（电路与系统专业论文）正交化铁路轨道信号的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：随着国内铁路的迅速发展，列车运行的速度越来越高，进而对机车信号的 要求也越来越高。为适应铁路发展的需求，针对目前我国主要存在的两种f s k 轨 道信号的缺点与不足，对其进行改进，从而得到更经济、更安全、更可靠、抗干 扰性能更好的铁路信号是很需要的。 本文详细分析了铁路f s k 信号即国产移频信号和u m 7 1 轨道信号的时域和频 域特点，概述了轨道移频信号参数特征以及轨道信号的以频域解调为主、时域解 调为辅的分析技术，介绍了铁路信号的各种可能性干扰，指出了铁路f s k 信号存 在的缺点与不足，进而对其进行正交化改造的讨论，提出合理的可靠的正交化改 造方案，并借用m a t l a b 仿真验证，从中得出了种较为合理可行的改造方案， 并完成了该改造方案的发码和解码的软硬件实现。 本文重点在于正交化改造方案的提出及其软硬件的实现。在所设计的硬件系 统平台上实现该改造信号的发码和解码，并从解调结果分析中得出该信号确实是 更安全可靠，解决了原有信号的缺点与不足问题，具有更多的优势，解调更容易、 更可靠、速度更快。再次证实了该方案的可行性，这对于铁路系统的安全来说具 有很重要的现实意义和实用价值。 关键词：f s k 信号；抗干扰；正交化；m a t l a b 仿真：解调 分类号：t n 9 11 7 a bs t r a c t a b s t r a c t ：1 1 1 es p e e do ft r a i nh a sb e e nb e c o m i n gh i g h e rw i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n t o fd o m e s t i cr a i l w a y , s ot h ed e m a n do fr a i l w a ys i g n a lh a sa l s ob e e nm o r er i g o r o u s t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yf o r t h er a i l w a yf r e q u e n c ys h i f t i n gk e y i n gs i g n a lt oi m p r o v e c o n s i d e r i n gi t sf a u l ta n dd e f i c i e n c y ，c o n s e q u e n t l yt oo b t a i nam o r ee c o n o m i c a la n d r e l i a b l e 、s a f ea n dh o l d i n gb e t t e ra b i l i t yo fa n t i - j a m m i n gr a i l w a ys i g n a l t h ep a p e ra n a l y s e st i m ea n df r e q u e n c yf i e l d sc h a r a c t e r i s t i co ft h er a i l w a ys i g n a li n d e t a i la n di n t r o d u c e sp a r a m e t e rc h a r a c t e ra n dt h ed e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ew h i c hi s m o s t l yi nf r e q u e n c yw h i l ea s s i s t a n ti nt i m ea n dd i v e r s i f i e dd i s t u r b e r s t h e np o i n t so u t t h er a i l w a ys i g n a l sf a u l ta n dd e f i c i e n c y ；t h u sf i n d sas o u n da n dr e l i a b l eo r t h o g o n a l p r o j e c ti m p r o v e da n dd e m o n s t r a t e sb ym a t l a bs i m u l m i n g ，f i n a l l yc a r r i e so u tt h e s i g n a l ss e n d i n ga n d d e m o d u l a t i o no nh a r d w a r es y s t e m n i sp a p e rm a k e sa ne m p h a s i so nt h ei m p r o v