（机械电子工程专业论文）基于滤波包络和小波脊算法的轨道移频信号提取.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着列车速度和密度的进一步提高，列车在行车区间的通过能力和安全运行对整个铁 路网的高效和正常运行起着至关重要的作用。而如何准确、快捷并可靠地解调出轨道移频 信号的特征信息直接影响到列车的正点率和安全率，也是当前轨道移频信号解调的发展方 向。本文在总结和分析国内外相关研究工作的基础上，对轨道移频信号的载频和低频调制 信息的检测，进行了如下工作。 目前我国使用的轨道移频信号主要有两种，分别是国产1 8 信息移频信号和u m 7 1 移频 信号。它们都是移频键控( f s k ) 信号，不同的是载频以及低频信号。本文首先介绍轨道移 频信号的相关知识，讨论该信号的参数选择，接着讨论信号检测中央杂的干扰和系统参数 检测的频率分辨率要求。 针对1 8 信息信号频谱具有双峰，双峰频率平均值就是信号的载频，而u m 7 1 信号频谱 单峰，峰值频率即为信号的载频的特点，本文利用功率谱分析提取移频信号载频；接着根 据移频信号上、下边频切换的频率反映了调制频率的特征，提出了用滤波包络技术对信号 进行解调，并分析了该算法的可行性。 本文还根据信号在变换域上呈现出的脊特征，利用小波脊技术对u m 7 1 信号进行特征 参数提取，并验证了小波脊算法提取该信号的有效性。 最后，依据所论的两种解调方法，进行综合逻辑计算，以提高信号解调的可靠性，避 免干扰信号带来的原理性误判。 关键词：轨道移频信号，滤波包络技术，小波脊，轨道电路，u m 7 1 信号 第1 i 页 武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h et r a i ns p e e da n dd e n s i t yi s g r e a ti m p r o v e d ，t h ep a s s i n ga b i l i t ya n dt r a n s p o r t a t i o n s a f e t yo ft r a i nd u r i n gt h et r a n s m i s s i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l eo nt h eh i g he f f i c i e n c ya n dn o r m a l o p e r a t i o no fw h o l er a i ln e t h o wt oq u i c k l y , a c c u r a t e l ya n dr e l i a b l yd e m o d u l a t ec h a r a c t e r i s t i c i n f o r m a t i o no ft h et r a c kf r e q u e n c y - s h i f ts i g n a l ( f s s ) w i l lh a v ead i r e c t i m p a c to nt r a i n p u n c t u a l i t ya n ds a f e t y , i t s a l s ot h ec u r r e n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h et r a c kf s s d e m o d u l a t i o n i no r d e rt od e m o d u l a t et h ec a r r i e rf r e q u e n c ya n dt h el o wm o d u l a t i o ns i g n a lf r o m t h et r a c kf s s ，t h ef o r m e rr e s e a r c hw o r k sw e r ed i s c u s s e d t h ew o r k si n t h i s p a p e ra r e a s f o l l o w s ： t h e r ea r et w ok i n d so ft r a c kf s si no u rc o u n t r yn o w t h e ya r e18 。