（电路与系统专业论文）基于tms320c6720的轨道信号解调方案研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着列车速度不断提高，如何更快更准确地接收轨道信号，已成为列车提 速和提高运营效率的关键问题。目前，车载系统方面，由于主处理器运算速率较 低，列车提速空间较小；在频率检测方面，因为列车速度的提高，检测质量具有 下降趋势。针对以上问题，本文提出了以下方案：( 1 ) 在系统方面，用解调速度 更快的处理器来替代原有车载系统的处理器；( 2 ) 在算法方面，研究新的稳定、 可靠性高的解调算法来提高铁路信号的检测质量和检测手段。 本文在t m s 3 2 0 c 6 7 2 0 硬件平台上模拟了铁路现场信号，并基于该硬件平台实 现了铁路f s k 信号的常用解调算法，包括频谱分析法、频率推算法和相位推算法。 与t m s 3 2 0 v c 3 3 硬件平台相比，c 6 7 2 0 平台运算速度快、解调精度高，更能体现 解调的实时性，因此用c 6 7 2 0 芯片替代即将停产的v c 3 3 芯片是完全可行的。 在算法方面，目前铁路信号解调方法是用频率推算或相位推算解调出信号的 上下边频，用f f t 和z f f t 组合检测信号的调制频率，此方案的缺点是：只有在 信噪比较高时才能达到精度要求。基于此本文研究了新的解调方案，即把h h t ( h i l b e r t h u a n g t r a n s f o r i l l ，希尔伯特黄变换) 算法引入到铁路f s k 信号的解调之 中。本文还在h h t 的基础上研究出改进算法，只需用i m f l 的瞬时频率就可检测 出铁路f s k 信号的上下边频、载频和调制频率。仿真结果明，即使在带内 ( 4 5 0 h z 2 7 0 0 h z ) 信噪比为1 ：3 甚至更低的情况下，h h t 的解调精度仍然高于上 面提到的三种算法的解调精度；特别是对调制频率的检测，其精度比频域分析法 几乎高出两个数量级。因此，此改进算法可用于现场实际环境。 关键词：铁路f s k 信号；解调；频率推算法；相位推算法；瞬时频率；h h t 分类号：t n 9 1 1 2 3 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er i s i n gs p e e do ft h et r a i n , h o wt or e c e i v em u c hf a s t e ra n d m o r e a c c u r a t e l yt r a c ks i g n a lh a sb e c o m e st h ek e yp r o b l e mo fr a i s i n gs p e e da n di m p r o v i n g o p e r a t i v ee f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，i nv e h i c l es y s t e ma s p e c t ，i ti ss m a l ls p a s ef o rr a i l w a y t r a i n st or a i s es p e e db e c a u s eo fs l o wo p e r a t i o n a ls p e e do ft h em a i np r o c e s s o r ；a n di n f r e q u e n c yd e t e c t i o na s p e c t ，t h ed e t e c t i o nq u a l i t yi sd o w n t r e n db e c a u s eo f r a i s i n gt r a i n s p e e d i nt h i sp a p e r , a i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，i tp u t sf o r w a r da ni m p r o v e ds c h e m e ，( 1 ) m s y s t e ma s p e c t ，u p g r a d i n gt h ev e t h i c l es y s t e m ，w i t ht h em u c hf a s t e rp r o c e s s o r sf o r d e m o d u l a t i o nt or e p l a c et h eo r i g i n a lp r o c e s s o r s ；( 2 ) i na l g o r i t h ma s p e c t ，d e v e l o p i n ga n e wm o r es t a b l ea n dr e l i a b l ed e m o d u l a t i o na l g o r i t h m st oe n h a n