（电路与系统专业论文）铁路信号静态分析系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

北京交通大学硕士论文 中文摘要 摘要：铁路现场信号经常会由于各种原因出现故障或混入干扰，严重影响了机车 信号的解调。由于机车信号解码是实时高速的，一旦解码结果出现错误，很难有 充足的时间对错误原因进行排查，因此需要通过静态分析系统找出错误原因弥补 实时分析的不足。 本文设计实现了一个铁路信号静态分析系统，介绍了该系统采用的信号解码 算法及方案，包括频谱分析法和时域测频法。针对铁路现场信号的特点和静态分 析的优势，重点介绍了信号的解调技术和策略，包括模式识别技术、信号分级策 略、信号参数与故障的关系及抗干扰技术等。采用面向对象的程序设计方法完成 了系统实现。介绍了系统解码算法的实现流程及程序模块的实现情况。最后对完 成的系统进行了测试。 利用本系统可以实现信号宽范围的灵活解调、信号故障的排查和信号干扰检 测等功能，能够为维护人员提供确定的维护方案。该系统对提高铁路现场的维护 能力和保障机车信号的顺利解码具有重要的现实意义和实用价值。 关键词：铁路信号静态分析频谱分析信号故障干扰解调 分类号： 北京交通大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：1 1 l 啪a l w a y sb es o m em a l 向n c t i o ri i l t 棚i l lr a i l w a ys i 朗a l l i n 岛 髓c hm a k 锶t l l ec a b s i 弘a ls y s t e mf a i lt od 锄o d u l a t es i 朗出a n dt l l ep r o c e s so f d 锄o d u l a t i o no f c a b s i 弘a lr e q u i r er e a l t i m ea n dh i 曲s p e c d ，o n c em e r ci sam i s 锄嗡w e c a nh a r d l yg e t 鲫伍c i e n tt i m et 0f i xi t h lo r d c rt oi m p r o 、，et l l i ss i t l l a d o i l ，i ti sn e c c s s a r y t 0r e s e 卸c ho n t h e 删i ca 1 1 a l 徊n gs y s t 铷t o f i n do u t t l l ed i s a d v a l l t a g c s m a tc a l l s e t l l e p b l 锄 1 1 1 ep a p c rp r c s e i l t st h ed 龉i g na n dr c a l i z a t i o no fo m i n e 锄a l y z i n gs y s t 锄a b o u t m i l w a ys i g l l i n 舀i n 垃o d u d n gm es p e c 虮皿a n a l y s i s 觚dm s t a n t a n e o u sf r c q u e l l c y m 删i l 脚肌tu s e d i nt l l e s y s t 锄n 舭a l y s 鹊r a i l w a ys i 印a l l i n gd 锄o d u l a t i o n t c c l l n o l o g ya i l ds c h 锄ei n c l u d i n gp a n 锄r 啪g n i t i o l l ，s i 驴a lc l 嬲s i f i c a t i o ns 缸t e g y ，t l l e r e l a t i o i l s h i pb e 铆e s i g n a lp a r a m e t e 俗锄dm a l f i l n c t i o i l ，m et c c t l l l i q u eo f 锄t i j a m m i i l g 锄d o n 1 k f t 、v a r ci sc o m p l e t e d 谢t l lm em e i l l o d o fo b j e c t o f i 锄t d p r o 掣a n 蚰曲g t h ep 印c ri n 胁d u c 鼯t 1 1 en o wo f p r o 芦锄o f t l l ed e i i l o d u l a t i o n 捌t 1 1 m e t i c a n dm er e a l i z a t i o no f p m g r a mm o d u l e a tl a s ti t 觚a l y s 嬲t l l er e s u l t so f s y s 协n st c s t b yu s i n gt 1 1 i ss y s t 钮l ，i tc a i li i n p l 即1 曲tt h es i 鲫a ld 