（控制科学与工程专业论文）基于dsp的移频轨道电路参数在线检测方法研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 铁路在国民经济的发展中起到了很重要的作用。随着铁路技术的发展，列车 在运行速度及运载能力上有了很大的提高。为了保证行车安全，确保铁路运输的 安全畅通，对列车在运行时的安全防护提出了很高的要求。确保列车正常运行的 技术手段有很多，其中轨道电路是保障列车正常运行的重要手段之一。 我国轨道电路的制式主要是移频轨道电路，包括国产1 8 信息移频轨道电路和 引进法国u m 7 1 型并加以国产化的z p w - - 2 0 0 0 型移频轨道电路。二者均以频率 作为参数，实现信息的传递。由于轨道电路所处的环境非常恶劣，需要定期检测 轨道电路的相关运行参数，判断轨道电路及信号设备是否处于最佳工作状态，可 以及时消除隐患，确保列车的行车安全。 基于传统检测方法的轨道信号检测方式存在诸多弊端。在总结和分析国内外 相关研究工作的基础上，通过对移频信号的频谱特点进行分析，得出国产1 8 信 息移频轨道信号频谱具有双峰，双峰频率的平均值就是移频信号的载频中心频率， 而z p w - - 2 0 0 0 移频轨道电路的频谱为单峰，峰值频率即为信号的载频中心频率， 频谱上谱线的间距即为低频调制频率。给出了利用快速傅立叶变换( f f t ) 进行 频谱分析的方法，实现了对移频轨道电路信号的载频和低频调制频率的检测。为 了保证检测的精度要求，设计中通过理论推导计算，采用了低于正常采样频率的 采样频率对信号进行f f t 变换。给出了不同的频率范围下，具体的采样频率计算 公式。论文中利用m a t l a b 和信号发生器及数字示波器对利用f f t 实现移频轨道 电路参数检测的方法进行了仿真验证，并进行相应的计算。验证结果表明理论分 析与实际的计算结果能够保持一致，证明所采用方法的正确性。 在检测方法的基础上，以d s p 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，设计相关电路， 选择合适的芯片，建立实际的硬件平台，利用c c s 开发工具实现对d s p 的软件 编程，实现了液晶的显示功能和对模拟信号的采样及显示。 关键词：轨道电路，移频信号，f f t ，d s p 西北工业大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h e n a t i o n a le c o n o m i c a st h et h ed e v e l o p m e n to f t h er a i l w a yt e c h n o l o g y , t h es p e e da n dt h e c a r r ya b i l i t yo f t h er m l w a yg r e a t l yi m p r o v e d i no r d e rt oa s s u i et h es a f e t yo f t h er a i l w a y t r a v e l i n g ，ah i g h e rr e q u i r e m e n th a sb e e nr a s e df o rt h er e a i t i m es e c u r i t yo ft h et r a i n t h e r ea r es e v e r a lt e c h n i cs k i l l st om a k ee v e r y t h i n gl u l ls m o o t h l y t h er a i l w a yc i r c u i ti s o n eo f t h em o s tc r i t i c a lm e t h o d st oi n s u s a f e t yt r a n s p o r t a t i o n t h ef r e q u e n c y - s h i f tr a i l w a yc i r c u i ti st h em a i nr a i l w a yc i r c m ti no u rc o u n t r y , i n c l u d i n g1 8 - i n f o r m a t i o nf r e q u e n c y s h i f ta u t o - b l o c k i n gr a i l w a yc i r c u i tm a d ei nc h i n a a n du m - 7 1j o i n t l e s sr a i l w a yc i r c u i tm a d ei nf r a n c ew h i c hl o c a l i z e dz p w - 2 0 0 0 b o t ho f t h e mu s et h ef r e q u e n c ya st h et r a n s p o r tp a r a m e t e r u s u a l l y , t h er a i li su s e da st h es i g n a l c