（交通信息工程及控制专业论文）移频采集机及微机监测相关技术研究.pdf

中文摘要 摘要：本文针对微机监测系统中移频采集机功能的实现和微机监测相关技术进行 了研究。 在嵌入式硬件平台上综合运用数字信号处理知识，根据相位连续的移频信号 的特点，设计了监测算法，并编写软件程序实现了对移频信息的监测功能。使用 z p 8 9 移频发送盒发送信号，对监测系统进行了测试。 完成了微机监测通信系统的设计，包括基于r s 4 8 5 总线的m o d b u s 通信和 c a n 总线通信两部分。本文选用智能采集器，搭建m o d b u s 网络，实现了对道岔 表示电压、轨道电压、相位角等信息的监测；修订了微机监测系统通信协议，在 此基础上编写了系统的c a n 总线通信程序，并实现了与站机的联调，在实现室和 现场对通信系统进行了反复测试。 在a r m 平台上重新编写了轨道采集机、区间采集机软件程序，实现了两部分 的监测功能，实现了微机监测系统的升级换代。针对原系统的不足，设计了补偿 办法，并通过软件实现；在嵌入式平台上移植了比c o s i i 操作系统，替代原有的 单片机前后台模式。 改进后的微机监测系统，在实验室和铁路现场进行了测试，运行稳定，传统 监测功能在性能方面得到了提高，新功能能够正常完成监测任务。 在结论中总结了本论文的主要工作内容，并指出了不足之处和迸一步的工作 的方向。 关键词：微机监测；移频采集机；轨道采集机；m o d b u s ：c a n 分类号：u 2 8 3 1 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h i st h e s i sm a k e sar e s e a r c ho nt h ef r e q u e n c y o s h i f ta c q u i s i t i o na n d t e c h n o l o g i e sa b o u tm i c r o c o m p u t e rm o n i t o r i n g u s i n gt h ed i g i t a lp r o c e s s i n gk n o w l e d g e ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h em o n i t o r i n g a l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t i n u o u sp h a s e df r e q u e n c ys h i f ts i g n a l a n dd e v e l o p st h ef u n c t i o no fm o n i t o r i n gt h ef r e q u e n c y - s h i f ti n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e st h e m o d b u sc o m m u n i c a t i o nb a s e do nr s 一4 8 5a n dt h ec a nb u sc o m m u n i c a t i o nt w o p a r t s t h i st h e s i sa p p l i e st h ei n t e l l i g e n tc o l l e c t o rt h r o u g ht h em o d b u sn e tt oc a r r i e so u t t h ei n s p e c t i o no fi n f o r m a t i o ns u c ha st h es w i t c hv o l t a g e ，t h et r a c kv o l t a g ea n dt h ep h a s e a n g l e t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi se m e n d e d ，a n dc a n p r o g r a mi sc o d e db a s e do nt h i sp r o t o c o lf o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ea c q u i s i t i o n a n dt h es t a t i o nc o m p u t e r t h ep r o g r a m sh a v e b e e np u ti n t op r a c t i c ea l r e a d y t h ep a p e rp r o g r a m sa l lt h ec o d e so ft h et r a c ka c q u i s i t i o na n dt h