c et h ed e t e c t i o nq u a l i t y a n dd e t e c t i o nm e a n s i nt h i sp a p e r , a tt h et m s 3 2 0 c 6 7 2 0h a r d w a r ep l a t f o r m ，i ta n a l o g st h er a i l w a yf i e l d s i g n a l sa n di m p l e m e n t ss o m ec o n l m o nd e m o d u l a t i o na l g o r i t h m sc u r r e n t l yu s e db a s e d 讥 i n c l u d i n gs p e c t r u ma n a l y s i s ，i f mb yf r e q u e n c yd e d u c t i o na n di f mb yp h a s ed e d u c t i o n t h et m s 3 2 0 c 6 7 2 0h a r d w a r ep l a t f o r mh a st h ef a s t e ro p e r a t i o ns p e e da n dt h eh i g h e r d e m o d u l a t i o np r e c i s i o n ，a n df u l l ye m b o d i e st h er e a l t i m eo fd e m o d u l a t i o nc o m p a r e d w i t ht h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h et m s 3 2 0 v c 3 3 s oi t i sc o m p l e t e l yf e a s i b l et ou s e c h i pc 6 7 2 0t or e p l a c et h ew i l ls o o ns t o pp r o d u c t i o nc h i pv c 3 3 i na l g o r i t h ma s p e c t ，a tp r e s e n t ，t h er a i l w a ys i g n a ld e m o d u l a t i o nm e t h o di s u s i n g i f mb yt h ef r e q u e n c yd e d u c t i o no ri f m b yp h a s ed e d u c t i o nt oc a l c u l a t et h eu p p e ra n d l o w e rs i d ef r e q u e n c i e so f r a i l - s i g n a l s ，a n du s i n gt h es p e c t r u ma n a l y s i st od e m o d u l a t et h e m o d u l a t i o nf r e q u e n c y t h es h o r t c o m i n go ft h i sm e t h o di st h a ti tc a nm e e tt h ep r e c i s i o n r e q u i r e m e n t ，o n l yw h e ns i g n a l t o n o i s er a t i oi sv e r yh i g h i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h i s ，i t r e s e a r c h e san e wd e m o d u l a t i o ns c h e m et h a tt h eh i l b e r t h u a n gt r a n s f o r n lf 内rs h o r t h h t ) i si n t r o d u c e di n t ot h er a i l w a yf s k s i g n a ld e m o d u l a t i o n a n db a s e do nt h eh h t , i ts t u d i e so u ti m p r o v e da l g o r i t h m s a n du s i n gt h i si m p r o v e da l g o r i t h m ，i to n l yn e e d st o u s et h ei n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c yo fi m f 1 ( t h ef i r s ti n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ) d