（信号与信息处理专业论文）利用时频分析的轨道fsk参数检测技术的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 利用时频分析的轨道f s k 参数检测技术的研究 摘要 铁路运输在我国经济发展中起着至关重要的作用，安全是铁路运输的生 命线，铁路机车信号检测是保证列车安全运行的重要手段之一。为了确保铁 路线路上的行车安全，及时准确地检测出轨道信号参数是我们亟待解决的问 题。 根据移频轨道信号的特点，本文提出了一种适合我国铁路信号的检测方 法时频分析的方法。在时频分析方法中，小波变换是一种实用的工具， 它可以同时进行时域和频域分析，通过提取系统的有用信号，抑制噪声信 号，有效地提高系统的信噪比，实现噪声背景下信号的检测。对于瞬时信号 的检测，本文采用了希尔伯特变换的方法，它主要是对非平稳信号进行时频 分析，通过求解每一分量的瞬时频谱，从而计算出移频轨道信号的瞬时值。 根据这一思想，本论文提出了以下算法： 针对移频轨道信号的窄带特性提出使用欠采样技术来降低信号的采样频 率，利用小波分析和希尔伯特变换的方法，在不同信噪比的情况下，检测移 频轨道信号的基带调制频率、上下边频等参数及在此情况下的相对误差。 最后，以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心设计移频轨道信号的参数检测系统。 通过实验结果验证，该检测系统能很好地检测出信号的基带调制频率等信 息，信噪比在1 0 d b 4 0 d b 之间，检测误差在o 1 h z 的范围内。 关键词时频分析；小波变换；轨道信号；数字信号处理器 j 竺查堡矍三查兰三兰竺兰堡丝圣 r e s e a r c ho fp a r a m e t e rd e t e c t i n gf o rf r e q u e n c y s h i f tt r a c kk e y s i g n a lb a s e do nt i m e f r e q u e n c y a n a l y s e a b s t r a c t t h ef u n c t i o no f r a i l w a yi sv e r yi m p o r t a n t i no u rc o u n t r y se c o n o m i c d e v e l o p m e n t s e c u r i t yi st h el i f e l i n eo fr a i l a g e t r a c ks i g n a ld e t e c t i o ni so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tw a y st oe n s u r et h es a f e t yo ft h et r a i nm o v i n g t og u a r a n t e e t h es a f e t yo ft h et r a i nm o v i n go nt h e s el i n e s ，i ti sn e c e s s a r yt od e t e c tt h e p a r a m e t e r so ft h et r a c ks i g n a l sp r o p e r l y , p r e c i s e l ya n dt i m e l y b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd o m e s t i cf r e q u e n c ys h i f tk e yt r a c ks i g n a l ， t h i sp a p e rp r e s e n t sak i n do fa p p r o p r i a t ed e t e c t i o nm e t h o df o ro u rn a t i o n a lt r a i n s i g n a l 一- t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s i ns u c ha na n a l y s i s w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n i san e wt o o l ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt ot i m e d o m a i na n a l y s i sa n df r e q u e n c y d o m a i n a n a l y s i ss i m u l t a n e o u s l y t h eo p e r a t i o np r o c e d u r e o fw a v e l e t t r a n s f o r m a t i o ni sa sf o l l o w s ：d r a w i n go u tt h et h eu s e f u ls i g n a l ，r e s t r a i n i n gn o i s e s i g n a l ，i m p r o v i n gs i g n a l t o - n o i s er a t i oo ft h es y s t e m ，s i g n a ld e t e c t i o ni sa c h i e v e d i nt h en o i s eb a c k g r o u n d f o ri n s t a n t a n e o u sd e t e c t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h e w a yo fh i l b e r tt r a n s f o r m ，w h i c hf o c u s e so nt h et i m e f r e q u e n c ya n a l y s i so f u n s t a b l es i g n a l ，o b t a i n i n gi n s t a n t a n e o u ss p e c t r u mo fe v e r yc o m p o n e n t ，t h u s c o m p u t i n gi n s t a n t a n e o u ss p e c t r u mo fd o m e s t i cf r e q u e n c ys h i f tk e yt r a c ks i g n a l t h ef o l l o w i n gd e t e c t i n gm e t h o d sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r ： f o rt h en a r r o wb a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a c ks i g n a l ，w eu s eu n d e r - r a t e s a m p l i n g t or e d u c et h e s a m p l i n gr a t e ，a d o p t i n g t h ew a yo fw a v e l e t t r a n s f o r m a t i o na n dh i l b e r tt r a n s f o r m ，i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fs i g n a l t o n o i s e r a t i o ，w ec a nd e t e c tp a r a m e t e r so fd o m e s t i cf r e q u e n c ys h i f tk e yt r a c ks i g n a l ，s u c h a sb a s eb a n dm o d u l a t ef r e q u e n c y , u p ，s i d e b a n d sa n dd o w n - s i d e b a n d sf r e q u e n c y a n ds oo n ，a n dt h er e l a t i v ee r r o r si ns u c hc o n d i t i o n s a tl a s t ，w eg i v et h ep a r a m e t e rd e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 堕查堡矍三奎兰三兰堡! ：兰堡丝三 e x p e r i m e n t ss h o w st h a ti tc a nd e t e c tt h eb a s eb a n dm o d u l a t ef r e q u e n c y ，s i g n a l - t o n o i s er a t i o i s w i t h i n1 0 d b 4 0 d ba n d t h ed e t e c t i n ge r r o r i s w i t h i n 士o 1 h z k e y w o r d st i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；t r a c ks i g n a l ；d i g a l s i g n a lp r o c e s s o r l 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利用时频分析的轨道 f s k 参数检测技术的研究，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，论文中除己注 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：闫健i a 委 日期：2 0 0 7 年3 月15 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 利用时频分析的轨道f s k 参数检测技术的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) 日期：2 0 0 7 年3 月1 5 日 日期：2 0 0 7 年3 月1 5 日 f 门 - 蔓彳 逞害 、 - i 二 新 健 立 闰 宋 名 名 签 签 者 师 作 导 哈尔滨理t 大学t 学硕t 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 我国铁路纵横交错，铁路运输业在我国交通运输业中占举足轻重的地位，保证 铁路运行的安全与效率是保证国家和人民生命财产不受损失的必要条件。