锄o d u l a t i o nn e x i b l yi na w i d e 矗旧q u 锄c yr a n g c ，r 锄o v e 觚d c h e c kt l l e s i 印a lm a l f b c t i ， d c “斌m es i 印a l i n t 酬陆e i l c c ，锄dp r o v i d ead e f i i l i t cm 蛐锄c e s c h 锄ef o rm es l | r f h c 锄a 1 1 m e a n w t l i l e ， i th 勰i m p o r t a n tm e a i l i n ga n dp r a c d c a lv a l u ef o ri i n p r o v i i 培m em a i l l t e n a i l c cs i ( i l lo f r a i l r o a ds i t ea i l de l l s 嘶n gm es u c c e s so f d e m o d u l a t i o no f t h ec a _ b s i 印a 1 k e y w o r d s ：姐i l w a ys i 朗a l l i n 岛s t a t i c 姐a l y s i s ，s p 咖啪a m l y s i s ，s i 朗a lm a l f h c t i o i l ， h l t a 细c e ，d 锄o d u l a t i c 1 a s s n o ： i x 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，杜普选老师严 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 杜普选老师对我的关心和指导。 杜老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我 极大的关心和帮助，使我在两年多的时间不仅学习到了理论知识，更学到了许多 为人处世的道理。杜老师严谨的治学态度、豁达的人生观将不断激励我在今后的 人生道路上不断前进。在此向杜普选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，在此也表示衷心 的感谢。 在我就读研究生期间，闻跃老师、张树德老师、张太生老师、养雪琴老师也 都给予了我悉心的指导和无微不至的关怀，经常不厌其烦的为我解答问题。在此， 我向他们表示诚挚的感谢和敬意! 在实验室工作及撰写论文期间，刘文才、孙文勇、陈丽莉、崔欣、马庆龙、 庄娜、王忠琴、司昱等同学对我论文中f s k 信号频谱分析的研究工作给予了热情 帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢我的父母和家人，他们抚育我长大，在远方默默关注我的成长，他们的 理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。另外特别感谢我的男友姜道勇， 感谢他对我论文排版工作的帮助，感谢他长期以来对我的关心、理解和支持。 v 1 1 概述 1 1 1 铁路信号简介 1 绪论 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【l 】o 近年来，铁路信号成功地应用了微电子自动控制和计算机等先进技术，极大 地促进了铁路信号的发展。我国经过工程技术人员的努力，自行研制和引进了国 外先进技术，在现场安装了适应我国铁路运输特点的新型微机联锁、电气集中联 锁、自动闭塞、电子调度集中、驼峰自动化系统、机车信号系统等先进信号设备。 铁路轨道线路是机车车辆和列车运行的基础，同时也是铁路信号传送的载体。 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 机车车辆占用，也用于控制信号装置或转辙装置，以保证行车安全的设备就称为 轨道电路。轨道信号就是以轨道电路为载体进行传输的。 铁路信号系统是为保证运输安全而诞生和发展的。系统的第一使命是保证行 车安全，所以系统本身是故障安全的( 即铁路行车要求铁路信号设备在发生障碍、 错误、失效的情况下，应具有导向减轻以致避免损失的功能，以确保行车安全) 。 并且是一种是实时控制系统，它必须十分可靠才能实现它的功能。 铁轨上机车车辆往来频繁，特别是电化区段，铁轨暴露在巨大的电磁干扰下。 轨道信号既要传送多种信息，同时还要保证具有相当高的抗干扰特性，基带信号 很难实现这一点的。但另一方面由于铁轨的传输特性，信号的频率又不能过高。 因此轨道信号是一种被调制在一定频率上，同时频率又比较低的信号。目前我国 普遍使用的轨道信号主要有微电子交流计数信号、移频信号和u m 7 1 信号等几种。 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。机车信号是一种能够自动复示列车运行前方地面 信号显示的机车车载系统。为机车提供运行速度信息。