u r i n g d e m o d u l a t i n gt h eu p p e ra n dl o w e rs i d ef r e q u e n c i e s ，c a r r i e rf r e q u e n c ya n dm o d u l a t i o n f r e q u e n c yo ft h er a i l w a yf s ks i g n a l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h i sm e m o d ，s d e m o d u l a t i o np r e c i s i o ni sh i g h e rt h a nt h et h r e em e t h o d sm e n t i o n e da b o v e , e v e ni fw h e n t h ei n b a n d ( 4 5 0 h z - 2 7 0 0 h z ) s i g n a l t o - n o i s er a t i oi s1 ：3 ，o re v e nl o w e r e s p e c i a l l yf o r t h el o wf r e q u e n c y , i ti st w oo r d e r so f m a g n i t u d em o r et h a nt h ef r e q u e n c yd o m a i n v 北京交通大学硕士学位论文 a n a l y s i s s ot h i si m p r o v e da l g o r i t h mc a nb eu s e df i e l dp r a c t i c a le n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：r a i l w a yf s ks i g n a l ；d e m o d u l a t i o n ；i f mb yt h ef r e q u e n c yd e d u c t i o n ； i f m b yp h a s ed e d u c t i o n ；i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y ；h h t c l a s s n 0 ：t n 9 1 1 2 3 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： 衫亨叩 签字日期：| f 年- 1 月弓日 导师签名： 签字日期：7 哆年矿7 月哆日 独创性声明 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 致谢 本论文的工作是在我的导师杜普选副教授的悉心指导下完成的，杜普选副教 授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。 在校期间，杜普选副教授悉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，在此向杜普选老师表示衷心的谢意。 北京交通大学的马庆龙老师，师兄孔勇，钟伟和中国地质大学( 武汉) 的周 新星同学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。 在实验室工作及撰写论文期间，张琳娟、肖春梅、李博、汤钟雷、徐森、王 志巍、韩运磊等同学对我论文中的t m s 3 2 0 c 6 7 2 0 硬件平台和h h t 的m a t l a b 仿 真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。 在撰写论文的后续工作中，张西峰、敖乃翔、魏翊、胡华增等同学对我论文 的检错、纠错给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母、哥哥王超和男朋友尚明全，他们的理解和支持使我能 够在学校专心完成我的学业。 1 综述 轨道信号设备是铁路运输基础设备之一。它犹如人的耳目和中枢神经，担负 着路网上各种行车设备状况的信息传输和调度指挥控制的作用。如何更快更准确 地传输和接收轨道信号己经成为进一步提高轨道交通运行速度和运营效率的关键 问题。 1 1 选题的背景和意义 中国是一个典型的大陆性国家，需要有一种强有力的运输方式将整个国家各 地区之间的经济联系起来，同时引导和促进其他运输方式的发展。铁路最显著的 特点是载运量大、运行成本低、能源消耗少，在大流量的中长以上距离的客货运 输方面具有绝对优势，而且在大流量、高密度的城际之间短途旅客运输中 具有 很强的竞争优势。因此，铁路运输方式是最适合中国经济、地理特征和人们收入 水平的区域骨干运输方式。尽管从2 0 世纪9 0 年代以来，中国高速公路和航空业 获得了巨大发展，对铁路运输形成了越来越明显的竞争，但是，铁路在国民经济 中的支柱作用和在中国综合运输网络中的担纲作用是其他运输方式难以替代的。 