（信号与信息处理专业论文）数字式移频信号检测方法的研究与应用.pdf

t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fd i g i t a lf r e q u e n c y s h i f ts i g n a ld e t e c t i o nm e t h o d b y z h uw e i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l i n i a n q i a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 z 汐佐牟多月多p 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 者么开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：亲传导师签名：象滋日期：叫碑钥；汐目 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景、目的和意义1 1 2 国内外研究现状和发展趋势2 1 3 本文研究的主要内容及章节安排4 第二章移频信号检测系统的设计概述7 2 1 轨道电路简介7 2 1 1 轨道电路构成及工作原理7 2 1 2 移频信号的概念1 0 2 1 3 法国u m - 7 l 型无绝缘轨道电路1 1 2 1 4 国内外移频轨道电路信号的各种制式1 2 2 1 5 移频信号的检测方法1 3 2 1 6 移频信号常见噪声1 3 2 2 系统方案论述1 4 2 3 系统特点及创新性1 6 第三章f p g a 及a v r 简介1 7 3 1f p g a 简介1 7 3 2a l t e r af p g a 开发工具简介1 9 3 3a v r 单片机简介2 2 3 3 1a v r 单片机概述2 2 3 3 2a v r 单片机的开发工具2 3 第四章系统硬件设计2 5 4 1 电源管理电路设计2 5 4 2 模拟信号预处理电路设计2 6 4 3a d 转换电路设计2 8 4 4 单片机、f p g a 电路设计2 9 4 4 1f p g a 配置电路设计2 9 4 4 2 单片机电路设计3 l 4 5u s b 电路、存储电路设计3 2 数字式移频信号检测方法的研究与应用 4 6 其他电路设计3 3 第五章系统软件设计3 5 5 1f p g a 程序设计3 5 5 1 1a d 采样程序设计3 6 5 1 2f i r 滤波器设计3 9 5 1 3 电压有效值计算模块4 1 5 2 单片机程序设计4 3 5 2 1 按键检测任务设计4 4 5 2 2 单片机与f p g a 的数据通信4 5 5 2 3l c d 显示任务设计4 6 5 2 4 电源检测任务设计4 8 5 3p c 上位机应用程序程序设计4 9 第六章结论与展望5 1 参考文献5 3 致谢5 7 附录5 9 一、在校期间发表的学术论文5 9 二、在校期间参加的项目5 9 三、在校期间获奖情况5 9 i i 摘要 为保证列车的安全运行、提高铁路运输的安全质量，需要对铁路移频轨道电路进行 实时检测，进而从中获得更多的信息量。对轨道电路移频信号进行实时检测，是确保轨 道交通可靠安全的重要前提。在轨道交通及通信技术高速发展的今天，传统的轨道移频 信号检测方法已经凸显出了其自身的很多缺陷，因此，借助现代先进的微电子和计算机 技术，设计一种新的铁路移频信号检测系统，提高移频信号的检测效率，保障列车的行 车安全是十分必要的。 本文在分析了铁路移频信号的发展及特点的基础之上，详细介绍了一套便携式铁路 移频信号检测系统的设计过程，该系统以f p g a 为数字信号处理器，辅以单片机作为整 个系统的控制器，两者取长补短，相互配合，使得系统具有集成度高，速度快，灵活性 好，实用性强的特点。 铁路信号的特点是频率范围广，一般从几十赫兹到几千赫兹，幅度范围大，最小的 十几毫伏，最大能到几百伏，这就为铁路信号检测系统的设计带来了困难，同时信号的 监测环境非常复杂，这也就对检测设备的实用性和便携性提出了较高要求。针对以上问 题，本系统首先利用光继电器和程控放大器设计了档位切换电路，使得系统能够将幅度 范围大的铁路信号转化为满足a d 采样范围的有效信号，其次基于f p g a 设计了f i r 滤波器组，对信号进行滤波解析，检测出信号的幅度和频率，并将结果传输给单片机， 单片机接受数据并利用l c d 对检测结果进行实时显示。为了能够更好的适应复杂的检 测环境，本系统还设计了数据存储功能，将检测数据存储到存储器中，并设计了p c 上 位机应用程序，条件允许时，我们可以通过u s b 接口将存储的检测数据读取到p c 机上 做统一处理分析，方便快捷。 与传统的铁路信号检测设备相比，本系统采用f p g a 作为数字信号处理器，设计数 字滤波器组对信号进行解析、检测。