i n f o r m a t i o nt r a c kf s s a n ds i g n a lu m 71 a l lo ft h e ma r ef r e q u e n c y - s h i f t k e ys i g n a l t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n t h e ma r e i nt h ec a r d e rf r e q u e n c ya n dl o wm o d u l a t i o ns i g n a l t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ek n o w l e d g e o ft h e t r a c kf s sa t f i r s t ，a n dd i s c u s s e dt h ep a r a m e t r i cs e l e c t i o no ft h et r a c kf s s t h e n t h e d i s t u r b a n c e se x i s t i n gi nt h ed e t e c t i o no ft h et r a c kf s sw a sd i s c u s s e da n dt h ed e m a n df o rt h e f r e q u e n c yr e s o l u t i o no ft h es y s t e mp a r a m e t e r sd e t e c t i o nw a sg i v e n t h es p e c t r u mo ft h e18 - i n f o r m a t i o nf s ss h o w st w op e a k sa n dt h ec a r d e rf r e q u e n c y i st h e a v e r a g eo ft h et w op e a kf r e q u e n c y t h es i g n a lu m 71h a so n l yo n ep e a ka n dt h ec a r d e r f r e q u e n c yi st h ep e a kf r e q u e n c y t h i sp a p e rt o o ka d v a n t a g eo fp o w e rs p e c t r u ma n a l y s i st o e x t r a c tt h ec a r r i e rf r e q u e n c yo ft h et r a c kf s s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es w i t c h i n g f r e q u e n c yo fu p p e ra n dd o w ns i d ef r e q u e n c i e ss h o w i n gm o d u l a t i o ns i g n a lf r e q u e n c yt h e f i l t e r - e n v e l o p et e c h n o l o g yw a su s e dt od e m o d u l a t et h ef s sa n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m w a sa n a l y z e d n o t i c i n gt h er i d g ef e a t u r e so ft h ef s ss h o w e do nt r a n s f o r md o m a i n ，w a v e l e tr i d g e t e c h n o l o g yw a se m p l o y e dt oe x t r a c tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sf o rt h es i g n a lu m 71 ，a n dt h e e f f e c t i v e n e s so f u s i n gw a v e l e tr i d g et oe x t r a c tf s sw a sa l s ov e r i f i e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot w om e t h o d so fd e m o d u l a t i o nh a db e e nm e n t i o n e di n t h i sp a p e r , a l l i n t e g r a t e dl o g i c a lo p e r a t i o nw a sa d o p t e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h es i g n a ld e m o d u l a t i o n a n dt oa v o i ds c h e m a t i cm i s c a r r i a g ec a u s e db y i n t e r f e r i n gs i g n a l k e y w o r d s ：t r a c kf r e q u e n c y - s h i f ts i g n a l ，f i l t e r - e n v e l o p et e c h n o l o g y , w a v e l e tr i d g e ，t r a c kc i r c u i t ， s i g n a lu m t l 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：益盔婆日期：玉叠垒! 