es e c t i o na c q u i s i t i o n a n di m p l e m e n t st h e i rf u n c t i o nb a s e do l lt h ea r mp l a t f o r m t h eg c o s - i io p e r a t i n g s y s t e mi su s e do nt h ee m b e d d e dp l a t f o r mi np l a c eo ft h ef o r - a n d b a c k g r o u n dm o d e lo n s i n g l ec h i pp l a t f o r m t h ei m p r o v e dc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mw o r k sw e l li nt e s t i n gb o t hi nt h e l a b o r a t o r ya n dt h er a i l w a ys t a t i o n t h et r a d i t i o n a lf u n c t i o n sa r ei m p r o v e d ，a n dt h en e w f u n c t i o n so p e r a t ew e l l t h ep a p e rc o n c l u d e st h em a i nj o bi nt h el a s tp a r t ，a n di n t r o d u c e st h ei m p r o v e m e n t r o o m si nt h ec o n t i n u e dw o r k k e y w o r d s ：c o m p u t e rm o n i t o r i n g ；f r e q u e n c y - s h i f ta c q u i s i t i o n ；t r a c ka c q u i s i t i o n ； m o d b u s ；c a n c i 。a s s n o ：1 5 2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 铭堋易矽 签字同期：劫年月t t 日 翩签名辊坳导师签名纥恸 签字日期汐旷年歹月乡日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师戴胜华副教授的悉心指导下完成的，戴老师悉心 指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和 帮助，戴老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。通过 戴老师的言传身教，我在短短的两年里无论在专业知识、动手能力以及处事方法 方面都有了很大的提高。很幸运能够成为戴老师的学生，在此衷心感谢两年来戴 胜华老师对我的关心和指导。 我还要特别感谢我的妈妈，她为我撑起了一片安静的学习空间，从来不让我 为家担忧，让我能够安心的学习。 另外，还要感谢和我一起度过研究生生活的同学，特别是和我同为戴老师学 生的戴亮、蔡弘、张雅娟、翟登、马丽娜、马晓姣等同学，他们在研究工作和生 活中给了我热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 1 微机监测系统概述 微机监测系统【i 】是在现代工业的基础上，结合现代最新技术，如传感器、现场 总线、计算机网络通信、数据库及软件工程等技术，用于监测并记录信号设备的 主要运行状态，为电务部门掌握设备的运用质量和故障分析提供科学依据的设备。 同时，系统还具有数据逻辑判断功能，当信号设备的工作情况偏离预定界限或出 现异常时及时报警，避免因设备故障或违章操作影响整个的安全运行。 在铁路系统中，微机监测系统是由铁道部、铁路局、铁路分局上层监测设备 和电务段、车间( 领工区) 、车站基层监测设备组成的，主要负责监测本单位管辖 内各车站信号设备运行状态的网络系统。微机监测系统应用计算机和信息采集机 实时监测各种信号设备，监测对象的类型大体上可以分为模拟量和开关量。模拟 量包括：电源屏电压、轨道电路电压、道岔动作电流、电缆绝缘电阻和电源对地 漏泄电流等。开关量包括：关键继电器状态、控制台按钮与标识灯状态、熔丝状 态、灯丝状态和道岔表示缺口状态等。 1 1微机监测系统的发展和现状【2 】【3 】 由于微机监测技术的发展，利用微机对电气集中联锁设备进行监督和测试已 经广泛应用于铁路系统。自8 0 年代以来，已经有多种不同类型的微机监测系统， 为改善维修工作提供了技术基础，为提高电气集中的联锁设备的可靠性、可维护 性和可用性提供了重要的技术手段。现在，微机监测系统已经成为保证行车安全、 加强信号设备结合部管理、监测铁路信号设备运行质量的重要行车设备。 