基于f p g a 的并行性，多任务可同时进行，使得数 据处理速度大大加快，并设计了两个通道，可对两路信号同时进行检测；与此同时本系 统采用可充电锂电池供电，系统闲置一定时间后，自动切断f p g a 电源，减小功耗；此 外系统的数据存储功能和p c 机应用程序也大大提高了系统的实用性。 关键词：f p g a ；移频信号；f i r 滤波器；单片机 i 数字式移频信号检测方法的研究与应用 i v 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，i no r d e rt oe n s u r ea n di m p r o v et h e s a f e t ya n dq u a l i t yo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n , ar e a l - t i m ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yo f t h ef r e q u e n c y s h i f tc i r c u i to ft h er a i l w a yi sn e e d e d ，w h i c ha l l o w su st og e tm o r ei n f o r m a t i o nf r o mo p e r a t i o no f r a i l w a y f r e q u e n c ys h i f tc i r c u i ts i g n a li nr e a l t i m ed e t e c t i o ni sa ni m p o r t a n tp r e r e q u i s i t ef o r e n s u r i n gt h es a f ea n d r e l i a b l er a i lt r a n s p o r t a t i o n t h et r a d i t i o n a lf r e q u e n c ys h i f ts i g n a ld e t e c t i o n t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nh i g h l i g h t e dm a n yo f t h e i ro w nd e f e c t s t h e r e f o r e ，w i t ht h eh e l po f m o d e ms t a t e o f - t h e a r tm i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d e s i g nan e wr a i l w a y f r e q u e n c ys h i rs i g n a ld e t e c t i o ns y s t e mt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ef r e q u e n c ys h i f ts i g n a l d e t e c t i o n , a n dp r o t e c tt h es a f e t yo fr a i l w a yo p e r a t i o ni sv e r yn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , ad e s i g no fp o r t a b l er a i l w a yf r e q u e n c ys h i f tc i r c u i ti sp r e s e n t e d t h es y s t e m c o n s i s t so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r su s i n gf p g a ，a n ds u p p o r t e db ym i c r o - c o n t r o l l e rd e s i g n e d b ys o c t h e yc o m p l e m e n te a c ho t h e r , m a k i n gt h es y s t e mw i t hh i g hi n t e g r a t i o n ，s p e e d ， f l e x i b i l i t y , a n dp r a c t i c a l r a i l w a ys i g n a li sc h a r a c t e r i z e db ya w i d er a n g eo