（测试计量技术及仪器专业论文）机车轨道信号采集与处理技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着时代的发展铁路运输在国民生产以及人民生活中的作用越来越突 出，铁路交通的安全运营问题成为了一个重要的研究课题。本文主要对在铁 路自动化运行中占有重要地位的轨道信号的采集处理问题进行了研究。 目前我国使用的轨道信号制式主要有两种，分别是国产1 8 信息移频和 u m t l 制式。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。 本文主要设计了一种配合新型列车监控装置的轨道信号采集系统的软硬件。 文中首先介绍了机车及轨道信号的相关知识。然后对采集系统的硬件进行了 设计，主处理芯片采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ，逻辑控制芯片采用了h l t e r a 的e m p t l 2 8 s 芯片，通信采用了c a n 总线，主控制芯片使用p h i l i p s 公司的 s j a l 0 0 0 芯片。 软件方面，首先对两种制式的轨道信号进行了分析，主要分析了各自不 同的频谱特征。在此基础上，对信号辨识的算法进行了研究。确定对于两种 制式的载频进行检测时，采用计数的方法；对于信号的低频信息，采用欠采 样、z f f t 方法，并使用m a t l a b 对算法进行了仿真。最后在c c s 环境下进行 了编程，实现了系统功能。 关键词：d s p ；移频信号；c a n 总线；z f f i ；欠采样 哈尔滨工程人学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a i ni sm o r ei m p o r t a n ti nn a t i o n a le c o n o m ya n d p e o p l el i v i n gi nt h i st i m e s t h er e s e a r c hi ns a f e t yo f t r a i nt r a n s p o r tb e c o m e sp r e s s i n g t h i sp a p e rf o c u so nt h e p r o b l e mo ft h es a m p l i n ga n dp r o c e s so nt r a i nt r a c ks i g n a lw h i c hi sv e r yi m p o r t a n t i nt h ea u t o m a t i o no f t r a i nt r a c k t h e r ea r et w ok i n d so ft r a i nt r a c ks i g n a li nc h i n an o w t h e ya r ee i g h t e e n s i g n a lf r e q u e n c y s h i f ta n du m 7 1 a l lo ft h e ma r ef r e q u e n c y s h i f t - k e y ( f s k l s i g n a l t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h e ma r ei nt h ec a r r i e r f r e q u e n c ya n dl o w m o d u l a t i o ns i g n a l t h i sp a p e rd e s i g nad e v i c et ot e s tt h es i g n a la n dd e s i g nt h e a l g o r i t h mt op r o c e s st h es i g n a lw h i c hi su s e df o ran e wi n s t r u m e n to nt r a i n m o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ek n o w l e d g ea b o u tt r a i n t r a c k s i g n a l a n dt h e n t h i s p a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ew h i c hu s e df o rt h e s a m p l i n g a n d p r o c e s s o ft h e s i g n a l t h e m a i n p r o e e s s u n i tu s et h e t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6o ft i e m p 7 1 2 8o fa l t e r ai su s e da sl o g i cc o n t r o lu n i t t h e c o m m u n i c a t i o nw i t i lt h eu p p e rc o m p u t e ru s ec a nb u s t h ec a nc o n t r o l l e ru