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。 安全是铁路运输的生命线，信号则是火车行车的千里眼。铁路信号犹如人的耳 目和中枢神经，担负着路网上各种行车设备的信息传输和调度指挥控制的作用“。从 技术上讲，铁路信号检测关系到区间自动闭塞、列车自动控制、车站联锁、行车调 度指挥等诸多方面，其主要功能是保障行车安全和提高运输能力“1 。随着铁路信号技 术的发展和先进设备的广泛应用，铁路信号检测技术已成为提高铁路区间和车站通 过能力、增加铁路的经济效益、改善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“1 。铁路信号设备是铁路运输的基础设备之一。进入2 0 世纪9 0 年代以 来，铁道部已把信号技术列入牵头发展的领域，使其得到较快的发展，已经取得明 显的社会效益和经济效益。 为了确保行车的安全，首先要确定接收信号的正确性、准确性和实时性。我国 铁路信号在检测时存在的问题是：由于干扰信号的存在，尤其是电气化区段电力机 车牵引电流及谐波干扰的存在，在检测时只好中断铁路运输，或将被测区段电力牵 引电网“开天窗”测量，且所用仪器均为机电工业通用测试仪器，其频率响应范围 较窄，而轨道电路的被测信号均为特殊频率的信号，机电工业通用测试仪器不能满 足轨道电路信号检测的特殊要求，这既影响测试结果，又没有反映出铁路运输过程 中各种参数的大小及其动态相互关系。铁路运输过程中，通常是把钢轨作为信号传 输导线，其间轨缝用接续导线连接。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。这给检测过程带来很大的困难。 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己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电路参数专用测试仪器，由此可见，我国现行的铁路信号 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，铁路信号参数的检测技 哈尔滨理丁大学t 学硕t ：学位论文 术应和我国铁路事业的发展同步h 一。 目前随着现代信号处理技术不断发展和完善，各种算法的不断涌现，出现了许 多新的信号领域分析处理方法，如时频分析法、最大熵谱法、a r m a 法、短时傅里 叶分析法、小波变换法以及希尔伯特变换分析法等。其中的小波分析是国际科技界 和众多学术团体高度关注的前沿领域，是继傅里叶分析方法之后重大的突破，是调 和分析与信号处理发展史上里程碑式的进展，它有着许多优于传统的傅里叶变换所 不能比拟的优点，这使得我们在处理信号检测方面有了很大的突破“1 。 1 2 国内外发展现状 铁路是国民经济的大动脉，对国家的发展起着重要作用。现在我国的铁路正在向 着更加安全、高速的方向发展，我们也经历了几次大的铁路提速，这使得铁路为国 家和人民创造了更多的价值。我们国家现在正在引进更加先进的高速铁路机车，在 高速铁路的核心技术方面，我们和国外的发达国家，如日本、德国仍然有着很大的 差距。铁路信号系统不仅是列车安全运行的保障，也是提高铁路效率的重要设备，是 现代化铁路系统中不可缺少的部分m ，。 由于历史等方面的原因，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，这些方面的矛盾越来越突出”1 。 移频信号f s k 的解调有相干解调和非相干解调。相干解调具有最佳抗干扰性 能，然而相干解调要求接收端能恢复出具有准确频率和相位的相干载波信号，但是 由于它需要进行载波恢复而使得其设备较非相干解调复杂，在技术实现上有一定的困 难。而且当系统中锁相部分失锁时，相干解调的性能将严重下降。相反，非相干解调 不要求载波同步，因而易于实现，但却达不到相干解调的性能。移频信号的非相干 解调法有模拟法和数字法两种，模拟法常用限幅鉴频法和零交点法，限幅鉴频法又 有适用于宽带移频信号的双失谐鉴频器和适用于窄带移频信号的单谐振槽路鉴频 器；零交点法又采用通用微型计算机，运用软件实现法和单用硬件实现法。数字法 是采用微型计算机运用数字信号处理手段，求出移频信号的主要变频分量，解出低 频信息”1 。目前我国铁路机车信号主要采用相位连续的移频键控技术f s k ( f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ) 调制方式。