h a n n e lt oe s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es i g n a le q u i p m e n ta n dt h er u n n i n gt r a i n a st h es e r i o u se n v i r o n m e n tw h e r et h er a i l w a yc i r c u i te q u i p p e d ，s o m et e s t i n gi sn e e d e d p e r i o d i c a l l yt oe v a l u a t ew h e t h e rt h er a i l w a yc i r c u i ta n dt h es i g n a le q u i p m e n ta r ei na g o o ds t a t e t h ed e t e c t i n g s y s t e m sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s a g ef a c i n gs e r i o u s c h a l l e n g e a tt h e b a s i so ft h ef o r m e rr e s e a r c hw o r k a n dt h ea n a l y s i so ft h e f r e q u e n c y - s h i f ts i g n a l a st ot h ec a r r i e rf r e q u e n c y , t h es p e c t r u mo ft h e1 8 - i n f o r m a t i o n f r e q u e n c y - s h i f tr a i l w a ys i g n a lh a st w op e a k s ，t h ec a r r i e rf r e q u e n c yi st h ea v e r a g eo f t h e t w op e a kf r e q u e n c y t h ez p w - 2 0 0 0j o i n t l e s st r a c ks i g n a lh a so n l yo n ep e a k , t h ec a r r i e r f r e q u e n c yi st h ep e a kf r e q u e n c y t h i sp a p e rg i v e sf a s tf o u r i e rt r a n s f o r mt oc h e e kt h e s i g n a la n dp r o v e sc o r r e c t n e s sw i t l ls o m et o o l s t h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2i su s e da st h ec o r ep r o c e s s i n gu n i tb a s e dt h et e s tm o t h c d t h e r e l a t e dc i r c u i t sa r cw e l ld e s i g n e d h a r d w a r ep l a t f o r mi se s t a b l i s h e da n dr e a l i z e dt h e d i s p l a ya n dt h ea ds a m p l e k e yw o r d s ：r a i l w a yc i r c u i t , f r e q u e n c y - s h i f ts i g n a l ，f f t ，d s p 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 铁路作为国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具f l 】，对 一个国家的发展起到举足轻重的作用。自1 9 9 7 年至今我国的铁路已经进行了五次 提速，列车的通行速度、通行密度及运载能力有了很大的提高。在列车运行速度 及运载能力有了很大提高的同时，为了保证行车安全，确保铁路运输的安全畅通， 也对列车在运行时的行车安全提出了更高的要求。影响列车行车安全的因素有很 多，其中铁路自动控制信号的可靠程度是保证列车行车安全的重要因素之一。 铁路自动控制信号的历史是从1 8 7 0 年美国人鲁宾逊发明了开路式轨道电路开 始，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1 2 j 。我国铁路在建国前采用的轨道电路传输信息少，分布 也极不平衡，建国后从5 0 年代中期开始，轨道电路技术在我国有了长足的发展， 不仅传输的信息量增加而且其使用己遍及全国各铁路线，构成了我国铁路信号技 术发展的基础。 