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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于时频分析技术轨道移频信号接收系统设计 摘要 时频分析，或称时频分布作为一种新兴的信号处理方法，近年来受到越 来越广泛的重视。时频分析是描述信号频率随时间变化的信号处理方法。采 用时间一频率联合表示信号，将一维的时间信号映射到一个二维的时频平 面，在时频域内对信号进行分析，全面反映观测信号的时频联合特征，能同 时掌握信号的时域及频域信息，而且可以清楚地了解信号的频率是如何随时 间变化的。移频轨道信号是一种相位连续的f s k 信号，它的载频和低频信 息通过傅立叶变换可以很容易的检测出来，但上下边频的高精度检测，一直 是比较棘手的问题。 本文分析了铁路移频信号的特型性，根据移频信号的产生方式和频谱特 性提出了应用z o o mf f t 技术提高f s k 信号中心载频和低频的检测精度。 研究了短时傅立叶变换、w i p e r v i l l e 分布和瞬时频率三种常用时频分析方 法的特点，对他们进行比较，最后选择s p w v d 检测f s k 的信号的上下边 频。并给出算法和计算机仿真，得出应用s p w v d 检测f s k 信号上下边频 完全满足精度要求。这为研制高精度的f s k 信号检测仪器奠定了理论基 础。 本文还提出了基于d s p 的f s k 信号解调系统的部分软硬件实现方案， 通过对实验结果的分析证明本文论述方法的正确性和可行性，为进一步实际 中的应用工作打下了基础。 关键词时频分析；移频信号；z o o mf f t ；s p w v d 哈尔滨理工人学工学硕j j 学位论文 s y s t e md e s i g no ft r a c kf s ks i g n a lb a s e do n t if nt l u e n c 3d i s t r i b u t i q l i m e - 量r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n a b s t r a c t t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i sh a sb e e np r o v e nt ob eap o w e r f u lt o o l i nt i m e - v a r y i n ga n dn o n s t a t i o n a r ys i g n a l s a n a l y s i s t m sm e t h o ds h o w sc l e a r l yh o wt h e s i g n a lc h a n g e si nf r e q u e n c yd o m a i na n di nt i m ed o m a i na tt h es a m et i m e t h e p h a s e o ff s k s i g n a l t r a n s m i t t e d i n f r e q u e n c y s h i r t r a c kc i r c u i t i s c o n t i n u o u s i t sc a r r i e r f r e q u e n c ya n dl o w f r e q u e n c yc a l lb ed e m o d u l a t e de a s i l y b yf o u r i e rt r a n s f o r m h o w e v e r ，b ys t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff s k s i g n a l ，i ti sv e r yd i f 矗c u l tt or e a l i z et h ed e m o d u l a t i o no ff s k s i g n a l t s u p p e ra n d d o w ns i d e f r e q u e n c i e so n l yt h r o u g ht h ea n a l y s i so ff s ks i g n a l sf o u r i e r t r a n s f o r ms p e c t r u m t h i sp a p e r ma i n l ys t u d y st h em e t h o do ft h ed e m o d u l a t i o no ff s ks i g n a l b a s e do nt i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s i ta n a l y z e st h ec o m m o nm e t h o d so ft