目缪日 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照( ( 武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章概述 1 1 课题背景 保证行车安全和提高运输效率是铁路信号系统和设备的最终任务，而行车安全和提高 运输能力是由铁路信号来保证。在列车控制系统中，有两个重要的设备一地面轨道电路和 机车信号。在我国铁路经历了六次大规模提速后，干线铁路的列车速度不断提高，货物重 载列车开行数量增加，但铁路运输仍以客货共线为主，列车密度高居世界第一，这些因素 对轨道电路上的信号传输和机车信号的j 下确显示要求越来越高，需要也越来越迫切。 安全是铁路运输的生命，信号则是火车行车的千里眼。在我国轨道电路分为以下几种 制式：交直流轨道电路；移频轨道电路；相敏轨道电路；无绝缘轨道电路等。它是以铁 路线路上的两根钢轨作为信号传输导体，两端以钢轨绝缘( 或无绝缘) 分界，并用导线连接 信号源和接收设备构成的电路。由于列车在运行时对钢轨产生较大的冲击，特别是在电气 化铁路区段，列车在运行时产生较强的干扰，再由于各地的地理条件( 如地势、土质、温 度、湿度、气候等差异) ，轨道电路所处的环境非常恶劣，这给检测过程带来了困难。而 且我国现行信号检测设备很大程度上还是基于传统的相干解调检测方法研制而成，但世界 发达国家铁路干线已无一例外的采用了现代化铁路信号系统，且已经研制出适合本国国情 的轨道信号参数专用测试仪器，由此可见，我国现行的轨道信号参数的检测方法和手段已 远远落后于迅猛发展的铁路运输业，也远落后于发达国家。随着我国铁路事业的进一步发 展，为了确保行车安全，信号参数的检测技术应与我国铁路事业的发展同步。 近年来，数字信号处理技术的出现为铁路信号信息处理提供了很好的解决方法。与模 拟信号处理技术相比较，数字信号处理技术具有更高的可靠性和实时性。随着数字信号处 理技术的新发展以及传统的频谱分析方法一快速傅里叶变换( f f t ) 自身的局限性，在铁路 信号处理中引入了新的实用技术，如z f f t ( z o o m f f t ) 、小波信号处理技术【2 】、现代谱 分析技术 3 】等。这些方法、技术的引入，使得在机车信号处理方面有了很大的突破【4 】。 1 2 国内外发展状况 轨道信号的传输基础是轨道电路。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。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【5 - 。7 1 。 1 2 1 国外轨道电路发展情况 美国人鲁宾逊1 8 7 0 年发明了丌路式轨道电路，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c s e e 公司就开 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 始研究u 型轨道电路。它无绝缘节，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 公司研究丌发了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 0m ；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。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。己具有多年的运 营经验，该系统可用在3 0 0k m h 的高速线上，属于较成熟系统【8 以2 1 。 英国西屋公司【1 3 - 1 6 ( w e s t i n g i - i o u s e ) l 约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 0h z 、2 6 0 0h z 、调制频率4 个：1 3 2 h z 、1 5 6h z 、1 8h z 、 2 0 4h z 、频偏厂为1 2 5h 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 8h z 到8 0h z ，间隔4h z 。 同本【1 7 圳】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 ) ，频偏厂为4 0h 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 3h z ) ，而频偏厂为 7 0h z 。 1 2 2 国内轨道电路发展情况 我国的轨道电路技术发展较慢，建国前，采用的轨道电路传输信息少，分布也极不平 衡，建国后从年代中期开始，轨道电路技术在我国有了长足的发展，不仅传输的信息量增 加而且它的使用已遍及全国铁路各线，构成了我国铁路信号技术发展的基础。 