f s k 信号是利用数字信号对载波频率进行键控调制的信号， 铁路f s k 信号主要有两种：国产的移频轨道电路信号和法国的u m - 7 1 型无绝缘轨道 哈尔滨理t 大学t 学硕1 。学位论文 电路信号。我国现有国产的移频轨道电路信号的中心频率工有4 种，分别是上行( 向 着北京方向) 为6 5 0 h z 和8 5 0 h z ，下行( 离开北京方向) 为5 5 0 h z 和7 5 0 h z ，频偏为 士5 5 h z ，低频调制频率q 根据低频信息选择的原则，同时兼顾现有机车信号的制式， 1 8 种信息的频率为：7 h z ，8 h z ，8 5 h z ，9 h z ，9 5 h z ，1 1 h z ，1 2 5 h z ，1 3 5 h z ， 1 5 h z ，1 6 5 h z ，1 7 5 h z ，1 8 5 h z ，2 0 h z ，2 1 5 h z ，2 2 5 h z ，2 3 5 h z ，2 4 5 h z ，2 6 h z 其中1 2 5 h z 和2 0 h z 这两个信息频率能被1 0 0 h z 整除，不满足低频调制信息的选择原 则，只能在系统接收设备设计中运用软件技术和频谱分析方法来加以防护，解决该信 息的抗干扰性和安全性问题。1 8 种不同的调制频率代表1 8 种不同的机车速率。但是 信号的载频低，信号的载频越低受到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。 而且调制频率的准确性也比较差，因此确定调制频率的范围就显得极其至关重要， 既要有利于发码设备的频率产生又要有利于接收设备对相邻的调制频率的区分，同 时要注意避免调制频率成倍数关系，保持良好的抗干扰能力。法国的u m 7 1 型无绝 缘轨道电路采用f s k 制式，载频有4 种：1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、2 6 0 0 h z ，频 偏为士l l h z ，调制频率是通过可编程分频器对晶振的高频率信号分频后得到的，因此 调制频率准确度高，我国郑武线使用的就是这种轨道电路中的1 4 个信息频率。由于 载频频率高，信号频率准确，这对信号的抗干扰很有利，调制频率之间不存在倍数 关系，这对信号的可靠接收也是有利的”1 。 在现代移频自动闭塞系统中，移频信号f s k 的能量主要集中在以载频为中心的 有限频率范围内，1 8 种低频信息频率低( 在2 6 h z 以内) ，与中心载频( 5 5 0 h z ) 相差很 小，且低频频率间隔( 国内移频系统三色通过信号的低频信息间隔为4 h z ) 也很小，因 此，移频信号的检测需要具有相对较高的频率分辨率或分析精度“。另一方面，降低 a d 转换速率，将会影响到a d 采样信号的真实性，从而会严重影响到移频自动闭 塞系统的可靠性，甚至会造成严重行车事故。但由于f s k 信号具有非常明显的窄带 信号特征，为了解决采样率问题邢晓异、仲新莉提出欠采样率下的高分辨率检测方 法，即有效降低a d 转换速率，同时在f f t 长度不变的情况下，改善频移键控信号 检测的精度和频率分辨率1 。 近年来在实现高分辨率谱估计技术方面取得了很大的进展，提出了许多功率谱 估计的参数方法，统称为近代谱估计法“。其基本思想是在进行谱估计过程中，对观 测的有限数据不作任何确定性假设。在对这些数据如何产生具有一定先验知识的基 础上，采用外推或预测的方法，从观测的数据推求m n 以后的数据。在这一方面孙艳 朋、贾利民、范明等使用现代谱分析对移频轨道信号进行理论的分析。主要使用的 是现代谱分析方法中的b u r g 方法：它是一种基于线性预测技术的谱估计方法，它的 哈尔滨理工大学工学硕1 ：学位论文 基本思想是直接从观测的数据利用线性预测器的前向和后向预测的总均方误差之和 为最小的原则来估计预测系数，进而通过l d 算法的递推公式求出a r 模型优化的 参数“。但这只是在理论上进行了分析，虽然在理论上可行，但要应用到工程实际中 还需要更进一步的研究。而且在国外进行的f s k 信号检测方法中也使用了谱分析的 方法，p o o iy u e nk a m 在文章 f s kd e t e c t i o nu s i n gf r e q u e n c ye s t i m a t o r ) ) 也使用了类 似的方法1 。 为了对移频轨道信号进行分析处理，降低噪声，提取特征信号，通常使用滤波技 术、时域平均技术、谱分析等。随着新技术和算法的改进，更多的新方法被采用， 现在人们已经尝试将短时傅里叶变换和小波变换甚至将分形理论应用到f s k 信号检 测中去“”。如：冯小平用离散s n 叮实现f s k 调制信号的数字解调“，孙刚在基 于小波变换的铁路移频信号分析使用了小波变换“”，孙艳朋也在理论上提出了使用 小波进行轨道信号分析的思路“”。因为在使用短时傅里叶变换和小波变换时可以通过 调节时间窗来很好的观察信号的瞬时频率。出现的技术还有分形法，姜彦儒在文章 基于分形维数的f s k 信号检测就是用了分形技术对信号进行检测“”。