i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s wh i c hi n c l u d e ss h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r i l l ，wi g n e r v i l l ed i s t r i b u t i o na n di ns t a n t a n e o u s f r e q u e n c y b a s e do nt h ep r o d u c i n g m e t h o do ff s ks i g n a la n di t sc h a r a c t e r i s t i co ff s ks i g n a l s s p e c t r u m t h e a r i t h m e t i co fz o o mf f ti sp u tf o r w a r d b yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o m p u t e r si m u l a t i o n ，i tc a nb ep r o v e n th a tz o o mf f tc a nr e a l i z et h eh i g h p r e c i s ed e t e c t i o no fc a r r i e r f r e q u e n c ya n dm o d u l a t e df r e q u e n c yo ff s ks i g n a l t ot h ep r o b l e mo ft h ed e m o d u l a t i o no ff s ks i g n a l su p p e ra n dd o w ns i d e f r e q u e n c i e s t h i sp a p e re x p o u n d ss o m ek i n d so fa l g o r i t h mt h a td e m o d u l a t ef s k s i g n a lu s i n gt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sw h i c hh a v eb e e nm e n t i o n e da b o v e ， p r e s e n t st h ed e m o d u l a t i o np e r f o r m a n c eo ft h o s ea l g o r i t h mb yt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，a n da c q u i r e st h er e s u l t t h a ts p w v dc a nr e a l i z et h er e l i a b l ea n dh i g h p r e c i s ed e m o d u l a t i o no ff s ks i g n a l su p p e ra n dd o w ns i d ef r e q u e n c i e s s oi t c a nb e c o m et h et h e o r e t i c a lb a s i st od e v e l o pt h en e w d e m o d u l a t i n gi n s t r u m e n t t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r es o l u t i o nt ot h e - i l 哈尔滨理t 人学工学硕j j 学位论文 d e m o d u l a t i o n s y s t e m o ff s ks i g n a l u s i n g d s pt h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t a t i o np r o v et h a tt h em e t h o do ft h ep a p e ri sf e a s i b l e s ot h em e t h o d p r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r er e s e a r c h 。 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 ，f s k ，z o o mf f t ，s p w v d 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时频分析技术轨道移频 信号接收系统设计，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：杨c 天茇日期：伽。