它的作用是：复示运行前 方地面信号机显示，提高司机确认信号的可靠性；为其它列控系统提供必要的信 号信息( 灯位信息，速度等级信息等) 。 北京交通大学硕士论文 嚯圆 图1 1 机车信号系统示意图 一个典型的机车信号系统如图1 1 所示。它包括信息源、信息接收、信息处理、 信息显示和机车电源等几部分。地面发送设备主要负责根据地面情况发送携带不 同信息的铁路信号；信息接收部分的主要功能是接收地面自动闭塞系统信息源发 送的信号。它主要采用电磁感应方式，此外还有电气接触式、光电式、红外线式 和无线式等。它的原理是地面钢轨与机车信号感应器进行电磁耦合。信号电流在 钢轨周围形成交变磁场，使机车信号感应器接收线圈产生感应电动势。这个感应 电压被送入信息处理部分进行信号的处理识别。机车信号的作用决定了信息处理 部分必须是实时的，要对接收到的信号做出及时准确的识别处理。而本文研究的 内容是要对轨道信号进行静态分析，二者对信号的分析算法是类似的。下面介绍 铁路信号分析算法的研究现状。 1 1 2 铁路信号分析法的研究现状 移频信号和u m 7 1 信号都是f s k 调制的，f s k 信号是单一比特的调频信号， 这种信号抗干扰能力强，目前我国铁路信号主流在一个较长的时间内仍然是f s k 信号，本文研究对象主要是f s k 信号，以下无特别说明都称为铁路信号。 总的来说，对铁路信号的分析，目前还是以频域分析为主，时域分析法一般 作为频域分析的辅助工具。 就目前公开发表的资料1 2 】【3 】1 4 】显示，铁路信号的检测手段仍广泛应用最传统的 快速傅里叶变换( f 王叮) 的频谱分析法，但由于傅里叶变换自身的局限性以及随着铁 路现场需要的不断提高，一些应用于其他领域的技术或算法也在这方面作了尝试 性工作，并取得了预期的效果。比如：短时傅里叶变换( s 矸砷、小波变换等时频 域分析法、现代谱分析技术等。各种方法都有自己的所长，都很难真正互相取代。 通常情况下是将时频域分析法与频谱分析法结合起来检测铁路信号。 毫无疑问，基于快速傅里叶变换的频谱分析法与其他任何一种方法相比都有 一个得天独厚的优势存在，那就是对信号的处理时间短。与时域分析法相比，又 2 绪论 有着精度高、抗干扰能力强的显著特点；但傅里叶变换只是从整体上把握了信号 的时频特性，不能提供频率和时间的精确对应关系；所分析的任一信号频率成分 与整个时间轴上的信号都有关系，可见，傅里叶变换所提供的这种信息是模糊的， 不能精确的说明信号在某个时间段上含有哪些频率成分。 而时频域分析则能精确的给出信号的频率成分与时间区域的对应关系，消除 了传统傅式变换中时间和频率之间的模糊对应关系。常用的时频分析方法有：短 时傅里叶变换( s 吁d 、小波变换( w d 等。短时傅里叶变换1 5 】虽然能在一定程度上 改善傅里叶变换的不足，但由于在信号的时频分析中，时间分辨率固定不变，因 而不能有效地反映信号的突变程度，使得s l r i 丌的应用受到许多局限。 小波分析则不会受到“测不准原理”的约束，其时频窗是弹性的【“，能自动 调节采样间隔，从而可聚焦到任意细节。这样小波变换对不同频率在时间轴上的 采样步长是可调节的，即在低频时小波变换的时间分辨率较低而频率分辨率较高， 在高频时小波变换的时间分辨率较高而频率分辨率较低，这正符合低频信号变化 缓慢而高频信号变化迅速的特点。但是，在采样频率有限的前提下，小波变换重 现信号波形的任意细节的功能会受到极大的限制；也就是说小波变换只能重现采 样数列，而不可能展现出比采样序列更多的信号波形细节。 另外，也有一些辅助的技术用于铁路移频信号的检测。譬如，要实现高分辨 率的信号检测，可采用欠采样技术川。它在降低a d 采样速率的同时，保证采样信 号的真实性。要尽可能的去除接收信号的噪声，可利用小波包1 8 j 代替普通的带通滤 波器。它不仅能滤掉带外的噪声，而且能削弱带内的噪声。 1 2 问题的提出 如上所述，机车信号要对接收到的轨道信号进行实时、准确分析，解调出它 携带的调制频率等信息，提供给列车控制系统和显示设备。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。由于机车信号解码要求是实时的，速度非常快，无法看到其具体过程，不能 3 北京交通大学硕士论文 人为中断程序查看数据，不能随时改变解调策略，一旦解码结果出现错误，很难 排查原因，这就给铁路信号的解码带来很大的困难。 我们不禁想到可以开发一个只利用p c 机就可以仿真铁路信号解码的静态分 析系统，将记录设备记录的铁路现场信号在该系统中进行解码，由于解码过程没 有实时性要求，因此可以将各种思想人工介入程序，研究解码的每一个环节，查 看包括原始信号、中间步骤到最终结果在内的任何数据，观察波形，频谱等获得 信号的各种特征并进行解码策略的分析，核对可能出现的问题，弥补实时分析的 不足，并且可以验证解码算法的正确性，或者试验新的算法，从而可以作为研发 的技术平台。更重要的是可以利用解码结果识别信号发送和传输时出现的问题， 排查各种故障和干扰，及时对有故障的设备进行维修和防护。 