1 1 1国内外铁路信号系统发展现状 近年，在运输市场激烈竞争的压力下，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，积极引进采用新技术，大幅提高铁路通信信号设备的 现代化装备水平，以及新型技术系统不断涌现，形成了铁路信号飞速发展的良好 局面。铁路是国民经济的大动脉，对国家的发展起着重要作用。由于铁路运输的 成本低、效率高、安全、并且节约能源，目前世界各国都在加快研究铁路运输技 术。现代铁路正向高速、重载、高密度方向发展。铁路信号系统不仅是列车安全 运行的保障，也是提高铁路效率的重要设备，是现代化铁路系统不可缺少的部分。 建国以来，经过5 0 多年的建设，我国铁路信号系统已基本达到体系完整、产 品配套、信号统一的成熟阶段，实现了由机械信号向以继电技术为主、逐步向电 子信号系统过渡的转变。在我国铁路上，存在着多种自动闭塞制式。非电气化区 段自动闭塞主要是5 0 h z 的交流计数，极性脉冲和非电气化移频三种制式；而电气 化区段自动闭塞则主要是2 5 h z 交流计数电码、电气化移频、u m 7 1 三种制式。 由于我国的列控系统的应用起步较晚，因此为适应国内列控系统的发展趋势 北京交通大学硕士学位论文 和满足人们对列车运行速度的需求，我国自行研制了带超速防护系统的多信息自 动闭塞并引进了法国的u m 7 1 型无绝缘轨道电路构成的带超速防护系统的四显示 自动闭塞。1 9 8 9 年8 月，我国与法国c s e e 公司签订了“u m 7 1 无绝缘轨道电路 及“t v m 3 0 0 型机车信号系统 的设备供应合同和技术转让合同，目前已经基本 实现了全套系统的国产化。1 9 9 4 年1 2 月我国第一条准高速铁路广深准高速铁 路正式投入运营，第一次实现了我国准高速列车以机车信号为主体信号的行车方 式。准高速线采用了法国的u m 7 1 型无绝缘轨道电路构成的带有速度显示功能的 四显示自动闭塞系统，机车上装有t v m 3 0 0 型带速度监督的机车信号，能够接受 地面发送的1 8 种信息，自动识别列车运行方向，实现了双向双线运彳亍【1 】【2 1 。 虽然随着经济的不断增长，我国的铁路事业也得到了突飞猛进的发展，但是 我国当前的铁路信号系统仍然存在许多的不足【3 】： 1 自动化程度尚须进一步提高。继电技术虽然成熟，但设备体积较大，难以 实现智能控制和联网集中监测。随着微电子技术的发展，在工业控制领域 中，继电控制技术已逐渐淘汰，取而代之的是p l c 、微机控制等智能控制 技术。与工业控制领域相比，我国铁路信号系统还大量采用继电控制设备， 虽然也逐渐采用了一些计算机智能控制设备，但发展步伐较慢，难以形成 大规模的综合控制体系，在提高整体效率及优化资源配置方面的效果不够 明显。 2 安全性不够高。受到自动化程度的限制，行车调度指挥工作过多依赖人力， 列车的控制也主要依赖司机对地面信号的观察与判断。随着列车速度的提 高以及密度的增加，行车调度指挥工作越来越繁忙，调度员长时间的工作 容易出现疏忽，不仅会降低工作效率，而且会直接影响到列车的安全运行。 当列车速度超过1 6 0k m h 时，仅靠司机的视力已经无法保证列车安全运 行。 3 管理分散。铁路系统是一个整体，不同时间、不同地区的情况差异很大。 现有的铁路信号系统中通信手段落后，信息传递速度慢，无法从整体上合 理配置资源。尽管已经安装了微机监测系统，但还没有真正的发挥作用。 国外列车运行控制系统应用比较普遍，各种速度的铁路都有运用，尤其是在 高速铁路上的应用更显示出其高水平和代表性。目前，高速铁路正在欧洲和亚洲 快速发展，已通车或正在建设中的高速线路多达十几条，其列控系统各不相同， 主要有法国t v m 3 0 0 和t v m 4 3 0 、日本a t c 和数字a t c 、欧洲e t c s 等系统设备。 t v m 3 0 0 系统是法国铁路高速线路的第一代系统，并在此基础上，研制了 t v m 4 3 0 型列车超速防护系统。t v m 4 3 0 系统的地面信息传输设备采用u m 7 1 型 无绝缘数字式轨道电路，由地面向移动列车之间实现地对车信息的单向传输。 2 综述 t v m 4 3 0 系统保持了t v m 3 0 0 系统的载频，但是调制方式由键控频移变为多频率 调频，由0 8 8 1 7 5 2 h z 共2 7 个低频信息作为自动列车控制数字信息，另外设置 2 5 6 7 h z 低频信息作为列车检测信息。 日本于19 6 4 年开通了世界上第一条高速铁路一东海道新干线。日本新干线现 有的a t c 系统普遍采用超前阶梯式速度监控，它的制动方式采用设备优先的模式， 即列控车载设备根据轨道电路传送来的速度信息，对列车进行减速或缓解控制， 使列车出口速度达到本区段的要求。它没有滞后控制所需的保护区段，在线路能 力上较滞后控制有所提高。 1 9 9 1 年日本铁路公司方面开始试验数字式a t c ，亦称i - a t c ，现在东海道新 干线上已开通运用了一段。