铁道部科学研究院从1 9 5 2 年便开始研究电脉冲轨道电路，到6 0 年代初期得到广泛应 用，对运输生产发挥了很好的作用。它是我国第一个自己研制的用作传输自动闭塞信息的 轨道电路。从这时起，我国才有了直流脉冲轨道电路。为发展脉冲式轨道电路提供了宝贵 的经验，是我国轨道电路技术的一个较大的进步。1 9 6 8 年初，铁道部科学研究院与沈阳、 北京等铁路局协作，开展了极性频率脉冲轨道电路的研究。1 9 7 4 年，完成了统一方案试 验，经试用后，于1 9 8 0 年通过铁道部初步技术鉴定，以后便得到了进一步推广。 6 0 年代晚期，铁道部科技委提出研制一种能够适应地上和地下、电化与非电化区段 通用的自动闭塞制式，这就是后来的移频轨道电路。8 0 年代术，我国引进了法国研制的 u m 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。我国新建的第一条铁路客运 专线秦沈线，则采用了u m 2 0 0 0 轨道电路进行信号传输【2 2 1 。 目前，我国铁路所使用的信号制式主要有两种：一种是采用移频键控( f s k ) 信号的模 拟轨道电路，包括8 信息移频信号、1 8 信息移频信号、法国u m 7 1 移频信号和z p w - 2 0 0 0 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 移频信号；另一种是采用调频( f m ) 信号的数字编码轨道电路，即引进的法国t v m 4 3 0 系 统中的u m 2 0 0 0 信号制式。 其中8 信息和1 8 信息移频信号载频采用5 5 0 ，6 5 0 ，7 5 0 ，8 5 0 h z 四种频率，分别传 送8 种和1 8 种低频信息；u m 7 1 移频信号的载频采用1 7 0 0 ，2 0 0 0 ，2 3 0 0 ，2 6 0 0 h z 四种 频率，可以传输18 个连续信息。z p w - 2 0 0 0 移频信号是u m 7 1 的国产化，其载频仍然采 用1 7 0 0 ，2 0 0 0 ，2 3 0 0 ，2 6 0 0 h z 四种频率，低频调制频率也是1 8 个【2 3 1 。 u m 2 0 0 0 中应用的f m 信号，载频也采用1 7 0 0 ，2 0 0 0 ，2 3 0 0 ，2 6 0 0 h z 四种频率，低 频调制频率有2 8 个。 1 2 3 国内外移频轨道信号测试技术的发展与现状 近年来，电气化铁路的修建速度在逐年加快。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会产生很大的干扰，所以轨道信号的检测要充分考虑如何避免这样的 干扰。另外，随着铁路的不断提速，对轨道信号检测的实时性要求也越来越高。 在国外，原苏联、法国、日本等发达国家一般采用现代信号处理的谱分析的方法【2 4 1 ， 并生产出适合其本国国情的轨道信号参数专用测试仪器。法国的无绝缘轨道电路，行车速 度为3 0 0k m h ；日本的磁悬浮列车的行车速度大约5 0 0k m h 。其信号综合参数测试均为 带电在线测试，尤其是电气化区段，可在行车过程中同时测量几个参数【2 5 。27 1 。 国内在机车信号检测中，至今为止已经使用过的轨道移频信号检测方法有：鉴频法、 差分检波法、动态滤波法、零交点法、f f t 算法、g a b o r 变换法等等【2 8 3 叭，这些算法都是 对纯净的轨道移频信号进行检测和解调。另外，还有在实现高分辨率的研究中取得了较大 的进展，如邢晓异、仲新莉提出欠采样率下轨道移频信号检测的高分辨率实现方法【3 i 】； 孙艳朋等使用现代谱分析对移频轨道信号进行理论的分槲3 2 】等。 随着技术和算法的改进，更多的新方法被更多的采用，人们在改进f f t 算法基础上 已经尝试将短时傅里叶变换和小波变换甚至将分形维数理论应用到轨道移频信号检测中 去【3 3 粕】。文献吲提出了用时频分布( w i g n e r - v i l l ed i s t r i b u t i o n ) 的方法实现了轨道移频信号 上、下边频的准确检测解调，但是算法较复杂，不易实现信号的实时处理。虽然这些理论 方面的研究已经取得了一定的成绩，但要将其应用到实际工程中去还需要进一步的努力。 因而，在轨道信号检测的研究中找到一种优越且切实可行的方法就显得尤为重要。 1 3 需要解决的问题和问题的提出 虽然轨道移频信号的测试技术在国内外有了很大的发展，但其解调方法单一，提取特 征量少的缺点还没有得到很好的改善。另外，火车速度又不断提高，使得采集到的铁路信 号采样点数有限，因而信号在检测时的相对干扰量增加，相对精度要求同时也变高，这些 都会加大轨道移频信号处理难度。那么，在保证行车安全基础上，如何提高铁路的运输效 率，如何准确、快捷并可靠地解调出轨道移频信号的特征信息，是当前轨道移频信号解调 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 的发展方向。 