年弓月厶日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于时频分析技术轨道移频信号接收系统设计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：杨坎芨 日期：2 , o v p多月日 别磁名叱象中 醐渺确月扣 哈尔滨理t 人学r t 学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着中国经济的高速增长，对铁路运输能力的需求越来越高。在这种形式 下，中国铁路系统已经经历6 次大提速，提速线路已达1 6 5 0 0 公里“1 。在中 国，铁路主要是以客货共线形式存在，列车密度居世界之首。这些因数对铁路 运行安全保障体系提出很高的要求。 近十年，铁路信号理论和应用得到了突飞猛进的发展，当今世界无一例外 的应用现代铁路信号系统作为铁路运输的安全保障主要手段。铁路信号是铁路 运输的基础设施，也是行车安全，提高运行效率，改善劳动环境的有效设备。 铁路信号承载着各种信息状态，它控制着机车的运行方向，运行线路、运 行速度运行间隔，并显示列车的运行状态、线路。从而有效保证调度指挥、控 制列车运行，组织列车编解及调车作业，提高运输水平。铁路信号传输快而准 确，并且承载的信息是经过优化和严密的逻辑运算求出的，安全、可靠。它犹 如人体的中枢神经控制着列车有组织的运行在铁路线路上幢1 。 理论技术的发展促进应用技术的发展，在铁路系统也不例外。2 0 世纪8 0 年代以来，微电子技术、现代通信技术、计算机技术等先进技术的发展，把过 程控制，采集及数据处理连成一体，促进铁路运输生产和铁路运营管理的现代 化发展。如今随着信息技术及网络技术的发展，铁路信号的传统观念正在改 变，信号功能逐步扩大，铁路信号作为一种重要的信息与控制技术具有全程全 网，高安全、可靠等特点，在铁路运输更大的范围内得到了广泛的应用，发挥 越来越重要的作用。铁路信号作为铁路信息化运营管理的一种不可或缺的手 段，不但已经成为铁路信息技术的三大重要支柱之一，而且其发展水平也成为 铁路现代化的重要标志之一。 z p w - 2 0 0 0 系统具有安全性及可靠性高、传输性能好等特点，得到了铁道 部的大力推广和应用，发展符合2 0 0 0 制式的信号技术已经成为铁道部的技术 政策。新建和改建干线铁路普遍采用z p w - 2 0 0 0 系统1 3 。 而半自动闭塞区段具有条件艰苦、投资少等特点，研究开发一种既符合半 自动闭塞区段的特点，又能满足2 0 0 0 制式的技术要求，配置简单、可靠、并 能保证行车安全的系统，具有很强的现实意义，目前还没有这样的系统推出。 哈尔演理丁大学t 学硕f j 学位论文 z p w - 2 0 0 0 g 系统在充分肯定和保持u m 7 1 及z p w - 2 0 0 0 系统技术特点及 优势的基础上，合理优化系统配置，使系统具有安全可靠、设备简单、投资少 等优点，适用于山区、支线等铁路的建设及改造，本接收系统就是z p w - 2 0 0 1 ) ( 3 系统的接收部分。 移频信号全称为移频键控信号( f r e q u e n c y - s h i t tk e y i n g ) ，利用高频信号承 载低频信息，具有抗干扰能力强、传输距离远等优点，是现代铁路机车行驶中 的速度控制信号。它可以准确确定列车的位置，与铁路机车安全运行有密切的 关系。信号接收系统对轨道移频信号进行解调，动作轨道继电器，以判断轨道 电路的工作状态。作为最后的执行部分，关系到能否接收到并判断出准确、实 时有效的轨道电路信号，因此接收器在整个系统中的地位十分重要，同时也是 该系统五部分中性能要求最高难度最大的部分，所以接收器的设计是非常有意 义。 铁路信号系统中连个重要的设备是：一、地面轨道电路；二、机车信号。 随着运行速度越来越快，我们对铁路信号的传输及机车信号检测设备的要求越 来越高1 。 轨道电路的干扰是很大的，在铁路信号传输的过程中，机车检测设备从轨 道电路上接收的信号并不是纯净的，可能受到单频干扰、工频干扰、谐波干 扰、瞬间干扰、电火花白噪声干扰。这些干扰会不同程度的干扰有用信号，严 重时会使信号失效，无法提取或产生误判。这些干扰反映在频谱上，就是在信 号通带内存在不同的无用频谱。这些频谱存在的位置不同产生的影响也不同。 为了消除干扰，需要不同的解调方式来确保得到的信息是正确的。 时频分析，或称时频分布作为一种新兴的信号处理方法，近年来受到越来 越广泛的重视。时频分析是描述信号频率随时间变化的信号处理方法。采用时 间一频率联合表示信号，将一维的时间信号映射到一个二维的时频平面，在时 频域内对信号进行分析，全面反映观测信号的时频联合特征，能同时掌握信号 的时域及频域信息，而且可以清楚地了解信号的频率是如何随时间变化的嵋1 。 时频分析主要可分为两种方法，第一类是线性时频表示，这一类的时频表示由 傅氏谱转化而来，其特点是变换为线性，典型形式为短时傅立叶变换、g a b o r 变换及小波分析( w a v e l e t ) ；第二类是二次型时频表示，这是一类应用广泛的时 频分析，这种时频的二次型有独特的优点，因为信号的二次型就是信号能量的 表示，故这种能量化的时频表示与能量的相关概念有密切联系。