f f r e q u e n c i e s ，g e n e r a l l yr a n g e sf r o mt e n s o fh zt os e v e r a lt h o u s a n dh z a l s oh a sal a r g ea m p l i t u d er a n g e ，f r o ms e v e r a lm v t oaf e w h u n d r e dv t h i sb r o u g h td i f f i c u l t i e si nt h ed e s i g no ft h er a i l w a ys i g n a ld e t e c t i o ns y s t e m a tt h e m e a n t i m e ，s i g n a l - m o n i t o r i n ge n v i r o n m e n ti sv e r yc o m p l e x ，w h i c ha l s or e q u i r eag o o d p r a c t i c a l i t ya n dp o r t a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e t h e s y s t e mu s e so p t i c a lr e l a y sa n dp r o g r a m m a b l ea m p l i f i e rd e s i g n e ds t a l l ss w i t c h i n gc k c u i t ，t o m a k et h ea m p l i t u d er a n g eo f r a i l w a ys i g r l a jc a nb ec o n v e r t e dt om e e tt h ea ds a m p l i n gr a n g eo f s i g n a l t h e nd e s i g n e df f i r f i l t e rb a s e do nf p g at oa n a l y s i st h es i g n a la n dd e t e c tt 1 1 ef r e q u e n c y a n da m p l i t u d e t h er e s u l t sw i l lb ed e l i v e r e dt oa n dd i s p l a y e db ys o c i no r d e rt oa d a mt ot h e c o m p l e xe n v i r o n m e n t am e m o r y i sa d d e dt os t o r et h ed a t a w ec o u l du s eu s bp o r tt or e a do r a n a l y s i st h a td a t aw h e n e v e rn e e d e d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lr a i l w a ys i g n a ld e t e c te q u i p m e n t t h ep r o p o s e ds y s t e mu s e s f p g aa sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，d i g i t a lf i l t e rt oa n a l y z e ，d e t e c t w i t ht h ea d v a n t a g eo ff p o a ， a l lo ft h e mc a nb ep r o c e s s e dc o n c u r r e n t l y a sar e s u l t ，t h es p e e dc a nb eh i g h l yi m p r o v e d a n d w ed e s i g n e dat w o c h a n n e l ，b o t hc h a n n e l sc a nw o r ka tt h es a m et i m e t h i ss y s t e mu s e sa v 数字式移频信号检测方法的研究与应用 r e c h a r g e a b l el i t h i u mb a t t e r yp o w e rs u p p l y t h ep o w e rw i l lb ec u to f fa u t o m a t i c a l l yw h e n t h e s y s t e mi si ns l e e pm o d et os a v ep o w e