（信号与信息处理专业论文）基于labview平台的键控移频信号解调研究.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 基于l a b v i e w 平台的键控移频信号解调研究 摘要 无绝缘轨道电路是一种先进的列车控制系统。它以钢轨作为信号传 输线，来满足传送多控制信息的需要。这种轨道电路的可靠性及其传输 控制信号质量的好坏，直接关系到列车的运行安全。因此，定期检测轨 道电路的频率、电压等参数，以判断轨道电路及其信号设备是否处于最 佳工作状态，可以及时消除隐患，确保铁路安全行车。 本课题针对轨道电路信号的特点，研究了其参数解调方法。主要研 究内容：在存在区段牵引电流干扰的情况下，实现电化区段和非电化区 段的移频信号电压，移频信号( 调频信号) 的上边频、下边频、载波 频率的高精度解调。 本文详细介绍了如何解决在线测试现代电气化铁路轨道电路参数的 技术难题。由于轨道电路信号是一种相位连续的f s k 信号，其波形为 低频信号调制中心载频信号后产生的低端载频( 下边频) 和高端载频( 上 边频) 两个交替变化的正弦交流信号。电气化铁路中测试轨道电路信号 存在许多干扰，如牵引电流回流的干扰；信号传输电缆受牵引网络系统 的感性、容性藕合的干扰；运动中的电力机车上的电动力系统对下面的轨道 电路的感应性干扰等。在测量移频信号的上、下边频及载波频率时，采 用能够从强噪声背景下可靠分离频谱信息的e m d 算法，结合f f t 变 换，直接测量上、下边频。基于l a b v i e w 虚拟仪器平台开发环境，组建 软件解调方案。 关键词轨道电路；f s k 信号；e m d ；l a b v i e w 哈尔滨理工人学丁学硕士学位论文 t h ef r e q u e n c y - s h i f tk e y i n gs i g n a ld e m o d u l a t i o n r e s e a r c ho nl a b v i e w ab s t r a c t t h ei o i n t l e s st r a c kc i r c u i ti sa na d v a n c e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hi su s e dt o c o n t r o lt h et r a i n s t h er a i li su s e da st r a n s m i s s i o nl i n ef o rt r a n s m i t t i n gs i g n a l si n t h i s s y s t e m ，t h u s t om e e tt h en e e do ft r a n s m i t t i n gm u l t i - p u r p o s ec o n t r o l i n f o r m a t i o n t h er e l i a b i l i t ya n dt h eq u a l i t yo ft h et r a n s m i t t e ds i g n a l sh a v ed i r e c t r e l a t i o nt ot h es a f e t yo ft r a i n s f u n c t i o n h e n c e ，t od e t e c t t h ep a r a m e t e r s p e r i o d i c a l l y , s u c ha sf r e q u e n c y 、v o l t a g ea n dc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r s e t c ，i n o r d e rt o i n s p e c ti f t h et r a c kc i r c u i ta n ds i g n a le q u i p m e n t sa r ew o r k i n gg o o d f i n a l l y , t h eh i d d e nd i s a s t e r sc a nb ea v o i d e d ，a n dt h es a f e t yo ft h et r a i n s f u n c t i o n c a nb ee n s u r e d i nt h i ss u b je c t m e t h o d so fd e t e c t i n gt h o s ep a r a m e t e r sa r er e s e a r c h e d ，w h i c h i sa i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a c kc i r c u i ts i g n a l t h em a i nc o n t e n t so ft h i s s u b j e c ta r ea sf o l l o w s ，t h er e a l i z a t i o no fo n - l i n ed e t e c t i n gt h ef r e q u e n c yo f c a r r i e r a n dm o d u l a t e