而w i g n e r - v i l l e 分布是其中最重要的一种。由于信号的时域与频域联合分析对时变非平稳 信号分析的特点，它在许多领域有广泛的应用，如雷达，通信和检测等方面， 哈尔滨理t 人学r t 学硕i ：学位论文 并且取得了很好的应用效果阳。 1 2 移频信号检测技术概述 1 2 1 最近邻模式识别法 最近临法是最重要的模式识别法之一。最近临法决策规则为：对于n 类问 题，设类形( f = 0 ，1 ，2 n ) 针对一个带识模式x ：n ，分别计算它与已知类别样 本置的距离，将它判为最近距离样本所属的那个类既，这种方法通常称为1 n n 方法，还可以考察待识别模式k 个最近邻样本，这k 个最近邻元中那个类 的样本最多，就将其判属于哪一类即k - n n 旧儿9 1 。 f s k 信号的模式识别方法分为采样识别和判决三个部分，将已知类别不同 的f s k 信号，选取一定的采样频率和采样点数，分别对其采样后数据进行快 速傅里叶变换( f f r ) ，并选取各种情况下中心载频附近若干点数据，构成个已 知类别的样本，对实际的待测移频信号，以相同的采样频率，采样相同点数， 并进行快速傅里叶变换( f f t ) 。选取中心载频的若干值作为待识模式，将待识 模式与已知各个类别样本分别进行比较，计算其与各样本之间距离，最后将待 识模式判为与其距离最近的那个样本的所属类。进行模式识别应保证相比较的 频谱具有相同的频谱分辨率伽。 1 2 2 时频分析法 时频分布对时变非平稳信号分析有着独特优势，可以同时研究非平稳信号 的时域和频域的信息，引起人们广泛的关注。提出了许多时频分布形式，这些 分布有各自的特点，在不同的领域有着广泛的应用。其中之一就是w v d ，它 是c o h e n 类时频分布的一种1 。在现已提出的各种时频分布中，信号的w v d 是一种最基本、也是应用最多的时频分布。但是w v d 的交叉干扰项是其应用 的瓶颈，可以采用加平滑窗的方法来抑制交叉干扰项。 w v d 和其它时频分布相比，有很好的时频聚集性。不过尽管w v d 使信 号在时频面内被很好地局域化了，w v d 最主要的缺点就是其对于多分量信号 或者频谱非线性变化的单分量信号存在严重的交叉项干扰。为降低和消除 w v d 带来的交叉干扰，可以采取伪w v d ，即p w v d ( p s e u d ow v d ) 以及平滑 伪w v d ，即s p w v d ( s m o o t h e x ip s e u d o w v d ) 引。 对于正在使用中的轨道电路f s k 信号，j 下确识别出它的上下边频对于铁 哈尔滨理t 人学t 学硕i - 学位论文 路上的行车安全是非常重要的，采用s p w v d 这种时频分析方法，估计出了 f s k 信号的上下边频，计算精度高，抗干扰能力强。 1 3 铁路信号解调国内、外发展现状 1 3 1 国内发展现状 我国铁路大量运用的机车信号是建立在地面轨道电路基础上的连续式或接 近连续式机车信号。历史上不同的自动闭塞制式产生过各种制式的机车信号， 例如交流计数电码机车信号、极频机车信号和移频机车信号。机车信号的车载 信号机由于信息量不同曾经采取过5 灯位、6 灯位以及现在广泛运用的8 灯位 信号机。虽然我国铁路的机车信号达到了基本普及的水平，在安全与效率方面 发挥了重要作用，但在机车信号信息标准化方面却一直没有全路统一的标准。 过去地面信息量少，运用中矛盾不太突出。现在地面信息已增加到8 个和1 8 个，机车信号信息即将实行统一标准n 引。 由于历史原因，我国铁路在不同线路的区段内建有各种制式的自动闭塞， 特别是在枢纽地区，周边相连的几条线路大都有2 种以上的自动闭塞制式。当 时的机车信号与各种自动闭塞制式相配套，互相之间不能兼容通用，甚至在同 一制式的电气化与非电气化区段也不能兼容。由于机车信号不能跨制式兼容， 使仅安装一套机车信号设备的列车在枢纽内不能连续地工作。 目前，我国将实现机车信号标准一体化，以增加铁路运输的快速性，安全 性。我国铁路机车信号主要采用相位连续的频移键控f s k 调制方式。它虽然 具有数字通信的诸多优点，但也有非线性调制的特点，从而使其实时高精度检 测具有很大的困难。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。铁路上采用的f s k 信号主要有两种：国产移频信号及法国u m 7 1 移频信 号。国产移频信号的中心频率发有厂0 四种，分别是下行5 5 0 h z 、7 5 0 h z 及上行 6 5 0 h z 和8 5 0 h z 。频偏为5 5 h z 低频调制频率力为从7 h z 每间隔0 5 h z 至 2 6 h z 共1 8 种信息引。 铁道部要求所有路局要逐步将铁路信号统一为法国u m 7 1 移频号，低频 调制频率f 为从1 0 3 h z 每间隔1 1 胁至2 9 h z 共1 8 种信息。