但是这理 论方面的研究已经取得一定成绩，要将其应用到现实机车信号研究还需要进一步的 工作。 在检测环境中，干扰信号的频谱非常宽，特别是近似于白噪声的干扰噪声频谱几 乎覆盖整个频域，使用上述常规方法都难以取得理想的效果。而小波分析由于可以同 时对信号进行时域和频域分析，且具有自动变焦的功能，几乎可以对信号的任何细节 进行时频处理，非常适用于对非稳态信号的处理。小波变换的基本思想是将原始信号 通过伸缩和平移后，分解为一系列具有不同空间分辨率、不同频率特性和方向特性的 子带信号，这些子带信号具有良好的时域、频域等局部特征。这些特征可用来表示原 始信号的局部特征，进而实现对信号时间、频率的局部化分析，从而克服了傅里叶分 析在处理非平稳信号时所存在的局限性”1 。国内外已经有很多人应用了小波分析的理 论，如：吴剑锋、危韧勇运用小波分解和重构的理论分析了机车振动信号的噪声产 生和去除”“：乔强、周激流提出了基于小波变换的阈值化去噪方法运用到信号参数的 选择上；即利用小波变换中的变尺度特性对确定信号进行分析1 。将信号的能量集中 在小波变换域少数系数上，那么对这些系数的取值必然大于在小波变换域内能量分散 于大量小波系数上的信号或噪声的小波系数值，这样就可以对信号进行控制。而且 d e m o o r t e l ，s a m u n d a y ，a w h o o d 也使用了这一思想“”“。 对于处理非线性非平稳的信号，一种常用的方法就是对系统进行线性化，对被 分析的信号假定为平稳或分段平稳的，然后采用适当的分析方法对信号进行分析， 从而得到信号的时频分布。由于这些分析方法都是以f o u r i e r 变换为基础的，因此具 哈尔滨理1 = 大学t 学硕士学位论文 有很大的局限性。为了解决这个问题，定义一种新的频率描述方法，使得对非平稳 信号同样可以进行频谱分析，而且与f o u r i e r 变换的频谱分析是兼容的。t t i l b e r t 谱分 析法的产生对于突破时频分析发展具有重要意义。时频分析的主要任务是描述信号 的频谱分量是怎样随时间变化的，研究并了解时变频率在数学和物理上的概念和含 义。时频分析的最终目的是要建立一种分布，以便能在时间和频率上同时表示信号 的能量或者强度，使在时间域内难以观察到的信号特征在频率域内能十分清楚地显 示出来，得到这种分布后我们就可以对各种信号进行分析、处理，提取信号中所包 含的特征信息，或者综合得到具有期望的时频分布特征的信号“”。国内外已经有很多 人运用这一思想分析非线性非平稳的信号，如：冯志鹏提出的基于平稳小波包分解 的水轮机非平稳振动信号希尔伯特谱分析1 ；罗利春提出用希尔伯特变换构造解析信 号进行时频分析”，n o r d e nh u a n g 在分析瞬变信号测试时也使用了此方法1 。 1 3 本课题的研究意义和主要研究内容 1 本课题的研究意义在移频自动闭塞系统中，载频信号所传递的低频信息实际 上就是列车控制速度的信息。因此移频信号发送、传输、接受的正确性直接影响到 列车的行车安全，为保证铁路行车的安全，必须正确、准确、实时地检测出轨道信 号的各参数，以确保这些移频自动闭塞设备工作正常。本文在国内外研究的基础 上，应用现代信号处理和小波分析的检测理论和技术，在基于m a t l a b 的软件平台 上，设计出适合我国现代化的移频轨道信号参数的检测方法，以适应我国现代化和 智能化铁路的发展。 因此，对铁路移频信号参数的检测进行研究，确保移频自动闭塞设备正常工 作，对保证列车安全、正点的行车具有重要意义。 2 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 详细研究轨道连续相位频移键控( f s k ) 信号的特性。 ( 2 ) 详细研究现有国内外对机车连续相位频移键控( f s k ) 信号解调的方法及其优 缺点。 ( 3 ) 选取合适的小波来检测轨道f s k 的参数：瞬时频率、基带调制频率、上下 边频等。 ( 4 ) 用小波分析的方法通过m a t l a b 仿真来验证可行性。 ( 5 ) 利用高性能d s p 为核心设计国产移频轨道信号参数的检测系统，并对参数 进行详细分析，再利用小波分析的方法进行去噪，利用希尔伯特变换的方法来检测 瞬时频率。 哈尔滨理t 大学t 学硕l 。学位论文 1 4 本章小结 本章主要介绍了国内外的移频轨道电路的发展状况，特别是对目前我国应用的 两种移频轨道信号进行了详细简述，总结了国产移频轨道信号的特点，并针对该信 号的特点，确定了本课题的研究内容。 哈尔滨理1 = 大学t 学硕上学位论文 第2 章移频轨道f s k 参数检测 铁路移频信号实际上是一种频率调制信号低频调制高频的信号，低频为速 度控制信号，载频作为运输低频信号用。键控技术就是利用数字信号离散取值的特 点来键控载波从而实现数字调制的技术。如果是对载波的频率进行二进制键控则称 为移频键控( f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ) ，由此得到的信号就称为移频键控信号，简称 f s k 信号。 2 1 我国铁路的运行现状 轨道电路是铁路上调整列车运行的现代化自动控制与远程控制系统的基本组成 元件，它能发送关于轨道是否空闲与完整的信息，起着一个信息发送器的作用，同 时还起着通过信号机之间、以及地面设备与机车设备之间遥控联系通道的作用。