e dp r o j e c t a n di t ss e n d i n ga n d d e m o d u l a t i o nr e a l i z a t i o no nt h eh a r d w a r es y s t e m f r o mt h ed e m o d u l a t i o n sr e s u l t ，a l l c o n c l u s i o nh a sb e e nd r a w nt h a tt h ei m p r o v e dp r o j e c ta c t u a l l yh a v em u c ha d v a n t a g e s o v e rt h eo r i g i n a ls i g n a lw h i c hm a k ed e m o d u l a t i o ne a s i e r ，s a f e r ，m o r er e l i a b l ea n df a s t e r s oi tc o n f i r m st h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o j e c tt h a th a sm u c hs i g n i f i c a n c ya n dp r a c t i c a l v a l u ef o rt h er a i l w a ys y s t e m k e y w o r d s ：f r e q u e n c ys h i f t i n gk e y i n gs i g n a l ；a n t i - j a m m i n g ；o r t h o g o n a l ； m a t l a bs i m u l a t i n g ；d e m o d u l a t i o n c i 。a s s n o ：t n 9 1 1 7 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 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：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师杜普选老师的悉心指导下完成的，杜老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来杜老 师对我的关心和指导。 杜老师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，在此向杜老师表示衷心的谢意。 杜老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢。 在这两年的研究生学习期间，闻跃老师、张树德老师、张太生老师、养雪琴 老师、都给予我悉心的指导和无微不至的关怀，经常不厌其烦地为我解答问题。 在此向他们表达我的感激之情。 在实验室工作及撰写论文期间，姜晓庆、孔勇、钟伟、刘文才、马庆龙、庄 娜、王忠琴、司昱、张林娟、王雪丽等同学对我论文中的软硬件实现研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 铁路信号的概述 1 1 1铁路信号的简介 铁路运输的基本任务是运送旅客和货物。运输的安全高效是铁路运输永恒的 主题。在整个铁路运输设备中，信号设备是最重要的技术设备之一，它在保障行 车安全，提高运输效率方面发挥着重要的作用。随着铁路信号技术的发展和先进 信号设备的采用，铁路信号已成为提高铁路区间和车站通过能力，增强铁路运输 经济效益的一种现代化管理手段和发展前沿的科学技术【1 1 。 轨道信号有两种显示方式。一种是由地面信号机显示，另一种是通过感应线 圈传给机车，由机车信号显示。铁路上轨道边的信号机向司机发出各种信号，报 告线路和道岔情况，帮助司机安全正点的运行。但是，由于它们装在地面上，曲 线、隧道等地形限制，给司机嘹望带来一定的困难。特别是在雨雪、风沙、大雾 迷茫等恶劣气候条件下，地面信号更是看不清。另外，随着列车速度的不断提高， 特别是高速列车的出现，显示距离约l 公罩的信号机已很难使司机从容采取措施。 因此，再单纯依赖地面信号机显然是极其危险的。为了解决这个问题，人们研制 出了机车信号机，它装在机车司机室内，能显示和地面信号机同样的信号，保证 了行车安全，提高了运行效率，也改善了司机的工作条件。地面信号和机车信号 的结合运用使铁路运输更安全，更可靠，更有效。 目前中国投入运营的自动闭塞系统有：交流计数自动闭塞系统、4 信息移频自 动闭塞系统、1 8 信息移频自动闭塞系统、法国的u - t 自动闭塞系统。对应产生的 铁路信号是交流计数信号、移频信号、u m 7 1 信号、数字编码信号，此外还有极频 信号。下面就各种制式信号做个简单介绍： 交流计数是5 0 年代从前苏联引进的。