ds i g n a l s ，t h ev o l t a g eo ft h ef r e q u e n c ys h i f t i n gk e y ( f s k ) s i g n a l ， w h i l ea l lo ft h e ma r ec a r r i e do u tw i t h o u ti n t e r r u p t i n gt h et r a i n s f u n c t i o n ，a n dn o t h a v i n gt oi n s t r u c tt h em o n i t o r s h o wt or e s o l v es o m et e c h n i c a lp r o b l e m so ft r a c kc i r c u i t sp a r a m e t e r so n l i n e t e s t e di ne l e c t r i c a lr a i l w a yi si n t r o d u c e di n t h i ss u b je c t b e c a u s e t h et r a c k c i r c u i ts i g n a li sap h a s e c o n t i n u o u sf s ks i g n a l ，i g n a l ，i t sw a v e f o r mi st w oa c s i n es i g n a lo fa l t e r n a t i n gi e u p p e rf r e q u e n c ya n dl o w e rf r e q u e n c yw h i c hw a s g e n e r a t e db yl o wf r e q u e n c ym o d u l a t i n gm i d d l ef r e q u e n c t r a c kc i r c u i ts i g n a lt e s t e x i s tl o to fi n t e r f e ；r e n c ei ne l e c t r i f i e dr a i l w a y ，s u c ha si n t e r f e r e n c ew i t h t h e r e t u r no ft r a c t i o nc u r r e n t ；s i g n a lt r a n s m i s s i o nc a b l e sa f f e c t e db yt h ee m o t i o n a l t r a c t i o nn e t w o r ks y s t e m ，c a p a c i t i v ec o u p l i n go ft h ei n t e r f e r e n c e ；e x e r c i s eo f e l e c t r i cl o c o m o t i v eo nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mt ot h ef o l l o w i n gt r a c kc i r c u i t i n d u c t i o no fi n d u c t i v ei n t e r f e r e n c e i nt e s t i n gu p p e rf r e q u e n c y , l o w e r f r e q u e n c y ，a n dm o d u l a t i n gf r e q u e n c y ，t h e e m da l g o r i t h mi s a d o p t e d ，e m d i l 哈尔滨理t 大学工学硕：t 学位论文 a l g o r i t h mc a n e x t r a c tav a r i e t yo ff r e q u e n c yi n f o r m a t i o nf r o ms t r o n gb a c k g r o u n d n o i s er e l i a b l y t h e nt h eu p p e rf r e q u e n c ya n dl o w e rf r e q u e n c yc a nb eo b t a i n e d d i r e c t l yc o m b i n e dw i t hf 丌t r a n s f o r m t h ef o r m a t i o no fs y s t e mt e s tp r o g r a mi s b a s e do nl a b v i e wv i r t u a li n s t r u m e n tp l a t f o r me n v i r o n m e n t k e y w o r d s t r a c k c i r c u i t ，f r e q u e n c y s h i f tk e y i n gs i g n a l ，e m p i r i c a l m o d e d e c o m p o s s i t i o n ，l a b v i e w i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于l