1 3 论文的任务与技术指标 本文旨在设计和开发一个铁路信号静态分析系统，实现铁路f s k 信号的静态 分析和解调。这包括以下几个方面的工作： ( 1 ) 移植实时的信号解码算法、解码方案及信号参数解调技术到铁路信号静态 分析系统。 ( 2 ) 研究静态分析系统在分析铁路信号方面的优势，设计该系统的功能，主要 完成解码功能、信号故障检测及干扰检测功能。 ( 3 ) 在c + + b u i l d c r 开发环境下实现该铁路信号静态分析系统。 ( 4 ) 验证该静态分析系统的实现效果，得出结论。 根据铁路现场的需要及铁道部有关规定，制定本系统信号分析的参数范围， 如下表1 1 和1 2 所示。 4 绪论 表1 - 1 国产移频信号技术参数指标 参数精度捕捉范围 载频 o 1 h z1 0 h z 1 1 h z 和1 5 h z 是0 6 h z 低频 o 0 1 h z 2 0 h z 和2 6 h z 是l l i z 其它o 2 2 h z 上下边频o 1 h z1 0 h z 表1 2 删7 1 信号技术参数指标 参数精度捕捉范围 载频 0 1 h z6 h z 低频o 0 1 l i z0 5 毗 上下边频o 1 h z6 h z 1 4 论文的组织结构 本文共六章，第一章简要介绍了铁路信号的基本知识和信号分析的研究现状， 提出要研究的问题、任务、信号分析的技术指标等；第二章介绍了该铁路信号静 态分析系统采用的解码算法和策略，包括频域算法和时域算法，是该系统的理论 基础，提出了分制式测频的时域测频方案；第三章深入分析了铁路信号具体的解 调技术和策略，重点介绍了信号的故障检测和干扰检测。第四章主要介绍了该静 态分析系统的设计与实现，包括解码算法实现、程序模块实现和用户界面实现； 第五章是对系统的测试，分别对标准信号和现场信号进行了解码测试，对常见的 故障信号和干扰信号进行了分析，主要检验系统的实现效果。最后第六章对已经 完成和尚未完成的工作进行了总结。 5 2f s k 信号解码算法及方案 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 9 】。如果它是对载波的频率进行二进制键控，则称之为移频键控 ( f r c 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之为移频键控信号，简称f s k 信号。 其由于调制过程的不同又可分为相位连续与非连续的信号。所谓相位连续是指信 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而得。我国铁路移频自动闭塞向铁轨输送的就是相位连 续的f s k 信号，它利用数字基带脉冲对一振荡器提供的单频振荡信号( 也称为载 频信号) 进行调制。不同的基带脉冲，不同的载频代表不同的信息。下面我们先 来讨论一下铁路f s k 信号。 2 1 铁路f s k 信号的特点 2 1 1 铁路f s k 信号简介 国产移频自动闭塞有：4 信息、8 信息和1 8 信息三种方式。4 信息、8 信息移 频自动闭塞技术落后，安全性差，信息量不足，精度低，应变时间过长，抗干扰 能力差，将逐步淘汰。1 8 信息移频自动闭塞是在原移频自动闭塞的基础上，采用 微机技术和数字信号处理技术实现原移频的功能，并增加了低频信息量，该系统 在1 9 9 5 年9 月通过了铁道部的鉴定。目前，1 8 信息移频自动闭塞已在京九线、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。1 8 信息移频自 动闭塞信息量虽能适应c t c s ( c h i n at r a i nc o n t m ls y s t 啪即中国列车控制系统) 的技术要求，但由于载频选择、调制频偏的固有缺陷，使轨道电路存在传输特性 差、邻线干扰、半边侵入等问题，必须进行技术改造。u m 7 1 系列设备，包括国产 w g 2 1 a 和z p w _ 2 0 0 0 轨道电路传输特性好，性能稳定，是目前中国适应a 卯技 术要求，将重点发展的自动闭塞制式。 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制( f s k ) 方式。国产移 频自动闭塞的低频1 8 信息是7 l z 、8 h z 、8 5 、9 h z 、9 5 比、1 1 i i z 、1 2 5 i 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 i 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 k 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 i z ，其频谱 7 北京交通大学硕士论文 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 k 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。 