u m 7 1 移频号 将低频间隔为1 1 h z ，更加有利于信号检测。本接收系统就是针对于法国u m 7 l 移频号进行设计的。 目前，国内移频信号接收系统只对移频信号在频域进行检测，随着铁路现 哈尔滨理丁人学t 学顾i j 学位论文 场情况的复杂，滤除干扰能力变弱，有的得区段甚至降为半自动闭塞，来满足 安全需要。 1 3 2 国外发展现状 日本f s k 制式轨道电路载频选用17 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、2 9 0 0 h z 和3 5 0 0 h z 。 调制频率采用两种：一种是1 0 个信息，其频率为l o 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 和4 1h z ，此时频偏采用4 0h z ；另一种是 1 5 个信息，其频率除上面1 0 个外增加4 5 h z 、5 5 h z , 、6 1 h z 、6 7 h z 和7 3 h z 。 而频偏为7 0 h z 。 法国u m 7 1 无绝缘移频轨道电路，上行线载频的中心频率是2 0 0 0 h z 和 2 6 0 0 h z ，下行线采用的中心频率是1 7 0 0 h z 和2 3 0 0 h z 两种载频频率，频偏为 li h z 。低频调制频率从1 0 3 舷起，按1 1h z 等差级数递增至2 9h z ，共1 8 个 低频信息。法国u m 7 1 无绝缘移频轨道电路采用1 7 0 0 h z 以上的载频频率，便 于实现两闭塞分区的电气化绝缘，但频率越高，在钢轨中衰耗越大，给信号的 传输带来了极大的不利，为了解决这个问题，因而每隔1 0 0 m 就在轨间并联一 个补偿电容。 以上所列举的几种制式f s k 信号中频率的配置各不相同，它们都是从各 自的具体情况来设置的。它们的共同特点是载频频率高，信号频率准确，因而 受到电力机车牵引电流的谐波干扰就越小，这对移频信号的检测是非常有利 的。 1 4 课题来源和主要研究内容 本课题来源于某科技公司项目“基于时频分析技术轨道移频信号接收系统 设计。 主要将传统的频域解调方式与时频分析法结合，除了获得以往的载频、低 频信息，同时还获得上下边频信息。增加判断因子，增加了信号接收机的可靠 性。 1 5 工作内容 1 通过分析f s k 数学模型了解f s k 的频谱特性，对z o o mf 盯算法进 行理论分析和算法仿真，证明z o o m f f t 算法能够获得高精度的f s k 哈尔滨理- t 人学工学硕l j 学位论文 的中心载频和低频信息。 2 应用平滑伪w i p e r - v i l l e 分布时频分析法，检测出f s k 信号的上下边频 信息。对此算法进行了理论分析和算法仿真。 3 应用“双机热备结构进行系统整体设计。进行了以d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主要器件的数字板设计，进行了基于z o o mf f t 算 法、s p w v d 算法的d s p 软件设计。 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 2 1 引言 第2 章移频键控信号的特性分析 铁路线路以车站为分界点划分为若干区间。列车在区间( 分区) 内运行的 特点是：列车的运行速度高，质量重，制动距离长，不能避让。所以为了确保 列车在区间内的运行安全，列车由车站向区间行车时，必须确认区间( 分区 间) 没有列车，并需遵循一定的规律组织行车，以免列车正面冲突或追尾等事 故。这种按照一定规律组织列车在区间内运行的方法，一般叫行车闭塞法，或 简称闭塞。实现闭塞的方法一般有四种：人工闭塞、自动闭塞、半自动闭塞、 和列车运行间隔自动调整。现中国闭塞方法主要是自动闭塞，根据信息的特 征，目前铁路的自动闭塞制式主要采用二种，其一是移频自动闭塞，另一种是 交流计数自动闭塞。其中移频闭塞系统就是基于移频键控信号为基础的轨道电 路系统，也是现在的主要自动闭塞制式引。 2 2 移频信号概述 移频键控信号，它是载波频率随数字信号变化的一种数字调制方式。 移频信号有两种产生方式：一、利用一矩形脉冲序列对一载波进行调制而 获得；二、键控法，即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对俩个独立的 频率源进行选通。以上两种产生方法及波形示例，如图2 1 ，图2 2 图 中，j ( f ) 代表信息的二进制矩形脉冲序列，e o ( t ) 产生的移频信号( 2 f s k 信号) 。 图2 1 移频信号模拟产生方式 f i g 2 1a n a l o gm e m o df o rm a k i n gf s k 一般来说，键控法得到的九，吃是与序列n 无关的，反映在( f ) 上表现为 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 q ，国：改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于当缈。