s e s j a l 0 0 0o f p h i l i p s b a s eo na n a l y s i so ft h es i g n a l ，aa l g o r i t h mi sd e s i g n e d i nt h ea l g o r i t h m ，w e c o u n t i n gt h en u m b e ro fs i g n a li nac y c l et od e t e r m i n et h etc a r r i e rf r e q u e n c y t o t h el o wm o d u l a t i o ns i g n a l ，w eu s et h et e c h n o l o g yo fd i g i t a lf i l t e r , z f f ta n d u n d e r - r a t es a m p l et od e t e c ti t i nt h i sp a p e r ，w eu s em a t l a bt os i m u l a t et h e s i g n a la n dt h ep r o c e s s i n go ft h es i g n a l a tl a s t ，w er i s ec c so f t it od e s i g na n d t e s tt h es o f ta n da l g o r i t h m t h i sd e v i c ea n da l g o r i t h mi ss u c c e s s f u lb ye x p e r i m e n t k e yw o r d s ：d s p ；c a n b u s ；z f f t ；u n d e r - r a t es a m p l i n g ；f r e q u e n c y - s h i f ts i g n a l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。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。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) 左鳖! 重 日 期：孵多月歹日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题意义 第1 章绪论 我国铁路正在朝高速铁路、客运专线方向发展。随着铁路提速和行车密 度加大，铁路运输安全尤为迫切。实现自动化的铁路行车，以及智能化、综 合化的行车调度指挥系统与监控中心，可有效提高列车运行安全，而自动闭 塞是其重要手段。随着时代的发展和科技的进步，新型闭塞发展迅速，短短 数年，现已占自动闭塞里程的4 5 嘲。自动闭塞是依据列车车轮与轨道电路 接触发生作用，机车接受轨道信号，并进行识别、判断，从而将信息提供给 司机及监控系统。因此，轨道信号处理在自动闭塞中具有重大作用。随着自 动闭塞技术的不断完善发展，轨道信号处理技术也在不断的发展。对轨道信 号处理技术的研究具有巨大的经济效益。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 ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 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，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 采用了数字信号处理技术，日本的数字a t c 和法国u m 2 0 0 0 数字编码轨道电路 也都采用了数字信号处理技术。 1 2 国内外的发展现状 1 2 1 国外发展情况 为了检查列车占用钢轨线路状态，美国人鲁宾逊1 8 7 0 年发明了开路式轨 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 公司研究开发了u m 7 l 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 0 m ；无空心线圈，轨道电路长度为5 0 0m 。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的完整的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。于1 9 7 5 年开始 安装在巴黎至里昂的高速线路上，1 9 8 1 年用于东南线，1 9 8 9 年扩大应用于大 西洋高速行业线，1 9 9 0 年正式施工修建在北部线。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。已具有多年的 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，为8 0 年 代初国际先进水平。t v m 4 3 0 系统在1 9 9 3 年于法国第三条北方线高速铁路首 先投入使用。随着列车速度不断提高，时速已达3 2 0 k m h ，法国c s 公司对模 拟电路构成的u t 系统进行了数字化改造：数字电路技术使设备结构小型化、 模块化；采用无绝缘轨道电路t 脆2 0 0 0 ，数字通信技术使车地间的信息传输数 字编码化。