本文旨在国内外研究的基础上，应用现代信号处理技术和检测理论，引进综合识别算 法，提出了适合我国轨道移频信号参数检测的新方法，并能多角度地、多方法地及其快速 地提取轨道移频信号的特征参数，以提高信号判别可靠性，从而根本性地减少、甚至是避 免移频轨道电路的“误判。 本文研究的对象是1 8 信息国产移频轨道信号( 接下都以“国产移频轨道信号 代替) 和从法国引进的u m 7 1 移频轨道信号，需要检测的参数有：信号的载频频率和低频调制 频率。 1 4 本文主要研究内容 本文根据轨道移频信号的特点从频域角度来研究轨道移频信号参数的检测算法，采用 滤波包络技术提取低频调制频率，用功率谱分析确定了信号的载频，另外还采用了小波脊 提取信号瞬时频率技术，从而得到了信号载频和低频调制频率。最后依据本文提取的两种 解调方法进行综合逻辑计算，以提高信号解调的可靠性，避免干扰信号带来的原理性误判。 具体研究内容包括： ( 1 ) 从频域角度对轨道移频信号进行分析，包括轨道移频信号的特点、频谱特性以 及系统参数检测的频率分辨率要求；再分析轨道移频信号的一些常用检测方法以及轨道移 频信号检测中夹杂的干扰。 ( 2 ) 研究轨道移频信号参数检测算法，包括轨道移频信号参数检测算法，并分别利 用仿真信号和铁路现场实测信号在m a t l a b 条件下进行了算法可行性探讨。用数字滤波技 术，包络检波技术以及参数检测过程中z f f t 实现算法的过程，并得出算法可用。 ( 3 ) 轨道移频信号小波脊提取。针对轨道移频信号在变换域上呈现的脊特征，利用 小波脊进行特征信息提取。另外，为轨道移频信号的准确实时快速处理提供新的简便方法， 探求提高信号解调可靠性的综合逻辑算法。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章轨道移频信号相关知识 2 1 轨道电路 轨道电路是利用铁路线路的钢轨作导体，用以检查有无列车、传递列车占用信息以及 其他信息的电路。它可以反映线路和道岔区段是否有车占用，以及钢轨是否完整。常用的 轨道电路由送电端、钢轨线路和受电端三部分组成。 两个分界绝缘节之间的钢轨线路( 即从送电端到送电端之间) ，称为轨道电路的控制 区段，也是轨道电路长度。轨道电路的长度要受到轨道电路工作状态的制约，不同类型的 轨道电路长度不同。 当列车未进入轨道电路，即线路控制区段空闲时，电流从轨道电路电源正极经过钢轨 进入轨道继电器，再经过另一股钢轨回到电源负极。这时因轨道继电器衔铁吸起，使其后 接点断开前接点闭合，接通信号机的绿灯电路( 白色为绿灯，黑色为红灯) ，允许列车进 入轨道；电路如图2 1 所示。 送电端受电端分界绝缘节 。 i 、 ，阻一带 轨道继电； i 咤 图2 1 轨道电路结构一无列车 当列车进入轨道电路，即线路控制区段被占用时，电流同时通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，可以认为轨道电路从列车轮对 处被短路，轨道继电器衔铁被释放，用它的后接点闭合信号机的红灯电路，表示轨道有车 占用，向续行列车发出停车信号，以保证列车在该轨道电路区段运行的安全，如2 2 图可 以看出采用这种轨道电路，当轨道电路的任一部分发生故障时，均能导致轨道继电器失磁 落下，使信号机点亮红灯，从而保证了安全。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 二章廷卜、， 二r 菘 l 图2 2 轨道电路结构一列车占道 2 2 列车闭塞 铁路线的两车站之间叫区间。闭塞设备是用来保证列车区间内运行安全，并提高区间 通过能力的区间信号设备。在单线铁路上，为了防止一个区间内同时进入两列向运行的列 车而发生正面冲突，或者避免两列同向的列车( 包括复线) 发生追尾事故，铁路上规定区 间两端发车前必须办理的行车联络手续，叫行车闭塞( 简称闭塞) 手续。 列车闭塞的目的是用来保证列车在区间内安全运行，并提高区间通过能力。它必须遵 循保证在一个区间内，在同一时间里只能允许一辆列车占用这一基本原则，即一旦允许了 某一列车可以占用区间后，在未获得该列车出清区间以前，此区间就处于闭塞状态，不准 再开进其他列车。目前，我国铁路采用的行车方法主要有半自动闭塞和自动闭塞两种。 2 2 1 半自动闭塞 此种闭塞需人工办理闭塞手续。列车凭出站信号机的显示进行发车，但列车出发后， 出站信号机自动关闭。这也就是半自动闭塞的由来。 半自动闭塞以车站的出站信号机或线路所的通过信号机的进行信号作为列车占用区 间的行车凭证，不再交接实物。由于半自动闭塞只在车站的进、出站信号机附近设有较短 的一段轨道电路，区间不设轨道电路。为了证实列车在区间没有遗留下车辆，必须由值班 人员确定列车出清区间后( 进入下一车站的进站信号机) 。正因如此出站信号机( 或线路 所的通过信号机) 是不能任意开放的，必须有人为的确定，才能解除对出站信号机的锁闭， 此时这个区间恢复为开通状态。 2 2 2 自动闭塞 通过列车运行及闭塞分区的情况，信号机可自动变换显示，列车凭信号机的显示行车， 这种闭塞方式是自动进行的、不需要人工操作，故称自动闭塞。 