a b v i e w 平台的键控 移频信号解调研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名t日期：年月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文实用授权书 基于l a b v i e w 平台的键控移频信号解调研究系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 女1 吼焊 i f 剔磁轹f 乎- 陟 ，i ，一r 日期：莎1 年髟月相 日期：d 嘶 | 年彭月驴日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 铁路在我国交通运输业中具有举足轻重的地位，是保证我国客运畅通的重 要运输方式之一，是中长途旅客运输的主要力量。同时，铁路又是我国国民经 济的大动脉，它对于促进城乡物资交流、繁荣社会主义市场经济起着不可替代 的作用。随着列车运行速度的提高，以及重载发展的要求，铁路运输系统面临 着很大的挑战。为了提高铁路的运输能力，除增加新干线，积极改革动力外， 信号通信设施的技术改造以及新增干线通信设施的配套建设，大力发展铁路自 动化，有着十分重要的意义。 铁路信号又称铁道信号，是铁路上用的信号、连锁、闭塞等设备的总称。 铁路信号的主要功能是保障行车安全和提高运输能力。随着铁路信号技术的发 展和先进设备的广泛应用，铁路信号已成为提高铁路区间和车站通过能力，增 加铁路运输经济效益、改善铁路职工劳动条件的一种现代化管理手段和发展前 沿的科学技术。 在铁路运输过程中，为了使列车的运输管理直接与信号设备发生关系，通 常是把钢轨作为信号的传输导线，其间的轨缝用接续导线连接起来，在一定的 轨道区段0 k i n ) 两端的接缝上要装有绝缘，一端送电，另一端受电，构成了这 样一段又一段的轨道电路。在我国轨道电路分为以下几种制式：交流轨道电 路；移频轨道电路；相敏轨道电路；无绝缘轨道电路等。通常情况下钢轨的两 轨之间的电压为0 3 v 1 5 v ，流经的电流为0 3 a 1 5 a ，电路道渣阻抗一般为 0 1 5 2 1 5 2 f 2 ，在移频轨道电路中，最小电压5 0 m v ，最小电流5 0 m a 。轨道电 路因各地的地理条件，如地势、土质、温度、湿度、气候等差异，或呈感性， 或呈容性。铁路部门只有定期检测轨道电路的电压、频率等参数，才能确定轨 道电路及其信号设备是否处于最佳状态，及时消除故障隐患，确保铁路安全行 车。 由于干扰信号的存在，尤其电气化区段电力机车牵引电流及谐波的干扰， 又没有专用的动态“在线 测试仪器，我国现阶段没有开展正常的测试轨道电 路综合参数的工作。而且轨道电路的被测信号均为特殊频率的信号，而机电工 业通用测试仪表不能满足轨道电路信号检测的特殊要求，这既影响测试结果， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 又没有反映出铁路运输过程中的各种参数的大小及其动态相互关系。给行车安 全，行车速度及行车密度带来极大的影响。现行的信号综合参数的测试方法及 测试手段已远远落后于迅猛发展的铁路运输业。近几年我国铁路不断提速，而 增加行车速度和行车密度的保证是准确无误的行车信号系统。因此研究铁路轨 道电路信号的综合参数测试、实现轨道信号的高精度解调已经势在必行扭1 。 1 2 移频轨道电路信号概述 轨道电路是铁路交通系统中调整列车运行的现代化自动控制与远程控制系 统的重要组成部分，是关系到列车运行安全的基础设备。它是以铁路线路上的 两根钢轨作为导体，两端为钢轨绝缘( 或电气绝缘) 分界，并用导线连接信号源 和接收设备构成的电路。简言之，轨道电路就是钢轨线路和连接于其始端及终 端的器械的总称。用以检查有无列车、传递列车占用信息及实现地面与列车间 互通信息的电路。它的工作可靠与否、安全与否将直接影响列车运行的安全与 效率m 。 轨道电路有多种分类方法，按结构可分为开路式轨道电路、闭路式轨道电 路；按信号电流的种类分为直流轨道电路、交流轨道电路和脉动轨道电路；按 分支轨道电路接受电端的多少，分为一送一受轨道电路和一送多受轨道电路。 以上都是有绝缘轨道电路，除此以外还有无绝缘轨道电路。无绝缘轨道电路有 着以下优越的性能旧1 ：故障率小、维修方便；高速列车在长钢轨区段更能平稳 行驶；在电力牵引区段可以取消扼流变压器；便于地面设备向列车可靠地传递 信息，从而实现较高程度的列车自动控制系统。为了提高自动闭塞制的可靠 性，正在广泛使用无绝缘轨道电路。无绝缘轨道电路所采用的频率范围一般为 音频或高频。因为在此范围内便于采用各种有效的调制方式，也便于实现邻段 隔离。一般来说，频率愈高死区段愈短，轨道电路的长度也愈短；另外，无绝 缘轨道电路多用于交流电化区段，频率参数的选择必须满足抗牵引电流回流的 干扰，传输的信号一般采用移频键控信号，以低频调制频率表示信息睁u 1 。 1 2 1 移频制式轨道电路的频率配置 为了检查列车占用钢轨线路状态，美国人鲁宾逊1 8 7 0 年发明了开路式轨 道电路；1 8 7 2 年研制成功了闭路式轨道电路，于1 8 7 3 年首先在宾西法尼亚铁 路试用，从此诞生了铁路自动信号。 2 0 世纪5 0 年代起长钢轨在世界各国得到了广泛采用。