交流计数的特征是载频和0 、l 码持续 的时间，典型的交流计数波形如图1 1 所示。交流计数信号是周期信号，一般个 周期从1 6 0 0 m s 到1 9 5 0 m s 之间，0 、l 码交替出现，按照码持续的时间和顺序就可 以确定信号的含义。交流计数的载频目前使用的有2 5 h z 、5 0 h z ，2 5 h z 一般是用 在电气化区段，5 0 h z 一般是用在非电气化区段。 ：，_ _ 一 一 图1 - 1 交流计数波形 f i g u r e1 一ia v c o u n t i n gs i g n a l 国产移频自动闭塞有：4 信息、8 信息、l8 信息等三种方式。4 信息、8 信息 移频自动闭塞技术落后，信息量不足等原因将逐渐被淘汰。目前，1 8 信息移频自 动闭塞己在京九线、沪杭线、浙赣线、襄石线、宝成线、水珠线等多条铁路干线 上使用。移频信号的低频有1 8 个，分别代表1 8 种含义。国产移频信号的载频有 四个：上行载频( 6 5 0 h z 和8 5 0 h z ) 、下行载频( 5 5 0 h z 和7 5 0 h z ) 交叉排列，频 偏为_ + 5 5 h z ，其频谱能量主要集中在载频的上、下边频附近，可以避开5 0 h z 工频 的奇次谐波干扰。 u m 7 1 自动闭塞的低频信息在1 0 3 h z 到2 9 h z 之间共1 8 个，低频1 8 j 隔为1 1 h z ， 载频有上行载频( 2 0 0 0 h z 和2 6 0 0 h z ) 、下行载频( 1 7 0 0 h z 和2 3 0 0 h z ) 交叉排列， 频偏是1 1 h z ，其频谱能量主要集中在载频附近。因为u m 7 1 选择的载频较高， 调制后频谱能量也处于5 0 h z 的偶次谐波附近，因此它的抗电气化干扰能力很强， 但在轨道上传输时衰耗较大，需在轨道上增加补偿电容来延长传输距离。 t v m 4 3 0 信号( 又叫数字编码信号) 自动闭塞低频信息包括2 7 个，从0 8 8 h z 到1 7 5 2 h z ，间隔为0 6 4 h z ，2 7 个不同的低频信息在同一时刻可以任意组合被调 制在载频上，各个信息的含义如下：路网码有3 位，占用的是2 7 位中的第2 5 2 7 位；速度码有8 位，占用的是2 7 位中的第1 7 2 4 位；闭塞分区长度码有6 位，占 用的是2 7 位中的第1 1 1 6 位；坡度码有4 位，占用的是2 7 位中的第7 1 0 位；纠 错码有6 位，占用的是2 7 位中的第1 6 位。t v m 4 3 0 信号的载频分别是1 7 0 0h z 、 2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、2 6 0 0 h z 。 极频信号是一组有极性的脉冲，脉冲的极性和间隔代表着信息的含义。目前 这种信号在东北还有，该信号极易受到干扰，解调周期长，可靠性差，趋于淘汰。 极频信号有四种：双频正极性( 绿灯) 、单频正极性( 黄灯) 、双频负极性( 双黄) 、 单频负极性【2 】( 红黄) 。 1 1 2铁路信号系统新技术的发展趋势 近2 0 多年来，在运输市场激烈的压力下，各国铁路，特别是发达国家铁路为 实现提速、高速和重载运输，积极引用新技术，大幅度提高了现代通信信号设备 的装备水平，新型技术系统不断涌现。 1 故障一安全技术的发展 随着计算机技术、微电子技术和新材料的发展，故障一安全技术得到了飞速发 展。高可靠、高安全性的故障一安全核心设备出现了“二取二、“二乘二取二” 和“三取二”等不同结构形式，其同步方式有软同步和硬同步。西门子公司、阿 尔斯通公司、日本京山公司、日本日信公司等都推出了不同类型的采用硬件同步 方式的安全型计算机。 故障一安全技术的提高为高可靠和高安全的铁路信号系统的发展打下坚实的 基础。 2 高水平的实时操作系统开发平台 实时操作系统( r t o s ) 是当今流行的嵌入式系统的软件开发平台。r t o s 最 关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储 器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等， 这些管理功能是通过内核服务函数形式交给客户调用的，也就是r t o s 的应用程 序接口函数( a p i ) 。在铁路、航天航空以及核反应堆等安全性要求很高的系统中 引入r t o s ，可以有效地解决系统的安全性和嵌入式软件开发标准化的难题。随着 嵌入式系统中软件应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案的 组织管理成为一个大的课题。在这种情况下，如何保证系统的容错性和故障安全 性成为一个亟待解决的难题。基于r t o s 开发出的程序，具有较高的可移植性， 可实现9 0 以上设备独立，从而有利于系统故障安全的实现。