自动闭塞区段的区间划分成若干个闭塞分区，每个闭塞分区的分界处设立通过信号机 进行防护，站内和区间均装设轨道电路。由于每个闭塞分区都装有轨道电路，这些信号机 的显示是随着列车的运行由列车本身自动检查闭塞分区占用情况。根据轨道电路的占用和 空闲状态，通过信号机可以自动的变换显示，以指示追踪列车的运行。当闭塞分区有列车 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 占用或线路断轨故障时，通过轨道电路的传输和信号机的显示，将闭塞分区的占用状态自 动地通知追踪列车，实现区间自动闭塞。采用这种设备的区间，两站之间同时同方向可以 运行两列或两列以上的列车，因此，提高了区间的通过能力。为了保证行车安全，铁路 技术管理规程第6 1 条规定：“通过信号机应设在闭塞分区或所间区间的分界处。自动闭 塞区段的通过信号机不应在停车后可能脱钩的处所，并尽可能不设在启动困难的地点。两 架通过信号机间的距离不得小于1 2 0 0 m 。”等等。可以看出，通过信号机设置的位置与机 车牵引重量、运行速度、时间、线路条件及制动距离等因素关系极为紧密。 自动闭塞的分类方式可以按以下两种方式：按列车运行方向分为单向自动闭塞和双向 自动闭塞；按信号制度分为二显示制度( 通过信号机可显示红、绿两种色灯) 、三显示制 度( 通过信号机可显示红、黄、绿3 种色灯) 、四显示制度( 通过信号机可显示红、黄、 绿黄、绿4 种色灯) 。 目前，在我国铁路上，复线区段多采用自动闭塞，单线区段多采用半自动闭塞。 2 3 移频自动闭塞 2 3 1 移频自动闭塞的基本概念 移频自动闭塞以移频轨道电路为基础，用钢轨传递移频信息，它是一种选用频率参数 作为信息的制式，采用调制方法把规定的调制信号( 低频信息) 搬移到载频段并形成振荡， 由上下边频构成交替变化的移频波形，其交替变化的速率就是调制信号频率。其信息特征 就是不同的调制信号频率。采用不同载频交叉来防护相邻轨道电路绝缘节的破损、上下行 邻线的串漏、站内相邻区段的干扰。对工频及其谐波的防护，采用躲丌的方法，站内将载 频选在工频的偶次谐波上，区间选在奇次谐波上。移频自动闭塞抗干扰性能强；设备无接 点化，组匣化，工作寿命长，维修方便；信息量相对较多，技术上较先进；适用于电气化 和非电气化区段。 2 3 2 移频自动闭塞的工作原理 移频自动闭塞是一种以移频轨道电路为基础的自动控制系统，发送设备向轨道发送低 频调制的频率键控信号，接收设备能从调制的载频信号中解调低频信息【3 8 1 ，借以自动控 制相应的信号显示。 下面以国产移频1 8 信息四显示自动闭塞系统为例说明系统的工作原理。移频轨道电 路的频率配置和信号传输方式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 相邻的并行线路也应该采用不同频率，以防止邻线干扰。为此一般上行线规定采用的中心 频率尼是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，t 3 频率届是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 3 是上下行线频率配置的原理图， 其信息的传输方式如图2 3 所示。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 下行方向 信息传递方向 一一一一一一一一一一一 t 5 旧1 旧3 卜st - 7 k 6 嘲9 ：j! ! ! 坚型l! ! ! 旦型i! ! ! 坚型l： i 5 5 0 h z ( 5 g ) i7 5 0 h z ( 4 g ) i5 5 0 h z ( 3 g ) i7 5 0 h z ( 2 g ) i5 5 0 h z ( ig ) l7 5 0 h z 哪嘲嘲吲 6 5 0 h zi 8 5 0 h zi 6 5 0 1 - t z i 8 5 0 h z i 6 5 0 h z i 8 5 0 h z i 一 上行方向 图2 3 轨道机车运行方式 若下行线有两列列车k 6 、t 5 在轨运行，k 6 列车运行在1 g 分区，t 5 列车运行在5 g 分区。由于1 g 分区有车占用，防护该闭塞分区的通过信号机7 显示红灯，这时7 信号点 的发送设备自动向闭塞分区2 g 发送以2 6 h z 调制的，中心载频为7 5 0 h z 的移频信号。当 5 信号点的接收设备接收到该移频信号后，通过信号机5 显示红黄灯，表示要求及时采取 停车措施。此时，5 信号点的发送设备自动的向闭塞分区3 g 发送以1 5 h z 调制的、中心 载频为5 5 0 h z 的移频信号。当3 信号点的接收设备接收到该移频信号后，使通过信号机3 显示黄灯，表示要求列车减速到规定的速度等级越过接近的地面信号机，并预告次一架地 面信号机显示一个黄色灯光。同理，3 信号点的发送设备又自动的向闭塞分区4 g 发送以 l1 h z 调制的、中心频率为7 5 0 h z 的移频信号。当1 信号点的接收设备接收到此移频信号 后，使通过信号机1 显示绿灯，表示准许列车按规定速度运行。