2 1 2 铁路f s k 信号数学模型 铁路信号系统采用的是相位连续的移频键控信号i l o j ， 调制信号，o ) ，周期为t ，时间表示式为： 朋= # 彳妻耋 式中a 调制方波的振幅。波形图如下图2 1 所示。 首先设键控信号为低频 ( 2 1 ) ，p ， 一 rr 盯 4 44 一一 图2 1 键控信号波形图 经，o ) 调制后，移频波的角频率和频率偏移量为： 。朗，竺 ( 2 2 ) 。 h 式中：七系数，代表移频器的灵敏度，单位是h z 。 移频波的瞬时角频率变化为： 小f + n ， 邮卜k 一甜 移频波的瞬时相位口( f ) 为： 口o ) 。严 渺。( f ) + ( f 渺。o ) + g ( f ) ( 2 q 式中 g o ) 。( f 渺 8 渤q t一4卯一4 “ k 当 当 f s k 信号解码算法及方案 谣，毫辜 ， 它是一个周期为t 的三角形周期函数，而且占( f ) 一g ( f 刀丁) 。 因此移频波的时间表示式为： s o ) t 4 c o s 口o ) - a c o s 研“舻+ g ( f ) 】 ( 2 6 ) 其波形图如图2 2 所示。 | f n 八n| f n | nn 厂、n 。 uuuu juuuuuuu i 图2 - 2 移频波波形图 2 1 3 铁路f s k 信号的频谱 如果将式( 2 6 ) 用傅里叶级数展开，经数学变换后可以推导得出： s m 鲁皇 南伽+ 订等c o s 等一c o s 等蓟n 争 + ( _ 驴叫( 咖等螂等s 等s i n 争】 峨州q 弘 ( n 一，一2 ，一1 ，o ，1 ，2 ，) ( 2 7 ) 其中：4 为移频信号的振幅，为载频的中心频率，q 为调制方波，( f ) 的基 频，调制系数州丝。竽，载频的上限频率+ 缈，载频的下限频率 q，1 q 一一a 图2 3 给出了一种国产移频信号和u m 7 1 信号的频谱图。图( a ) 为理想的国产 移频信号，调制频率2 6 0 h z ，载频为8 5 0 o h z ，频偏为5 5 h z ；图( b ) 为理想的u m 7 1 移频信号，调制频率2 0 0 h 眨，载频为2 3 0 0 o h z ，频偏为1 1 h z 。 9 北京交通大学硕士论文 ( a ) 厶一8 5 0 o 爿2 ，五一2 6 o 舷的y p 信号 ( b ) ，o 一2 3 0 0 o 拓， 2 0 o 月2 的u m 7 l 信号 图2 3耶k 信号频谱 由图2 3 可以看出，国产移频信号的频谱能量分散到两个边带中，载频的能量 很小，其包络里以载频为中心的双峰形状；而u m 7 1 信号能量集中在载频上，其 包络呈以载频为中心的单峰形状。 2 2 铁路f s k 信号的频谱分析法 由铁路移频信号的频谱特征可以得知，其谱结构是确定、离散且具有有限频 率数的。这与各种干扰的频谱有着显著的区别，与不平衡牵引电流、机车振动等 干扰形成的谱结构均不同。因而，采用频域的频谱分析和识别的方法来分辨有用 信号和干扰具有天然的优势。 传统的频域分析法是一种基于傅里叶变换的频谱分析技术【l l j ，通过对采样数 据作滤波、加窗、f f t 变换、频谱细化等技术，得到信号的谱线信息，然后对照标 准的谱线，得到移频信号的中心频率和调制频率等信息。 f i 可变换是频谱分析技术的核心，在时域中把不可分离的信号在频域中分离 1 0 f s k 信号解码算法及方案 出来，甚至把混入有用频段内的干扰信号频谱剔除出去。在确认某一频段存在有 用信号后，则进一步利用z f f r 技术进行处理，有限度地放大和细化某段感兴趣的 频谱，使谱分辨率达到设定的要求。 另外，谱分析技术中很重要的点就是如何解决泄漏和噪声的问题。频谱细 化后，并不是简单的一条谱线，而是一簇谱线。为提取有用频谱，必须把残留的 泄漏频谱剔除。工频谐波干扰是影响信号频谱的主要原因之一，也是造成现场无 码区段乱上灯的重要根源。由于工频基波、谐波有其特定的谱结构，因此，可以 利用其相互关联的特征，将其去除。 目前，在我国铁路上使用的地面接收系统、车载接收系统，对f s k 类的轨道 信号基本上均使用了频谱分析方法。特别是秦沈客运专线使用的法国1 、强1 4 3 0 系 统的信号接收和解调必须使用频谱分析技术。 下面将依次介绍上述频域算法。 2 2 1 信号采集 信号采集是由机车信号的信息接收设备完成的，机车信号的感应线圈感应到 钢轨上的电压模拟信号，将它送到a d 变换器，将模拟信号变换成数字信号。a ，d 变换器将时间和幅度上都连续的模拟信号通过间隔相同的时间t ( 采样周期) 进行 采样、变换，转变成时间上离散的一组二迸制序列，二进制数字的大小代表了信 号的幅度。由于，d 变换的字长有限，因此这一序列的数值也是离散的。这一过 程称为量化。这样，一个连续的模拟信号就变成了一组在时间上和幅度上都是离 散的数字序列。 由信号理论我们知道，要想采样后能够不失真地还原出原信号，则采样频率 必须大于信号频谱最高频率成分的2 倍，这就是采样定理。2 倍只是理论值，实际 工程中一般采用3 - 8 倍。