数字式a t c 采用目标距离一次制动模式曲线方式，车 载设备根据地面轨道电路传送来的信息和各开通区间的长度，计算出与前方列车 所占用区间的距离，综合线路数据、制动性能和允许速度等计算出列车运行速度。 若列车接近前方减速点时，即刻生成目标距离一次制动模式曲线。目标距离一次 制动模式曲线缩短了制动距离，并可根据列车性能给出不同的模式曲线，提高了 运输效率。 根据欧洲e t c s 计划，为了实现欧洲铁路互联互通，车载设备采用e t c s 总线， 可以灵活地支持与各种传统设备及e t c s 车载设备的通信；传输设备有欧洲应答 器和欧洲坏路，即数据传输速率为5 6 5 k b s 的磁应答器和采用漏泄电缆的环路；欧 洲无线也在进行工程实施。 e r t m s 系统是为了适应欧洲铁路互联互通，符合兼容性要求而开发的它集 联锁、列控和运行管理于一体。西班牙的马德里一巴塞罗那线采用该系统，列控 系统符合欧洲铁路统一标准e t c s 二级标准，速度监控方式采用一次连续速度曲线 控制模式( 又称目标距离一次制动模式曲线方式) ，列车占用靠u m 2 0 0 0 轨道电路， 列车定位靠欧洲应答器，车与地双向传输靠无线数传【4 】【5 1 。 总之，随着经济的发展我国的铁路信号建设取得了巨大的发展。已修建的青 藏铁路中，考虑到高原自然条件恶劣、人烟稀少的特殊情况，采用了安全可靠的 自动化控制设备。但与发达国家相比仍然存在差距。为了提高铁路运输技术的整 体水平，我国应该制定统一、长远的发展规划；建设高标准，采用新技术，加快 铁路无线数字通信技术的研究，制定开放的协议，允许更多的设备供应商参与竞 争等。使我国的列控系统成为网络化、信息化、智能化相结合的先进列控系统。 1 1 2d s p 技术在铁路信号处理中的应用 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 3 北京交通大学硕+ 学位论文 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 西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。 数字信号处理的频域分析和时域分析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l l 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，女i 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。 我国对机车信号的研究起步较晚，参与的科研单位也较少。由于7 0 年代末几 次重大的交通事故才引起人们对“行车三大件”的足够重视，在8 0 年代中期才由 北京交通大学进行通用式机车信号的研究，并于9 0 年代初研制成功了第一代微机 控制通用式机车信号，其中采用的主处理器为美国z i l o g 公司的z 8 0 系列芯片；第 二代机车信号所采用的主处理器是8 0 年代术流行的m c s 5 1 系列的8 0 3 1 芯片。 直到第三代机车信号s j 型数字化通用式机车信号的研制成功，才实现了d s p 在我国铁路信号中的应用。因此d s p 真正进入中国铁路信号领域是从1 9 9 4 年至今， 十几年的时间而已。 由于观念、体制、科研力量等诸多因素，国外在该领域的实际应用要比我国 成熟得多。具有代表性的有英国西屋公司( w e s t i n gh o u s e ) 、德国西门子 ( s i e m e n s ) 和美国g r s 等公司。西屋公司的a t p 系统和a t o 系统先后被采用在新 加坡地铁、香港地铁和北京一线地铁上。西门子公司是世界上最早投入铁路信号 研究领域的厂商之一。在多年研究的基础上，西门子成功研制出比较完善的应用 d s p 的车载信号系统l z b 7 0 0 ，其中包括a t p 和a t o 两部分，核心芯片采用8 0 年代流 行的t i 公司生产的数字信号处理器t m s 3 2 0 c 2 5d s p 。 1 1 3选题的意义 在我国交通运输事业中铁路运输占主体地位，铁路事业的发展关系到我国国 民经济的命脉。为了不阻碍和促进经济的发展，就必须不断提高列车的运行速度， 并兼顾行车安全。因此，随着列车速度不断提高，如何更快更准确地接收轨道信 号，就日益成为列车提速和提高运营效率的关键问题。 4 目前在我国，列车速度方面，由于主处理器芯片运算速率低的不足，不能满 足将来列车的不断提速的要求；铁路信号的频率检测方面，因为列车速度的提高， 检测质量具有下降趋势，容易出现误判现象，从而威胁到列车的行车安全。针对 以上问题，本文从硬件系统和解调算法两方面出发，提出了以下可行性方案：( 1 ) 在系统方面，用解调速度更快的处理器来替代原有车载系统的处理器；( 2 ) 在算 法方面，研究出新的稳定、可靠性高的解调算法来提高铁路信号的检测质量和检 测手段。 