此时续行列车t 5 进入4 g 分区，可以按照规定速度行驶。如果列车k 6 由于某种原因停在1 g 分区，续行列车t 5 按照通过信号机1 的绿灯显示继续运行。当列车司机看到3 g 分区的通过信号机3 显示的 黄灯时，列车减速到规定的速度等级越过接近的通过信号机3 。此时列车减速到规定速度， 当看到2 g 分区的通过信号机5 显示红黄灯时要求及时采取停车措施。使列车t 5 能停在 1 g 分区之前。这样就可以根据列车占用闭塞分区的状态，自动改变地面信号机的显示， 准确地指挥列车的运行，实现自动闭塞。 2 3 3 移频自动闭塞的特点 正是由于移频自动闭塞的调频原理，再加上合理设置低频信号频率和载频的频率，优 化系统结构，使得这种制式具有以下几个特点：一是不但适用于非电气化区段，也适用电 气化区段；二是不但具有较高的抗干扰性，而且通过系统改造和采用微处理技术，可以进 一步增加信息量。为我国发展四显示自动闭塞、多显示机车信号和机车超载防护系统奠定 基础；三是没备符合故障安全的原则，在干扰情况下，不会升级显示。 在移频自动闭塞中，低频信息用于控制通过信号机的显示，而载频尼则为运载低频 信号之用，其目的是提高抗干扰能力。每种低频信息代表一定的速度信息，直接指挥列车 的运行，因此移频信息检测的准确性和安全性非常关键。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 4 轨道移频信号的参数选择 轨道电路中存在着各类干扰源，合理地选择轨道移频信号的频率参数，从而避开、压 制甚至是消除干扰量尤为重要【3 9 1 。下面介绍国产移频轨道信号和从法国引进的u m 7 1 移 频轨道信号的频率配置。 2 4 1 国产移频轨道信号的频率配置 我国在原有4 信息移频自动闭塞系统的基础上开发出1 8 信息移频自动闭塞系统。该 系统在扩展过程中，主要是频率的选择问题，我国在研发1 8 信息移频自动闭塞系统是按 照如下准则： ( 1 ) 载频与原有4 信息移频自动闭塞系统的载频相同。在单线区段，为防止钢轨绝缘 双破损后两相邻轨道电路产生错误动作，采用6 5 0 h z 和8 5 0 h z 两种载频。在复线区段， 为防止上、下行电路之间存在邻线干扰，采用上行线为6 5 0 h z 和8 5 0 h z 和下行线为5 5 0 h z 和7 5 0 h z 载频。 ( 2 ) 1 8 信息移频自动闭塞轨道信号的调制频率的设置必须遵循新线频率兼容旧线频 率的原则。旧线的4 个调制频率1 1 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 6 0 h z 仍保留。旧线的调制频率可在 2 o 的范围偏移，那么在这个范围内不能设置新的频率，这些范围是：l o 8 1 1 2 、 1 4 7 - 1 5 3 、1 9 6 - - 2 0 4 、2 5 5 - 2 6 5 h z 。 ( 3 ) 接收设备的应变时间( 地面或车上) 规定为1 5 s 一2 0 s ，它比原有移频的应变时间 快，另外由于增加了调制频率个数而使得相邻的调制频率的间隔变小，这两种原因使得多 信息移频与原有移频相比译码难度增加了。因此，从接收译码的安全可靠的角度来说，在 有限的译码时间内调制信号的周期数不宜过少，即调制频率仍不宜过低，假如为了安全译 码而需要l o 个调制信号周期，这1 0 个周期的时间长度在1 5 s 之内，调制频率就不能低 于7 0 h z 。为此选择了7 0 h z 为最低频率。 ( 4 ) 轨道移频信号的频谱是以载频为中心，以调制频率为问隔的谱线组成，谱线的能 量越靠近载频而_ 5 5 h z 处越大，调制频率越高，移频频谱分布越分散，信号的频带就越 宽。信号频带越宽就越容易受到带内的干扰。当5 0 h z 牵引电流频率有漂移时，5 0 h z 的 高次谐波产生与谐波次数成正比的漂移，这时高次谐波就有可能侵入到信号的频带内。为 了保持原有移频信号本身的抗干扰性能，新的调制频率应仍以2 6 0 h z 为最高限。 在确定了调制频率的范围之后就可以进一步确定调制频率的问隔。调制频率的间隔的 确定要考虑以下几个方面的问题： ( 1 ) 要有利于发码设备的频率产生。因此尽量使调制频率符合一定规律，如选择整数 或间隔一定的小数，而不用无规律的或复杂的小数频率。 ( 2 ) 要有利于接收设备对相邻的调制频率的区分。因此调制频率的间隔尽量要大。同 时接收设备可能采用不同的译码处理方法来实现，如频域处理或时域处理。对频域处理来 讲可能希望调制频率有较大的绝对间隔，即相邻频率间的绝对偏差，对时域处理来讲可能 希望调制频率有较大的相对间隔，即相邻频率问的相对偏差。因此要同时兼顾相邻调制频 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 率的绝对问隔和相对间隔。 ( 3 ) 要避免调制频率成倍数关系。因为轨道移频信号的频谱是以载频为中心以调制频 率为间隔而分布的，当调制频率之间成倍数关系时，频率谱线就会产生严重的重叠，频谱 重叠也就是说两种信号的频率成分互相包含，这对译码而言存在潜在的不利因素。 