6 0 年代，法国 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 c s e e 公司就开始研究u 型轨道电路使用无绝缘节，载频采用单频信号，其频 率为：1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 和2 6 0 0 h z 。1 9 7 1 年c s e e 公司研究开发了 u m 7 1 型无绝缘轨道电路，用电气绝缘接头取代机械绝缘接头，电气绝缘接头 长度为2 0 m ；无空心线圈，轨道电路长度为5 0 0 m 。其后经过局部电路改进和 系统完善，c s e e 公司研制出以u m 7 1 无绝缘u 型( 带调制) 移频轨道电路为基 础，结合带速度监督的t v m 3 0 0 机车信号及测速超防护设备共同组成了完整的 u t 系统。该系统可提供1 8 种移频信息，地面设备集中在室内。并于1 9 7 5 年 开始安装在巴黎至里昂的高速线路上，1 9 8 1 年用于东南线，1 9 8 9 年扩大应用 于大西洋高速行业线，1 9 9 0 年正式施工修建在北部线。此外该系统在阿根廷、 澳大利亚、比利时、西班牙、朝鲜、南非等国也安装了数千套。已具有多年的 运营经验，该系统可用在3 0 0l 【r i l l l 的高速线上，属于较成熟系统，为8 0 年代 初国际先进水平n 2 _ 引。 英国西屋公司n 7 删( w e s t m gh o u s e ) 的f s 2 5 0 0 轨道电路也是f s k 制式，其 载频采用4 种频率：1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、2 6 0 0 h z ，调制频率4 个： 1 3 2 h z 、1 5 6 h z 、1 8 h z 、2 0 4h z ，频偏厂为1 2 5 h z 。西屋公司新开发应用于 地铁的f s k 制式轨道电路载频为：4 0 8 0 h z 、4 3 2 0 h z 、4 5 6 0 h z 、4 8 0 0 h z 、 5 0 4 0 h z 、5 2 8 0 h z 、5 5 2 0 h z 、6 0 0 0 h z 。调制频率有1 4 个，从2 8 h z 到8 0 h z ，间 隔4 h z 。 日本的轨道电路技术发展较快，也是采用f s k 制式轨道电路，载频选用 四个：1 7 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、2 9 0 0 h z 、3 5 0 0 h z 。调制频率两种：一种是1 0 个信息 ( 1 0 h z ，1 3 h z 、1 6 h z ，1 9 h z ，2 3 h z ，2 6 h z ，3 1 h z ，3 4 h z ，3 7 h z ，4 1 h z ) ，期 偏为4 0 h z ；另一种是1 5 个信息，其频率除上面1 0 个外又增加5 个( 4 5 h z 、 5 5 h z 、6 1 h z 、6 7 h z 、7 3 h z ) ，而频偏为7 0 h z 幢h 5 1 。 1 2 2 我国移频轨道信号的特点 我国现有4 信息移频轨道电路信号，载频上行线采用的中心频率凡是 6 5 0 h z 和8 5 0 h z 两种载频频率交替配置，下行线采用的中心频率厶是5 5 0 h z 和7 5 0 h z 两种载频频率交替配置，频偏厂为5 5 h z ，与上述国外移频制式相 比，由于我国特殊的设计和使用背景，它有以下的不利特点： ( 1 ) 信号载频低。信号载频越低受至u 5 0 h z 牵引电流谐波干扰就越大，这是 因为5 0 h z 牵引电流的谐波分量的分布规律大体上是低次谐波能量大，高次谐波 能量小。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 调制频率的准确性差。现有移频轨道电路的调制频率由l c 振荡器产 生，频移范围为2 ，频移是比较大的。 ( 3 ) 频偏为5 5 h z ，因此相邻载频的移频信号有一个边带重叠。如5 5 0 h z 信号 以6 0 5 h z 为中心的边带和6 5 0 h z 信号以5 9 5 h z 为中心的边带重叠，这对信号的抗 干扰性不利。 ( 4 ) 接收设备接收到的信号幅度小，非电化区段要求机车接收钢轨最小短路 电流2 7 r n a ，电化区段6 6m a 。而引进的法国u m 7 1 轨道电路钢轨的最小短路电 流5 0 0 m a ，两者相比差距是很大的。信号小对信号抗干扰不利。 ( 5 ) 轨道电路的长度长，最长2 6 k m ，并且不设轨道补偿电容。因此对机车 信号的接收来讲轨道电路的终端接收信号与始端接收信号相差甚大，即信号的 动态范围很大。这对机车信号接收不利。 8 0 年代末，我国引进了法国研制的u m 一7 1 无绝缘轨道电路，这种轨道电 路传送信息量大，不但可以检测列车，而且可由钢轨线路向超速防护系统发送 速度级别信息，现已得到普遍应用乜蝴1 。 1 3 移频轨道信号参数测试技术的现状 由于历史等各方面的原因，我国在轨道信号电路测试方面的研究处于落后 状态，与先进国家相比仍处于七十年代末的水平。我国一直没有开展同时检测 轨道信号电路的综合参数：电压、电流、相位、频率等的测试装置的系统研 究。现行的轨道信号测试手段越来越落后于铁路设施及运输管理的发展，随着 我国经济及铁路运输业的发展，这方面的矛盾越来越突出。 