由于铁路f s k 信号载频最高为2 6 0 0 h z ，加上频偏1 1 h z ， 调制频率最高2 9 o h z ，理论上信号的最高频率应该不会高于2 8 0 0 h z 。同时考虑到 r 叩算法要求，采样点数应该是2 的整数次幂，所以a ，d 采样率确定为1 6 3 8 4 h z 。 根据采样定理，对于高于l 2 采样频率的成分必须予以滤除，否则将带来混叠 失真。因此，在a 加采样之前还必须加上一个抗混叠滤波器。抗混叠滤波器的实 质就是一个低通滤波器，它将高于l 2 采样频率的成分全部滤掉。机车信号的记录 设备将采集的信号按一定的数据结构存成二进制文件保存下来。本文要实现的静 态分析系统所分析的信号就是这样的文件。 1 1 北京交通人学硕士论文 2 2 2 滤波技术 实际铁路信号往往掺杂各个频段的干扰，为了德到较为纯净的信号，使时域 波形更加清晰，静态分析系统在对信号分析之前，先做滤波处理，滤掉带外干扰。 考虑到移频信号和u m 7 1 信号的频段特点，这里可以采用f i r 带通或低通滤波器。 由于国产移频信号和u m 7 1 信号的频段不同，所以分别采用不同的滤波器。各滤 波器的技术指标如图2 4 ，2 - 5 ，2 6 ，2 7 所示。图2 4 表示了对国产移频信号使用 的带通滤波器指标，该滤波器的通带为4 5 5 9 4 5 h z ，通带波动小于0 2 d b ，阻带衰 减大于4 0 d b 。同理，图2 5 表示了u m 7 1 信号使用的带通滤波器指标。图2 6 表 示了国产移频信号使用的低通滤波器指标，通带为o 9 4 5 h z ，通带波动和阻带衰 减同带通滤波器。同理，图2 7 表示了u m 7 1 信号使用的低通滤波器指标。考虑 到计算精度，所有滤波器的抽头阶数n 都应满足n s 2 0 0 。 幅度衰减 频率f 舛0 图2 - 4 国产移频信号使用的带通滤波器指标 幅度衰减( 棚 幅度衰减( 图2 - 5咖1 信号使用的带通滤波器 频率f 图2 6国产移频信号使用的低通滤波器指标 f s k 信号解码算法及方案 幅度衰减( 频率“蚴 图2 - 7u m 7 l 信号使用的低遥滤波器指标 这里使用滤波器有两种策略：一种是使用上述四种滤波器，一种是根据不同 的载频，对上述四种滤波器进行细化，采用不同指标的滤波器。对国产移频信号 使用的带通滤波器可以这样细化：根据国产移频信号的频带特征，可以取载频左 右9 2 h z 作为信号的频带，这样带通滤波器的通带可以取为以载频为中心左右9 2 h z 的范围，阻带可以适当调整。如当载频为5 5 0 h z 时，带通滤波器的通带可以取为 ( 5 5 0 9 2 ) h z ( 5 5 0 + 9 2 ) h z 。u m 7 1 信号使用的带通滤波器的通带可以取为以载频为 中心左右4 0 h z 的频率范围。对低通滤波器可以这样细化：国产移频信号的低通滤 波器的通带为o ( ，o + 9 2 ) h z ，u m 7 1 信号的低通滤波器的通带为o ( ，o + 4 0 ) h z ， 阻带可以适当调整。 2 2 3 加窗 一个数字信号处理系统一次所能处理的数据是有限的，因此需要对采样信号 进行适当的截断，即将信号分成长度相等的一些段，对每一段的数据分别进行运 算处理。直接取有限个数据，就相当于在时域乘一个矩形窗函数，这样数据突然 截断就会出现频谱泄漏现象。频谱泄漏使给定频率分量的能量泄漏到相邻的频率 点，从而在测量结果中引入误差。减小泄漏的方法，首先是取更长的数据，也就 是窗的宽度加宽，当然数据太长，必然是运算存储量都增加，其次数据不要突然 截断，也就是不要加矩形窗，而是要缓慢截断，即加各种缓变的窗，使得窗谱的 旁瓣能量更小，卷积后造成的泄漏减小。因此正确选择窗函数是减小频谱泄漏的 关键【埘。 为进一步了解窗函数对频谱的影响，我们考察一下窗函数的频率特性。输入 数据通过一个窗函数相当于原始数据的频谱与窗函数频谱的卷积。窗函数的频谱 由一个主瓣和几个旁瓣组成，主瓣以时域信号的每个频率成份为中心。旁瓣在主 瓣的两侧以一定的间隔衰减至零。f i 可产生离散的频谱，出现在n 丌每个谱线的 是在每个谱线上的连续卷积频谱。如果原始信号的频谱成份与h 口中的谱线完全 一致，这种情况下采样数据的长度为信号周期的整数倍，频谱中只有主瓣。没有 北京交通大学硕士论文 出现旁瓣的原因是旁瓣正处在窗函数主瓣两侧采样频率间隔处的零分量点。如果 时间序列的长度不是周期的整数倍，窗函数的连续频谱将偏离主瓣的中心，频率 偏移量对应着信号频率和f f r 频率分辨率的差异，这个偏移导致了频谱中出现旁 瓣，所以，窗函数的旁瓣特性直接影响着各频谱分量向相邻频谱的泄漏宽度。 每种窗函数有其自身的特性，不同的窗函数适用于不同的应用。要选择正确 的窗函数，必须先估计信号的频谱成份。如若信号中有许多远离被测频率的强干 扰频率分量，应选择旁瓣衰减速度较快的窗函数；如果强干扰频率分量紧邻被测 频率时，应选择旁瓣峰值较小的窗函数；如果被测信号含有两个或两个以上的频 率成份，应选用主瓣很窄的窗函数；如果是单一频率信号，且要求幅度精度较高， 则推荐用宽主瓣的窗函数。对频带较宽或含有多个频率成份的信号则采用连续采 样。 