基于上面两点，本论文将在一个新的硬件平台t m s 3 2 0 c 6 7 2 0 平台上，实现铁 路f s k 信号的解调，并将h h t ( h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ) 算法引入铁路信号解调之 中，基本上达到了提高铁路信号的检测手段和升级车载系统的目的。如果将此方 案切实的应用到实际工程中，相信对铁路事业的发展会有一定的帮助。 1 2 论文的主要工作及成果 我国铁路信号的制式有国产移频信号、u m 7 1 信号、交流计数信号和t v m 4 3 0 信号。其中国产移频信号和u m 7 1 信号统称为f s k 信号，在我国的铁路信号中占 主体地位。众所周知，这两种制式信号在我国使用时间最久，应用范围最广，因 此，不能在短时间内被其他的制式所替代。虽然从法国引进的编码轨道电路系统 ( t v m 4 3 0 系统) 提高了列车的运行速度和安全性，但其缺点是不可忽略的：( 1 ) 在 我国此项技术使用时间短，范围不广，我国目前只有一条此系统铁路，即秦皇岛 一沈阳铁路线；( 2 ) 解调时间长，需要近3 秒的时间。相比之下，改进技术娴熟 并使用广泛的铁路f s k 信号倒是容易的多。因此，要想在提高列车运行速度的同 时保障行车的安全，最现实的方法就是：更新车载系统，加快解调时间，并研究 出一种解调精度更高的算法来检测铁路f s k 信号。 针对以上提出的问题，本文主要的工作及研究成果如下： 1 ) 在硬件系统方面，主要基于新的车载系统实现了我国铁路主要的轨道信号的解 调方案，即包括国产移频信号和u m 7 1 信号的f s k 信号的解调。本文通过在 t m s 3 2 0 c 6 7 2 0 硬件平台上模拟了铁路现场信号，并基于该硬件平台实现了铁 路f s k 信号的常用解调算法，包括频谱分析法、频率推算法和相位推算法。 最后得出了以下结论：与t m s 3 2 0 v c 3 3 硬件平台相比，c 6 7 2 0 这个平台运算 速度更快，解调精度更高，更能体现出解调的实时性。因此用高速、高性能的 c 6 7 2 0 芯片替代即将停产的v c 3 3 芯片是完全可行的。 2 ) 在算法方面，本文充分利用了瞬时频率可以有效的反映频率随时间的变换规律 这一特性，把h h t ( h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ，希尔伯特黄变换) 算法引入到 北京交通大学硕士学位论文 铁路f s k 信号的解调之中。本文在h h t 的基础上研究出改进算法，只需用 i m f l 的瞬时频率就可检测出铁路f s k 信号的上下边频、载频和调制频率。仿 真结果表明，即使在带内( 4 5 0 h z 2 7 0 0 h z ) 信噪比为l ：3 甚至更低的情况下， h h t 的解调精度仍然高于上面提到的三种算法的解调精度。后文中大量的实 验数据表明了此改进算法的可靠性和实际可行性。因此，结论是：可以用此算 法作为铁路f s k 信号的解调方案。 1 3 论文的组织结构 本论文共分六章，具体内容如下： 第一章介绍了论文的选题背景及意义，简述了当今国内外铁路系统发展现状、 铁路信号的检测方法和d s p 在铁路信号处理中的应用，并对论文的目的及重点研究 内容进行了描述。 第二章主要介绍了当今我国铁路轨道技术、铁路信号的噪声模型等基础知识， 为本论文的后续章节做铺垫。 第三章主要介绍t m s 3 2 0 6 7 2 0 硬件平台，详细介绍了此硬件平台的结构。为了 突出此平台的特点，本章详细介绍了c p u 单元，即t m s 3 2 0 c 6 7 2 0d s p 芯片。 第四章详细介绍了目前常用的铁路f s k 信号解调方法的原理及算法在 t m s 3 2 0 c 6 7 2 0 硬件平台上的实现。常见解调法包括频域解调法和时域解调法，其 中频域解调法是频谱分析法，时域解调法是频率推算法和相位推算法。 第五章主要介绍h h t ( h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ) 原理及算法的改进与实现，并 用此算法对模拟现场铁路信号进行检测，并给出m a t l a b 仿真结果。 第六章是结束语，对已完成和未完成的工作进行总结。 6 轨道电路技术简介 2 轨道电路技术简介 在我国铁路上，存在着多种自动闭塞制式。非电气化区段自动闭塞主要是5 0 h z 的交流计数，极性脉冲和非电气化移频三种制式；而电气化区段自动闭塞主要是 2 5 h z 交流计数电码、电气化移频、u m 7 1 三种制式。本文主要对国产移频和u m 7 1 两种制式信号进行解调方案的研究。由于国产移频信号和u m 7 1 信号都属于f s k 信 号，下文统称为铁路f s k 信号，以后不再赘述。 本章主要介绍铁路轨道技术，使读者对铁路信号的一些基础知识有初步的了 解。主要内容包括包括铁路f s k 信号及其调制原理和铁路信号中的常见噪声。 2 1 铁路f s k 信号 铁路f s k 信号是我国铁路信号制式中使用时间最久、应用范围最广的铁路信 号。它是我国铁路事业的支柱，在短时间内是其他制式的铁路信号所不能取代的。 