地面应答器发送的FSK或PSK调制的报文数据；A1接口是接收应答器传输的调制信号的接口，也可以代表报文接收天线的统称。按照CTCS的要求，地面应答器发送FSK调制的报文数据是中心频率为4.234MHz的载频，即该调制的报文数据经由A1接口被车载设备或本发明的便携式应答器误码率及误码分布测试仪接收。所述解调单元，用以将所述调制信号解调为基带码流(对应于1、0数字信号的方波的基带码流，如图2a所示；基带码流也称原始码流)，并发送给所述处理单元。所述处理单元还与所述解调单元、A1接口顺序连接；所述处理单元接收解调单元发送的基带码流并对其进行误码识别与统计，将统计后的误码率和/或误码分布结果显示在显示模块。
所述处理单元进行误码识别与统计是指：
处理单元接收设定时间内的基带码流(所述设定时间用以确定获取基带码流的位数，例如可以将接收20帧报文的时间设为设定时间)，所述基带码流包含多于一帧报文的位数。目前国内CTCS标准规定一帧报文为1023位，即本发明要求采集的基带码流应多于1023位；在本发明一个实施例中取基带码流包括20帧报文，则基带码流应为约20460位(即bit或比特)。首先找到首帧正确的报文，即第一个连续1023位报文长度均正确的报文，称为首帧报文；若整个基带码流中没找到一帧正确报文，则误码率直接记为100％。可以通过CRC校验(即循环冗余校验码Cyclic Redundancy Check)找到所述的首帧报文；在实际应用中也可以严格按照《FFFIS for Eurobalise》(欧洲应答器型式适配功能接口规范)subset-036(3.0.0版；2012.2.24发行)(以下简称“规范036”)的4.3.4.1至4.3.4.3节规定找到首帧(正确)报文。
然后沿所述基带码流设定滑动窗口，所述滑动窗口的长度比一帧报文长度多一位。在报文长度为1023位的情况下，则滑动窗口长度为1024位，如图2b所示。此时所述滑动窗口的首位对应所述首帧报文的首位，对比此时滑动窗口的末位与首位(即上述例子中滑动窗口的第1024位(末位)与滑动窗口的首位即首帧报文的首位进行对比)，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流中的位置，并对其取反进行纠正(二进制中的“取反”即：将0变为1，或将1变为0)。然后，所述滑动窗口向末位端方向移动一位，重复上述步骤(即对比此时滑动窗口的末位与首位，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流的位置，并对其取反进行纠正)，直至滑动窗口的末位移到上述基带码流的末位；计算误码的总位数，并将其与基带码流中自首帧报文的首位至基带码流的末位的总位数之比作为误码率；统计误码在基带码流中的位置分布作为误码分布。
本领域技术人员应当理解，本发明的创新点并不在于是否使用主机板、射频板，以及主机板、射频板具体包含哪些电子功能模块，因此在本发明的思路下是否使用主机板、射频板，以及主机板、射频板包含哪些电子功能模块/单元均在本发明的保护范围之内。
优选地，本发明一个实施例的便携式应答器误码率及误码分布测试仪，如图3a所示，包括具有不同增益的第一功放单元、第二功放单元和第三功放单元。所述处理单元分别与第一功放单元、第二功放单元、第三功放单元连接。可以通过在所述处理单元的不同管脚连接不同的功放单元的方式，使所述处理单元能够自动或在外部控制下选择某一个管脚从而选择与该管脚连接的功放单元，并向所选的功放单元发出能量触发信号。同一能量触发信号经不同增益的功放单元的放大，获得的激发能量的幅度不同。可以通过处理单元连接具有不同增益的多个功放，实现不同激发能量对被测应答器性能的检测(比如“规范036”4.2.4.4节的上行链路场强的应答器输入输出特性曲线图即图5中所规定的磁通量为Φd1、Φd2、Φd3所对应的激发能量)。所选的功放单元将所述能量触发信号放大到所要求的激发能量后发送给A4接口；未被选中的功放单元则不工作，因此在该过程中也不向A4接口输出功率。图3b所示为处理单元选中第一功放单元的情况。
优选地，所述主机板还可以包括存储单元；所述处理单元将误码率和/或误码分布结果还可以存储在所述存储单元中，如图1a至1c、图3a至3c所示。
本发明一个实施例的便携式应答器误码率及误码分布测试仪还可以检测地面电子单元LEU(也称为轨旁电子单元)的误码率及误码分布，如图4所示，包括主机板、射频板、电源模块、显示模块；所示主机板包括处理单元，所示射频板包括解码单元和C接口；所述电源模块对所述主机板、射频板、显示模块供电，也就是对主机板、射频板中的各电子功能模块(即处理单元、解码单元)供电；所述显示模块与所述处理单元连接。