，缈：改 变时( f ) 相位是连续的故，吮，幺不仅与第n 个信号码元有关，而且丸与吃 之间也应保持一定的关系n 引。 载波 j ( f ) 图2 - 2 移频信号数字产生方式 f i g 2 - 2d i g i t a lm e t h o df o rm a k i n gf s k 2 3 铁路移频信号模型介绍 下面我们来介绍一些铁路上基本概念，以帮助我们更好的理解铁路移频信 号的作用。 1 区间铁路线上两车站之间称为区间。 2 行车闭塞手续在单线铁路上，为了防止一个区间内同时进入两列反 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。 3 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。半自动闭塞是以车站的出站信号基作为区间列车运行的凭证。只有在车站 的出站、进站信号机附近有- 4 , 段轨道电路，在区间内必须由工作人员来确定 是否有遗留车辆。所以，出站信号机是不能随便开放的必须由工作人员确定， 才能解除区间的锁定状态。 4 全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。自动闭塞区段的 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 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 l 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。 轨道电路中传递的信息可分为不同的制式。机车信号制式主要有以下几 种：交流计数、移频、极频和由u m 7 1 。我国铁路现在较多用的是移频和 u m 7 1 ，而移频和u m 7 1 同属于移频信号，只是它们的载频和低频控制信号不 同而已。在u m 7 1 这种轨道电路发送的信息中，载频为：上行2 0 0 0 h z 和 2 6 0 0 h z ，下行1 7 0 吁拓和2 3 0 0 h z 。频偏为1 1 h z ，低频信息从1 0 3 胁起按 1 i h z 等差级数递增至2 9 h z ，一共有1 8 个低频信息。 移频自动闭塞是一种以移频轨道电路为基础，频率调制制式自动控制系 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，借以自动控制相应的信号显示。 下面对相位连续的移频波进行频谱分析。铁路信号采用的是移频键控信 号，低频信号控制信号的载频使其在高端载频万和低端载频厶之间交替变化。 若设键控信号为低频调制信号厂( f ) ，周期为丁，时间表示式为： 厂( f ) = 4 一彳 r 0 f 二- 2 丁 二f t 2 ( 2 - 1 ) 式中，a 为方波的振幅。 u m 7 1 的相位连续的频移键控信号( f s k ) ，用二进制数字信号对单一载波 信号进行调频，其时域表达式为： 哈尔滨理t 人学_ t 学硕 j 学位论文 e o ( t ) = 么c o so ( t ) = 4c o s c o o t + g ( t ) 】 ( 2 - 2 ) 移频信号的角频率和频率偏移量为：a 国= k a ，a 厂= k , 4 2 月t ，式中，k 为系 数，代表移频器的灵敏度，h z v 。 频率为的正弦信号经方波信号调制后，其瞬时相位为：o ( t ) = c o o t + g ( t ) ， 其中， i a 耐o f 一t g ( f ) = 一 ( 2 - 3 ) l 一厶c o t一1 t t 1 i 一厶一s l 2 由公式可知瞬间相位唯一周期信号。 图2 3 移频信号结构 f i g 2 - 3s 仃u c t i l r eo ff s k 将( f ) 进行傅立叶级数展开可得： = 争 孑阶+ 以i n 警c 。s 等一c o s 等s i n 等，+ ( - 1 八脚州( s i n 了m l rc o s 了n y t “n 芦n l s 争) c o s ( t o o + n r 弦 ( 2 4 ) 式中，4 为移频信号的振幅；c o o 为载频的中心频率；q 为调制方波厂( ) 的基 频；移频指数历= 功q = a f z ；载频的上限频率魄= + 国；载频的下限 魄= 一彩( 2 5 ) 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 通过移频信号的傅里叶级数，可以分析出其频谱。连续相位移频信号属于 非线性调制方式，频谱分析较为复杂，近似分析结果为其平均功率谱密度随频 率厂偏离，占用带宽窄。 载频分量的相对幅度g 1 s i n ( 竺勺 ( 2 6 ) 心。o j 奇次边频分量的相对幅度： l c o s ( 等) m 2 _ n 2 啷【了) ( 2 - 7 ) 偶次边频分量的相对幅度： l s i n ( 孚) ( 2 8 )丌s l n 【_ - j【2 。