u m 2 0 0 0 轨道电路使用4 种不同的载频，它们在线路上成对地在两 个方向轨道上交替使用。上行方向使用1 7 0 0 h z 和2 3 0 0h z ，下行方向使用 2 0 0 0 h z 和2 6 0 0 h z 。u m 2 0 0 0 低频信号增加到2 8 种，其中一种低频信号为轨道 占用信息，将2 7 种低频信号进行编码处理，使信息传输量由1 8 个增加为2 ” 个，其中传输防护码6 位，有效信息量为2 2 1 个渊。 英国西屋公司( w e s t i n g h o u s e ) 的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 0 h z ，调制频率4 个：1 3 2 h z ，1 5 明z ，1 8 h z ，2 0 4 h z ，频偏为1 2 5 1 t 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 8 h z 到8 0 h z ，间隔4h z 。 日本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 2 繇霈辫谢甾嚣戮群辫。牲驻累毒骠础嚣i 耋 瓣肇餮毁鹅士群非明鲁哥群鹳器繇 。戳辫彤礤掣甜朝每卓) 【s d 群辞些鲁署士群螽磐业嬲劲辫翠哥辑鲢掷士耻 菲戳蟛。释鼹舒士群非茸酱坚餮暾姆士群出拦业爵孕审弱鐾群璐爨繇徇鲥 雾业爨淀x 鹬飘崮摹业飘酉蛳曷旗睥辩孕霹磁瀑驱砒审骖澎群鹅鲑 酶翠各罂联馨士胖驹玛群吐露繇驰歌謦曾串鹭臻骶劲辫攀蓬欧姆士肆垡! 鞴 。鹬弱群士孵哥窖犟曾醵蟛士群譬半学链辅劲辫努瞢w 。餮掣牲鲻暾蟛士胖 非哇敷蟛士群鬃g 也犋丁藏留酏辫w 。鳃螂瞢嚣肇驹鲁罂察啭胺蹲围錾 。嚣并鲁署旦冁铝窜聚嗨o 0 0 0 m 上目拦飚骑嚣拳一骑牟饕晕嚣貉学一喾朝露蝣国禧。目翠联县曦静目馥 冒髫隧弼瑟聚裂髯骑崔毋翱娶群掣骷翁嗨翳甲鱼日堂毒瞪鼷弭相也百 业 ￥菩胃署浆势鄹窜隳畴牲疑锯印瓤嗨努粝￥i z 粕聊隅擅围餮上取治国旗 半m 匆0 89 船审瓤嗨磐爨明半g 瞢骥释￥纬零f | i 辁目朝茸蘩裙习砑窜非 与狮窜、土研n 堂丁研酗g 褥鹬柱- n 担印静鎏鬻健蜉聚赣瞬鞠抖匆0 9 。辨鬃一幂工陋钐爵g 翻犁焉半辑乖鳃蜂鬃鞲释藓匆0 8 6 i 壬g 皆馨殇孺疆拳g 一鞯上掣髫南记6 i 。跖始朝期砷檠嗨敝靼枣酶秘雄上智 拄勤懈髫船鹕番肇a f 、崮霹茸鞠跖控素健辉檠赣簿匆8 9 6 i 。髫聚聊￥转 专一鲷半珊髓胃檠啭匿磐警孺薅明萼军上静篱锯审檠嗨￥故捌蓍髯椠。船 印瓢1 i 霉t b f 翱骐覃上草乒国雅砰期礤w 。铅印殿嗨朝冒粤荤翻姥目麟甜劲髫 聊啸j 翟目专一鬻国挂吾罩。甾勘明g 劲上赫髯雨骥塾牲甾酗銎j 腰钐 麟蹲m 由0 9 艇铝胥襄嗨献掰审翠船铤妊前由z gw 潮g 拉索挂烬檠貉 。瓣霉朝智髯半群鲁孽锯赣国 箍上翠噼觞母锯猪圉弓暂联日崮翦明翠百墅啤辩喜冒嚣朝墩静业智髯 蛹哥辫上单崮挂翠半辑鼯目蔡嗨疑g 瞵中m 南o gw g 圉嚣鳓击业群毋职 影币冒髫翳豺韶窜瓢嗨鲷茸卷雎国驻承访智髯半馨船窜聚嗨朝国器 做戥碧幕单围z 。z 9 眦】z h o l 鬈辫繇墼( z h g l z h z 9 z h l 9 z h 9 9 z h g l ，) 4 - g 啤密苔q 彳专o i 堡丁捌密酶嚣。冒晕 专g i 管柱一暂：z h 0 鬃晰酶 ( z h i z h z z hp z h i z h9 z z h 0 z h6 i z h9 i z h i z ho i ) 莓珏砑螽千逊杂￥酲工餮埠枷 哈尔滨工程大学硕士学位论文 法和零交点法。限幅鉴频法又有适用于宽频频移键控信号的双失谐鉴频器和 适用于窄带频移键控信号的单谐振槽路鉴频器。零交点法有采用通用微型计 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f f r 快速傅立叶变换，求出频移键控信号的主要边频分量，解出低频信息。频移 键控信号检测需要具有相对较高的频率分辨率。由于傅立叶变换的抗干扰能 力强和可实现性好，铁路频移键控信号检测的技术手段广泛的应用f f t 频率 分析方法。但是根据傅立叶变换的性质可知，提高频率分辨率就需要相应地 增加f f t 长度，或者尽量降低转换的采样速率。然而，增加f f t 长度就需 增加大量的数据存储空间，同时，f f r 变换时间按对数规律增长，严重影响 到频谱分析过程的实时性；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。所谓的欠采样技术即是指低于奈奎斯特采样频率k 倍的采样速率进行无失真采样的过程。经分析若检测系统的a d 转换器以欠 采样率进行抽取时，f f t 的频率分辨率可提高近k 倍。这个给我们提供了 一种行之有效的采样方法。 1 3 论文主要工作内容 本论文首先对机车轨道信号的相关知识作了介绍，重点介绍了自动闭塞 的工作原理和两种制式轨道信号的频率分配，为进一步分析机车轨道信号奠 定了基础。论文的主要工作如下： ( 1 ) 利用m a t l a b 软件对机车轨道信号以及信号的频谱进行了分析，得出 了两种信号的频谱特征。 ( 2 ) 确定以计数的方法实现信号载频的检测；以欠采样、z f f t 法实现机 车轨道信号的低频调制信号的检测。 ( 3 ) 论文根据实际需求，提出了信号采集与处理系统的硬件设计的方案。 在硬件设计中，主要工作在于完成了以d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 为核心的集采 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 集、处理、传输于一体的系统硬件设计。 ( 4 ) 论文对算法进行了仿真，并对部分程序在c c s 2 0 下进行了编程，对 采集到的信号进行了处理，验证了系统设计。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第2 章机车轨道信号相关知识 2 1 轨道电路 轨道电路是利用铁路的两条钢轨作为导线，所构成的电器回路。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。 轨道电路是铁路信号基础设备( 如自动闭塞、电气集中等) 的基础，借 助它可以监控机车在线路上的运行情况，也可以传递与行车有关的各种信息。 常用的轨道电路由送电端、钢轨线路和受电端3 部分组成，如图2 1 所示。 两个分界绝缘节之间的钢轨线路( 即从送电端到受电端之间) ，称为轨道电路 的控制区段，也就是轨道电路的长度。轨道电路的长度要受轨道电路工作状 态的制约，不同类型的轨道电路长度不同啪1 。 i i il j 沙阻崖 电器 节 图2 1 轨道电路控制图 当机车未进入轨道电路，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，在经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，允 许列车进入轨道。电路如图2 1 所示。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当机车进入轨道电路，即线路控制区段被占用时，电流同时流过机车车 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内运行的安全。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。 2 2 列车闭塞 铁路线的两车站之间叫区问。闭塞设备是用来保证列车在区间内运行安 全，并提高区间通过能力的区间信号设备。在单线铁路上，为防止一个区间 内同时进入两列对向运行的列车而发生正面冲突，或为避免两列同向运行的 列车( 包括复线区间) 发生追尾事故，铁路上规定区间两端车站值班员在向 区间发车前必须办理的行车联络手续，叫做行车闭塞( 简称闭塞) 手续。用 于办理行车闭塞的设备叫闭塞设备。闭塞设备必须保证一个区间内，在同一 时间内只能允许一个列车占用的这一基本原则的实现脚1 。 1 9 世纪4 0 年代以前，列车运行是采用时间间隔法。即先行列车发出后， 隔一定时间再发出同方向的后续列车。这种方法的主要缺点是不能确保安全。 当先行列车运行不正常时( 晚点或中途停车等) ，有可能发生后续列车撞上前 行列车的追尾事故。1 8 4 2 年英国人库克提出了空间间隔法，即先行列车与后 续列车间隔开一定空间的运行方法。因为它能较好地保证行车安全而被广泛 采用，逐步形成铁路区间闭塞制度。1 8 7 6 年电话发明后，不久就有了电话闭 塞。电话( 电报) 闭塞靠人工保证行车安全，两站间没有设备上的锁闭关系。 1 8 7 8 年英国人泰尔研制成功电气路牌机。1 8 8 9 年发明了电气路签机。目前用 于我国大多数铁路线路的闭塞方式主要有两种： ( 1 ) 半自动闭塞 区间两端车站各装设一台具有相互电气锁闭关系的半自动闭塞机，并以 出站信号机开放显示为行车凭证的闭塞方法。此时，在车站进站信号机内侧 设有- - d 段专用轨道电路，它和闭塞机、出站信号机间也具有电气锁闭关系。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 其特点是：出站信号机不能任意开放，它受闭塞机控制，只有区间空闲时， 双方办理闭塞手续后( 双线半自动闭塞为前次列车的到达复原信号) 才能开 放。列车出发离开车站时，出站信号机自动关闭，并使双方闭塞机处于”区间 闭塞”状态，直到列车到达接车站办理到达复原时止。最初的半自动闭塞是以 电机方式出现的，以后由于继电技术的发展，继电半自动闭塞占据了重要的 地位。 半自动闭塞法办理手续简便，效率高，可比路签( 牌) 闭塞法提高区段 通过能力，改善了值班员的劳动条件。但区间轨道是否完整，到达列车是否 完整，仍须通过人工检查才能确认。半自动闭塞现在是中国单线铁路区间闭 塞的主要类型。 ( 2 ) 自动闭塞 利用通过信号机把区间划分为着干个装设轨道电路的闭塞分区，通过轨 道电路将列车和通过信号机的显示联系起来，使信号机的显示随着列车运行 位置而自动变换的一种闭塞方式。在每个闭塞分区始端都设置一架防护该分 区的通过色灯信号机。这些信号机平时显示绿灯，称为“定位开放式”；只有 当列车占用该闭塞分区或发生断轨故障时，才自动显示红灯，要求后续列车 停车。 自动闭塞的优点：由于划分成闭塞分区，可用最小运行间隔时间开行追 踪列车，从而大大提高区间通过能力；整个区间装设了连续的轨道电路，可 以自动检查轨道的完整性，提高了行车安全的程度。 自动闭塞是目前比较先进的一种行车闭塞法，但它仍以固定的空间间隔 ( 闭塞分区) 来保障列车行车安全。