因此要想了解我国铁路事业的发展状况，推进铁路事业不断向前发展，铁路f s k 信号模型及其特点是不可忽视的。 2 1 1国产移频信号 国产移频信号是键控移频信号，h p f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 信号，实际中 使用的是相位连续的信号。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不仅实现原移频的功能，还增加了 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 a t r a i nc o n t r o ls y s t e m ，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，因此必须进行技术改造。 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 、1 1 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 i - i 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、下行交叉排列的四种载频是5 5 0 h z 、 6 5 0h z 、7 5 0h z 和8 5 0h z ，其中6 5 0h z 和8 5 0h z 是上行载频，5 5 0h z 和7 5 0h z 7 北京交通人学硕士学位论文 是下行载频。频偏为5 5h z ，其频谱能量主要集中在载频的上、下边频附近，可 以躲开5 0h z 工频的奇次谐波干扰。 2 1 2 u m 7 1 信号 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，其传输特性好， 性能稳定，是目前中国为适应a t p 技术要求，将重点发展的自动闭塞制式。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 要集中在中心载频附近。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。u m 7 1 的上行载频为2 0 0 0 h z 和2 6 0 0 h z ，下行载频为1 7 0 0 h z 和2 3 0 0 h z 。 u m 7 1 信号也是一种相位连续的键控移频信号，由于其频偏要比国产移频信号 的频偏小得多，所以它的频谱能量主要集中在载频上，其包络呈以载频为中心的 单峰形状，如图2 1 ( a ) 所示；而国产移频信号的频谱能量分散到两个边带上，载频 的能量很小，其包络呈以载频为中心的双峰形状，如图2 1 ( b ) 所示。其中厶代表载 频，石代表调制频率。 2 0 h z ，卜 一l l 。 ( a ) u m 7 1 信号频谱图f o = 2 0 0 0 o h z ，z = 2 0 o h z ，频偏l l h z c o ) 国产移频信号频谱f o = 6 5 0 o 舷，z = 2 6 o 舷，频偏5 5h z 图2 1铁路f s k 信号的频谱 f i g u r e 2 - 1t h es p e c t r u m so f r a i l w a yf s ks i g n a l 轨道电路技术简介 2 2 铁路f s k 信号的调制原理 f s k 信号是调制信号中比较常见的一种调制方式，如果将铁路信号视为某一种 单一信号，如式( 2 1 ) 所示。 f = a c o s ( r o d + 伊) ( 2 1 ) 式中的三个参数a 代表信号的振幅，鳞代表信号的频率，缈代表信号的相位。 根据调制参数的不同，可分为三种调制信号，即调幅信号、调频信号和调相 信号，本文提到的f s k 信号是调频信号。在讨论f s k 信号的构成原理之前，必须先 明确载频的选择范围。对轨道上传输的信号而言，必须考虑牵引电流、轨道阻抗 等多种因素的干扰。因此在适应现今已有的轨道设备的基础上，要对铁路信号进 行解调就必须先确定信号的载频。只有确定了载频之后，才能对信号进行各种处 理。 2 2 1 载频的选择 铁路信号的干扰因素主要有不平衡牵引电流干扰、邻线干扰和绝缘干扰、侵 入干扰、调幅干扰等，其中不平衡牵引电流干扰是对铁路信号最大的干扰。我们 通常采取尽量避开能量强的干扰源和提高系统自身抗干扰能力的措施来保持铁路 设备稳定可靠的工作。而这两个措施都会影响到载频和频偏的选择。下面详细分 析不平衡牵引电流引起的谐波干扰。 因为电力机车属于非线性负载，非线性负载使交流牵引电流的波形发生畸变， 在波形中出现5 0 h z 倍数的各种不同谐波分量。牵引电流流经两根钢轨，由于钢轨 阻抗有差异以及泄漏不完全相同等多种因素，两根钢轨内的电流值不同，在轨问 形成干扰电压，构成了牵引电流对轨道电路的谐波干扰，其干扰电压可表示为【6 】： 1 k = 二k , o z ( 2 1 ) z 式中：k 为钢轨不平衡系数，厶为总牵引电流，乙为轨道电路输入阻抗。