轨 道电路是以一段铁路线路和连接在始端及终端的器械总称。也就是说，轨道电路是 以一段铁路线路的钢轨为导体构成的电路，用于自动、连续检测这段线路是否被机 车占用，也用于控制信号装置，以保证行车安全的设备。 轨道电路有多种分类方法，按结构可分：开路式轨道电路、闭路式轨道电路： 按信号电路的种类分为：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优越的性能：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的传送信息，从而实现较高程度的列车自 动控制系统。为了提高自动闭塞的可靠性，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，也便于实现零段隔离。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，传输信号一般采用f s k 信号，以低频调制频率表示信息。 为了保证列车运行的安全，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，就需要寻找一种对轨道电路信号参数检测做 到实时、准确的方法。 竺查堡堡三查兰三兰堡圭兰堡丝兰 2 2 移频轨道信号分析 2 2 1 移频轨道信号特点 我国铁路中，1 8 信息移频自动闭塞系统和u m 7 1 无绝缘轨道电路采用的均是相 位连续的移频键控信号。所谓相位连续是指信号在码元变换的瞬间，即频率跃变的 瞬间相位连续，它通常由一个矩形脉冲序列对载波进行直接调制得到的。 下面分析一下相位连续的f s k 信号的频谱特性。 首先设移频键控信号的低频调制信号厂( ，) ，其时间表达式为： 巾，= - 翟：= p ， 式中：4 方波信号的振幅，单位：v ； 卜方波信号的周期，单位：s 。 其波形如下图2 1 所示： 图2 1 连续相位的移频键控信号波形 f i g 2 1t h es i g n a lo f c o n t i n u ep h a s i cf s k 哈尔滨理丁大学- 学硕t 学位论文 经低频调制信号( f ) 调制后，移频波的角频率偏移量和频率偏移量为： = c a v = k a 2 石( 2 - 2 ) 其中k 为系数，代表移频器的灵敏度，单位是h z 。 若载频信号的中心频率为五，频率偏移量为，经方波信号调制后，载频频 率为： ，o ，= 雯：筹：劣- r t ，4 4 。t ，r t ，i ：c 2 - 。， 其中： 为上边频，z 为下边频，v 为频偏。 移频波的瞬时角频率变化为： 盼仫竞三：- t 1 4 t ，川t 4 陋。， ( - o h 为上边频的角频率，为下边频的角频率，其中： = 2 巧r m ，= 2 确 = 2 矾 定义m 为移频调制系数，m 值为： 埘：笠：丝 cc 移频波的瞬时相位为： 臼( f ) = c o ( t ) d t = c o o t + a c o d t = c o o ( t ) + g ( r ) 其中： fa c o x tt ，4 t t 4 g ( t ) 2 。( r 2 一，) r 4 f 3 f 4 则相应的移频信号时域表达式为： s ( t ) = 4e o s o ( t ) = 4 0c o s o f + g ( f ) 】 为了便于分析，采用复变函数的实部表示，即 s ( t ) = r e s ( t ) 】 复函数信号为： ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) 堕查堡矍三奎兰三兰至! 兰堡丝兰 i 丽= 4 以p 州吲。”= 4 p 州p 舢 ( 2 - 1 1 ) 由于g ( ，) 是一个周期信号，故e 胛也是周期信号。它可以用复数形式的傅里叶 级数来表示，即： p 厦。) = 式中：q 为基频，数值为：q = 等 巧为傅里叶系数，它取决于： 现将( 2 - 4 ) 式代入式( 2 1 化简可得 e = j a “e j n 。od t + ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) 佗1 4 ) 筹s i n 2 ( m - n ) 小矿一s i n 2 ( m + n ) ( 2 - 1 5 ) 丐而+ ( 一1 ) ”而 现将( 2 1 2 ) 代x ( 2 1 1 ) 式可得： 再将式( 2 一1 5 ) 代入( 2 1 6 ) 可得 丽= 4 石“ 蚶 ( 2 1 6 ) 出 雌p p 培 坚。p!。 一r 衍 掣严 一 p r 一2 出 肚 坚。p三。 一r 觚三。p!。 筇 一丁 哈尔滨理t 大学t 学硕：学位论文 丽一ls i n 2 ( m 叫_ n )月2 l、。， 小矿筹卜 = 4 圭t 筹备r 所例s m m 呼- - c o s t a - c o s t a 2 s 血n 争( 2 - 1 7 )= 4 互 云万爿沏圳( s 岫三鲫三 血n 三) + ( - 矿( 一坝s 渤三三哆咖呼) 】) 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 - 9 ) 得方波调制的移频波的频谱表达式： 即m 墨t 击帅m m 三扣s 所知争 ( 一1 ) ”( m n ) ( s i n t 0 2 c 。