轨道电路是以铁路线路上的两根钢轨作为导体，两端以钢轨绝缘( 或无绝缘) 分界，并用导线连接信号源和接收设备构成的电路，由分界内的列车轮轴将轨间 分路，用以检查有无列车的电路，以及用钢轨向该分界后的列车传送信息的电路。 它是现代铁路信号设备( 如：自动闭塞，机车信号，电气集中，调度集中和驼峰 自动集中等) 的基础环节，其主要作用是保障列车的行车安全和提高列车通行能 力。随着我国高速铁路发展计划的实施，铁路系统对列车自动控制的要求越来越 高。列车控制系统必须提高对列车的控制精度才能保证行车安全，提高运输效率。 列车的控制精度与轨道电路所提供的信息密切相关，轨道电路提供的参数越多、 越精确，控制精度也就越高，运输效率也随之提高。2 0 世纪8 0 年代以来，铁路信 号成功的应用了数字信号处理( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 、现代通信、自动控制和计 算机等先进技术，把过程控制、数据采集和处理结合成一体，促进了铁路运输生 产和铁路运营管理的现代化。如今，随着信息技术和网络技术的发展，铁路信号 作为一种重要的信息与控制技术，具有全程、全网和高安全、高可靠的特点，在 铁路运输更大的范围内，得到了更广泛的应用，发挥了越来越重要的作用，其发 展水平也已经成为铁路现代化的重要标志之一【3 l 。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 我国轨道电路主要分为以下几种制式：交直流轨道电路、相敏轨道电路和移 频轨道电路等。由于列车在运行时对钢轨产生较大的冲击，特别是在电气化铁路 区段，列车在运行时产生较强的干扰，再由于各地的地理条件( 如地势、土质、 温度、湿度、气候等差异) ，轨道电路所处的环境非常恶劣。铁路部门只有定期检 测轨道电路的电压、频率等参数，才能确定轨道电路及其信号设备是否处于最佳 工作状态，从而及时消除故障隐患，确保列车的行车安全 4 f f 5 1 。 目前，我国轨道电路参数测量普遍存在的问题是：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谐波的干扰，在实际测量中没有专用的动态“在 线”测试仪器，因而没有办法开展正常的对轨道电路综合参数的测试工作。必须 测试时，只有中断铁路运输，或将被测区段电力牵引电网“开天窗”测量，即将 被测试区段电力牵引电网的电源断电，再进行一系列的信号参数测试。所用的仪 器均为机电工业通用测试仪器，其频率响应范围较窄，由于轨道电路的被测信号 均为具有固定特点的电压或频率信号，因此机电工业通用测试仪表不能较好的满 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相互关系。因此给行车安全、行车速度及行车密度带来 极大的影响。现行的信号综合参数的测试方法及测试手段已经远远落后于快速发 展的铁路运输业。近几年我国铁路不断提速，而增加行车速度和行车密度的保证 是准确无误的行车信号。我国现已经开始上准高速铁路，投入营运的广深线的车 速已达1 6 0 千米小时i ”j 。因此，研究对轨道电路信号参数检测的专用“在线”测 试仪器已势在必行。 1 2 本文主要研究内容 我国移频轨道电路制式主要有两种制式，一种是国产移频轨道电路，分三种 类型：4 信息、8 信息和1 8 信息( 信息向下兼容) ；另一种是引进法国u m - 7 1 型 移频轨道电路，其国产型号为z p w 一2 0 0 0 型移频轨道电路。两种轨道电路的信号均 为移频键控信号( f s k ) ，选用频率参数作为控制信息【8 】。 本课题的主要研究内容是基于d s p 的移频轨道电路参数在线检测方法的研 究，需要检测的主要内容是移频轨道电路的低频调制频率和高频载频频率，并且 保证相应的检测精度。为此需要研究的主要问题有以下几点： 1 移频轨道电路的工作原理、工作方式、工作参数及影响轨道电路正常工作 的各种因素。 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 2 研究移频轨道电路的信号特点，并进行相应的分析。 3 根据信号的特点，提出相应检测的方法，并进行分析。 4 根据提出的检测方法，设计检测仪器，满足相关测试要求。 1 3 国内外研究现状 因为两种类型的移频轨道电路的控制信号均为移频键控信号，所以对移频轨 道电路信号f s k 的检测过程，就是对f s k 信号的解调过程。移频键控信号的解调 方法，从原理上讲可以分为相干解调和非相干解调两种方法。从最佳接收的观点 来看，相干解调具有最佳抗干扰性能。然而相关解调要求接收端恢复出具有准确 频率和相位的相干载波信号，在移频检测系统中是很难实现的，往往增加设备的 复杂性，而实际性能又改善不多，所有移频检测系统中往往不采用相干解调法解 调f s k 信号，而采用非相干解调法解调f s k 信号。所谓非相干解调，就是在接收 端不需要相干信号，而根据移频信号本身的特点进行解调。 移频信号的非相干解调法通常有模拟法和数字法。模拟法常常采用限幅鉴频 法和零交点法。其中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。零交点法一般采用微型计算机，运用软件 实现或单用硬件实现。