所示C接口为LEU与有源应答器间报文传输接口。LEU周期接收来自于车站列控中心的报文，并将其连续不断地以DBPL(Differential Bi-Phase Level)编码方式向有源应答器发送。本发明中，由于用本发明的便携式应答器误码率及误码分布测试仪代替应答器与LEU连接以测试LEU的误码率及误码分布，因此本发明中C接口是本发明的便携式应答器误码率及误码分布测试仪与LEU间的接口。所述C接口接收LEU发送的DBPL码并传输给解码单元。所述解码单元将来自C接口的DBPL码解码为基带码流，并发送给所述处理单元。所述处理单元与所述解码单元、C接口顺序连接。所述处理单元接收解码单元发送的基带码流(也称原始码流)并对其进行误码识别与统计，将统计后的误码率和/或误码分布结果显示在显示模块和/或存储在存储单元。
所述的处理单元进行误码识别与统计如上所述，此处不赘述。
一种基于上述的测试应答器的便携式应答器误码率及误码分布测试仪的测试方法，包括如下步骤：
S100：所述处理单元向所述功放单元发出能量触发信号；所述功放单元放大所述能量触发信号并将其发给A4接口，所述A4接口通过电磁耦合方式将接收到的放大的能量触发信号作为激发能量向外发射给被测应答器，如图1b所示。
S200：所述A1接口接收被测应答器发送的调制信号，并发给所述解调单元，所述解调单元将所述调制信号解调为基带码流(对应于1、0数字信号的方波的基带码流，如图2a所示)，并将其发送给所述处理单元。
S300：所述处理单元接收解调单元发送的基带码流并对其进行误码识别与统计。
所述处理单元进行误码识别与统计是指：
S310：处理单元接收设定时间内的基带码流(所述设定时间用以确定获取基带码流的位数，例如可以将接收20帧报文的时间设为设定时间)，所述基带码流包含多于一帧报文的位数；目前国内CTCS标准规定一帧报文为1023位，即基带码流应多于1023位；本发明一个实施例取基带码流包括20帧报文，则基带码流应为约20460位(即bit或比特)。
S320：找到首帧正确的报文，即第一个连续1023位报文长度均正确的报文，称为首帧报文，执行步骤S330；若整个基带码流中没找到一帧正确报文，则误码率直接记为100％，停止检测。可以通过CRC校验(即循环冗余校验码Cyclic Redundancy Check)找到所述的首帧报文，在实际应用中也可以严格按照《FFFIS for Eurobalise》(欧洲应答器型式适配功能接口规范)subset-036(3.0.0版；2012.2.24发行)(以下简称“规范036”)的4.3.4.1至4.3.4.3节规定找到首帧(正确)报文。
S330：沿所述基带码流设定滑动窗口，所述滑动窗口的长度比一帧报文长度多一位。在报文长度为1023位的情况下，则滑动窗口长度为1024位。此时所述滑动窗口的首位对应所述首帧报文的首位，对比此时滑动窗口的末位与首位(即上述例子中滑动窗口的第1024位(末位)与滑动窗口的首位即首帧报文的首位进行对比)，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流中的位置，并对其取反进行纠正(二进制中的“取反”即：将0变为1，或将1变为0)。
S340：所述滑动窗口向末位端方向移动一位，对比此时滑动窗口的末位与首位，若二者不同则认为此时滑动窗口的末位是误码，记录此时滑动窗口的末位在所述基带码流的位置，并对其取反进行纠正。
S350：重复执行步骤S340，直至滑动窗口的末位移到上述基带码流的末位。
S360：计算误码的总位数，并将其与基带码流中自首帧报文的首位至基带码流的末位的总位数之比作为误码率；统计误码在基带码流中的位置分布作为误码分布。
S400：将统计后的误码率和/或误码分布结果显示在显示模块。
一种基于上述的测试LEU的便携式应答器误码率及误码分布测试仪的测试方法，如图4所示，包括如下步骤：
S200：所述C接口接收LEU发送的DBPL码并传输给解码单元，所述解码单元将来自C接口的DBPL码解码为基带码流，并发送给所述处理单元；
S300：所述处理单元接收解码单元发送的基带码流并对其进行误码识别与统计，
所述处理单元进行误码识别与统计与上述的测试应答器的便携式应答器误码率及误码分布测试仪的测试方法中的“误码识别与统计”的内容相同，此处不赘述。
S400：将统计后的误码率和/或误码分布结果显示在显示模块。
本发明的处理单元可以是MCU(Micro Control Uint微型控制单元)、CPLD(Complex Programmable Logic Device复杂可编程逻辑器件)或者FPGA、DSP、ARM等硬件；存储单元可以是EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器)、FLASH、SD卡、TF卡、U盘等存储介质；功放单元可以是NPN型三极管或现有技术中其它能起到功放作用的电子元件；解调单元可以是FPGA、DSP等硬件；解码单元可以是FPGA、DSP等硬件。本发明的有益效果在于，本发明的便携式应答器误码率及误码分布测试仪，重量轻、便于携带，因此可以对故障应答器或LEU，或需要检修的应答器或LEU现场检测其误码率和/或误码分布，能够得到使用环境因素影响下的第一手资料，从而减少了因环境改变导致的应答器或LEU拆卸回工厂或实验室时应答器故障无法复现的情况。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。