微机监测系统是随着计算机技术的发展，经过几十年艰苦探索发展起来的。 1 9 8 5 年，以当时的计算机技术为支持，部分铁路局开始研制微机监测系统。到1 9 9 6 年，研制单位已经多达2 0 多家，有1 0 0 多个车站配备了微机监测系统。比较而言， 这个初期阶段的微机监测系统，由于受技术、经济等方面的限制，技术陈旧、精 度不高、可靠性差；由于各局自行研制，系统缺乏统一标准；各站基本独立，很 少集中联网。 随着时间的推移和科技的进步，微机监测技术不断发展，并且得到了铁道部 领导的高度重视。1 9 9 7 年铁道部两次组织专家对微机监测系统进行了大规模的调 查研究，并在此基础上，制定了技术原则，组织了联合攻关。2 0 0 0 年初，铁道部 把微机监测系统作为保证铁路运输安全的首要措施，把微机监测系统称为电务系 统的黑匣子，按行车安全设备对待。 目前，现场推广使用的t j 歌- 2 0 0 0 型信号微机监测系统是铁道部在2 0 0 0 年组 织联合攻关的产品，是专家集体智慧的结晶。该系统技术先进，功能完善，界面 友好，操作简单，制式统一，便于联网，具备全路联网功能，能够准确的判断设 备故障和违章操作带来的事故隐患，防患于未然。 但随着铁路技术的迅速发展，微机监测系统面临着很多新的问题，工作人员 需要系统监测更多的信息，现场对系统的实时性等问题也提出了新的要求。 嵌入式芯片的推广使微机监测系统的升级、研发更加方便，而传感器技术近 年来的飞速发展为微机监测系统的监测方式提供了更多的选择。 1 2发展微机监测系统的必要性 目前，微机监测系统的迅猛发展是时代的需要、发展的需要。其外在动力是 嵌入式技术、传感器技术的高速发展，其内在动力是安全生产的需要，是铁路事 业自身发展的需要。其发展的必要性主要表现在以下四点： a 开发移频监测功能，实现对移频信息的识别，并判断故障，自主报警。 b 使用智能传感器，实现对轨道电压、相位角，外电网电压，道岔表示电压等信 息的监测。 c 使用a r m 芯片集成的c a n 控制器，应用c a n 2 0 协议，根据新系统的通信协议， 实现采集机与站机的通信程序。 d 使用嵌入式芯片开发新的c p u 平台，并在该硬件平台上实现微机监测系统的改 造，提高系统频率，缩小巡测周期。 1 3系统结构分析【2 】 完整的微机监测系统应该包括服务器、终端、站机三个部分，如图l 一1 所示。 2 图1 - 1 微机监测系统结构 f i g l - 1t h ef r a m e w o r ko f t h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m 终端( 监测机) 用于人机操作，管理和查看权限范围内车站的站场及有关数 据，并作报表汇总；数据报表和数据图形可由打印机打印输出。同时终端机能显 示网络通信拓扑图及通信状态，进行一定的网络管理。 服务器( 监测机) 作为整个微机监测系统的管理中心，负责收集和管理联网 车站的数据，以及站机与终端的命令和数据转发。站机数据据经广域网数据传输 系统到达服务器，服务器对数据进行分类、存储和处理，根据终端要求分发给各 互联网终端。 站机模块称作车站系统，是信号微机监测系统的最基本单元，负责数据的采 集、分类和处理，实现信号设备的实时监测和人机对话。它包括站机、采集机、 机柜、隔离转换单元、智能采集单元等。图1 2 为车站系统的系统结构图。 站机 l r p 6 “ 接u 板智能采集单元接口板 图l 一2 车站系统结构 f i g l - 2t h ef r a m e w o r ko f t h es t a t i o ns y s t e m 在车站系统中，站机负责完成实时监测和人机对话，收集数据、处理数据( 分 类形成图表) 、存储数据、查看数据等。站机可以将本站的监测信息传送到服务器， 3 为实现远程监测和管理提供基础。 采集机在线采集数据，并进行预处理。 隔离转换单元用于采集模拟量或开关量数据。 智能采集单元可以直接采集各种监测对象的状态，并通过总线直接与采集机 通信，将采集的结果以数字量的形式输出。 车站系统按不同站场规模配置采集机数量，根据功能要求配置各种类型的采 集机。使用c a n 现场总线不仅使采集机与站机连接简捷，而且由于采用多项纠错 措施，误码率可达10 u ，通信可靠；另外，由于采用非破坏性总线仲裁技术和短 帧结构，使通信的实时性好，效率高。 站机可挂接3 2 个采集机。每个采集机由1 块电源板、1 块c p u 板和若干接口 板或智能采集单元组成。 在t j w x 2 0 0 0 型微机监测系统中，c p u 采用的是8 0 c 1 9 6 k b 单片机，在监测 铁路运行状态方面发挥了出色的作用，但随着现场对微机监测系统的要求不断提 高，单片机已不能满足微机监测系统升级和增加新功能的需要。 在本文中c p u 采用嵌入式a r m 芯片l p c 2 2 9 2 ，具有集成度高、功能强、耗 电少，且集成有c a n 控制器，可以实现c a n 2 0 协议的应用。