数字法通常采用微型计算机运用快速傅立叶变换，求出移 频信号的主要边频分量，解出低频信息【6 】。相关的f s k 信号的解调方法已有较多 的论述。 根据移频轨道电路的信号特点，需要较高的检测分辨率，而且由于轨道电路 所处的工作环境十分恶劣，干扰较大，再加上需要进行轨道线路的在线检测，所 以既要保证检测的精度又要保证检测仪器的可携带性，同时还要满足实时性要求。 因此利用传统的模拟方法已不能适应轨道电路信号检测。随着科学技术的发展， 现代数字信号处理理论和数字信号处理器件( d s p ) 的性能有了很大的提高，数字 化解调技术得到了迅速发展。在对f s k 信号的数字化解调中，出现了利用短时离 散傅立叶变换分析、自适应递归数字滤波器和直接将模拟频率检测器变换为数字 形式的直接实现方法来实现f s k 信号的数字解调，以及利用多个并行的数字信号 处理器( d s p ) 实现多载频f s k 信号的解调等数字解调方法 9 - 1 2 1 。由于傅立叶变换 的抗干扰能力强和可实现性好，铁路移频信号检测的技术手段广泛采用快速傅立 叶变换( f f t ) 的频谱分析方法【1 3 。利用f f t 频谱分析法关键要解决采样点数、 采样频率与检测分辨率和检测实时性的问题。这一点邢晓异，仲新莉于2 0 0 0 年发 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 表在华东交通大学学报上的f s k 信号检测的高分辨率实现方法一文有较完整的论 述【1 4 】。华东师范大学的徐晔，程林，毛敏于2 0 0 5 年在微计算机信息上发表的车载 f s k 信号的2 中解调算法及其d s p 的应用实现一文中提到了用过零检测法实现 f s k 信号的解调【1 5 1 。另外，2 0 0 6 年西安石油大学的郭颖娜发表于电子技术上的一 种f s k 信号调试解调电路的设计一文i l “，设计专用f s k 解调电路和2 0 0 6 年崔丽 珍，何永成发表于包头钢铁学院的轨道电路移频信号解调实现一文例，利用小波变 换进行f s k 调制的讨论，对轨道电路移频信号在线检测方法的研究具有一定的借 鉴意义。 1 4 论文结构 本论文主要由以下几个部分组成： 第一章绪论，主要讨论了课题的背景及现实意义，介绍了课题的国内外现状， 并提出了完成本课题所需要研究的主要内容。 第二章移频轨道电路，介绍自动闭塞的概念，分析移频轨道电路的构成，工 作原理，作用及影响轨道电路正常工作的各种因素，给出移频轨道电路的具体参 数配置，在研究轨道电路各个参数的基础上提出移频轨道电路在线检测所需要实 现的具体指标，并给出检测仪器的所需要完成的功能。 第三章移频轨道电路信号的具体分析及解调，重点分析移频轨道电路信号的 特点，给出数学推导并分析其频谱特点，针对其特点提出利用快速傅立叶变换 ( f f t ) 的方法，测量轨道电路参数，并进行相应的仿真验证。 第四章设计测量仪器，利用第三章所提出的测量方案，进行相关的软、硬件 设计，给出相关软、硬件实现的具体方案。 第五章结果分析。 第六章总结与展望。 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章移频轨道电路 2 1 基本概念 第二章移频轨道电路 移频轨道电路是轨道电路的一种，在对移频轨道电路进行细致的分析之前需 要对相关概念进行解释。主要有轨道电路、区间、闭塞和自动闭塞等，下面对其 进行相应的介绍。 2 1 1 轨道电路 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是否完整的信息，起着一个信息发送器的 作用，同时还起着与通过信号机之间，以及地面设备与机车设备之间遥控联系通 道的作用。轨道电路是钢轨线路和连接于其始端及终端器械的总称n 7 1 。最简单的 轨道电路如图2 - l 所示。 图2 - 1 最简单的轨道电路示意 轨道电路的送电设备设在送电端，由轨道电源e 和限流电阻r x 组成。限流电 阻的作用是保护电源不致因过负荷而损坏，同时保证列车占用轨道电路时轨道继 电器可靠落下。接收设备在受电端，一般采用继电器，称为轨道继电器，由它来 接收轨道电路的信号，并进行相应的控制。 送、受电设备一般放在轨道旁的变压器或电缆盒内，轨道继电器设在信号楼 内。送、受电设备通过引接线( 钢丝绳) 直接接向钢轨或通过电缆过轨后由引接 线接向钢轨。 当轨道电路的某段线路空闲时，轨道电路上的继电器有足够的电流通过，吸 5 西北工业大学硕士学位论文第二章移频轨道电路 起被磁化的衔铁，闭合前接点，从而接通色灯信号机的绿灯电路，显示绿色灯光， 表示前方线路空闲，允许机车车辆占用。当机车车辆进入该线路区段时，由于轮 对电阻很小，使轨道电路短路，继电器吸力减弱，释放衔铁，使之搭在后接点上， 接通信号机的红灯电路，显示禁行信号。轨道电路的这一工作性能，能够防止列 车追尾和冲突事故，确保行车安全。按照移频自动闭塞区间的轨间连接方式，移 频轨道电路分为有绝缘移频轨道电路和无绝缘移频轨道电路。 轨道电路的作用： 1 监督列车的占用。 2 能发现钢轨发生断裂。 3 传递行车信息。 2 1 2 区间 区间是指两个车站( 或线路所) 之间的铁路线路。相邻车站之间的区间称为 站间区间；车站与线路所之间的区间称为所间区间。