苓j m 一以。2 由此可得，移频信号经过一系列的数学运算，载频频率不可以直接从其频 谱中得到。从频谱中可以得到的是移频信号的中心频率和调制频率，也就是 说，可采用快速傅里叶变换的方法，实现频率的测量。此种方法比时间计数的 方法可靠性和准确性都高，但遗撼的是它的时域波形变得很模糊了引。 图2 _ 4 为u m 7 1 中心频率为1 7 0 0 1 ( 1 7 0 1 。4 h z ) 低频为1 0 3 h z 的频谱波 形。 通过以上一系列的数学计算我们可以得到如下结论： 1 方波调制的相位连续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。 2 移频波没有保持原来方波的频谱结构，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。 3 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。 4 当厂固定时，m = f l f l = 缈q 随调制低频z 的增加而减小时，频谱 中相邻边频的间隔增大。 5 方波调制的相位连续移频波是一种窄带信号，尤其当m 0 3 时，信号 的能量几乎都集中在0 ) o 劬2 之间，随m 变化， 信号的带宽虽然也 有所变换，但有效带宽依然较小。 哈尔滨理工大学工学硕1 ：学位论文 图2 41 7 0 0 载频f s k 频谱 f i g 2 _ 4f s kf r e q u e n c ys p e c t r u mo f17 0 0c a r r i e rf r e q u e n c y 2 4 移频信号的干扰分析 电气化轨道电路的干扰是很大的，在列车的运行中，列车信号系统从传感 器接收的信号可能会混入各种干扰，比如工频干扰及各次谐波的干扰、瞬时干 扰、电网火花白噪声的干扰和可能与信号存在的各种调制所造成的干扰。这些 干扰均会不同程度的污染有用的信号，严重时可能造成信号失效或无法提取， 或信号错误故障，反映在频谱上可能在信号通带内混入无用频谱。这些频谱由 于其所处位置不同，引起的危害也不尽相同，严重时可能引起信号误判。为了 有效的提取有用信号，消除干扰，尤其是排除可能存在的误判，需要从不同的 解调方式来确认信号的正误。所以我们有必要对现实环境中的干扰源进行一下 分析。 1 工频干扰我们知道，轨道电路信号与电力机车牵引回流都使用钢轨 作为传输通道。理想条件下，机车牵引电流在两轨条上的电流分配相等，且方 向一致。因此两钢轨上的牵引电流在机车信号感应线圈的感应电压相互抵消， 不会对轨道电路信号造成影响。但事实上，由于两条钢轨的阻抗，对地电阻， 传输通路中连接设备的接触电阻都不尽相同，必然造成牵引电流不平衡，使机 哈尔滨理t 人学- t 学硕1 ：学位论文 车信号接收线圈对牵引电流总的感应电压不为零，这样，接收线圈感应的信号 中既有轨道电路信号也有工频信号，显然，混入的工频信号会对对机车信号的 接收、译码产生干扰。 2 邻线干扰在双线区段，相邻上、下行轨道区段存在着相互干扰，本 线轨道电路有时会收到邻线轨道电路发送的信号。借用通信传输线串音的概 念，可称此时的本线轨道点路为被串回路，邻线轨道电路为主串回路。同样， 相邻线路机车信号之间也存在相互干扰，本线机车会收到邻线轨道电路发送的 机车信号，从而影响到本线机车信号的显示，使其错误显示邻线的机车控制信 息，我们把这种现象称之为机车信号邻线干扰。机车信号邻线干扰主要是由于 空气泄漏、钢轨互感和大地泄漏造成的，而钢轨互感和大地泄漏是主要因素。 3 电磁干扰当有电力机车通过时，牵引网有电流通过，在它周围会产 生电磁场，对附近的传输线产生干扰，这是一种电磁感应干扰。 4 脉冲干扰事实上，脉冲干扰也是牵引电流引起的，其特点是干扰电 流幅值大而时间短。形成脉冲干扰的因素很多，如列车运行时，钢轨接头处的 接触电阻发生变化；电力机车轮箍和钢轨的接触电阻的变化引起牵引电流值瞬 时变化而产生的瞬时电压；电力机车升降弓和启动时造成的突发性脉冲干扰； 电力机车速度增加，机车内的杂散磁场的干扰等等。理论上，脉冲干扰的频谱 宽度无穷大，其中包含有用信号频带因此难以用滤波的方法消除干扰的影响。 5 漏频事实上，信号截断造成的频谱干扰跟外部干扰无关，主要是因 为对机车接收上来的轨道电路信号进行频谱分析时，根据系统实时性的要求， 只能截取有限长度的数据进行分析，即相当于无限长的信号数据乘上一个矩形 窗作自然截短的结果。时域相乘对应频域卷积，矩形窗的频谱是s i n c 函数。 卷积的结果是s 矾c 函数的主瓣对信号频谱起到了平滑的作用，降低了信号频 谱的谱峰分辩能力。另外，s i n c 函数的边瓣也会通过卷积的作用把信号频谱 中的内容扩展到原频谱范围以外，造成信号频谱的失真。 对于上述普遍存在的干扰，现在一般采用传统的方式解决，即，对铁路移 频信号进行采样、滤波、f f t 变换、频谱细化等技术，得到现实信号的频 谱，然后将现实频谱与标准频谱进行比较，最终确定。然而这种方式，由于只 对数据进行f f t 变换，只能得到中心频率及低频，其中连个频谱线受到干扰变 形就无法解调，甚至容易产生误判，这是十分危险的。