这里静态分析系统选用h a m m i n g ( 汉明) 窗，其时域和频域波形如图2 - 8 所 示。该窗函数对旁瓣的衰减约为5 0 d b 。 汉矧h g ) ：例2 r 0 铀文2 酬聊眙菇8 ) 。 dou。7 0 0 翻f 删i i i i m m ； 图2 s 汉明窗函数时域和频域波形 2 2 4 快速傅里叶变换 傅立叶变换是常用于数字信号处理的重要算法，变换的目的是将信息从时问 域变换到频率域，逆傅立叶变换是从频率域转回到时间域，实现傅立叶变换计算 上有效的方法是快速傅立叶变换( f 哪【1 3 1 。快速傅里叶变换算法形式很多，但基本 上可分成两大类，即按时间抽取( d e d m a t i i t i m e ，简称d 玎) 法和按频率抽取 ( d c c i m a t i o n - i n f r e q u e n c y ，简称d i f ) 法。有人把d f t 看作是矩阵算法，而把n 叮 1 4 f s k 信号解码算法及方案 看作是矩阵因式分解处理的结果。 图2 9 是基2 时间抽取肿算法流图。 第一级第二级第三级 图2 9 基2 时间抽取f f t 算法流图 n 叮算法流图旋转因子件规律 第一级的蝶形系数均为：，蝶形节点的距离为1 。 第二级的蝶形系数为孵、- 蟛h ，蝶形节点的距离为2 。 第三级的蝶形系数为时，略墙，嚼。，矸馏，蝶形节点的距离为4 。 第m 级的蝶形系数为硝、嚼，h 名h 胆一，蝶形节点的距离为2 。 h 叩算法流图倒序规律： 叫勉向幻1 屯 图2 1 0 研t 算法流图倒序规律 利用n 点复序列的h 叩可以计算两个n 点实序列h 叩利用n 点复序列的 q q 刁 甜川q 珥习 硼 即 羽 邵 邢 砸 羽 邢 巾 小堆 小小 班邶 彤 北京交通大学硕士论文 h 可可以计算2 n 点序列的f f r 利用n 点复序列的h 可可以计算i n 叩。 利用h 叩实现删盯： 首先将x ( m ) 取共轭，用h 可流图计算d f t x 4 ( m ) ，对结果取共轭并除以n 。 公式流程如下： 跏卜d f ，) 一薹x 体孵 ( 2 9 ) z 肛】一脚r 讧陋】 一专鬟j 【历彤 ( 2 1 0 ) 朴专馑跏彬) 2 2 5 频谱细化技术( z 哪 d f t 计算频谱只限制在离散点上的频谱，也就是只有基频矗的整数倍处的谱， 而不是连续频率函数。其中 ，o 一专一击；丢 2 ， 式中t 是采样频率，n 为采样点数，t 为采样周期，瓦是实际信号长度 这就想通过一个“栅栏”观看一个景象一样，只能在离散点的地方看到真实 景象，把这种现象称为“栅栏效应”。 减小栅栏效应的一个方法就是要增加信号长度瓦，也就是要增加抽样点数n ， 即n 越大分辨力越好，这个长度瓦是指真正实际信号的长度，采样点数n 也是指 这个长度上的采样点数，而不是补零后的长度或采样点数。 f s k 信号的调制频率的间隔最小只有1 1 h z ，要想通过频谱准确的识别出不同 的调制频率就必须使信号的频谱分辨率比它更小才行，实际中我们取o 0 3 1 2 5 h z 。 但对于1 6 3 8 4 h z 的采样频率和0 0 3 1 2 5 h z 的频谱分辨率，采样点数就至少需要达 到 肌每一篙受一s 拢8 8 p e0 0 3 1 2 5 舷 、7 也就是说需要多达至少5 2 4 2 8 8 个采样点。尽管h 叩算法能够大大减少运算量， 但对于这么多样点来说，其运算量也是个天文数字，因此我们必须找出更好的算 法。 通过观察我们发现，f s k 信号所占的带宽并不大，在发送菜一信息时其带宽 1 6 f s k 信号解码算法及方案 完全可以限制1 8 0 h z 在以内，在其他的低频区域其能量为零。由此，利用既可以 大大减小运算量，同时又可以对信号进行达到指标要求的处理的算法频谱细 化技术( z h 可) 【1 4 】【1 6 1 。 由式2 - 1 2 我们可以看出，频谱分辨率是由采样频率正和采样点数n 来确定的， 根据采样定理，要使信号的频谱不产生混叠，应大于信号带宽的两倍。可以通 过改变正和n 来改善分辨率，但正的降低会受到抽样定理的限制；增加取样点数 n ，则会使运算量及存储量增加，如用增加采样点数的方法使频谱分辨率提高m 倍，则需要进行m n 点h 叩运算，复乘的次数由尝l o g ，伽) 增加到 z 一 r 竺! 三兰l o g ：劬) ，复加的次数也相应增加，存储量增加2 m 倍。对于较大的n 和 二 m ，这个计算的增加是巨大的，不经济的。计算也相对困难。z f 刚z 0 0 m f i 哪算 法即放大镜式f f r 算法，也称频谱细化算法，可以对某一局部频谱放大，可以使 我们把感兴趣的那段窄带取出，从而得到其局部谱的精细结构。 f s k 信号带宽较窄，非常适合用z f i t 算法进行计算。 z h 可的工作原理如图2 。1 1 所示。 o o 图2 - nz f f t 工作原理 第一步；针对感兴趣的那部分频谱做一个频移，将起移至零频附近。 