根据区间线路的数目主要分 为单线区间、双线区间和多线区间等h 8 】。 2 1 3 闭塞 闭塞是由铁路运输的基本特点决定的。铁路运输的基本特点是在线路上运行 时，它们不能以相互避让的方法来避免迎面撞车，另外，由于列车速度快，质量 大，从开始制动到完全停车需要行走很长的距离，这就产生了后续列车追撞前行 列车的可能。为此要求按照一定的方法组织列车在区间的运行。用信号或凭证保 证列车安全运行的技术方法称为行车闭塞，简称闭塞。铁路上采用了时间间隔法 和空间间隔法两种不同的闭塞方法。我国采用的基本闭塞方法主要有：电气路签 ( 牌) 闭塞、半自动闭塞和自动闭塞1 1 9 j 。 2 1 。4 自动闭塞 随着列车行车速度的提高及行车密度的增加，对铁路线的通过能力的要求亦 越来越大。当使用半自动闭塞时，要提高线路通行能力，只有增设线路所，用缩 短区间长度的方法来解决，而增设线路所不但需要增加运营人员，而且还增加了 办理闭塞手续的时间。当区间长度缩短到一定程度时，即当列车在区间内运行的 时间小于办理闭塞和接发车手续的时间时，势必会影响列车的通行密度和速度， 6 西北工业大学硕士学位论文第二章移频轨道电路 同时还会造成办理人员的过分紧张和疲劳。因此，半自动闭塞对于提高线路通过 能力受到一定限制的。另外当区间发生断轨、塌方等事故时，这种闭塞方式也不 能保障列车的运行安全。 轨道电路的一个重要的应用是自动闭塞。自动闭塞是一种比较先进的闭塞制 度，它能够有效的提高线路的通过能力和保证行车安全，目前在一些主要的干线 上己被广泛采用。自动闭塞是根据列车运行及有关闭塞分区状态，自动变换通过 信号机的显示状态，列车司机凭信号行车的闭塞方法，是一种先进的行车闭塞方 法。 2 2 移频自动闭塞 轨道电路是自动闭塞的基本元件，它能够对空闲的轨道进行_ ；i 矗督，当轨道电 路中所包含的轨道区段上出现列车时，它能够自动地将这种情况确定下来。轨道 电路的工作是否稳定可靠是决定列车运行安全的首要因素，因此在自动闭塞设备 中只允许采用由标准器件组成的、标准的、经过实践检验的电路所构成的轨道电 路。对于各种不同的运营条件( 内燃牵引、直流或交流电力牵引等) ，使用不同类型 的轨道电路( 直流或交流2 5 h z 、5 0 h z 或7 5 h z 轨道电路，连续供电或脉冲供电的 轨道电路，移频轨道电路等) 2 0 l 。 2 2 1 移频自动闭塞概念 移频自动闭塞是以移频轨道电路为基础的自动闭塞。移频自动闭塞选用频率 参数作为控制信息，采用频率调制的方法，把低频信号搬移到较高频率上，从而 形成振幅不变、频率随低频信号的幅度做周期变换的调频信号。将此信号利用钢 轨作为传输通道来控制通过信号机的显示，达到自动指挥列车运行的目的。移频 信号的波形如图2 - 2 所示l l ”。 从图2 2 中可以看出，调频信号的变换规律，是以载频信号厶为中心，作上、 下频率偏移。当低频调制信号输出低电位时，载频五向下偏移v ( 4 厂称为频偏) ， 具体值为厶一4 厂，叫做低端载频( 或称下边频) ；当低频调制信号输出高电位时， 载频厶向上偏移，具体值为厶+ v ，叫做高端载频( 或称上边频) 。可见，调 频信号是受低频信号的调制而作低端载频矗一和高端载频矗+ v 的交替变化， 两者在单位时间内变化的次数与低频调制信号的频率相同。 在轨道电路中传输的信息是低端载频矗一v 和高端载频五+ 鲈，载频五实际 7 西北工业大学硕士学位论文第二苹移频轨遭电路 上是不存在的。由于低端载频和高端载频的交替变换接近于突变性，好似频率的 移动，因此称为移频信号。应用这种移频轨道电路的自动闭塞称为移频自动闭塞。 ：f 爿 身斗= 寿t ( a ， ：卜爿二寻= # 二毛t ( b ， ：执船觇舟识慨t i l l o t ( d ) ( a ) 低频信号；( b ) 整形后的低频信号 ( c ) 载频信号；( d ) 调频信号 图2 - 2 移频信号调制波形 移频自动闭塞系统由电源设备、发送设备、接收设备、执行单元、轨道电路、 通过信号机以及检测盒、报警盒组成。具体如图2 3 所示： 7 k 天 图2 - 3 移频自动闭塞系统构成 2 2 2 目前我国移频轨道电路的参数选择 在移频自动闭塞中，低频信号控制通过信号机的显示，高频载频f o ( 又称中 心频率) 则为运载低频信号之用。移频自动闭塞必须具有高抗干扰性能，在最不 利条件下应能稳定可靠地工作，在各种干扰情况下均不出现误报显示。采用移频 键控方式，需要合理选择频率参数。也就是说，移频自动闭塞的频率参数和它的 8 西北工业大学硕士学位论文第二章移频轨道电路 抗干扰性能有密切关系【8 】。在交流电气化区段，主要是牵引电流工频及其谐波干扰， 以及邻线干扰和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干扰。其 中，以交流牵引电流所引起的干扰最为严重。电力牵引干扰量的大小，与电力机 车类型和牵引状态有密切关系，取决于牵引电流的大小、牵引机车的运行状态( 即 牵引电流的波形) 、轨道电路不平衡情况及轨道电路设备参数等。 合理选择频率参数，使得主要干扰能量可用滤波器截除，可充分提高移频制 式的抗干扰能力，以改善接收设备的固有信干比。接收设备稳定、可靠工作的信 干比越小，其抗干扰能力越强。