随着国民经济的发展，近年来，我国电气化铁路的修建速度也在逐年加 快。电力牵引适合高速、重载和大密度的要求，是铁路理想的牵引动力。但同 时，电气化铁路本身又是一个极大的干扰源，它对铁路沿线的通信信号设备产 生很大的干扰。对这些干扰的研究与防治，通信领域已做了大量工作，比如国 际上c c i t t 的电力线路对通信的影响的计算导则、我国的四部协议等 等。这些技术文件己在前人的工作成果上对通信设备的干扰工作提出了一系列 的建议和标准。但是对信号设备而言，目前尚无相应的建议和标准。 在国外，原苏联、法国、日本等发达国家都相继完成了这方面的深入研 究，并生产出适合其本国国情的轨道电路参数专用测试仪器。法国的无绝缘轨 道电路，行车速度为3 0 0 公里d , 时；同本的磁悬浮列车的行车速度大5 0 0 多公 里d , 时。其信号综合参数测试均为带电在线测试，尤其在电气化区段，可在 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 行车过程中同时测量几个电参数。 按干扰的性质分类，电气化铁路对信号设备的干扰大致可分为五类： ( 1 ) 轨道电路和机车信号受钢轨中不平衡牵引电流回流的传导性干扰； ( 2 ) 信号传输电缆受牵引网络系统的感性、容性藕合的干扰； ( 3 ) 运动中的电力机车上的电动力系统对下面的轨道电路的感应性干扰； ( 4 ) 沿线及站场的固定电力电子设备( 区间自动闭塞的收法设备、调度集中 设备、信号设备的检测系统、电气集中设备、自动闭塞电源系统等) 受电力牵 引系统的放射、藕合、回流地电位升高等的影响； ( 5 ) 机车上机车信号、自动停车及相应的传输等受电力机车的电、磁、电 磁放射源的影响。如图1 - 1 为电力机车供电系统线路图。 图1 - 1 电力机车供电系统线路图 f i g 1 1s c h e m a t i c d i a g r a mo fe l e c t r i c a ll o c o m o t i v ef e e ds y s t e m 由于在轨道电路存在以上5 种干扰，因此在轨道电路的信号检测过程中存 在以下技术缺陷。 ( 1 ) 抗干扰性能差。一般各种制式的轨道电路都不能防护5 0 h z 工频及交 流电气化区段牵引电流的干扰。如图1 2 为电气牵引区段轨道电路框 图。 ( 2 ) 轨道电路的钢轨绝缘的破损的防护能力差 目前，我国轨道电路的钢轨绝缘是一个薄弱环节，它在车轮的冲击下易破 损。所采取的相位交叉( 直流轨道电路也称为极性交叉) 的防护是不可靠的。所 谓相位交叉( 极性交叉) 就是使相邻两轨道区段，在绝缘节处，电极性相反。在 两区段空闲时，发生绝缘破损，两轨道的电源因极性相反，产生叠加，其结果 是：一是使流过轨道继电器的电流减小，以致继电器失磁落下( 条件是：两区 段均在空闲；两边电压大体相等) ，二是相互之间产生干扰。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ，r + 信号电流牵引电流 li 一 l li ，r 、 上 。、 土 。、 t 。i r r r r 图1 2 电气牵引区段轨道电路 f i g 1 - 2t r a c kc i r c u i to ft h ee l e c t r i f i e dt r a c t i o nb l o c k 研究信号设备在上述五种干扰下的测试，解决轨道电路的技术缺陷应完成 如下三项测量： ( 1 ) 在干扰情况下，准确地测量轨道电路信号的参数。 ( 2 ) 干扰参量强度的测量和受干扰程度的测量。 ( 3 ) 信号设备在受干扰的工作环境下误动的灵敏度测量。 目前，我国仍然采用传统的开短路法测量轨道电路参数，还没有在干扰情 况下，准确地测量轨道电路信号的参数。仅仅在干扰( 施扰电参量强度的测量) 和受干扰程度的测量中完成动态测试和系统分析中有一定进展。 1 4 本文的主要研究内容 为了解决我国轨道电路测试手段落后的状况，满足轨道电路信号参数高精 度解调的需求。本课题以国产移频轨道轨道电路为基础，根据轨道电路信号工 作的基本原理，研究了该轨道电路参数高精度解调的方法，在进行大量的仿真 实验和调试后，编制了测试软件，实现了键控移频信号的高精度解调，为测试 仪的进一步改进和完善奠定了基础。 论文结构如下： 第1 章概述了轨道电路发展与应用，介绍了轨道电路的发展历史，进而介 绍了国内外轨道电路参数的测试方法。最后叙述了本课题研究内容与结构。 第2 章从轨道电路的组成入手，简单叙述了轨道电路的工作原理。重点阐 述了本课题所采用的测试方法、原理。 第3 章介绍了虚拟仪器的概念和l a b v i e w 图形化编程语言。详细阐述了 从数据采集到信号分析各个功能模块电路的原理和可实现性。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第4 章是系统的软件实现，从系统所采用的编程语言与编程环境开始，逐 步介绍了各个子程序的功能与实现流程图。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章键控移频信号分析及算法选择 要实现轨道电路信号的高精度解调，首先需要了解铁路轨道电路信号的原 理和轨道信号的数学描述形式，进行各种算法的比较并加以选择，然后提出整 个软件的总体设计方案。 