针对这些问题，需要我 们对移频信号的时域特征进行分析。利用信号的时域特征，对频域进行对比， 得到有效的解调参数。 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 2 5 闭塞电路原理 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。 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 轮和轨道继电器线圈，由于车轮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。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。 绝缘结 绝缘结 图2 - 5 轨道电路结构图 f i g 2 - 5s t r u c t u r eo f t h et r a c kc i r c u i t 哈尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论文 2 6 本章小结 本章主要介绍了轨道电路的原理及铁路移频信号( f s k ) ，通过分析f s k 信 号的数学模型使我们来了解铁路移频信号的时域和频域特性。同时介绍了铁路 轨道线路存在的各种干扰对铁路移频信号( f s k ) 的影响。为后续章节提供具体 的对象模型。 哈尔滨理- t 人学t 学硕。i ：学位论文 3 1 引言 第3 章铁路移频信号的时频分析 上一章我们分析了铁路移频信号的数学模型和特性，从中可以看到它是相 位连续的移频信号。从时域波形可以看出，理想无干扰的移频信号是由几个单 一的正弦信号组成，即，上下边频的周期性变化来完成。因此，基于频率的有 规律变化，从频率变换点可以得到原信号的周期信息( 低频) ，而不能知道载 频变化情况，下面我们来介绍在频域、时域与频域联合分析，来得到移频信号 的特征元素。 3 2 解析信号 从实际应用中获得的各种信号都是实信号。但是，定义在某种意义上对应 于实信号的复信号常常是有作用的。g a b o r 提出了从实信号产生复信号，即解 析信号的方法，确定了从实信号到复信号的一一对应关系。在进行时频分析 时，为了消除负频率的影响，往往把实信号变换成相应的解析信号g a b o r 出的 解析信号的定义为： z ( f ) ：s ( f ) + 皿( s ( f ) ) ( 3 1 ) 其中z ( f ) 为解析信号，s ( f ) 是实信号，日( s ( f ) 是s ( f ) 的希尔伯特变换( h t ) 。 在频域中，解析信号表现为只有正频率成分，且解析信号的能量是原信号 能量的2 倍。由于实信号的频谱是共轭对称的，把负频率部分置为零不会造成 任何信息丢失。所以，为了得到实信号的解析信号，通常采用下列方法计算： 1 对s ( f ) 做d f t 得到s ( k ) ，k = 0 ，l ，2 ，一l ，注意：k = n 2 ， 一l ，对应为复频率。 fs ( 后)k = o z ( 尼) = 2 s ( k )k ：1 ，2 ，n 2 1 ( 3 - 2 ) 【0k = n 2 ，“，n 一1 2 对z ( k ) 作i d f t ，即得到s ( t ) 的解析信号z ( f ) 。 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 3 3 傅立叶变换 在实际处理信号中，为了在计算机上实现信号的频谱分析和其它方面的处 理，要求信号满足：在时域和频域上应该是离散的，且都是有限长的。离散时 间傅立叶变换( d f t ) 的定义： 设信号x ( 力) 是一个长度为m 的有限长序列，则定义x ( n ) 的点离散为 x ( 七) = d f t ( 石( ，1 ) ) = 艺工( ，1 ) 时 后= 1 ，2 ，n l ( 3 _ 3 ) = o 其离散傅立叶逆变换 删= 踟( 根蝴= i 1 厶n - i m ， ，：- m 刀= l ，2 ，一l ( 3 - 4 ) yk - - 0 其中矾= e - j 百，n 为d f t 变换区间长度，n m 。 信号函数和它的傅立叶变换是同一能量信号的两种不同的表现形式：前者 显示了时间信息而隐藏了频率信号，后者显示了频率信息而隐藏了时间信息。 从而开辟了频域离散化的道路，使f s k 处理中可以在频域中采用数字运算的 方法进行，这样大大增加了地面信息处理的灵活性。 3 3 1 短时傅立叶变换 经典的傅氏谱分析和现代谱方法都是建立在平稳信号处理基础上，给出的 结果显示了信号总体所包含的各种频率成分，但我们经常遇到的是时变或非平 稳信号，它的统计特性是随时变化的，需要知道每一时刻在信号中所包含的频 率成分，这就促使人们去寻找一种时频分布方法，能将一维的时域信号映射到 一个二维的时频平面来观察信号的时频联合特征，从而构成信号的时变谱。短 时傅氏变换( s t f t ) 是信号时频分析的第一个工具。 在充分