移频信号经过通道传输必定引进干扰，为使接收 设备在干扰作用下能稳定可靠地工作，一般采用三种方法： 1 采用频率分隔，即把信号频率选在干扰频段之外。 2 提高信号功率，使信号能量远大于干扰能量。 3 既采用频率分隔又适当提高信号功率。 由于电力牵引区段不平衡牵引电流的奇次谐波干扰量比较大，难以用信号功 率来压制它，所以必须合理选择频率参数，以便躲开干扰较大的频率，同时又有 足够的功率来压制接收设备的带内干扰。 我国移频轨道电路包括国产4 信息、8 信息、1 8 信息有绝缘移频轨道电路和 z p w - 2 0 0 0 ( 含u m 7 1 ) 无绝缘移频轨道电路，除了4 信息移频轨道电路用于站内轨道 电路的外，其他制式均只用于区间轨道电路。我国移频轨道电路频率配置及主要 技术指标如下 2 0 l ： 1 国产移频轨道电路 国产移频轨道电路，上行线采用的中心频率厶是6 5 0 - z 、8 5 0 h z 两种载频频 率，下行线采用的中心频率石是5 5 0 h z 、7 5 0 h z 两种载频频率，频偏+ 5 5 h z 。 a ：4 信息绝缘移频轨道电路有4 种低频，分别为l l 、1 5 、2 0 、2 6 恐。 b ：8 信息绝缘移频轨道电路有8 种低频，分别为：8 、9 5 、1 1 、1 3 5 、1 5 、 1 6 5 0 7 5 1 、2 0 、2 6 h a 。 c ：1 8 信息绝缘移频轨道电路与8 信息绝缘移频轨道电路大体相同，只是接 收、发送设备采用单片机和数字信号处理技术，而且采用“n + 1 ”冗余方式，提 高系统的可靠性。低频有1 8 个，分别为：7 、8 、8 5 、9 、9 5 、l l 、1 2 5 、1 3 5 、 1 5 、1 6 5 、1 7 5 、1 8 5 、2 0 、2 1 5 、2 2 5 、2 3 5 、2 4 5 、2 6 h z 。 d ：频率偏差：载频频率的偏差上、下边频1 h z 。 e ：区间发送盒的输出功率不低于3 0 w ；站内发送盒的输出功率为5 w 。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章移频轨道电路 f ：接收灵敏度为1 6 0 m v + 1 5 m v ，应变时间为2 + 0 5 s ，非电气化区段有绝缘轨 道电路的长度1 9 5 2 0 k m ，电气化区段有绝缘轨道电路的长度可达1 8 5 2 0 k m 。 2 z p w - 2 0 0 0 型无绝缘轨道电路 z p w 一2 0 0 0 型无绝缘移频自动闭塞，是北京全路通信号研究设计院和北京铁路 信号工厂共同研制的最新产品。该系统是在引进法国u m 7 1 无绝缘轨道电路技术 及在国产化基础上，结合国情进行提高系统安全性、传输性能及可靠性的技术再 开发。 上行线载频的中心频率五是2 0 0 0 - z 、2 6 0 0 h z ，下行线载频的中心频率矗是 1 7 0 0 h z 、2 3 0 0 - 7 , ，频偏1 1 h z ，低频调制频率从1 0 3 h z 起，按1 1 - z 等差级数递增至 2 9 - z ，共1 8 个低频信息。 z p w - 2 0 0 0 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，在钢轨中的衰耗越大，给信号的传输带来了极大的不利， 因此每隔1 0 0 m 就在轨间并联一个补偿电容，以延长轨道电路的长度【嘲。 2 2 3 移频自动闭塞的基本工作原理 移频自动闭塞是以钢轨作为通道，采用移频信号的形式传输低频信号，自动 控制区间通过信号机的显示，指示列车运行。 在移频自动闭塞区段，移频信息的传输是按照运行列车占用闭塞分区的状态， 迎着列车的运行方向，自动的向各闭塞分区传递信息的。如图2 4 所示。 下行方向信息传递方向 凸窖盐霉釜窖釜窖岛霉： s ”h z ( s g ) i 7 s o h z ( 4 g ) i 5 5 0 n z ( a g ) i ”o “t z ( 2 6 i s $ 0 1 t z ( i g ) i 7 5 0 1 t z 6 5 0 1 t z i 8 鲫h zi6 5 0 h z i 8 5 0 h z i 6 5 0 1 t z i 8 5 0 h z 疑一殛一焱一殛一妊一 图2 - 4 移频自动闭塞运行示意 若下行线有两列列车a 、b 在轨运行，a 列车运行在l g 分区，b 列车运行在 5 g 分区。由于1 g 分区有车占用，防护该闭塞分区的通过信号机7 显示红灯，这 时7 信号点的发送设备自动向闭塞分区2 g 发送以2 6 - z 调制的，中心载频为7 5 0 h z 的移频信号。当5 信号点的接收设备接收到该移频信号后，通过信号机5 显示红 l o 西北工业大学硕士学位论文 第二章移频轨道电路 黄灯，表示要求及时采取停车措施。此时，5 信号点的发送设备自动的向闭塞分区 3 g 发送以1 5 h z 调制的、中心载频为5 5 0 h z 的移频信号。当3 信号点的接收设备 接收到该移频信号后，使通过信号机3 显示黄灯，表示要求列车减速到规定的速 度等级越过接近的地面信号机，并预告次一架地面信号机显示一个黄色灯光。