以a r m 芯片为核 心设计的嵌入式平台可以移植实时操作系统，适用于实时自动监测和自动控制系 统。 采集机的微处理器( c p u ) 通过总线板对采集机接口板读取数据或进行测量 控制，通过r s 4 8 5 总线对智能采集单元读取数据。采集机具有以下功能： f 1 采集与暂存模拟量和开关量。 b 将各种数据进行预处理后，传送给站机。 c 接收并执行站机命令。 d 具有自检功能。 e 与站机校核时钟。 采集机按功能划分为综合采集机、道岔采集机、轨道采集机、开关量采集机 和其他专用采集机。 1 4 课题研究思路 本文旨在在嵌入式硬件平台上，实现微机监测系统采集机的升级，主要的研 究工作可以分为以下几个部分： 开发对移频信息的监测程序，通过模数转换技术对移频信号采样，使用数字 信号处理方法识别移频信息，实现微机监测系统在移频自动闭塞方面的监测功能。 4 使用智能采集单元采集铁路状态信息，研发分机程序，采用m o d b u s 协议通过 r s - 4 8 5 总线读取采集器的转换结果，实现对道岔表示电压、轨道电压、轨道相位 角、外电网电压、半自动闭塞电压等信息的监测。 修订微机监测系统协议，并根据协议开发中断接收服务程序、自主发送程序、 应答发送程序等通信程序，实现采集机与站机的通信功能，保证采集机能够正常 接收站机命令，发送数据。 使用接口板实现轨道、区间分机功能，c p u 板通过总线板对轨道电压等模拟 量进行测试，针对监测系统中原来的问题加以改进。 1 5 本文主要内容 根据微机监测系统的发展和现状，前文讨论了对系统升级的可能性和升级方 法，提出了相应的研究思路。按照研究思路，可以将课题研究相应的划分为不同 的部分，逐个模块的实现监测系统的升级。本文主要介绍了各部分功能实现的原 理、方法和软件设计等工作。 论文各章节主要内容如下： 第l 章简要介绍了微机监测系统及其现状和发展，提出了对系统升级的研究 思路。微机监测系统采用嵌入式芯片( l p c 2 2 9 2 ) 设计c p u 板，在硬件平台基础 上实现采集机功能，提升系统性能，使用智能传感器，开发新的监测功能。 第2 章为移频监测的研究与实现。该部分介绍了相位连续移频信号的工作原 理，根据其特点提出了监测算法，并对算法进行优化，应用到嵌入式平台中，实 现对移频信息的监测。通过实际测试表明系统能够完成监测任务。 第3 章为微机监测通信系统的设计与现场测试。该章分别介绍了m o d b u s 协议 和c a n 通信的实现方法。微机监测使用m o d b u s 协议，通过r s 一4 8 5 总线读取智 能采集器输出结果。t j w x 2 0 0 6 微机监测系统的通信程序对t j w x - 2 0 0 0 系统通信 协议进行了修订，并编写通信程序，实现了采集机与站机的通信功能。 第4 章研究并设计了测试系统。针对电源模块等部分给出了硬件测试方法， 在硬件工作正常的前提下，编写程序测试其他各模块的功能。 第5 章为微机监测系统中轨道采集机和区间采集机重新编写了程序，在原系 统硬件基础上实现了二者的功能，并针对传感器接口板的误差，给出了软件补偿 的方法。 第6 章为整篇论文的结论。该章总结了课题的研究成果，并对其优缺点进行 了论述，为接下来的工作提供了研究方向。 5 2 移频监测的研究与实现 自动闭塞是根据列车运行及有关闭塞分区状态。自动变换通过信号机显示而 司机凭信号行车的闭塞方法，它是一种先进的行车闭塞方法。自动闭塞是在列车 运行过程中自动完成闭塞作用的。 自动闭塞通过轨道电路( 或计轴器等列车检测设备) 自动地检查闭塞分区的 占用情况，根据轨道电路的占用和空闲状态，通过信号机自动地变换显示，以指 示列车运行。 2 1移频自动闭塞的基本概念 移频自动闭塞【4 1 是以移频轨道电路为基础的自动闭塞。它选用频率参数作为控 制信息，采用频率调制的方法，把低频信号( 疋) 搬移到较高频率( 载频五) 上， 以形成振幅不变、频率随低频信号的幅度作周期性变化的调频信号。将此信号用 作钢轨作为传输通道来控制通过信号机的显示，达到自动指挥列车运行的目的。 其移频信号波形如图2 1 所示。 一 ( 6 ) 耐 l 。1 八、肌n n vvvvv vvv v v 乳_ f 2 一 一l _ 图2 - l 移频信号波形图 f i 9 2 - 1t h ef r e q u e n c y - s h i f ts i g n a lw a v e f o r m s 从图中可以看出，调频信号的变化规律，是以载频信号f o 为中心，作上、下 边频偏移。当低频调制信号输出低电位时，载频五向下偏移鲈( 称为频偏) ，为 五一y ，叫做低端载频( 或称下边频) ；当低频调制信号输出高电位时，载频五向 6 上偏移矽，为五+ 矽，叫做低端载频( 或称上边频) ，可见，调频信号是受低端 信号的调制而作低端载频五一a f 和高端载频五+ 鲈交替变化，两者在单位时间内 变化的次数与低频调制信号的频率相同。 