另外一些成熟的通 用程序可以作为专家库函数产品推向社会，嵌入式软件的函数化、产品化能够促 进行业交流以及社会分工专业化，减少重复劳动，提高知识创新的效率。 在铁路这样恶劣工作环境下的计算机控制系统，对系统安全性、可靠性、可 用性的要求更高，必须使用安全计算机，以保证系统能安全、可靠、不间断地工 作。而安全计算机系统的软件核心就是r t o s 。目前，英国的西屋公司 ( w e s t i n g h o u s e ) 已经在列车运行控制系统中采用了r t o s ，瑞典也有很多铁路通 信和控制系统采用o s e 实时操作系统。 3 数字信号处理技术的应用 随着铁路运输提速、重载的发展，基于分立元器件和模拟信号处理技术的传 统铁路信号设备越来越满足不了铁路运输安全性和实时性的要求。因此，全面引 3 进计算机技术，利用计算机的高速分析计算功能，来提高信号设备的技术水平已 非常紧迫。数字信号处理技术( d s p ) 的出现为铁路信号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。 数字信号处理的频域分析和时域分析的两种传统分析方法，有着各自的优缺点。 频域分析的优点是运算精度高和抗干扰性能好，而缺点是在强干扰中提取信号时 容易造成解码倍频现象，例如将移频的低频l1 h z 误解成2 2 h z ；时域分析的优点 是定型准确，而缺点是定量精确地剔除带内干扰难度大。 随着数字信号处理技术的新发展，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、现代谱分析技术等。 目前，我国的轨道电路的信号发送、接收以及机车信号的接收普遍采用了数 字处理技术，日本的数字a t c 和法国的u m 2 0 0 0 数字编码轨道电路也采用了数字 信号处理技术。 4 计算机网络技术的发展 随着计算机网络技术的飞速发展，实施企业网络化管理己成为企业实现管理 化的客观要求和必然趋势。 铁路信号系统网络化是铁路运输综合调度指挥的基础。在网络化的基础上实 现信息化，从而实现集中、智能管理。 今年来，我国铁路行业已成功地推广应用了原t m i s 和d m i s ( 现称t d c s ) 等系统，在利用信息技术方面取得了长足的进步。具有代表性的列车调度指挥系 统t d c s ，以现代信息技术为基础，综合运用通信、信号、计算机网络、多媒体技 术，建立了新型现代化运输调度指挥系统( 铁道部、铁路局、基层信息采集网) 。 5 通信技术和控制技术相结合 随着计算机技术( c o m p u t e r ) 、通信技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和控制技术( c o n t r 0 1 ) 的 飞跃发展，向传统的以轨道电路作为信息传输媒体的列车运行控制系统提出了新 的挑战。综合利用3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t r 0 1 ) 技术代替轨道电路技术， 构成新型列车控制系统已成必然。 用3 c 技术代替轨道电路的核心是通信技术的应用，目前计算机和控制技术已 经渗透到列控系统中，称为“基于通信的列车运行控制系统 ( c b t c ， c o m m t m i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) 。 通信技术与控制技术的结合重新规划了铁路信号系统的结构与组成，为列车 运行控制的未来发展开辟了新天地。 此外，通信信号一体化是现代铁路信号的重要发展趋势，铁路信号技术发展 所依托的新技术，在借鉴世界各国经验的基础上，结合中国国情、路情、我国已 4 制定了中国统一的c t c s 技术标准；铁路信号系统的高可靠性和安全性是铁路运 输的安全的保证，而安全评估理论的建立和推广为定量评估铁路信号系统的可靠 性和安全性提供了重要手段【3 1 。 1 2 问题的提出 目前国内大量使用的是国产移频信号，从法国引进的u m 7 1 信号，这两种信 号都是f s k ( 频移键控) 信号，是一种简单的调频信号。通过移频自动闭塞系统的 分析可知其特点是造价低、传输距离远、多信息显示和反应时间快等优点，但是 移频信号的调制频率设置不合理，不满足正交条件，大部分频率解调难度大，频 谱分布不合理，而且占用频带宽，容易受到干扰，存在倍频信号的隐患等：u m 7 1 轨道信号具有占用频带窄，抗干扰能力强，解调相对容易、反应时问快等优点， 但是它的调制频率设置仍不满足正交性，1 6 9 h z 以下调制频率的调制系数偏大， 对上下边频的漂移敏感，也存在倍频信号的隐患，且造价高、传输距离近。 随着列车速度的不断提高，对机车信号正确解析的要求也越来越高，由于铁 路信号从发送到被机车信号的接收设备接收中间要经过很多环节，会由于各种原 因出现故障，主要原因有两个方面：一是铁路设备故障，比如发送源故障，传输 轨道故障等。