r i na d d i t i o n ，t h es y s t e m sd a t as t o r a g ec a p a b i l i t i e sa n da p ca p p l i c a t i o na l s og r e a t l yi m p r o v e dt h ep r a c t i c a l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：f p g a ；f r e q u e n c ys h i f ts i g n a l ；f i rf i l t e r ；m c u v i 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，在铁路信息技术中，通信技术、信号技术、计算机技术等三大领域起到了支 柱作用【l 】。作为铁路运输基础设备的铁路信号，被用于铁路现代化管理和增强车站间及 轨道区间之间的通过力，已成为铁路运输发展的前沿科技。铁路信号也被称为轨道信号， 它是用在铁路通信上的闭塞、信号、联锁等全部设备的总称【1 】。行车中安全保障和运输 能力的提高是铁路信号在铁路运输中的主要功能。 多信息移频自动闭塞系统在铁路运输的的自动指挥系统中和不断发展的铁路提速 中已被广泛应用。铁路控制信号的传输质量及移频轨道电路的可靠性将很大程度上影响 列车行驶安全、区段通过力以及列车的正点率。轨道电路设备出现故障常常是由于铁路 运输过程中设施老化、线路绝缘破损等因素造成的。就轨道电路参数测量而言，目前还 没有一种有效的手段能够在日常行车维护中对其准确获得。并且轨道电路受湿度、土质、 温度等环境因素的影响，使得电路呈现感性或者容性，也会导致检测效率变低。由于移 频轨道电路对保障行车安全的重要作用和确保其工作有效性及可靠性方面的重要角色， 加之城市轨道交通行车密度大、间隔短、速度快等特点，为保证列车能够正点运行，需 要对铁路轨道移频电路施行实时监测。可以通过时域检测的方法或者频域检测的方法对 轨道移频信号进行检测【2 ，3 】，由于时域检测法抗干扰能力相对较差，所以它不利于对信 号进行准确检测；虽然频域检测法抗干扰能力相对较强，但其运算量非常大。在高精度、 高速度条件下对移频轨道电路信号进行检测已经成为了一个重要研究领域和研究课题。 1 1 研究背景、目的和意义 作为交通运输中重要的基础设施、现代化综合交通体系的骨干、中长途运输的主力、 国民经济发展的大动脉的铁路在促进城乡物资交流和繁荣社会主义市场经济中正发挥 着不可替代的作用。近年来，不断发展的轨道交通信号技术在吸收国外大量新技术基础 上被成功应用于我国干线铁路及城市轨道交通中，这促进了我国干线铁路的行车速度的 提高。自1 9 9 7 年至今，我国铁路已经进行了六次大的提速，其中于2 0 0 7 年4 月的第六 次提速，使得我国铁路实现了既有线路时速在2 0 0 公里及以上速度零的突破。同时，已 经建成和正在修建的高行车密度的地铁和轻轨，已经基本具备了国际领先水平的技术， 可以控制列车短间隔内有效运行。 数字式移频信号检测方法的研究与应用 铁路事业的发展和列车速度的提高，要求铁路更加安全的运行并具有更高的运行效 率。在铁路运输过程中，把钢轨作为信号的载体，是为了把列车的运输与信号设备联系 起来，轨缝则用接续导线进行连接，保证轨道区段两端接缝处是绝缘的，使其一边为送 电端，另一边为受电端，这样就构成了分段的轨道电路。作为铁路车载系统的重要组成 部分的机车信号设备是用来解调和译码从地面轨道接收而来的地面轨道电路的信号。并 将这些信息准确无误地提供给相应的列车运行控制系统【4 ，5 】。由此可见，对用于机车运行 的地面轨道上的电路信号进行检测是一项重要的研究课题和工作。 在我国，自动闭塞系统的种类一般可以分为：微电子交流计数电码自动闭塞系统、 u m 7 1 移频自动闭塞系统、1 8 信息移频自动闭塞系统等【3 】。被广泛应用的移频自动闭塞 系统，主要是采用频移键控方式产生的2 f s k 移频信号，根据在轨道上传输消息的频移 信号的不同来准确控制信号机的显示。与此同时，利用被采集到的轨道电路中正在传输 信号来判断信号机的实时状态。移频信号中信号的频率是随着调制脉冲信号的幅度和信 号周期的变化而变化的，把移频信号中的低频调制信号作为一个特征信息，控制信号机 及时显示不同的状态【6 ，7 ，8 1 。 目前，由于移频轨道电路中信号的特殊性，使用普通的通用工业仪表不能对它进行 正确检测。一由于在城市轨道交通中列车的运营时间较长，车站数量较多，行车密度很大， 这就要求线路的检修工一定要在最短的时间内完成。因此，及时的掌握轨道电路中传输 信号的状态非常有利于线路检修工作的进行。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 近几年我国对电压有效值、中心载频、频偏、低频调制频率等轨道移频信号参数检 测的研究正处于发展阶段。