同 理，3 信号点的发送设备又自动的向闭塞分区4 g 发送以1 1 h z 调制的、中心频率为 7 5 0 h z 的移频信号。当l 信号点的接收设备接收到此移频信号后，使通过信号机l 显示绿灯，表示准许列车按规定速度运行。此时续行列车b 进入4 g 分区，可以按 照规定速度行驶。如果列车a 由于某种原因停在1 g 分区，续行列车b 按照通过 信号机1 的绿灯显示继续运行。当列车司机看到3 g 分区的通过信号机3 显示的黄 灯时，列车减速到规定的速度等级越过接近的通过信号机3 。此时列车减速到规定 速度，当看到2 g 分区的通过信号机5 显示红黄灯时要求及时采取停车措施。使列 车b 能停在1 g 分区之前。这样就可以根据列车占用闭塞分区的状态，自动改变地 面信号机的显示，准确地指挥列车的运行，实现自动闭塞。 2 2 。4 移频自动闭塞的特点 根据移频自动闭塞的运行原理，加上合理设置的低频调制频率和高频载频频 率，通过优化系统结构，使这种自动闭塞的制式具有以下特点： 1 具有较高的抗干扰能力，既能在内燃和蒸汽牵引区段运用，也能在交流电 气牵引区段使用，有较强的适应能力。 2 具有足够数目的控制信息，能满足自动闭塞信号显示的需要，且信号显示 变换的速度也较快。 3 以采用电子元件为主，耗电省、体积小、节约原材料，便于生产、安装和 维修。 4 可以分散安装于区间信号点的移频箱内，也可以集中安装于车站继电室内。 5 它的控制信息可以作为机车自动信号，因而在移频区段装设机车自动信号 时，无需再增设地面设备。 6 移频轨道电路的传输距离，基本上可以满足闭塞分区长度的需要。当闭塞 分区的长度超过移频轨道电路的最大传输距离时，可以采取中继方式延长移频轨 道电路的作用距离。 7 设计冗余备份，当主用设备发生故障，能自动切换至备用设备继续工作， 并能自动发出故障地点和故障性质的报警信号圈。 西北工业大学硕士学位论文第二章移频轨道电路 2 3 检测仪器的功能要求 根据移频轨道电路的参数配置和工作环境，移频轨道电路参数在线检测仪器 需要满足以下基本条件： 1 体积小，重量轻，便于携带。 2 采用电池供电。 3 液晶显示，人机对话直观方便。 4 移频信号电压测量分辨率l o m g 。 5 频率测量分辨率，载频0 5 1 - - i z ，调频0 1 5 勉。 2 4 本章小节 本章主要介绍了移频轨道电路的几个基本概念，并对我国两种主要移频轨道 电路制式的具体配置参数作了说明，阐述了移频轨道电路的基本工作原理，为分 析移频轨道电路的信号奠定基础，最后根据轨道电路的参数配置提出移频轨道电 路在线检测所应满足的基本条件。 西北工业大学硕士学位论文 第三章移频信号的特点及检测 第三章移频信号的特点及检测 3 1 移频信号的特点 为了研究检测移频轨道电路参数的相关方法，需要对移频信号的特点进行分 析，在此基础上才能提出相关的检测方法。 3 1 1 什么是移频信号 在无线电和有线电传播系统中，为了使各种低频信号( 语言、音乐、图像等) 能够不失真和不受干扰的传播到接收系统中去，常常把需要传送的低频信号，寄 托在某种高频信号上传送出去，高频信号就像是低频信号的运载工具一样，因此 把高频信号叫做载波信号，这种传送方法通常叫做“调制”1 2 3 。 为了简单起见，我们以正弦交流电为例加以说明。大家知道，交流电是随时 间的正弦函数，因此正弦交流电的电压、电流可以用下式表示： 甜= l ts in(at+咖(3-1) i = i m s i n ( a t + 曲( 3 - 2 ) 上式中甜和f 叫做电压和电流的瞬时值，【0 和l 叫做最大值，国叫做角频率 = 2 衫) ，矿叫做初相角。而最大值、角频率和初相角叫做正弦交流电的三大要 素。在三要素中任一要素变换都会引起正弦波形的变换，因此我们也可以说，“调 制”就是利用待传送的信号波，对持续等幅的高频正弦波，赋于一定形式的变形。 当采用的调制方式，是使高频信号的频率f ( f = r o 2 ，：r ) 随低频信号产生一定 形式的变化时，则叫做频率调制或调频。如图2 1 所示的波形是移频自动闭塞制 式在轨道电路中所传输的波形，就是调频的一种形式。根据自动闭塞显示的数目， 把需要传输的几种信息作为调制信号，对载频信号进行调制，使载频信号的频率 随调制信号的变换而变换。由于低端载频和高端载频的交替变换接近于突变性， 好似频率的移动，因此称为移频信号。 西北工业大学硕士学位论文第三章移频信号的特点及检测 3 1 2 轨道电路移频信号的频谱表达式 国产1 8 信息移频轨道电路与z p w - 2 0 0 0 移频轨道电路均采用相位连续的频 率信号进行调制，采用频率调制的主要原因是提高抗干扰能力。调幅信号与调频 信号相比，前者比后者较容易被污染。例如日本的轨道电路先采用调幅制，后采 用调频制。为了故障导向安全的考虑，一般采用周期方波键控角度调制信号，这 是数字键控角度调试信号的一种特例。键控角度调制信号可分为键控移频信号和 键控移相信号。键控移频信号又可以分为相位连续的移频信号和相位离散的移频 信号。为了研究合适的检测移频轨道电路相关参数的方法，由于我国铁路移频轨 道电路采用的是相位连续的移频信号，下面对相位连续的移频轨道电路的信号进 行分析 2 4 1 。 相位连续的移频信号是通过键控一个移频振荡器产生的震荡电流信号。