则 不平衡系数k 的定义【7 】可表示为： k = 掣 ( 2 3 ) 式中：l 和厶表示两根钢轨的牵引电流。由式( 2 3 ) 可知，当两根钢轨上的牵 引电流l = 厶时，在扼流变压器的初级线圈上形成的磁场是大小相等方向相反，合 成的交变磁场等于零，根据电磁场感应定理及右手定则可知，其感应电势是相互 9 北京交通大学硕士学位论文 抵消的，即在扼流变压器的二次侧不产生感应电压，牵引电流的干扰不会侵入轨 道电路；当l 厶时，牵引电流不平衡，扼流变压器的一次侧所产生的磁通不能相。 互抵消，则相应在次级产生一个感应电压，这个感应电压即为干扰电压圪。通过 对实际铁路信号中不平衡牵引电流干扰的统计分析可知，只有5 0 h z 工频及其奇次 谐波对铁路信号的干扰量比较大，偶次谐波干扰量比较小( 各干扰分量所占的百分 比在2 3 1 节中列出) ，所以只要铁路信号的上下边频避开5 0 h z 及其各次谐波就不会 被噪声淹没。 除此之外，还要考虑5 0 h z 基波的漂移，在正常运用情况下，基波漂移较小。 但在供电电网发生故障时，频率漂移比较大。例如，u m 7 1 型无绝缘轨道电路考虑 了工频的频率漂移，在正常情况下漂移5 0 + 0 1 h z ，在供电电网发生故障时频漂可 能达到5 0 1 3 h z 。 当采用的绝缘节带宽为8 0 h z 时，在通带内只有牵引电流的一个偶次谐波干扰。 电网的工频频率具有漂移现象，在正常情祝下，为使通带内只有一个偶次谐波干 扰，载频应满足下列不等式： x + 11 4 9 9 x + 4 0 5 0j x 一11 5 0 1 x - 4 0 5 0， ( 2 4 ) 根据式( 2 4 ) 可得出载频的取值范围是1 0 1 x 4 9 5 0 。铁路f s k 信号的载频最 小为5 5 0 h z ，最大为2 6 0 0 h z ，满足载频的取值范围。又由于国产移频信号和u m 7 1 信号的频偏分别为5 5 h z 和1 1 h z ，其信号的上下边频恰好避开5 0 h z 工频及其 奇次和偶次谐波。因为奇次谐波频率越大，干扰越小，从这里我们可以推测出u m 7 1 信号中的干扰比国产移频信号中的干扰小得多；由此我们可以预测，用h h t 法解 调铁路f s k 信号时，对u m 7 1 的解调误差总体上要小于国产移频信号的解调误差。 2 2 2f s k 信号的调制 载频确定之后，f s k 调制信号简而言之就是两个不同的频率的正弦波交替出现 而形成的一个相位连续的信号，其中这两个正弦波的频率等于载频加减频偏而得 到的上下边频，两个正弦波交替出现的频率是一个比上下边频小得多的低频。具 体调制过程如下文所示。 铁路信号系统采用的是相位连续的键控移频信号【引，首先设键控信号为低频调 制信号厂( f ) ，周期为t ，时间表示式为： i o 轨道电路技术简介 儿，= 匕善霉 式( 2 5 ) 中的a 为调制方波的振幅，其波形如图2 - 2 所示。 _ ，【 爿 7 7 3 7 r f 44 4 一彳 图2 - 2 键控信号波形图 f i g u r e 2 - 2w a v e f o r mo fs h i f tk e y i n gs i g n a l s f ( t ) 调制后，移频波的角频率和频率偏移量为 a c o = k a ，厂：一k a 式( 2 6 ) 中的k 为系数，代表移频器的灵敏度，单位是h z v 。 移频波的瞬时角频率的变化为 砸，= c o o + a o ) 葛霉 其波形如图2 3 所示。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 图2 3 移频波的瞬时角频率波形图 f i g u r e 2 3w a v e f o r mo ff r e q u e n c ys h i f tw a v e 8i n s t a n t a n e o u sa n g u l a rf r e q u e n c y 移频波的瞬时相位秒( f ) 为 秒( f ) = p o ( k ) d t = c o o ( t ) + f k f ( t ) d t - - o ) o ( t ) + g ( t ) ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中 北京交通人学硕士学位论文 酏，= 缈c 渺涟叫葛霉 仁9 ， 其波形如图2 4 所示。它是一个周期为t 的三角形周期函数，而且 g ( t ) = g ( t n t ) 。 jg c t ) 2j i 可( t ) d t j 人j 八 n澍 一 4 图2 _ 4 移频波的瞬时相位波形图 f i g u r e 2 - 4w a v e f o r mo ff r e q u e n c ys h i f tw a v e si n s t a n t a n e o u sp h a s e 因此移频波的时间表示式为 其波形如图2 - 5 所示。 s ( f ) = ac o s e ( t ) = a oc o s c o o t + g ( t ) ( 2