在轨道电路中传输的信息是低端载频五一鲈和高端载频信号工+ 矽，载频石 实际上是不存在的。由于低端载频和高端载频的交替变换接近于突变性的，好似 频率的移动，因此成为移频信号。应用这种移频轨道电路的自动闭塞称为移频自 动闭塞。 在移频自动闭塞中，低频信号用于控制通过信号机的显示，而载频磊( 又称 中心频率) 则为运载低频信号之用，其目的是提高抗干扰能力。 移频自动闭塞的载频中心频率厶选为5 5 0 h z 、6 5 0 h z 、7 5 0 h z 和8 5 0 h z 四种。 在单线区段采用6 5 0 h z 和8 5 0 h z 两种，这是为了防止钢轨绝缘双破损后两相邻轨 道电路产生错误动作，所以，相邻的闭塞分区采用了不同的载频。在双线区段， 由于上、下行线路之间存在邻线干扰，所以上行和下行线路也应采用不同的频率， 上行线采用6 5 0 h z 和8 5 0 h z ；下行线采用5 5 0 h z 和7 5 0 h z 。 在移频自动闭塞中，轨道电路中传输的信息，是利用四种低频控制信号碌， 分别对四种中心载频五进行调之后的移频信号，即五+ 鲈，频偏矽为5 5 h z ，其 频率如表所示。 表2 _ l 移频自动闭塞频率 t a b 2 - 1t h ef r e q u e n c i e so f t h ef r e q u e n c y - s h i f ta u t o m a t i cb l o c k i n g 中心载频厶( h z )上边频正= f o + a f ( h z )下边频石= f o - a f ( h z ) 5 5 06 0 54 9 5 6 5 07 0 55 9 5 7 5 08 0 56 9 5 8 5 0 9 0 57 9 5 由于这些频率正好在电力牵引区段工频牵引电流5 0 h z 的偶次谐波5 0 0 h z 、 6 0 0 h z 、7 0 0 h z 、8 0 0 h z 、9 0 0 h z 附近，而牵引电流的偶次谐波幅值较小，即对移频 信息的干扰较小，这就提高了移频自动闭塞的干扰性能。 在每个闭塞分区的钢轨中传输的移频信息，实际上是以频率为中心载频的下 边频z ( 五一矽) 和上边频五( 五+ 的两个交替变换的正弦交流信息，即厂t 毒厂2 ， 单位时间内频率变换次数由低频调制信号耳决定。 7 2 2z p 一8 9 型移频自动闭塞特点 原移频自动闭塞只有四种信息，若发展四显示自动闭塞，除增加信息量外， 还必须对原设备进行改进，以提高可靠性，扩大功能。信息量增加后，元件数量 必然增加，设备的可靠性随之降低。为此，应在满足系统的故障一安全和提高干 扰能力的基础上，积极采用集成器件，以提高设备的可靠性，并缩小体积。由于 信息量增加，频率间间距缩小，必须提高频率的稳定度。此外，还应改善防雷性 能和适应大牵引电流的抗干扰要求。1 9 8 3 年开始研究四显示自动闭塞，将信息量 从4 个增加到5 个，但难以满足发展列车运行超速防护的要求。1 9 8 8 年又开始研 究集成化多信息移频自动闭塞，将信息量增加到8 个。1 9 8 9 年进行现场运行试验， 1 9 9 3 年通过铁道部技术鉴定，定名为z p 一8 9 型移频自动闭塞，俗称8 信息移频自 动闭塞。 z p 8 9 移频自动闭塞载频仍为5 5 0 h z 、6 5 0 h z 、7 5 0 h z 、8 5 0 h z ，频率配置同四 信息移频自动闭塞，频偏为5 5 h z 。 低频频率有8 个，它们是8 ( 3 0 ) h z 、1 1 h z 、1 5 h z 、2 0 h z 、2 6 h z 、9 5 h z 、 1 3 5 h z 、1 7 5 ( 1 6 5 ) h z 。1 1 h z 、1 5 h z 、2 0 h z 、2 6 h z 为原用低频。8 h z 可作为电 气化区段站内轨道电路用，不传递信息。3 0 h z 一般作双线双向自动闭塞反向运行 时区间轨道电路用，也不传递信息。1 3 5 h z 为绿黄，四显示自动闭塞用，进站信 号机显示绿黄灯时也能用。1 7 5 h z 为黄2 闪，用在特殊情况，如1 8 号道岔侧向通 过时用1 6 5 h z ，四显示自动闭塞可作为黄2 码使用，即在进站信号机显示双黄灯 时，第二接近区段发送黄2 码，供机车信号接收；9 5 h z 备用。 2 3相位连续的移频信号研究 铁路上应用的移频信号为相位连续的移频信号【5 1 ，是通过键控一个移频振荡器 产生的振荡电流信号。 2 3 1相位连续的移频波的频谱分析 首先设键控信号为低频调制信号苁磅，周期为t ，时间表达式为： l 彳当一三 f 三 ( 。2 t 一么二； ， 李 ( 2 1 ) 缈c 力= 【c o o + 一a 正国。