世界其他一些国家诸如法国、日本等对这些参数的研究都已 经相继完成【9 】。在这些研究的基础上，这些国家都研发出符合各自国家地理环境要求的 专用测试仪从而对轨道电路参数进行检测，当行车速度达到一定值时，都应使用带点测 试对其信号综合参数进行测试，如行车速度为3 0 0 k m h 的法国无绝缘轨道电路；行车速 度约为5 0 0 k m h 的日本磁悬浮列车，尤其在电气化区段中，在行车过程中可以同时测量 多个参数【1 0 】。利用相位连续的频移键控信号( c p f s k ) 【1 1 】实现轨道移频电路信号的采集， 其最主要的控制信息参数为频率。频率调制的特点就是频率随幅度做周期性变化。将低 频调制成高频信号，通过把低频信号搬移到高频载波信号上实现。低频用于速度控制， 载频用于运输低频信号。低频信号周期是指利用低端载频和高端载频这两种信号交替变 2 济南大学硕士学位论文 换一次的时间间隔。铁路移频信号实际上是一种频移键控调制信号，所以对移频信号进 行检测也就相当于是找到准确的移频信号的解调方法【1 2 】，所谓的轨道移频电路就是按照 这种方式工作的轨道电路。 现阶段，我国主要采用电务测试车和专用信号参数检测仪这两种工具完成这个非常 繁琐但很重要的信号参数检测工作。 一、电务测试车 根据电务测试车的主要测试重点，在其上安装有记录仪和频谱分析仪等测试设备。 电务测试车主要是被铁路电务部门专门用来测试轨道信号的设备。在其正常运行时完成 自动闭塞系统电务范围的各项参数指标的测试，其中包含了各项参数。该方法的优点是： 高精度与准度，测试内容较多。缺点：维护成本高，需要一定规模的维护团队且所维护 的系统庞大。由于上述这些原因导致电务测试车的应用只能在铁道部和铁路局等较高级 别的地方设置，不能被设置到电务段中。 二、专用信号参数检测仪 铁路部门为了能够准确检测铁路信号中的参数开发出了一种专用信号参数检测 仪。该仪器主要采用了数字信号处理( d s p ) 技术和单片机技术。主要依靠硬件电路来实 现信号参数检测，具有实时性高，稳定性强，灵活性大等优势。但其软件实现较复杂， 数据存储和管理较难，且交互性差。 移频信号参数检测的主要探测内容一般包括信号的频率检测和有效值检测，检测的 参数包括：低频、上、下边频以及中心频率，上边频和下边频两者的平均值作为中心频 率【1 0 1 。通过正确选择量程、把交流信号部分转换成有效值形式( 即变交流为直流) 、a d 转换、变换标度来完成对移频信号有效值的检测。从原理上分析，铁路移频信号频率解 调方法包括相干和非相干两种解调方法。相干解调抗干扰性能最好，但是从接收端恢复 出准确频率和相位的相干载波信号不仅难实现而且增加了设备的复杂性，实际性能并没 有太大改善，所以通常采用的是非相干解调法。非相干解调法就是在解调时只根据移频 信号本身的特点，在接收端无需输入载波相同的相干信号【1 3 】。用于移频信号解调的非相 干解调法通常可分为两种：模拟法和数字法。模拟法中较为常用的方法是限幅鉴频法， 限幅鉴频法又可以分为双失谐鉴频器和谐振槽路鉴频器，双失谐鉴频器较适用于宽带信 号而谐振槽路鉴频器较适用于单频【1 0 】。数字法一般常根据时频域不同被分为普遍应用的 时域检测法和频域检测法【1 4 】两种。通过一些硬件与微型计算机进行配合的方法来测出待 检测的移频信号的一系列周期并对其结果进行分析的方法称为时域检测法也叫做测宽 数字式移频信号检测方法的研究与应用 法，从而得出移频信号的频率参数【1 5 】。通过利用频谱分析法把时域信号转化到频域中对 信号进行检测的方法称为频域检测，这样就可以得到轨道移频信号中包含的频率参数。 这种检测方法的实时性比较高，软件成本比较低，抗干扰能力很强，并且精度很高。缺 点是运算量比较大，硬件成本非常高。目前，移频信号的频率参数【1 6 】也常用小波变换来 进行分析。现代数字信号处理技术的逐渐完善和处理器件性能的逐渐提升在很大程度上 促进了轨道电路技术快速发展，与此同时，现代数字化解调技术不断被改进并得到了进 一步发展【3 】。这些技术的进步都为检测轨道移频信号提供了丰富并且有效的途径及实现 方法。 1 3 本文研究的主要内容及章节安排 本文主要以法国u m 7 1 轨道电路作为检测对象，详细介绍了一套以f p g a 和单片 机作为核心处理器的移频信号检测系统新方案，该系统具有集成度高、电路简单、接口 方便、运算速度快、精确度高、实时性好等优点。 系统从整体上可以分为信号拾取预处理部分、数字信号处理部分和结果显示部分 等。信号拾取预处理部分对输入模拟信号进行调理，使信号电压满足a d 转换器的输入 范围要求；数字信号处理部分是整个系统的核心，主要完成移频信号的电压、频率等参 数的测量任务，显示部分将测量结果显示在l c d 上。设计预期达到的目的是：以模拟 电路、数字电路等为基础设计信号预处理电路，以f p g a 和单片机作为核心处理器，运 用f i r 数字滤波技术等实现对移频信号的实时、精确检测。 