今后的发展方向是在无绝缘轨道电路的 基础上，研制可根据列车相互位置与运行速度j 而自动完成更为合理的行车 间隔控制方法。 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( 通过信号枫可显示红、 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。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 机车信号 轨道电路中传递的信息可分为不同制式，每一种信号制式的地面发送设 备和机车上的接受、译码、点灯设备构成一种信号系统，信号系统中机车上 的接收、译码、点灯设备即为机车信号。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 轨道电路组成的多信息信号系统。机车信号固 定安装在司机室中，它的系统框图如图2 2 所示。 图2 2 机车信号系统框图 按照从地面向机车传递信息方式的不同，机车信号分为两种类型：接近 连续式和连续式聊。 ( 1 ) 接近连续式机车信号 用于非自动闭塞区段，在进站信号机外方的一个固定地点设置发送设备， 并从固定地点到迸站信号机之间安装一段轨道电路。因此它从固定地点开始 一直到进站信号机处为止，都连续不断地向机车上传送地面信号的信息，使 机车信号机连续复示进站信号机的显示。这对于晾望条件困难和运输繁忙的 非自动闭塞区是非常有益的。 ( 2 ) 连续式机车信号 主要用在自动闭塞区段，利用自动闭塞分区的轨道电路向机车传送信息。 因此，在整个区间线路上，机车信号能连续地反映前方地面信号机的显示。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 移频自动闭塞 2 4 1 移频自动闭塞的工作原理 移频自动闭塞是一种选用频率参数作为信息的闭塞制式。它是利用调制 方法把这些低频信息搬移到较高频段并形成振幅不变，频率则由f l ，f 2 交替 变化的信号波形，并且以两条钢轨为传输通道，达到指挥列车运行的目的。 因此，它是一种方波调制系统。以国产1 8 信息机车移频制式为例，区间轨道 电路的频率配置和信号的传输方式如下：移频轨道电路的频率配置和信号传 输方式是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 平行线路也应该采用不同频率。为此一般上行线规定采用的中心频率是 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心频率是5 5 0 h z 和7 5 0 h z 两种载频频率交替配置，频偏为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下：假设上行线有两列追踪列车a 、b 运行。 a 列车是在1 g 分区，b 列车是在4 g 分区。由于l g 有列车占用，故a 信号点 的黄、绿灯继电器均处于落下状态，利用这种条件，使信号机a 显示红灯， 同时a 点的发送设备自动向2 g 发送2 6 o h z 调制信号的移频信号。b 点的接 收设备接收到2 6 o h z 的低频信息后，b 信号点的黄灯继电器吸起，利用吸起 条件，使b 点信号机显示黄色灯光，同时使b 点发送设备向3 g 发送1 6 o l z 调制信号的移频信号。c 信号点的接收设备接收到1 5 o h z 低频信息后，绿灯 继电器吸起，使c 点信号机显示绿色灯光，并且c 点的发送设备自动向4 g 发送i i o h z 调制信号的移频信号。此后续列车b 已进入4 g 分区，信号机c 显示绿色灯光，列车按绿灯速度继续运行。如果列车a 由于某种原因停在l g 区间，则当后续列车b 进入到3 g 分区，则信号机b 显示黄灯则应减到黄灯速 度。当后续列车b 进入到2 g 分区时，由于前方信号机a 显示红色灯光，司机 开始使用常规制动措施，使列车b 能在红灯信号机a 的前方停住。这样就可 实现根据列车站用分区的状态，自动改变地面信号的显示，准确地指挥列车 以规定的速度运行，使区间自动闭塞信号实现自动控制的目的。 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上行方向+ edcba 卜l e 卜eb 卜e 卜e 卜ea 卜_ e 8 5 0 o g ) 6 5 0 ( 4 g ) 8 5 0 ( 3 g ) 6 5 0 ( 2 g ) s s o ( 1 g ) 6 5 0 5 5 0 7 5 05 5 0 7 5 05 5 07 5 0 引引引引引引 + 一下行方向 图2 3 机车运行方式 2 4 2 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；三是设备符合 故障一安全的原则，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f 0 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。 2 ，5 国产18 信息移频自动闭塞系统以及频率配置 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 ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 载频与原有4 信息移频自动闭塞系统的载频相同，上行线为6 5 0 h z 和8 5 0 h z ，下行线为5 5 0 h z 和7 5 0 h z 。 ( 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i i o h z 、1 5 o h z 、2 0 o h z 、2 6 o n z 仍保留旧线的调制频率可在2 0 9 6 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：1 0 8 h z i i 2 h z 、1 4 7 h z 1 5 3 h z 、1 9 6 h z 2 0 4 h z 、 2 5 5 h z 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 2 0 s ，它比原有 移频的应变速度快，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l o 个周期的时间长度在1 5 s 之内，调制频率就不能低于7 o h z 。 为此选择了7 o h z 为最低频率。 ( 4 ) 移频轨道信号的频谱是以载频为中心，以调制频率为间隔的谱线组 成，谱线的能量越靠近载频f o 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 i 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 o 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间隔。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 邻频率间的相对偏差。因此要同时兼顾相邻调制频率的绝对间隔和相对间隔。 ( 3 ) 要避免调制频率成倍数关系。因为f s k 信号的频谱是以载频为中心 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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i o l 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 0 的范围偏移，如果偏移到0 5 h z ，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 o 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 o h z 到2 6 o h z ， 间隔0 5 1 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，这些不可用的频率为 1 0 5 h z ，1 1 5 h z 、1 4 5 h z 、1 5 5 h z 、1 9 5 h z 、2 0 5 h z 、2 5 o h z 。 ( 2 ) 与原有移频的4 个调制频率成倍数关系，这些不可用的频率为 7 5 h z 、1 0 o h z 、1 3 o h z 、2 2 o 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，这些不可用的频率为1 4 o h z 、 1 6 o h z 、1 7 o h z 、1 8 o l z 、1 9 o i z 、2 1 佣z 、2 3 阴z 、2 4 o 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 0 9 6 ，其次是2 4 5 与2 3 5 的相 对间隔为4 1 ，1 2 o h z 可作备用频率。如表2 i 所示 表2 11 8 信息移频的频率配置 ( h z ) 载频f o 5 5 06 5 07 5 08 5 0 频偏f 5 5 调制频率f l 7 08 08 59 09 5i i 01 2 51 3 5 1 5 01 6 0 1 6 51 7 5 1 8 - 5 2 0 o 2 2 52 3 5 2 4 52 6 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 6u m 7 1 的频率配置 u m 7 1 意为“通用调制7 1 型”。是法国在2 0 世纪7 0 年代为适应电气化区 段信号抗干扰而研制的无绝缘移频轨道电路。u m 7 1 轨道电路利用铁轨传送移 频信号，其中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 。 其中，下行线采用1 7 0 0h z 、2 3 0 0h z 交替配置，而上行线采用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 轨道电路共有从1 0 3 h z 开始按1 i i - i z 等差数列递增至2 9 h z 的1 8 种低频信息，如表2 2 。其频偏f 为1 1 h z ，故u m 7 1 轨道电路轨面上传送的移频信号由载频f o 、频偏f 和低 频调制信号f 1 三者构成。假设某区段载频f o 为2 0 0 0 h z 、低频调制信号f 1 为1 6 9 h z ，那么轨