当吾t ： ， t ( 一1 ) a o e m s i n 警 2 下巧丽f 当l f 一2 k 时，即1 1 为负偶数时 因为c o s 一( 2 尼州2 ) = ( 一1 ) ，s i n - ( 2 k n 2 ) ：0 ，( 一1 ) = 1 所以隔- 4 0 卜2 姒- 1 ) 等+ ( m + 2 k ) ( - 1 ) * s i n ， ( 一1 ) a 0 2 m s i n 警 2 下五：研尹 将上述n = 0 ，1 ，一1 ，2 ，一2 ，3 ，一3 ，4 ，4 ( 2 k 1 ) 、 - ( 2 k - i ) 、2 k 、( _ 2 k ) ， 代入式( 2 1 6 ) ，化简后得 s p ) = 2 万a 0i 。i 朋s i n ( - 警) c o s 吼f + i 乌c o s ( 等) 【c o s ( 一q 弦一c o s ( 鸭+ q ) f 】一 磊s i n ( 等) 【c o s ( 一2 c a 。) f c o s ( c o o + 2 c o , ) f 】+ 磊c o s ( 等) 【c 。s ( 一3 q 弘一c o s ( + 3 q ) ，】一 再ms i n ( 等) 【c 0 s ( 0 0 4 c o t ) t - c o s ( + 4 r e x ) f 】+ 一 ，m 万、 m c o s l ) 十1 ) 万淼【c o s ( o o 一( 2 k 一1 ) r _ o , ) t - c o s ( c o o + ( 2 k - 1 ) 训小 翌土p筹 4 一 堕陋 。叫广需陋”撕胪酬r 】 7 ， 2 3 2 方波调制的相位连续的移频波的频谱讨论 式( 2 - 1 7 ) 说明，方波调制的相位连续的移频波的频谱，是在载频( 当n - o ) 附近由无限多的成对边频分量组成，其边频为( 一以q ) 和( 鳓+ 刀q ) 。它们之间相 距为q ，各频率分量幅度与幅度4 之比值，称为相对幅度，其分布为 载频分量的相对幅度_ 2 m 刀s i n ( 等) m 刀 z ， 奇次变频分勘槲幅度2 乖2 m 刁c o s ( 警) 偶次变频分量的槲幅度2 孑2 m 刁咖( 等) ( 2 _ 1 8 ) 由此可以作出频谱图，图2 _ 3 所示为只固定，增加，m = o 3 、0 5 、1 、1 5 、 2 、2 5 、3 、4 ；图2 4 所示为鲈固定，互减少m = o 3 、0 5 、l 、1 5 、2 、2 5 、3 、4 。 方波调制的相位连续的移频波的通频带宽度决定于最大频偏的两倍，即 b = 2 对 式中鲈由式2 决定。 由式( 1 6 ) 、式( 2 1 7 ) 和频谱图柚、2 - 4 可以得出下列四点结论： a 相位连续的方波调制的移频波有以载频为中心的两个边带，对应的上、下边带 的大小相等，奇次项上、下边频的相位相反，偶次项上、下边频的相位相同。 b 移频波没有保持原来方波信号的频谱结构，而出现新的频率分量，因此移频信 号是一种非线性调制，不能看作为方波信号的频谱在频率轴上的搬移。 c 由式( 2 - 1 8 ) ，图2 _ 3 可见：当移频指数m 增加时，移频波频谱中载频的幅度 下降，边频幅度则上升，即随着m 的增加，信号功率便扩展到较宽的频带中。 因此在m 较大的情况下，为了不失真地传输移频信号，就要求占用轨道电路 较宽的通频带。即2 a f 增大，才能使主要边频能量通过，这是不利的。 d 当鲈固定，m = v f , = 州c o i 随调制低频f 1 的增加而减小时，频谱中相邻边 频的间隔增大。另一方面m 的减小使较高次数的边频幅度下降，这些边频就 显得不重要了。这一特点在图2 _ 4 中表示很清楚。在原来情况为m = 厂f , = 4 的条件下，保持鲈不变，增大调制频率使之等于3 f 、2 5 f 、2 f 、1 5 f 、1 五 1 4 后，传输主要边频所需要的通频带宽度几乎不变。如果在最低调制频率上m 小于l ，则当调制频率升高时，一次边频就越出同频带，传输最必要的一次边 频所需要的通带应相应加宽，否则波形失真就很大。因此在这种情况下就失去 了调节带宽的作用。另外一次边频分量减小，不带信息的载频分量增大。故通 常选取移频指数m = f 1 。 e 当m 1 5 时，中心频谱幅度不再为晟大值，边频频谱幅度变为最大。边频在 频谱上对应位置附近的三根谱线幅值均不可忽略，分别为幅度前三位的频率谱 线。三者间距为劬，而排列顺序并不确定，但观察频谱图可以发现，幅度最大 的两根谱线总是相邻，而且相距锡。 由上述结论a 、e 可知在上下边频附近存在着 一冗o 】和( o 7 【】上幅度最大的 谱线，且关于中心频率对称。 一7 c o 和( o 一兀】上幅度次大的谱线分别距对应的 最大谱线间距为调制频率劬。 所以对z p 8 9 移频信息的监测可以通过对其发送信号的频谱分析实现。 s ( 忉，舶 1 o o 8 0 6 0 4 o 2 0 s ( m ) i o o 8 o 6 o 4 o 2 o 7 654 3 2 i f l j o l23456 7珊 l s ( m ) i 彳o o 6 o - 4 o 2 0 s ( o j ) i a o o 6 o 4 o 2 o 7 654 3 2l ( 0 0l 23456 7m 7 65432l0 9 01234567 国 7 65432 l ( 0 0l 23456 7国 2 石( 2 蛾 m = 1 5 i 卜 ，- 纳 。