论文的章节安排如下： 第一章：介绍了移频信号检测系统的背景目的及意义；轨道频移信号检测技术国内 外发展现状。 第二章：介绍了铁路移频信号的基本原理，并对移频信号检测系统的总体方案进行 了论述以及简要分析了系统的特点、创新性。 第三章：对f p g a 和a v r 单片机以及其分别对应的开发工具进行了简单介绍。 第四章：详细介绍了移频信号测试系统的硬件设计，主要包括模拟信号预处理部分 和以f p g a 和a v r 单片机为核心处理芯片的数字处理部分。 第五章：完整介绍了移频信号测试系统的以f p g a 信号处理部分和单片机控制部分 为核心的嵌入式软件部分的设计，并且介绍了f p g a 与单片机系统之间的控制与通信。 最后介绍了相对于用户部分的移频信号测试系统应用在存储端的p c 上位机软件部分的 4 济南大学硕士学位论文 设计。 第六章：归纳概括了本文的研究内容及成果，并对本论文进行了总结及展望。 数字式移频信号检测方法的研究与应用 6 济南大学硕士学位论文 第二章移频信号检测系统的设计概述 2 1 轨道电路简介 轨道电路作为一个信息发送器，发送关于轨道是否空闲与是否完整的信息，被用于 调整铁路上列车的运行情况，是组成现代化自动与远程控制系统的一个基本元件，同时 还起着遥控信号机和地面设备及机车设备的作用【1 7 】。以钢轨为导体的一段铁路线路所构 成的电路是轨道电路的基本组成部分。轨道电路主要应用于自动、连续检测机车车辆是 否占用了这段轨道线路，也用来对信号装置或者转辙装置进行控制，以达到保证列车安 全运行的目的，是钢轨及连接在它线路两端的器械的总称。 轨道电路按不同的分类方式可分为以下几种：( 1 ) 按照结构的不同可以分为开路式和 闭路式轨道电路；( 2 ) 按照不同的信号电流种类可以分为直流、交流和脉动轨道电路；( 3 ) 按照分布在轨道电路上的接收电端多少，可以分为一发一收和一发多收轨道电路【2 】；( 4 ) 按照是否为绝缘轨道电路又可以分为有绝缘和无绝缘轨道电路。故障率小、维修方便； 高速列车更能平稳行驶在长钢轨区段；在电力牵引区段扼流变压器可以被取消；便于地 面设备把可靠的消息传送给列车，因此在较高程度上控制了列车的自动控制系统，这些 都充分体现了无绝缘移频轨道电路系统性能的优越性【1 8 , 1 9 刎。一般来说，信号的频率愈 高那么其死区段愈短，从而其轨道电路的长度也就愈短。一般来说频率范围在音频或高 频段内的信号被无绝缘轨道电路广泛采用。采用这种方法有利于较好的实现邻段间的隔 离，并且在此频率范围内各种有效的信号调制方式便于被正确运用。另外，交流电化区 段一般都采用无绝缘轨道电路，抗牵引电流回流的干扰是频率参数选择必须满足的条 件，传输的信号一般采用以低频调制频率表示信息的键控移频信号( f s k ) 。 2 1 1 轨道电路构成及工作原理 钢轨线路的组成为：轨条、轨端接续线以及钢轨的绝缘部分等。轨道电路就是一端 送电另一端受电的一段一段的电路。受电端，也称继电端或者终端，它是主要由轨道继 电器g j 组成，被接收到的轨道信号的电流可以非常好的反映出当前轨道电路所处的工 作状态。送电端，也称作电源端或者始端，它是被轨道电源及限流器等设备所组成的。 钢轨作为列车运行与信号设备发生直接关系的传输导线，由接续线把其间的轨缝连接起 来四】，把绝缘材料装在一定的轨道区段两端的轨缝上。其构成如图2 1 所示。电子轨道 数字式移频信号检测方法的研究与应用 电路一般采用电子器件为接收设备，它与轨道继电器作用相同【6 】。并通过引接线( 钢丝绳) 将送、受电端的设备接向轨道 2 1 , 2 2 。 图2 1 轨道电路的构成 下面以闭路式轨道电路为例说明轨道电路的工作原理。其工作原理如下：以轨道电 路作为基础设备，通过对其进行检测可以使得列车在线路上的运行情况得到监督，并实 现与行车有关的各种信息的传递。轨道电路的基本结构形式如图2 2 所示。平时，列车 线路空闲时，即未进入轨道电路，从轨道电源发送一定强度的信号电流，此电流经过轨 道继电器的线圈，通过轨道线路传送到轨道电路的接收端。一定强度的电流作用在接收 设备的继电器上使其产生励磁，继电器被保持在吸起的状态，当信号机的绿灯电路被接 通，轨道电路区段为空闲的信息被发出，表示允许列车进入轨道电路，其原理框图如下 图2 - 2 ( a ) 所示。 当轨道线路被占用时，表示列车进入到了轨道电路的区段内。而信号电流同时流过 两个机车车辆轮以及轨道继电器的线圈，但是由于机车车辆车轴的分流作用，所以只有 很少一部分信号电流被轨道电路的接收设备接收到。从轨道电路电源发出来的信号电流 接收设备的继电器因电流不足而不能励磁，导致了继电器的落下值大于流经轨道继电器 线圈的电流，使衔铁被轨道继电器释放，信号机的红灯电路被继电器的后接点接通，从 而发出轨道被占用的消息，向运行在其后面的列车发出停车信号，这样就保证了列车安 全运行在该轨道电路区段内，轨道继电器g j 有效监督着这些工作状态，信号机的显示 又被继电器的接点完全控制着，然而信号又指示着列车的运行，反过来轨道电路的工作 状态又被列车的运行状况改变着，这样反复循环地实行着自动控制。