2 1 轨道电路信号系统的工作原理 为了使列车的运行直接与信号设备发生关系，把钢轨作为传输导线，其间 的轨缝用接续线连接起来，在一定的轨道区段的两端的轨缝装上绝缘，一端送 电，另一端受电，构成这样的一段一段的电路，叫做轨道电路，其结构组成如 图2 1 所示。 轨道连接器 图2 1 轨道电路构成图 f i g 2 1t h ec o n s t i t u t i o no ft r a c kc i r c u t 钢轨线路是由轨条、轨端接续线( 亦称连接线或导接线) 和钢轨绝缘等组 成。轨端接续线是轨条沟通轨道回路用的，钢轨绝缘则是为了分隔或划分回路 而设置的。 送电端( 亦称电源端或始端) 是由轨道电源和限流器等组成。根据轨道电路 的类型不同，轨道电源可以用铅蓄电池浮充供电( 或其它直流电源) ，也可以用 轨道变压器或信号发生器供电。限流器一般可以用电阻器或电抗器构成，它的 作用是保护电源设备，当轨道电路被机车车辆分路时，防止电流过大而损坏电 源，并保证在列车占用轨道时，轨道继电器能可靠地落下，对某些交流轨道电 路而言，它还兼有相位调整的功效。轨道电源使用电子设备时，般都不需要 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 限流器。 受电端( 亦称继电端或终端) 的主要设备是由轨道继电器来控制的，用它来 接收轨道信号电流来反映轨道电路的工作状态。电子轨道电路的接收设备一般 采用电子器件，其作用和轨道继电器相同。送、受电端的设备，都是通过引接 线( 钢丝绳) 接向轨道的心引。 轨道电路是铁路信号基础设备( 如自动闭塞、电气集中等) 的基础，借助它 可以监督列车在线路上的运行情况，并借助它可传递与行车有关的各种信息。 最简单的轨道电路结构形式如图2 2 所示。 l 。 q 卜 _ ( ) j w a )b ) 图2 2 轨道电路工作原理图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft r a c kc i r c u i t 工频电源( 2 2 0 v ) 由轨道变压器的一次侧引入，变压后经限流r 及引线从轨 道电路的始端出发，经过轨道线路传到轨道电路终端，再经中继变压器实行阻 抗变换后，由电缆传至设置在信号楼的轨道继电器的交流输入端子，通过桥式 整流将交流电变成脉动直流电，带有铁芯的继电器线圈通过直流后，便产生磁 力，吸引衔铁，使轨道继电器呈励磁状态。当轨道区段内有车辆占用，或者发 生断路故障时，流经轨道继电器的电流将急剧地减少，致使衔铁失磁落下，轨 道继电器呈失磁状态。 平时，列车未进入轨道电路，即线路空闲时，电流流过轨道继电器线圈， 使继电器保持在吸起状态，接通信号机的绿灯电路，允许列车进入轨道电路， 如图2 2a ) 所示。当列车进入轨道电路区段内，即轨道线路被占用时，电流同 时流过机车车辆轮对和轨道继电器线圈，由于轮对电阻比轨道继电器线圈电阻 小得多，使电源输出电流显著加大，限制电阻( 限流器) r 上的压降随之也增 大，送向两根钢轨间的电压降低。因而流经轨道继电器线圈的电流减d , n 继电 器的落下值，使轨道继电器释放衔铁，用继电器的后接点接通信号机的红灯电 路，向续行列车发出停车信号，以保证列车在该轨道电路区段内运行的安全， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 如图2 2 b ) 所示。 铁路信号包括了区间自动闭塞、列车自动控制、车站联锁、行车调度指挥 等技术领域，而其中直接关系到列车安全高速运行的关键技术就是列车自动控 制系统。列车自动控制系统通过感应器接收由区间自动闭塞系统以钢轨为载体 传输的轨道电路信息，实现列车高速运行时的安全控制汹1 。典型系统原理框图 如图2 3 所示。 机车总线列车控制系统 模式曲线计算模块k 叫h 叫列控系统自检模块 线路数据存储模块 陌匠面稠 显示器 记录器 垫! 堡! 兰竺竺垫巾_ = = = = = 瓦磊网l 伟赢 钢轨 接收感应器 轨道电路接收模块轨道电路发送模块i 区间自动闭塞 图2 3 高速列车安全控制系统原理框图 f i g 2 - 3h i g h s p e e dt r a i ns a f e t yc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 自动闭塞是列车运行自动化的基础设备，它对保证行车安全，提高区间通 过能力起着重要作用。在非自动闭塞区段，是利用车站来隔离列车。也就是 说，两个车站之间只允许一个列车运行。当列车从甲站发出并进入甲乙两站之 内( 区间) 后，必须等待列车到达乙站才允许甲站发出第二趟列车。因此区间的 通过能力受到限制。自动闭塞就是利用时间和空间来隔离列车的一种方法。这 些信号机的位置是根据一定的列车时隔通过列车牵引计算确定的。它们把两个 车站之间的空间分割成若干段小空间，这些小空间我们称它为闭塞分区f 其长 度一般为1 2 0 0 m 一1 3 0 0 m ，大于列车的制动距离) 。设在闭塞分界处的信号机称 为通过信号机( 均为色灯信号机) 。采取这种措施后，在两站之间允许多个后续 列车运行。这样就提高了区间的通过能力。 自动闭塞按列车追踪运行时隔长短一般分为1 0 分钟制、8 分钟制和6 分钟制 三种，按显示的数量可分为二显示，三显示和四显示三种。目前我国大部分为 1 0 分钟或8 分钟制。 