j 7 65 43 2l ( 0 0l 23456 7国 卜2 l r ( 2 a f ) 一 m = 2 5 掣l 7 65432l 彩ol23456 7 缈 s ( 珊) a o 1 6 1 51 41 3 1 2i l1 0987 6543210 9 012345 6 7891 01 11 2 1 31 4 1 5 卜一2 万( 2 y ) 一所2 4 一 1 6 彩 987 65432i ( 0 0l2 3 456 7891 01 11 21 31 41 51 6 埘 图2 _ 3 相位连续的移频波频谱( f l 为定值，y 增加) f i 9 2 - 3t h e c o n t i n u o u sp h a s ef r e q u e n c y - s h i f ts i g n a lw a v e f o r m s ( f lk e e p sc o n s t a n t ，a fi n c r e a s e s ) 1 6 2 一 = 一 t i u 2 一 ( 一 万 一 2 _ _r s ( 埘) a e 1 o o 8 0 6 o 4 0 2 o s ( 缈 a o o 8 o 6 o 4 o 2 o 卜2 烈2 4 r 叫 l1 2 露2 驾| 卜 肼= 1 5 一1 432l伽l2 34 国543210 ) ol2345国 s ( ) 彳o 0 6 o 4 o 2 o s ( 缈) a o o 6 o 4 o 2 o 5432i0 7 0l2345国 654321 a ) 0 123456m 卜2 矗- ( 2 v ) 叫 j w = 2 5 5432l 撕l2345 埘 i - - 2 # ( 2 y ) - | ，行= 4 7 6 5 4 3 2l 伽i23 4 56 7 国 图纠相位连续的移频波频谱( 矽为定值，n 增加) f i g “t h ec o n t i n u o u sp h a s ef r e q u e n c y - s h i f ts i g n a lw a v e f o r m s ( a fk e e p sc o n s t a n t ，f ii n c r e a s e s ) 2 4数字信号原理分析6 】 对移频信息的分析已经转化为对信号频谱的分析，但是在实现过程中，由于 无法得到时域信号的表达式舅( f ) ，只能通过采样得到移频信号的离散序列规尼】，所 1 7 = 一 肼 一 卜州l q 一 2 一 (万 一 2 0 一l 以无法直接分析时域信号的频谱x n c o o 】，需要通过离散周期信号的频谱j 忉】间接 分析。结合数字信号处理知识【7 j ，可以分析频谱信号的特点和注意事项。 信号的时域与频域存在一一对应关系，若离散信号珂七】是连续信号舅( f ) 的等间 隔抽样序列，则信号珂纠的频谱函数x 【川】是信号j ( f ) 的频谱函数x ( n o j o ) 的周期 化，即信号在时域的离散化导致其频谱函数的周期化，单一周期内的频谱信息与 连续信号的频谱一致。所以连续信号的频域信息可以通过其等间隔抽样后的信号 频谱研究。 若对时域信号抽样间隔为r ，则抽样频率厶和角频率。分别为厶。= 1 r ， ( - o s a m = 2 r r t = 2 刀厶，当时域信号最大频率为时，为了避免频谱信号周期化过 程中，不同周期的频谱信号之间产生混叠，必须保证厶。2 厶。 通过d 刀计算可以得到对应于时域信号的频域信号。离散信号的频谱信号【8 】 点数与其时域信号点数相同，所以当对时域信号以频率厶进行等间隔抽样，采样 点数为时，其频域信号点数也为，如图2 - 5 ，点o 一1 对应于角度上的肚2 万。 j 【埘】 、， 、厂_ 2 ， 阶、卜 ，j 7 、 d 图2 - 5 频域信号波形图 f i 9 2 0t h ef r e q u e n c y d o m a i ns i g n a l 频谱信号关于点2 互为镜像，而频谱信号中的最右端n 一1 对应的是采样频 率厶。因为厶2 f m ，所以2 1 对应频率肯定大于或等于厶，所以只需要研 究频谱信号中点0 州2 1 部分即可。 对于频域信号中的第m 点，当0 m n 2 1 时，对应角频率 缈= ( 1 t ) ( 2 7 r n ) m = ( 2 矾。n ) m ，进而可得m 点对应的频率表达式为 f = c o 2 万= ( 州) 厶。其中l 为两相邻抽样点之间的频谱间隔，称为信号频 谱分析中的频率分辨率诉。 所以根据预期的频率分辨率可以确定采样点数的大小，由碗2 f m n 可 得2 厶鲲。 当采样频率和抽样点数确定后，频谱分辨率就确定了。由于离散信号频谱的 栅栏现象，无法得到连续信号频谱的全部细节。为了改善栅栏现象【9 1 ，得到较高的 频率分辨率，可以提高采样频率和采样时间，但需要硬件有较高的性能，而且延 长系统巡测周期，降低系统的效率：另外还可以在关心的序列缸尼】后补零。