s 厅三+ c o s 肌三s i n 玎三) 】 c o s ( + r i o ) c ) 式( 2 1 8 ) 说明，方波调制相位连续的移频信号频谱，是在载频( 当h = 0 ) 附近有 无限多的成对边频分量组成，其边频为( - - ( ) c ) 和( + 拧，) 。他们之l 日j 相距珊。， 各频率分量幅度与移频信号幅值4 的比值称为相对幅度，其分布为： 载频分量的相对幅度为： 2 s i n ( 旦马 l o = 上 ( 2 - 1 9 ) 奇次边频分量相对幅值： 铲而2 丽mc o s ( 等 ( 2 - 2 0 ) 偶次边频分量相对幅值： 以= 而2 m ms j n ( 等 ( 2 _ 2 】) 石l 一一，l j z 在低频调制频率，：已知的情况下，可以用上述公式计算出移频信号在频谱中各次 谱线相对能量和分布位置，它的主要能量分布在： a f 8 = 2 ( a f + 丘一) ( 2 - 2 2 ) 式中：正。表示低频频率的最大值。 边频频点计算公式为： 正= 五正 ( 2 2 3 ) 其中： 为中心频率，押为边频次数。 哈尔滨理t 大学t 学硕 学位论文 由上述公式，我们可以得到： 1 相位连续的方波调制的移频信号有以载频为中心的两个边带，对应的上、 下边带大小相等，奇次项上、下边频的相位相反，偶次项上、下边频的相位相同。 2 移频信号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，不能看作是方波信号的频谱在频率轴上的搬移。 3 当调制系数m 增大时，移频信号的频谱中不带信息的载频分量下降，边频分量 上升，信号能量向边带扩散：当调制系数m 减少时，移频信号中不带信息的载频分量 增大，边频分量减少，信号能量集中分布在中心频率上。 例如：我国多信息移频自动闭塞系统，系统的基带调制频率，：= 2 6 h z 时，其能 量主要分布在l ，2 ，3 三个边频上，峰值在2 次边频上。中心频率及其它边频分量 占据的能量非常小，其能量分布如图2 - 2 所示，当调制频率为1 5 h z 时，能量主要分 布在3 、4 次边频上，峰值在4 次边频上”。如图2 2 所示： a ) 当m = 2 1 1 5 时b ) 当m = 3 6 7 时 图2 - 2 国产1 8 信息移频自动闭塞系统频谱图 f i g 2 2s p e c t r u mo f1 8 - i n f o r m a t i o nf r e q u e n c ys h i f ta u t o - b l o c k i n gt r a c kc i r c u i t 2 2 2 移频轨道信号参数 移频轨道信号系统必须具有抗干扰性能，在最不利的条件下有稳定可靠的作 用，在各种干扰情况下均不出现升级显示，因此采用移频键控方式，并合理选用移 频轨道的参数。也就是说，移频轨道信号的频率参数和它的抗干扰性能有着密切关 系。 1 干扰源分析及防护在交流电气化区段，主要是牵引电流工频及谐波干扰，以 及邻线干扰及高频电磁波的辐射干扰。在非电气化区段，一般存在电传动内燃机车 牵引电机干扰、邻线干扰、高频电磁波辐射干扰以及供电电网接地时5 0 h z 干扰。其 哈尔滨理t 大学t 学硕i 。学位论文 中，以交流牵引电流所引起的干扰最为严重。 在双线区段，移频信号即是信号源，又是干扰源。如上行线的移频信号，对下 行线即为干扰，称为邻线干扰。邻线干扰一般来说远小于主信号。 对于电气化干扰、邻线干扰和通带外的干扰，一般靠滤波器来防护。 为了提高设备的抗干扰能力，必须采取一切措旌，降低带内干扰，提高带内信 噪比”。 2 移频轨道信号频率参数的选择移频信号参数的选择主要包括载频中心频率工 的选择、频偏的选择、低频调制频率疋的选择。 ( 1 ) 载频中心频率矗的选择 我国现有国产移频轨道电路信号的中心频率厶有4 种，分别是5 5 0 h z 、6 5 0 h z 、 7 5 0 h z 和8 5 0 h z 。选择这4 种中心频率是由于偶次谐波的干扰量远小于奇次谐波，为 此信号能量应分布在偶次谐波频点附近，有利于抗干扰。如果载频中心频率选在偶 次谐波附近，只有调制系数所很小时，才能使信号功率集中分布在偶次谐波附近， 但频带窄，能量过于集中对抗干扰不利；调制系数m 增大后，载频分量变小，边频 分量增大，并使信号向中心频率的两个边带扩散，使信号扩散到奇次谐波附近。由 于奇次谐波的干扰很强，对系统的抗干扰也不利。为此，载频频率应选在5 0 h z 的 奇次谐波上，这样可以通过频偏厂和调制系数m 的设定，使信号载频分量尽可能 小。 ( 2 ) 频偏r 的选择 国产移频轨道电路信号的频偏可选择+ 5 5 h z 。这是由于v 的取值要保证移频波 的边频分量落在5 0 h z 偶次谐波附近。当载频中心频率五选为5 5 0 h z 、6 5 0 h z 、 7 5 0 h z 和8 5 0 h z 时，移频信号的主要能量应分布在五v 附近。