由于车速提高使列车制动距离加大，对于高速行使的列车，原有的前后两 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 列车之间所间隔的闭塞分区长度已不能满足列车从司机看到红灯到完全停下来 所需要的制动距离。为了保证行车安全，只能使两列车之间所问隔的闭塞分区 由一个增加到2 个，这样就需要更多的信息显示。 移频自动闭塞是一种选用频率参数作为信息的闭塞制式。它是利用调制方 法把这些低频信息搬移到较高频段并形成振幅不变，频率则由f 付厶交替变 化的信号波形，并且以两条钢轨为传输通道，达到指挥列车运行的目的。因 此，它是一种方波调制系统。 移频轨道电路的频率配置和信号传输方式是在同一线路的两相邻闭塞分区 必须采用不同的频率，而且两相邻的平行线路也应该采用不同频率。为此一般 上行线规定采用的中心频率厶是6 5 0 h z 和8 5 0 h z 两种载频频率交替配置，下 行线规定采用的中心频率磊是5 5 0 h z 和7 5 0 h z 两种载频频率交替配置，频偏 厂为5 5 h z 。图2 4 是上下行线频率配置的原理图。 上行方向 下行方向 图2 _ 4 上下行频率配置原理图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fu pd i r e c t i o na n dd o w nd i r e c t i o n 矗e q u e n c ya l l o c a t i o n 假设上行线有两列追踪列车a ，b 运行。a 列车是在1 g 分区，b 列车是 在4 g 分区。由于1 g 有列车占用，故a 信号点的黄、绿灯继电器u j ，u 均处 于落下状态，利用这种条件，使信号机a 显示红灯，同时a 点的发送设备自动 向2 g 发送2 6 h z 调制信号的移频信号。b 点的接收设备接收到2 6 h z 的低频信 息后，b 信号点的黄灯继电器u j 吸起，利用u j 吸起条件，使b 点信号机显示 黄色灯光，同时使b 点发送设备向3 g 发送1 5h z 调制信号的移频信号。c 信 号点的接收设备接收到1 5h z 低频信息后，绿灯继电器u 吸起，使c 点信号 机显示绿色灯光。并且c 点的发送设备自动向4 g 发送1 1h z 调制信号的移频 信号。由于后续列车b 己进入4 g 分区，信号机c 显示绿色灯光，列车按绿灯 速度继续运行。如果列车a 由于某种原因停在1 g 区间，则当后续列车b 进入 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 到3 g 分区，则信号机b 显示黄灯则应减到黄灯速度。当后续列车b 进入到 2 g 分区时，由于前方信号机a 显示红色灯光，司机开始使用常规制动措施， 使列车b 能在红灯信号机a 的前方停住。这样就可实现根据列车站用分区的状 态，自动改变地面信号的显示，准确地指挥以规定的速度运行，使区间自动闭 塞信号实现自动控制的目的。 2 2 轨道信号数学模型的建立 2 f s k ( b i n a r yf r e q u e n c ys h i f tk e y ) - - 进制频移键控调制又称二进制数字频 率调制，是数字通信领域广泛应用的一种通信调制方式。2 f s k 信号数学基本 原理简单来说就是利用数字基带信号引起的相位变化量去调制载频信号，控制 上边频和下边频的切换，实现数字信息的传输。根据对边频切换时机的不同， 2 f s k 调制又分为相位连续方式和相位不连续方式，我国铁路信号区间自动闭 塞系统的主要制式为国产多信息移频和9 0 年代初从法国引进的u m 7 1 ，目前 这两种自动闭塞系统已经广泛应用于我国的干线铁路，两者传输信号均采用相 位连续的2 f s k 调制方式。 在这两种不同制式的设备中，除了所采用的调制方式相同外，它们还具有 铁路信号所特有的共性：即低频调制信号疋d 为方波方式，依靠方波频率的变 化，实现列车不同速度等级的编码。铁路2 f s k 调制信号的通频带、低频调制 信号有着极其严格的限定，有别于民用通信领域常规信号。 假设f s k 信号可用周期信号j ( ，) 表示，则描述f s k 信号的一般数学表达形式 为船1 3 2 1 s ( ，) ；a c o s 2 a f ( t ) + ( ，) 】，0s f r ( 2 1 ) 式中，厂( f ) 为键控频率；t 为键控信号的周期；妒( f ) 为瞬时相位。 根据f s k 信号的定义，不失一般性，键控频率厂( f ) 的瞬时表达式可写为： 厂( f ) 一 式中，兀为调制信号的中心频率，v 为信号频偏，以为信号的上边频，z 为 信号的下边频。 假设初始相位为零，s ( f ) 的表达式可写为： 芍q 丁一2 丁 。 r ，引 、i 叭 丁一2 厶 石 蕾 毒 鲈 鲈 厶 厶 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s ( r ) =卜b ( 厶+ 钔，1 0 ； t 彳c o s h ( 兀一如一吾，+ 幼c 厶+ 厂，三】，三 ， 丁 一p ac o s 2 姚坷( f 。瑚+ a f ) t l + o 蝴 t t j 弘丁 l 么c o s 【幼【厶一鲈夕+ 蝴j 軎 f 丁 推导得广域上的s ( f ) 的表达式为： s ( ，) 一 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 彳c o s b ( 兀一卿+ 埘圳l 莩r 丁 彳c o s b ( 兀+ a f ) t 一埘圳1 ，z 丁乏， ：c ，o ) + ( ，) ( 2 1 3 ) 舒 这样就把检测信号x ( ，) 分解成一组i m f 函数的线性组合，这种分解方法 就称作经验模式分解法，简称e m d 方法m q 引。 