第二步：若感兴趣的频带带宽为昙，则对信号做一个带宽为b 的低通滤波， 输出序列g ( n ) 就只含有x ( n ) 在兀詈范围内的频率成分了，若鲁t 爿，则频率范 围缩小了a 倍。 第三步：针对频率范围已缩小的信号，我们可以对它降低采样率，可再以 凡。昔为取样频率对g ( n ) 进行取样得到序列“m ) 。由于频率范围缩小了a 倍， 1 7 北京交通大学硕士论文 故虽取样频率降低了a 倍，m ) 的频谱是不会发生混叠的，若取样后的d ( m ) 共有 m 点的话，则它的分辨率为： 瓯一鲁一南 ( 2 - 1 4 ) 若m 一筹，则吮一矾，即和n 点h 叩分辨率一样，若m = n ，则埘- 等， 即比n 点h 叮分辨提高了a 倍。 2 2 6 频谱分析的不足 传统的频谱分析法处理信号的时间短、精度高且抗干扰性能好，但是在检测 f s k 信号时却存在着固有的不足，即无法得到f s k 信号的上下边频信息。由于f s k 信号是非线性调制的，调制系数m 绝大部分都不为整数，这导致在移频信号的频 谱中，其上下边频处没有谱线，所以仅仅利用移频信号的频谱分析，不能直接获 得f s k 信号的上下边频的频率值。这样即使对f s k 信号的每一根离散谱线都能精 确检测，也无法检测出边频。然而，上下边频是判别一个信号是否是正确的f s k 信号的重要依据，铁路现场要求必须对边频信息进行有效检测，所以静态分析系 统也必须检测上下边频信息。 另一方面，由于对谱线信息的提取基于标准谱线，在判断和识别的过程中会 出现一种倍频问题，如图2 1 2 所示。 l ji。l jll ji。l jl q g l 伽z 的谱线 l u li 4 7 04 9 0 5 1 05 5 0s 9 06 1 06 3 0 2 阱k 的谱线 图2 1 2 倍频现象 容易看出，1 0 h z 谱线中有4 根与2 0 h 眨谱线重合。对于国产移频信号这是一 个需要解决的问题。当然，可以采用对谱线进行差值比较作为倍频防护。但是， 当较强的干扰信号混入有效频带时，目前的解调方案不可能有效的剔除，这就造 f s k 信号解码算法及方案 成谱线的变化，或者多插入一根谱线，或者会抵消掉标准谱线。这两种情况都可 能造成信号的误判，或者解调失败，增加了解调时问。 为了解决以上两个问题，需要对移频信号的时域特征进行分析。期待利用时 域对特征参数的分析，保证频域分析法的高可靠性。 2 3 时域测频算法 对f s k 信号的时域测频算法一般有鉴频法、差分检波法、动态滤波法、零交 点法等。这里考虑到静态分析的特点，采用瞬时测频算法频率推算法和相位 推算法。瞬时测频1 1 7 】是开始于电子对抗接收机的一种测频体制，分模拟和数字两 大类。近年来，数字测频法已被国内外普遍应用于电子对抗领域。随着数字电路、 计算机技术的发展，数字实时测频的应用范围越来越广泛。本文把瞬时测频技术 引入到铁路信号的静态分析中，实现对铁路信号上下边频的检测。针对频率推算 法和相位推算法的各自优势，结合国产移频和u m 7 1 信号的不同特点，使用对国 产移频信号采用相位推算法检测，对u m 7 1 信号采用频率推算法检测的分制式测 频方案1 1 8 1 。 2 3 1 频率推算法 1 频率推算法的原理 频率推算法是假定信号具有单一的频率，对其等间隔采样，利用相邻三点的 采样值推算信号频率的方法，又叫“三点测频法”。 由2 1 节知道，移频信号数学模型可表示为： 5 0 ) 一一s i n 【坷o ) + 妒p ) 】0 s f 玎，( 2 - 1 5 ) 那么下面用信号通式：s 一爿s i n ( 耐+ 矿) 进行频率推算法的讨论。 在采样周期为瓦时，将被变换成序列 s 一4 s i n ( n 以f + 力( 2 - 1 6 ) 不难推出 s i + 1 + s j 1i2 s f c o s ( n 以)( 2 1 7 ) 或者写成 魍- 一( 警) 印 这表明利用相邻的三点采样值，就有可能推算出信号的频率。观察式( 2 1 8 ) 可 北京交通大学硕士论文 知，对它的使用，是以两个假设为前提的，无形中已经用了，一是s ；- o ，二是可 能有效地进行反三角函数运算。事实上，当中频范围为从 到，2 时，保证可以恢 复信号所可以采用的采样频率将满足 ，型厶型 “，7 ：、 ( 2 - 1 9 ) 肌氧辫。) 叫 其中的蚪为非负整数。可取玎一o ，确实能使反三角函数具有唯一的输出。 在量化精度足够高时，分母不为零的条件在大部分时间内也可能被满足。然 而，当量化精度不够高时，较小的信号往往会被量化成零，使前一条件难于被满 足。因此，这种仅仅采用三点的算法只是原理性的，在工程实践中较少被应用。 其变种是采用多点，这时，将式( 2 1 7 ) 改写成： _ ) ，f t k( 2 2 0 ) 其中的y ，为墨+ 。+ s 。，五为荔i ，而k 就是c o s ( 以) 。这个方程表示一批点 瓴，y ，) ，其总数为m ，这些点本来都应该在一条过原点的直线上，线的斜率为k ， 由于有误差( 特别是来源于有限量化精度的误差) ，它们实际上不再一条直线上( 比 如只能在以为整数，t 为偶数的网格点上) 。因此，目标是求解一条过原点的直线， 使各点到直线的距离的平方