发送源故障可能会使信号载频出现偏差，传输轨道故障会使信号微 弱，这些故障都会直接影响信号的解调；二是在传输过程中混入其他强干扰，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信号可能存 在各种调制所造成的干扰，这些干扰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。 因此，对国产移频信号和u m 7 1 信号进行改进使之成为更经济、更安全可靠、 抗干扰性能更好、更适合的信号，具有很重要的现实意义和实用价值。 1 3 论文的组织结构 论文第一章简单介绍了各种制式的铁路信号及铁路信号系统新技术的发展趋 势，提出了要研究的问题、任务、内容等；第二章重点介绍了铁路上f s k 信号的 特点、频谱分析、干扰分析；第三章是论文的重点，是对铁路f s k 信号的改进方 案的研究分析，提出一种最合理的改进方案；第四章是改进方案的软件实现；第 五章是改进方案的硬件实现：最后一章是总结，并指出所完成的工作及不足。 5 2 铁路f s k 信号的特点及干扰分析 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即为键控 技术【4 】。用数字调制信号的正负来控制载波的频率，这样得到的信号称为f s k 信 号，即移频键控信号。当数字信号的振幅为正时载波频率为石，当数字信号的振 幅为负时载波频率为五。由于调制过程的不同f s k 信号可分为相位连续的f s k 信 号和相位不连续的f s k 信号。相位连续的f s k 信号是指信号在码元变换的瞬间， 也即为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 频得到。我国铁路信号中的国产移频信号和u m 7 1 信号都是连续的f s k 信号。本 章主要介绍铁路上这两种f s k 信号的特点及对信号在铁路上传输过程中遇到的可 能性干扰分析。 2 1 铁路f s k 信号的时域分析 国产移频和u m 7 1 的信息产生方式都是采用频移键控调件j i j ( f s k ) 方式。国产移 频自动闭塞的低频1 8 信息是7 h z 、8 h z 、8 5 h z 、9 h z 、9 5 h z 、l1 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 ， 分别代表1 8 种信息含义；按上、下行交叉排列有四种载频分别是5 5 0h z 、6 5 0 h z 、 7 5 0 h z 、8 5 0 h z ；频偏为5 5 h z ，其频谱能量主要集中在上、下边频附近，可以躲 开5 0 h z 工频的奇次谐波。 u m 7 1 自动闭塞的低频信息在1 0 3 h z 到2 9 h z 之间共1 8 个，低频间隔为1 1 h z ， 其四种载频分别是1 7 0 0h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、2 6 0 0 h z ，频偏是1 1 h z ，其频谱 能量主要集中在中心频率附近。因为u m 7 1 选择的载频频率较高，而且调制后频 谱能量也处于5 0 h z 的偶次谐波附近，它抗电气化干扰的能力很强，但在轨道上传 输时衰耗较大，需在轨道上增加补偿电容来延长传输距离。 考虑到铁路信号系统采用的是相位连续的移频键控信号【5 】，所以首先可设键控 信号为低频调制信号厂f ) ，周期为t ，时间表示为式( 2 1 ) ： 删= 匕 式中a 代表调制方波的振幅，波形图如图2 1 所示。 6 ，厶 t 一4 t一t卜4”一4 t 一l三4 ，v | ，一 t 一4 当 当 图2 1 键控信号波形图 f i g u r e2 - 1k e y i n gs i g n a l 经厂( f ) 调制后，移频波的角频率和频率偏移量为： 国：以，厂：丝 。 2 刀 ( 2 2 ) 移频波的瞬时角频率变化为： 缈。，：c o o + a c o 茎三主乏二三三t c 2 3 ， 移频波的瞬时相位移( f ) 为： 秒( f ) = i c o ( k ) d t = c o 。( f ) + i k f ( t ) d t = c o o ( t ) + g ( t ) ( 2 4 ) 式中 g ( f ) = 阿( f ) 出 f a c o ( t )当一! t ) 1 ，由近似公式： c o so s i n ( c o i 。+ 生、) t 娟n 斜型掣掣】o ( r e l + 国2 )( q + 国2 ) 可得： c o s ! ! 璺! 竺! 二竺2 1 三 ( 功i 一缈2 ) 一s i n c d s ( c 口l - c 移2 ) t - 1 0 ( 彩j 一缈2 ) 其中巾为任意数，方程必须满足： s i n ( c o l 一国2 ) t = o ，c o s ( c o i 一彩2 ) r l = 0 由上式联立可以得出： ( q q ) 丁= 2 k n ，石一厶= 詈 ( 3 - 3 ) 综上所得，f s k 信号的正交条件是两频率之差是其调制频率的整数倍。 