设键 控信号为低频调制信号厂( f ) ，周期为，则时间表示式为式( 3 - 3 ) ： 朋2 l 缸4 等4 a tt f 一一 r 一 ( 3 3 ) 经，( f ) 调制后，移频波的角 m ：k aa f ：箬( 3 - 4 ) 二彳 式( 3 - 4 ) 中，k 一系数，代表移频器的灵敏度，单位是m v 。则移频波的 瞬时角频率变换为： 卜+ 珊 c o ( t ) = 【一国 rr 一一 t 一 r 41 t 4 ( 3 5 ) 一 t 2 ，观察 图3 2 知，信号的频谱具有双峰，峰值处的频率为： 兀= 石一研 ( 3 2 8 ) 厶=fo+顽(3-29) 其中，胛是r a 的整数部分。可见国产1 8 信息移频轨道电路信号的频谱的峰 值处不对应信号的中心频率。经观察知，其能量主要分布在1 、2 、3 边频上。 z p w - 2 0 0 0 移频轨道电路信号的频偏a f = 1 1 h z ，低频调制频率范围为 1 0 3 h z 2 9 0 h z ，根据公式( 3 - 2 2 ) 移频指数坍i ，观察图3 2 知，信号的能量 主要分布在载频和一次边频石z 上。 经过上面的分析，从信号的频谱图中可以得到的频率参数有： 1 信号的载频频率。在国产1 8 信息移频轨道电路中，信号的载频频率为两 峰值频率和的平均值，而对于u m - 7 1 信号而言，信号的载频频率即为频谱图中 峰值处的频率。 2 信号的低频调制频率。在频谱图中，其谐波之间的间隔即为信号分低频 调制频率。 西北工业大学硕士学位论文第三章移频信号的特点及检测 _ 4 - 3 2 1 ( ) 0 1234 图3 - 2 相位连续的移频波频谱( 矽固定，z 减少) 西北工业大学硕士学位论文第三章移频信号的特点及检测 3 2 相关的检测方法 因为两种制式的移频轨道电路的控制信号均为移频键控信号，所以对移频轨 道电路信号的检测过程，就是对f s k 信号的解调过程。移频键控信号的解调方 法，从原理上讲可以分为相干解调和非相干解调两种方法。相干解调要求接收端 恢复出具有准确频率和相位的相干载波信号，在移频系统中是很难实现的，往往 增加设备的复杂性，而实际性能又改善不多，所有移频系统中往往不采用相干解 调法解调f s k 信号，而采用非相干解调法解调f s k 信号。所谓非相干解调，就 是在接收端不需要相干信号，而根据移频信号本身的特点进行解调。 移频信号的非相干解调法通常有模拟法和数字法。模拟法常常采用限幅鉴频 法和零交点法。其中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。零交点法一般采用微型计算机，运用软件 实现或单用硬件实现。数字法通常采用微型计算机运用快速傅立叶变换，求出移 频信号的主要边频分量，解出低频信息垆j 。 3 2 1 限幅鉴频法 限幅鉴频法的实质是：限幅是把移频信号中的寄生调幅削去，成为较纯的移 频信号；鉴频是将移频键控信号的频率变化转化为幅度变化，然后像调幅信号一 样通过幅度检波而得到低频信息。所以鉴频器实际上就是频一幅变换器。带通滤 波器限制电气化牵引电流的谐波干扰，显然带通越窄越好，对信号而言，通带越 窄信号失真越大。可见窄带移频与宽带移频相比较，窄带移频所需要的带通滤波 器的通带要比宽带移频的要窄的多，故窄带移频对抗干扰有利。限幅器将信号中 的寄生调幅去掉，得到一个幅度恒定的移频波，同时可去掉加性干扰，提供抗干 扰性能。鉴频器将频率变换转换为幅度变化。最后经整流和低通除去低频信号以 外的干扰。该法适用于模拟调频信号的解调，对移频键控信号而言，解调误码率 较高。 3 2 2 零交点法 我们知道频率是表示信号每秒内的震荡次数，而二分之一周期，即州2 是表 示信号经过两个与零轴交点的时间间隔。方波调制的移频波是下边频兀信号和 西北工业大学硕士学位论文第三章移频信号的特点及检测 上边频厶信号以低频调制信号周期的二分之一做交替变换。因此，可以通过检 测移频波相邻两个与零轴交点的时间间隔，求出移频波的瞬时频率，从而解出低 频信息。实际应用中可采用两种方法实现：一种是采用全硬件方法，另一种是采 用硬件和软件相结合，利用微型处理器的方法。不管用什么方法实现，由此方法 的原理决定了此法抗干扰性较差。 3 2 3 快速傅立叶变换法( f f t ) 近年来由于大规模集成电路和计算机技术的发展，信号的数字处理技术得到 了飞速发展，其本质上是利用数字信号处理理论和数字处理器件( d s p ) 来实现 对信号的处理。从本章中对移频轨道电路信号频谱的特点分析可知，利用傅立叶 变换对移频信号进行频谱分析来实现对移频轨道电路的信号进行检测的方式，能 够检测出所需要检测的参数。 3 3 傅立叶变换 傅立叶变换可以表示序列和信号的频域特征，但其仍然都是国的连续函数， 难以用计算机处理。离散傅立叶变换( d f t ) 解决了频域离散化问题，使得信号 处理在频域内也可以采用数字运算的方法。d f t 在各种数字信号处理中起着核 心的作用。 3 3 1 离散信号及离散傅立叶变换存在的问题 离散时间信号在物理上是指定义在离散时间上的信号样品的集合，这样的样 品集合可以是本来就存在的，也可以是由模拟信号通过采样得来的或者是用计算 机产生。离散时间信号在数学上可用时间序列扛b ) 来表示。其中小) 代表序列 的第