通过上面的阐述，我们了解了e m d 方法的基本原理。现在，我们来讨论 e m d 方法能够从噪声背景下提取出f s k 信号的原理。 n e h u a n g 等学者证明了公式( 2 - 1 3 ) 中c j ( t ) 是相互正交的，并且i m f 函数 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 q i j f ) 构成的集合是完备的，根据f s k 信号的特点，我们可以知道此信号也是 i m f 函数，对于每个检测信号x ( ，) ，用e m d 方法都可以分解成完备的相互正 交的一组i m f 函数的线性组合。令这组i m f 函数构成的集合为 q ( t ) = c 。( ，) c 2 ( r ) c n o ) ) ，则q 为完备的正交集。若f s k 信号s ( f ) 混在检测信 号x ( o 中，则有 s o ) 一k 毒q ( ，)( 2 - 1 4 ) 其中，k 为某一常数，c i ( f ) o ，所以，用e m d 方法可以分解出f s k 信 号s ( ，) 。在实际中，由于受采样频率和计算速度的影响，不能将检测到的信号 分解的很细，通常是几个i m f 函数的线性组合构成一层，所以，有用信号的能 量过低时，用e m d 方法也无法分解出来。 用e m d 方法将接收到的信号x “) 分解成不同频率的层后，只是完成了 f s k 信号检测的第一步。用e m d 方法，在分解后的各层信号中，只有某一层 是有用的f s k 信号，至于是哪一层，我们还不能直接从分解出的信号层中确 定。然而，通过e m d 方法我们已经把f s k 信号从强噪声背景下提取出来，只 是不知道f s k 信号存在于被分解出的哪一层。由于用e m d 方法从强噪声背景 下分解出的f s k 信号还存在一些小的干扰噪声，所以，我们用抗干扰性和可 实现性较好的f f t 变换对分解出的各层信号做f i 丌变换，根据f s k 信号的特 点和频谱特征，我们就可以探测到f s k 信号，获取有用的信息，由此可得到 基于e m d 的f s k 信号解调算法步骤如下。 ( 1 ) 对信号x ( ，) 找出极大值和极小值点，再分别对极大值和极小值点用三 次样条曲线进行插值得到上包络线v ，( ，) 和下包络线v ，( r ) ； 1 ( 2 ) 计算二者的均值m 。o ) 为：m 。( ，) = i i t ( v l ( f ) + 1 ，2 ( f ) ) ； z ( 3 ) 检测信号与m ，( ，) 做差值，得到新信号( ，) 为啊( r ) 一x ( o m 。( f ) ； ( 4 ) 考察新信号甄( r ) 是否满足i m f 函数的条件或筛选终止条件； ( 5 ) 若不满足条件，令x ( f ) ；扛( ，) ，转到( 1 ) 继续上述过程；若满足条件， 令c ，( ，) = ( r ) ，得到分解出的第i 层信号c 心) ； ( 6 ) 将这一层信号从原始信号中减去得到剩余的信号( ，) ： ( ，) = x ( t ) 一c ，( t ) ； ( 7 ) 笋l j 断l ( f ) 是够基本上呈单调趋势或i o ) i 很小可视为测量误差； ( 8 ) 若不满足条件，令x ( ，) = t ( ，) ，转到( 1 ) 继续上述过程；若满足条件， 终止筛选分层过程； ( 9 ) 对分解出的各层信号c ，( f ) 进行f f r 变换，探测到f s k 信号及获取有用 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 信息。 2 4 本章小结 本章主要介绍了轨道电路信号系统的工作原理及解调算法算法方案选择。 分析了铁路轨道电路信号的特点，轨道电路信号是非线性调制的、相位连续的 f s k 信号。选择e m d 算法来实现轨道电路信号的解调。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章基于l a b v i e w 的算法实现方案 3 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器是二十世纪九十年代发展起来的一项新技术，其核心思想是“软 件即仪器 。通过应用程序，将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，由用 户通过友好的界面来操作计算机，定义和设计仪器，完成对被测量的采集、分 析、处理、判断及显示等一系列功能。虚拟仪器把计算机技术、电子技术、传 感器技术、信号处理技术、软件技术结合起来，除继承传统仪器的己有功能 外，还增加了许多传统仪器所不能及的新功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活 性，用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和 各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了