对于相位不连续的频移键控信号来说，它的传号和空号分别利用不同频率的 独立载波，在l ，0 码转换时并不能保证两个振荡的相位连续性，由于此时相位的 跳变也会引起本来为等幅振荡的载波包络起伏，因而f s k 信号功率谱旁瓣衰减缓 慢，而降低信道带宽利用率。所以铁路f s k 信号都是相位连续的信号。 另外，从数学意义上，虽然k = l 时能使f s k 的两个频率满足正交关系，但是 对于不连续相位f s k ，由于正和五两载波不能确保在传号与空号转换时刻相位连 续，从而导致f s k 信号频谱扩展，因此k - - 1 的这一数学关系在技术上并不能得以 保证。但是对于相位连续的f s k 信号，即c p f s k 信号，k 可以取任意正整数值【1 8 】。 通过对c p f s k 信号的频域分析可知：c p f s k 信号的谱结构是以载频为中心， 以调制频率为间隔的离散谱。因此，调制频率越小，谱线越集中，信号频带越窄。 同时，由卡森公式可近似计算出c p f s k 的带宽： b = 2 a f + 2 f , = 2 f ，( 1 + 等) = 2 丘( 1 + 棚) ，f = i 1 ( 3 4 ) j3 l 从公式( 3 4 ) 中可看出：当调制频率一定时，频偏越小，带宽越窄。信号频带 越窄，传输过程中遇到的干扰就越小，接收解调后的信号就越可靠。因此，当m 取最小值o 5 时，正交化的f s k 信号的带宽最窄，信号的可靠性很高。该c p f s k 信号称为m s k 【侈1 信号，它的功率谱密度可表示为： ( w ) = 3 2 矿瓦 差潞】2 ( 3 - 5 ) 其归一化功率谱密度如图3 1 所示： 功率谱密度( d b ) 0 1 0 2 0 。3 0 4 0 ，。，： 图3 - 1m s k 信号的功率谱密度图 f i g u r e3 - 1t h ep o w e rd e n s i t yc h a r to fm s ks i g n a l 从图中可看出，m s k 信号与p s k 信号相比较有如下优点： 1 ) m s k 信号的功率谱更加紧凑，并且它的第一个零点是在o 7 5 r 处，而2 p s k 的第一个零点是在i t , 处。这表明m s k 信号功率谱的主瓣所占的频带宽度比2 p s k 信号窄：在主瓣带宽之外，功率谱旁瓣的下降也更迅速。即m s k 信号的功率主要 包含在主瓣之内。因此，m s k 信号比较适合在窄带信道中传输，对邻道的干扰也 较小。 2 ) 由于m s k 信号占用带宽窄，故m s k 信号的抗干扰性能要优于2 p s k 。这 就是目前广泛采用m s k 调制的原因。 正是由于m s k 调制具有恒定的振幅，信号功率谱在主瓣以外衰减较快的优点， 与2 p s k 相比较，m s k 信号的功率谱更加紧凑，占用的带宽窄，抗干扰性强，所 以它是特别适合在窄带信道传输的一种调制方式。 3 2u m 7 1 轨道信号的正交化改造方案 如前面所提到的u m 7 1 轨道信号虽然占用频带窄，不容易受到干扰，解调相 对容易、反应时间快等优点，但是其调制频率设置仍不满足正交性，1 6 9 h z 以下 调制频率的调制系数偏大，对上下边频的漂移敏感，也存在倍频信号的隐患。下 面给出载频为1 7 0 0 h z 、频偏为ll h z 、调制频率从1 0 3 h z 到1 3 6 h z 的u m 7 1 轨 道信号的频谱如图3 2 、3 3 、3 4 和3 5 所示： 1 9 ：1 7 0 0 h z 舅i m ：1 1 1 b 调频：lo r 3 k 幅度1 ：1 v2 ：0 8 b 钾3 ：o 8 6 目6 5 v4 ：0 3 g 8 8 7 vs ：0 7 0 0 h zr 偏：1 1 mi ；q 舅i ：1 1 e 幅度1 ：t v2 ：o 7 , b o e v3 ：o 7 4 8 0 e v4 ：0 3 0 3 z - 宣 o 2 j n 1 - 0 ， 怍 l 卜 00 。 i 。 l p ? 0 2 一n 1 1 ：1 7 0 0 m2 ：1 6 8 9 7 t 23 ：1 7 1 0 3 h z4 ：1 6 7 9 - 4 h z5 ：1 7 2 0 x1 0 4 图3 - 2 调频为1 0 3 h z 的频谱图 。j 1616 216 416 616 81717 217 417 617 81 e 1 ：1 7 0 0 t , z2 ：1 g 8 8 6 h z3 ：1 7 1 14 h z4 ：1 7 2 2 铀z5 ：1 g 7 7 2 h z x 矿 图3 3 调频为1 1 4 h z 的频谱图 f i g u r e3 - 2t h es p e c t r u mc h a r to ff r e q u e n c y - 1 0 3f i g u r e3 - 3t h es p e c t r u mc h a r to ff r e q u e n c y - 11 4 图3 2 、3 3 两图所示的分别是载频为1 7 0 0 h z 、频偏为l l h z 、调制频率为1 0 3 h z 和1 1 4 h z 的u m 7 1 轨道信号的归一化频谱图，图3 2 中最高谱线值为l ，第二第 三大谱线值为o 8 6 9 6 5 ，第四第五大谱线值为0 3 9 8 8 7 ；图3 3 中最高谱线值为l ， 第二第三大谱线值为 7 k 频循i ：1 1 h z 调频：1 2 5 h z 幅度 0 7 4 5 0 6 ，第四第五大谱线值为o 3 0 3 3 8 。 