即：4 9 5 h z 、 6 0 5 h z 、5 9 5 h z 、7 0 5 h z 、6 9 5 h z 、8 0 5 h z 、7 9 5 h z 和9 0 5 h z 附近。 ( 3 ) 低频调制频率f 的选择 国产的移频轨道电路信号的低频调制频率疋有1 8 种1 。选取的原则是： 为了保证移频信息分布在偶次谐波区域内，在鲈一定的情况下，低频调制频 率越高，调制系数小就越小，但不应小于2 。因为调制系数m 过小，移频信息的边 频分量变小，载频中心频率的分量变大，频带变窄，使移频信息集中在载频中一i i , 频 率附近，远离5 0 h z 偶次谐波的区域内，不利于移频自动闭塞系统的抗干扰。调制系 数肌也不能过大，因为奇次边频分量和偶次边频分量随着调制系数m 的增大而增 大，并且信号频谱宽度也在加宽。由于信号频谱变宽，使通带的干扰增加，对系统 的抗干扰不利，因此调制系数肌也不能取过大。 两个调制频率之间不能有倍数关系，从公式( 2 2 2 ) 可见，信号频谱的间隔是等 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 间距的，即他们的间距是低频调制信号的频率f 。如果两个低频信息是倍数关系， 他们的频谱在两个信息整数倍处重叠。 低频调制信号的频率正取值不能和l o o h z 构成整数关系。因为相邻的载频之 差为1 0 0 h z ，若低频调制信号的频率取值和1 0 0 h z 成整数关系，就会使两相邻信号 在其重叠频带处的谱线位置完全重合。 现以低频调制信号的频率正= 2 0 h z 时各边频频点的位置为例，具体计算如表2 1 所示。 表2 一l4 种载频信号频谱的载频表 t a b l e2 - 1t h ec a r d e rf r e q u e n c yo f 4s i g n a l 洲z f 0 h z f 1+ f 1一f 2 + 亿f 3 + f 3 f 4+ f 4 5 5 05 3 05 7 05 l o5 9 04 9 0 6 1 04 7 06 3 0 6 5 06 3 06 7 06 】o6 9 05 9 07 l o 5 7 0 7 3 0 7 5 07 3 07 7 07 1 07 9 06 9 08 1 06 7 08 3 0 8 5 08 3 08 7 0引08 9 07 9 09 1 07 7 09 3 0 综上所述，我国1 8 信息移频轨道信号的频率配置如表2 2 所示： 表2 21 8 信息移频自动闭塞轨道信号频率配置 t a b l e2 - 2t h ef r e q u e n c ya s s i g n m e n to f1 8 一i n f o r m a t i o na u t o - b l o c k i n gt r a c ks i g n a l 载频 ( h z ) 5 5 06 5 07 5 08 5 0 频偏a f ( h z ) 士5 5 7 08 0 8 59 0 9 5 1 1 01 2 5 1 3 5 1 5 01 6 0 调制频率( h z ) 1 6 51 7 51 8 52 0 02 2 52 3 52 4 52 6 0 对于国产移频轨道信号低频调制频率q 有1 8 种，频偏a f 为5 5 h z ，所以相应 的调制指数埘也有1 8 种，对应的带宽b 根据公式曰= 2 ( 1 + 詈 q 计算。在时域向频 域变换之前，首先应确定频域信号的频带宽度，以满足检测干扰和信号分离所需的 频带宽度。不同调制指数m 对应的信号的带宽b 如表2 - 3 所示。 哈尔滨理t 大学1 = 学硕1 学位论文 表2 3 国产移频信号的带宽( q 和b 单位：h z ) t a b l e2 - 3b a n d w i d t ho f h o m e - m a d ef r e q u e n c ys h i f ts i g n a l q 历bqm 曰q 肌 口 7 78 6 6 986 8 77 18 56 ，4 77 2 96 1 l 7 39 5 5 7 9 7 4l 】5 7 7 1 2 54 48 01 3 54 0 78 21 53 6 78 5 1 6 53 3 38 81 7 53 1 4 9 01 8 52 9 7 9 2 2 0 2 7 59 52 1 52 5 69 82 2 524 41 0 0 2 3 52 3 41 0 22 4 52 2 41 0 42 621 11 0 7 由表2 1 可以看出对于国产移频信号其带宽的最大值为1 0 7 h z ，则对于载频 f o = 8 5 0 h z ，它有效带宽的最大范围在 7 4 3 h z ，9 5 7 h z 之间。 3 影响系统带宽的因素分析由于送受信号电缆对地和线间存在分布电容，当送 受信号电缆同时单端接地或与电缆连接信号器材故障接地时，使电缆芯线对地电容 变大，使送受电缆产生耦合，使发送信号不经轨道电路直接加到接受端，产生干 扰。在正常情况下，轨道电路对地是平衡的。当上下行与轨道电路连接的器件同时 出现故障接地时，轨道电路对地电阻的平衡被破坏，使轨道电路上下行交叉泄漏加 大，接受设备产生侵入干扰。这些干扰的根源是由于信号工作频带选择出现