在有限 长序列后补零，不会增加任何信息，补零前后的两序列对应的d t f t 完全一致，但 补零后的频谱分辨率得到有效的提高。 综上，在频谱分析的过程当中的需要注意如下几点： a 采样频率需要大于或等于信号最大频率的2 倍。 b 采样点数的确定可以根据预期的频率分辨率，由式n 2 f 蜕确定。 c 在不增加采样频率和采样点数的情况下，为了得到更高的频率分辨率，将关心 的序列后补零进行细化。 2 5移频监测算法及仿真 2 5 1移频监测算法讨论 根据z p _ 一8 9 制式得知，所要系统所要监测的最大载频为8 5 0 h z ，频偏为5 5 h z ， 所以监测的最大频率值为9 0 5 h z ，根据采样定理，要保证采样信号的完整性，采样 频率需要大于最大频率的2 倍。所以采样频率应大于2 x 9 0 5 = 1 8 1 0 h z 。 设定频谱分析初步的频率分辨率为1 h z ，则n 2 厶蜕= 1 8 1 0 l = 1 8 1 0 。 对实时信号采样可以得到时域信号的离散值，对其作f f t 可以得到频域信号， 实际应用当中，f f t 程序拟选用a r m 函数库中的r f f t 和f f t 函数，两函数均要 求点数为2 的整次幂。所以设定n = 2 0 4 8 ，为了增加频谱分析的裕度，同时提高 实现的方便程度，将采样频率定为2 0 4 8 h z ，采样时间为1 s 。 z p 一8 9 制式下调制频率包含l 位小数，所以本监测设备至少应能精确到 0 1 h z ，从而需要对频谱信号进行细化1 0 倍。假设频谱信息集中在【f l ，f 2 】区间内， 频谱细化【l o 】可以通过以下方法实现： a 将关心的频段f d = f 1 f 2 搬移至0 f d 。 b 将2 0 4 8 点中其它点清零。 c 对搬移后的信号作f f t 反变换。 d 对时域信号每隔1 0 点抽取一点，并将得到的序列用0 补齐2 0 4 8 点。 e 将新的时域信号作f f t 得到频域信号，则每一点代表o 1 h z 。 根据频谱的特点以及上述结论，可以基本确定如下算法，求出载频和调制频 率，其中最大谱线、次大谱线分别指功率谱线幅度最大的和功率谱线幅度第二大 的谱线。 a 设定采样频率为2 0 4 8 h z ，采样时间为l s ，可以得到2 0 4 8 点实时信号的离散信 号。 b 对时域信号进行f f t 变换，得到频域信号，并初步确定中心频率。 c 取中心频率附近2 5 6 点搬移到频域信号最前面的位置，并将其它点幅度清零。 1 9 d 对搬移后的频域信号作f f t 反变换，得到将中心频率附近频段的信号展宽的时 域信号。 e 对展宽后的信号进行再抽样，每隔1 0 点抽取1 点，将重采样的信号点数后面 再补0 ，补齐2 0 4 8 点。 对重采样后的信号进行f f t 变换，得到新的频域信号，此时的频域信号起始频 率应为中心载频一1 0 0 h z ，点间隔代表o 1 h z 。 g 分别在 一兀o 和( 0 兀 上寻找幅度最大的谱线，记录其位置s 1 和s 2 ，其中间 的位置即为中心载频。 h 分别将s 1 、s 2 两侧8 0 点幅度清零，再分别在 一7 c o 】和( o 兀 上寻找幅度最 大的谱线，记录其位置s 5 、s 6 。 i 计算调制频率fm o d l = l s l - - s 3 1 、fm o d 2 = l s 2 s 4 1 ，fm o d l 若与fm o d 2 相差不 大，则可确定为调制频率。 2 5 2移频监测算法仿真 通过m a t l a b 仿真可以验证本算法是否可以实现预期的功能。 在m a t l a b 程序当中原始时域信号的产生可以通过式( 2 1 6 ) 的n 取不同值得到， 根据上述算法编写程序，可以得到不同m 值时的时域抽样、频域图、频域信号细 节、新频域图以及运算结果。以调制频率为1 3 5 时为例，各图如下： 图2 _ 6 移频仿真信号时域抽样 f i 9 2 - 6t h ed o m a i ns a m p h n gs i g n a l f r e q u e n c y - s h i f ts i m u l a t i o n 2 0 0 5 0 0 1 0 0 01 5 0 02 t ) 0 02 5 0 0 图2 - 7 移频仿真信号频域图 f i 9 2 - 7 t h ef r e q u e n c y - d o m a i nf r e q u e n c y s h i f t s i m u l a t i o ns i g n a l 汀扑剡誓m三三川精rj旧。-曩框啊卟一靠雠一。靠j i 5一=：旧三=协m厂靠 一 1 a i , i 7 8 0 8 0 0 8 2 0 9 0 00 1 0 02 4 0 05 0 0 图2 8 频域信号细1 ， f i 9 2 - 8t h ef r e q u e n c y d o m a i ns i