1 ：1 v2 ：0 6 5 4 8 v3 ：0 6 5 4 8 v ：n 2 | 5 ：9 0 0 h z 17 一 o 9 0 8 , _ t i l f i l li - i 1r li i i 1 01 鸵16 416 616 81717 217 417 617 81 e 1 ：1 7 0 0 h z2 ：1 6 8 5 h z3 ：1 7 1 2 5 h z4 ：1 7 2 5 h z5 ：1 6 7 5 1 1 z 图3 4 调频为1 2 5 h z 的频谱图 频偏：”i i z 调频：1 3 6 h z 幅度l ：i v 一一一1 o 0 2 ：o 5 8 5 救v3 ：0 5 8 5 8 2 v 4 ：0 1 9 5 5 2 v5 ： 0 1 i 6 i - i 1 16 41 1 1 鹋17，7 2 17 4 17 6 ：i17118l 1 i 1 ：1 7 0 0 h z2 ：1 6 8 6 4 h z3 ：1 7 1 3 4 ：1 7 2 7 2 h z5 ：1 6 7 2 x ，o 图3 - 5 调频为1 3 6 h z 的频谱图 f i g u r e3 - 4t h es p e c t r u mc h a r to f f r e q u e n c y - 1 2 5f i g u r e3 - 5t h es p e c t r u mc h a r to f f r e q u e n c y - 1 3 6 图3 - 4 、3 5 两图所示的分别是载频为1 7 0 0 h z 、频偏为l l h z 、调制频率为1 2 5 h z 和1 3 6 h z 的u m 7 i 轨道信号的归一化频谱图，图3 4 中最高谱线值为l ，第二第 三大谱线值为0 6 5 4 8 ，第四第五大谱线值为0 2 4 0 0 7 ；图3 5 中最高谱线值为1 ， 第二第三大谱线值为0 5 8 5 8 2 ，第四第五大谱线值为0 1 9 5 5 2 。 从图中可看出，u m 7 1 信号的频谱集中在中心载频附近，但是当调制频率为 、 oti 吣 ， 町 咐 旺 1 0 3 h z 、1 1 4h z 、1 2 5 h z 、1 3 6h z ，尤其是1 0 3 h z 时，它的能量分布除了在中心 载频处有最大值外，它的次高谱线，次次高谱线处的能量也较大，不利于它解调 的可靠性。 另外，当u m 7 i 轨道信号的频偏发生些偏移时，调制频率为1 0 3 h z 和1 1 4 h z 的信号频谱图的结构发生了很大的变化。如图3 - 6 至图3 1 l 所 1 1 9 b 1 7 1 6 o ) 1 5 t 3 1 2 9宁 1 1 一一n 一9 ，i 午 9 i ，审一。一，、一一 刁： 频镇：1 3 h z 调频：1 0 3 h z 幅度1 ：1 v2 ：1 v3 ：0 8 s 2 3 6 v4 ：0 5 钳1 v 1 ：1 嘲7 h z2 ：1 7 1 0 3 h z3 ：1 7 0 0 h z4 1 6 7 9 4 h z5 ：1 功6 h z t4 0 4 1 ：1 嘲7 h z2 ：1 7 1 0 3 h z3 ：1 7 1 1 0 h z41 6 7 9 4 h z 5 ：1 7 2 0 8 h z 。1 n 图3 6 调频1 0 3 h z , 频偏偏移i h z 的频谱图 f i g u r e3 - 6t h es p c c t l u mo ff r e q u e n c yo f f s e t 一1 图3 7 调频1 0 3 h z ，偏移2 h z 的频谱图 f i g u r e3 - 7t h es p e c t r u mo ff r e q u e n c yo f f s e t 一2 图3 - 6 、图3 7 所示的分别是载频为1 7 0 0 h z ，调制频率为1 0 3 h z ，频偏偏移 1 h z ，2 h z 的频谱。 7 h z 细偏：1 4 h z 调翔1 03 h z ，：1 嘲7 h z2 1 7 1 n 3 打z 图3 - 8 调频1 0 3 h z ，频偏偏移3 h z 的频谱图图3 - 9 调频1 1 4 h z ，偏移1 h z 的频谱图 f i g u r e 3 - 8t h es p e c t r u mo f f r e q u e n c yo f f s e t 一3f i g u r e3 - 9t h es p c c t l t l mo f f r e q u e n c yo f f s e t - i 图3 8 、3 - 9 两图所示的分别是载频为1 7 0 0 h z ，调制频率为1 0 3 h z 、频偏偏移 3 h z 及调制频率为1 1 4 h z 、频偏偏移1 h z 的频谱。 