当电路上任何部分 出现故障时，励磁不能发生在任何接收设备的继电器上，导致轨道电路未被占用的信息 济南大学硕士学位论文 不能发出，是闭路式轨道电路的特点，这同时也是符合铁路信号故障一安全原则的，如 图2 - 2 ( b ) 所示。 图2 2 轨道电路工作原理图 所以行车安全和行车效率在很大程度上受到了轨道电路能否正常工作的影响。因此 轨道电路应该尽量符合下列提出的要求： ( 1 ) 在无列车占用轨道电路的情况下，应该把轨道继电器可靠地吸起来，以满足正常 工作状态的需要； ( 2 ) n n 车在任何一点上占用轨道电路时，即便是仅有一根车轴进入到轨道电路中， 也应使得轨道继电器的衔铁可靠落下； ( 3 ) n 轨道电路中有设备没有正常工作时( 即有轨道被折断、绝缘出现破损等情况出 现) ，应使得轨道继电器立即失磁，全部信号被迅速关闭。 保证轨道电路按设计所要求的各种指标向区间信号车载控制系统传输正确、可靠的 信息，是保证列车运行安全的基础。所以需要设计具有实时、准确、稳定和抗干扰性能 强的轨道电路。 和其它轨道电路相同，移频轨道电路传输信息的通道也是利用两根钢轨实现的。为 了便于我们利用频率对信号进行分析，低频调制过的音频信号通过钢轨进行可靠传送， 因此移频轨道电路上传输的信号频率属于音频轨道电路范畴。这将有助于我们利用频率 对信号进行分析。 低频信息通过移频自动闭塞的搬移，达到较高频段并形成振幅不变的信号，它是一 种选用频率参数作为信息的闭塞制式的调制方法，信号波形的频率是由筋交替变化所 组成的，并把两条对应钢轨作为信号的传输通道，从而可以保证准确指挥列车运行，所 9 数字式移频信号检测方法的研究与应用 以，它被看成是一种由方波来调制系统【2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 】。 2 1 2 移频信号的概念 列车闭塞是指一种借助信号或者凭证来确保证行车安全的成熟技术方法，简称闭 塞。根据列车运行情况和相关闭塞分区所处状态，使信号机的显示状态自动发生变换， 火车司机完全凭借信号行车的闭塞方法日l l 做自动闭塞。以钢轨作为传输通道，采用频移 键控的形式传输低频调制信号，可以自动控制区间，列车的运行完全依赖于信号机的显 示，即对其进行指示，把这样的系统称为移频自动闭塞系统。在移频自动闭塞区段中， 迎着列车运行的方向，闭塞分区按照轨道被运行列车占用的情况传输移频信息，信息自 动的被传递到其它各闭塞分斟引。 调制移频信号是把频率参数当做控制信息，通过低频信号的幅度变化对载波频率进 行键控调制得到的信号。其以载波信号的频率而为中心，在低频调制信号的作用下作上、 下边带频率的偏移是调频信号频谱的变换规律。当低频调制信号的幅度输出为低电位 时，载波频率矗向下移动a f 个频率间隔( ，称为频偏) ，把其称作下边频也叫做低端载 频；当低频调制信号的幅度输出为高电位时，载波频率而向上移动a f 个频率间隔，得 到的频率叫做上边频也称作高端载频。由此可见，调频信号的频率是受低频信号的幅度 变化控制的，从而形成了上边频和下边频随幅度变化做交替变化的频移键控调制信号。 低频调制信号的频率决定了上、下边频在单位时间内变化的次数即每个周期内变化一 次。频移信号的波形犹如频率的移动，其频率的变化接近于突变，其波形如图2 3 所示。 图2 3 移频信号波形 由上图可以看出，把低频调制信号 搬到了具有较高频率的载波信号矗上，形成了 幅度振荡不变、信号频率随低频调制信号的幅度进行周期变换的移频信号2 7 1 。其中上边 频石确奶下边频斤娟莎在轨道电路中载波频率矗实际上是不存在的，其上传输的信 息只有低端载频和高端载频。 1 0 济南大学硕士学位论文 2 1 3 法国u m - 7 1 型无绝缘轨道电路 法国u m 7 1 型无绝缘轨道电路【1 1 是一种创建于7 0 年代初期，并以f s k ( 键控移频信 号) 为核心的铁路通信信号调制电路，如图2 4 所示。 图2 4 法国u m - 7 1 型无绝缘轨道原理图 它主要包括两部分：“主轨道电路”及“2 6 m 调谐区 【8 】。我们知道，调谐区具有 相邻轨道电路电气隔离的性能，这主要是因为钢轨自身具有电感效应，这种效应与铁路 旁边人工添加的电容构成了一个谐振回路，其对主线路上的频率呈现高阻态，而对邻线 路上的频率呈现低阻态【8 】，这样，这种特性就使得整个回路在不需要采取外部隔离措施 的情况下实现“自隔离”，一般情况下，不同频率的隔离度在3 0 倍以上，而对于相同频 率来说它的隔离度能达到1 0 0 0 倍以上，具有很好的隔离效果，能够保证铁路信号的正 常传输。这也正是u m 7 1 型轨道电路主要的特色之一。