在不改变已有移频制式载频的基础上扩充调制频率，根据系统设计的要求需要有1 8 种调制频率。对于调制频率的选择一种方案是以1 0 h z 为基本间隔，另一种方案是以0 5 h z 为基本间隔。如果采用第一种方案，根据以上分析，移频原有的调制频率可能在2 o 的范围偏移，如果偏移到2 o ，那么新增的频率与偏移后的原有频率的间隔较为接近， 如2 5 0 h z 与2 5 5 h z ，另外全部采用整数的方案不可避免出现个别频率成倍数关系而存在 频谱谱线严重重叠的现象。因此选用后一种方案，确定调制频率从7 0 h z 到2 6 0 h z ，间 隔0 5 h z ，然后再进一步对这些频率进行逐个选择，以调整选用频率之间的间隔，同时不 使选用频率成倍数关系。在这些频率中部分频率不能采用，其理由是： ( 1 ) 与原有移频的4 个调制频率的频偏范围接近，这些不能用的频率为1 0 5 、11 5 、1 4 5 、 1 5 5 、1 9 5 、2 0 5 、2 5 0 h z 。 ( 2 ) 与原有移频的4 个调制频率成倍数关系，这些不能用的频率为7 5 、1 0 0 、1 3 0 、 2 2 0 h z 。 ( 3 ) 为了避免新增加的调制频率产生倍数关系而不能使用，在取舍时考虑到有利于保 持相邻频率的相对间隔的因素，这些不能用的频率为1 4 0 、1 6 0 、1 7 0 、1 8 0 、1 9 0 、2 1 0 、 2 3 o 、2 4 0 h z 。 根据以上的选择，剩下的1 9 个为选用的调制频率。在相邻的被选频率间隔中，1 2 5 与1 2 0 的相对间隔为最小，即0 5 1 2 5 或4 o ，其次是2 4 5 与2 3 5 的相对间隔为4 1 ， 1 2 0 h z 可作备用频率。 根据以上的选择，国产移频轨道信号的频率配置如表2 1 所示。 表2 1 国产移频轨道信号的频率配置 ( r l z ) 载 频石 5 5 06 5 07 5 08 5 0 频偏v5 5 7 o8 o8 59 09 51 1 o1 2 51 3 51 5 0 调制频率石 1 6 o 1 6 5 1 7 51 8 52 0 02 2 52 3 5 2 4 52 6 0 载频漂移及调制频率变化范围载频漂移：士4 ；调制频率变化范围：t o 1 2 2 4 2u m 7 1 移频轨道信号的频率配置 u m 7 1 无绝缘移频轨道电路为避丌电气化牵引区段牵引电流谐波对轨面信号的干扰， 选用了四个较高的载频信号：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 。为防止相邻轨道电 路及上下行轨道电路间的相互干扰，其载频分布使用固定值：下行线1 7 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 交 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 替配置；上行线2 0 0 0 h z 、2 6 0 0 h z 交替配置，为满足列车速度控制多信息需要，u m 7 1 型 轨道电路共有从1 0 3 h z 开始按1 1 h z 等差数列递增至2 9 0 h z 的1 8 种低频信息，频偏v 为l l h z ，故u m 7 1 型轨道电路轨面上传送的移频信号由载频矗、频偏和低频调制信 号 三者构成，其频率配置如表2 2 所示。 表2 2u m 7 1 移频轨道信号的频率配置 ( 8 z ) 载 频丙 1 7 0 02 0 0 02 3 0 02 6 0 0 频偏 l l 1 0 31 1 41 2 51 3 61 4 71 5 81 6 91 8 01 9 1 调制频率石 2 0 22 1 32 2 42 3 52 4 62 5 72 6 82 7 92 9 0 载频漂移及调制频率变化范围载频漂移：士0 3 ；调制频率变化范围：士0 1 2 本章小结 本章简要介绍了轨道电路的基本概念及其工作原理，接着介绍列车闭塞和移频自动闭 塞的基本概念，并以国产移频1 8 信息四显示自动闭塞系统为例说明了机车运行原理，最 后介绍国产移频制式信号和u m 7 1 移频轨道信号的一些相关知识。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章轨道移频信号分析 国产移频轨道信号和u m 7 1 移频轨道信号，它们都属于调频信号。采用频率调制的 主要原因是提高抗干扰能力。调幅信号与调频信号相比，前者比后者较容易被污染。 3 1 轨道移频信号的频谱分析 3 1 1 轨道移频信号的频谱表达式 国产移频轨道电路与u m 7 1 移频轨道电路均采用相位连续的轨道移频信号。键控角 度调制信号可分为键控移频信号和键控移相信号。键控移频信号又可以分为相位连续的移 频信号和相位离散的移频信号。在轨道电路中传输这些角度调制信号时，根据其频谱情况， 它们中相位连续的移频信号最适合轨道电路的传输。下面对相位连续的移频轨道电路的信 号进行分析。 相位连续的移频信号是通过周期方波键控一个移频振荡器产生的震荡电流信号。设键 控信号为低频调制信号( 力，周期为l 则时间表示式