2 l z 期偏：1 3 h z 调翔：1 1 4 h z 幅度1 ：1 v2 n s 0 1 3 v3 ：0 9 _ 0 1 3 v4 ：0 4 8 1 7 4 h z 期伯：| 4 h z 调捆：1 1 曲z 幅度1 ：1 v2 ：1 v3 ：0 田叼知4 ：o 5 4 孵 i ：1 7 0 0 h z2 1 ，1 14 h z3 ：1 6 8 8 6 h z4 1 7 2 2 8 h z5 ：1 6 7 72 h z y 1 n 4 1 ：1 7 1 14 h z2 ：1 f i a 8 6 h z3 ：t t 0 0 h z4 ：1 7 2 2 帅z5 ：1 6 7 72 h z - n 图3 1 0 调频11 4 h z ，频偏偏移2 h z 的频谱图图3 - 11 调频11 4 h z ，偏移3 h z 的频谱图 f i g u r e 3 1 0t h es p e c t r u mo f f r e q u e n c yo f f s e t - 2f i g u r e3 - 11t h es p e c t r u mo f f r e q u e n c yo f f s e t 3 图3 1 0 、3 1 1 两图所示的分别是载频为1 7 0 0 h z ，调制频率为1 1 4 h z 、频偏偏 移2 h z ，3 h z 的频谱。 从图3 - 6 至3 1 l 中可以看出，当调制频率为1 0 3 h z 和1 1 4 h z 时，u m 7 1 信号 对频偏偏移非常敏感，频谱结构也发生了很大的变换。在铁路信号检测系统中， 允许信号频偏发生2 h z 到3 h z 的偏移。但是正如上面的图形所显示的，在调制频 率为1 0 3 h z 和1 1 4 h z ，频偏偏移3 h z 以内时，其频谱图不再是原来那样：谱线最 大值在中心载频处，距离中心载频为调制频率大小的两个对称点上是第二大值谱 线；而是距离中心载频为调制频率大小的两个对称点上有最大谱线值，中心载频 处的谱线值反而更低，沦为第z - - - 大值，这样解调判断出的载频不再是原来那个 中心载频，而是距离中心载频最近的两根值为最大的谱线对应的频率，产生二义 性，引起误判。 针对u m 7 1 轨道信号的这些缺点，进行u m 7 1 信号的改造，使改造后的信号 满足下面的要求： 1 ) 满足正交性。根据正交条件，设置合适的频偏和调制频率，不同的调制频 率可以对应不同的频偏。 2 ) 减小带宽。信号频带越小，干扰越小，同时还要避开5 0 h z 的工频奇次谐 波干扰。最好是将频带控制在正负4 0 h z 以内。 3 ) 在同样的频带宽内，尽量地增加频点数。 4 ) 调制频率的选择要避开倍频的可能。 为了满足上面的要求，可以采用m s k 调制信号，不仅可以得到较窄的带宽， 还有很好的功率谱结构，方便可靠解调。 3 2 1 改进方案的提出 在这里提出三种可能性的正交化改进方案，并分别给出部分改进信号在 m a t l a b 2 0 】【2 1 】陴1 中理想的频谱结构图供以对比分析，进而通过比较分析得出最合 适最理想的方案。 方案一：从1 0 h z 开始，以0 5 h z 的间隔递增，为了避开倍频的可能性，可以 增到1 9 5 h z ，从而增加到2 。个低频信息，它们的正交系数即a 丁- f , ( 其中五， j c y 寸a ：- f 变频，z 为低频) 都接近1 ，如表3 - 1 所示： 表3 1 改进方案一 t a b l e3 - 1i m p r o v e dp r o j e c to n e 序号低频f 1频偏正交系数次高谱线最高谱线 l 1 05l0 3 3 3 3 3 2l o 561 1 4 30 3 8 6 6 5 3l l61 0 90 3 6 6 9 9 41 1 5 61 0 4 30 3 4 9 3 2 51 26l0 3 3 3 3 3 61 2 571 1 20 3 7 7 9 6 71 371 0 7 7 0 3 6 1 7 5 81 3 571 0 40 3 4 6 9 4 9 1 47l0 3 3 3 3 3 1 01 4 581 1 0 30 3 7 1 7 l 1 1 1 5 81 0 6 7 0 3 5 7 9 2 1 21 5 581 0 30 3 4 5 1 7 1 31 68l0 3 3 3 3 3 1 4 1 6 59 1 0 90 3 6 6 9 9 1 51 791 0 60 3 5 5 0 1 1 61 7 591 0 30 3 4 3 8 1 1 7 1 89 l0 3 3 3 3 3 1 81 8 5l o1 0 8 0 3