但同时，这种“自隔离 的方 式也有它的不足之处。通过理论分析和实际经验知道，谐区内存在分路死区段，且死区 段的长度与载频频率有主要的关系，频率越高，死区段越短，反之，死区段越长，因此， u m 7 1 采用了频偏为1 1 h z ，中心频率为1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、2 6 0 0 h z 四种频率 较高的载频信号，并以1 1 h z 步进，范围从1 0 3 h z 到2 9 h z 的低频信号作为调制信号。 由于采用了高频载波，经计算知道，u m 7 1 能够在不利条件下将死区段长度控制在2 0 m 数字式移频信号检测方法的研究与应用 左右，并且能够有效的避免5 0 h z 市电干扰，提高了信号传输的抗干扰性能。1 9 8 9 年8 月，我国正式引进u m , 7 1 型无绝缘轨道电路，并在郑武线首次投入使用j 目前，我国 的郑武、广深、京郑、沈山、京山等主要铁路干线的通信仍然采用这种电路。当然，为 了使设备更好的工作，目前国内的铁路通信对u m 7 1 也做了必要的改进。 2 1 4 国| 内外移频轨道电路信号的各种制式 上述法国u m 7 1 型无绝缘轨道电路采用的是上行线载频为2 0 0 0 h z 、2 6 0 0 h z ，与之 对应的下行线载频为1 7 0 0 h z 、2 3 0 0 h z ，相同频偏为l l h z 的f s k 方式腔8 - 冽。但由于载 频较高，信号在钢轨中传输的衰减较大，因此，为了解决这个问题，我们经常会看到铁 路轨道旁边大约每隔1 0 0 米的距离就会增加一个补偿电容以增强信号的能量【2 】。 除了法国的u m 7 1 型无绝缘轨道电路，日本的f s k 制式轨道电路采用的是以 1 7 0 0 h z 为基数，以6 0 0 h z 步进的四种载频信号。但其调制信号频率有两种：一种包含 了1 0 、1 3 、1 6 、1 9 、2 3 、2 6 、3 l 、3 4 、3 7 、4 1 ( h z ) 1 0 个频点，此时频偏采用4 0 h z ；另 一种除了包含上面的1 0 个频点外，还增加了4 5 、5 5 、6 l 、6 7 、7 3 ( h z ) 这5 个频点，频 偏为7 0 h z 3 0 , 3 1 1 。 英国西屋铁路系统有限公司的无绝缘移频轨道电路【2 8 】采用的是4 3 2 0 , 5 0 4 0 , 5 5 2 0 h z ，4 0 8 0 、4 5 6 0 、5 2 8 0 h z 这6 个频点作为中心频率，道岔区段a t p 环路为4 8 0 0 h z ， 特殊场合采用6 0 0 0 h z 。低频调制频率是一种从2 8 h z 开始以间隔4 h z 为频差到8 0 h z 结 束的有限长等差数列，具有1 4 种速度码。鉴于西屋公司轨道电路可以对作用在轨道电 路上的牵引动力的干扰有效防止，并且轨道的占用空闲状态能够被及时、可靠地连续检 测到，进而向运行列车传送速度码消息【3 】等特点，因此它主要被应用在城市轨道交通和 地铁上。 作为我国具有自主知识产权的铁路通信系统z p w - 2 0 0 0 a 型无绝缘频移自动闭塞系 统，已经被定为地面自动闭塞统一制式广泛应用在中国铁路主体化机车信号中【4 】。其载 频频率有1 6 9 8 7 、1 7 0 1 4 、1 9 9 8 7 、2 0 0 1 4 、2 2 9 8 7 、2 3 0 1 4 、2 5 9 8 7 、2 6 0 1 4 h z 这8 个 频点，频偏依然是1 1 h z ，低频调制频率范围从1 0 3 h z 2 9 h z ，步进频率为1 1 h z 。 他们的共同特点就是中心频率较高，能够很好的抑制干扰，并具有“自绝缘”特性。 可以看出，各国针对自己的情况，在保持大的模式不变的情况下，都对中心频率的大小 及频点数目做了相应的变化，但总的来说，我国自主知识产权的无绝缘移频自动闭塞系 1 2 济南大学硕士学位论文 统更具有其独特的优点。 2 1 5 移频信号的检测方法 对轨道移频信号的频率进行检测的方法从原理上讲可以分为两种：相干解调法和非 相干解调法 3 2 , 3 3 1 。由于相干解调的抗干扰性能相对是最佳的，所以被当作最佳接收的极 好选择。在相干解调法中要求相干载波信号恢复出具与发送端完全一致的准确频率和相 位信息，这些在移频系统中一般是较难实现的，不仅对设备提出了复杂的要求和需要较 高的成本，而且由这种消耗带来的实际性能的改善并不理想，所以非相干解调法才是移 频检测系统的最佳方法。 运用非相干解调法对移频信号进行解调时一般可分为两种方法：数字法和模拟法 3 4 , 3 5 。数字法是一种频谱分析的方法，通过把时域信号变换到频域当中来得到移频信号 的频谱并对其频谱进行分析，移频信号的频率参数可以通过它在频域中的频谱特性得出 来 3 6 , 3 7 。限幅鉴频法是模拟法最常用的方法，限幅鉴频法又分为双失谐鉴频器较适用 于