（交通信息工程及控制专业论文）UM71数码轨道电路信息发送设备的研究.pdf

y3 1 3 5 2 1 摘要 _ j 、( j 丘年来，随着微电子技术的发展和计算机技术的进步，特别 是d s p 芯片的问世和发展，数字信号处理技术在通信信号领域的 应用已十分普遍，愈来愈引起人们的重视。y 本论文所做的主要工作是接收控制面板传来的有关连续信 息，实现基于数码轨道电路传输信息的机车信号低频信息的合成 与调制。编制软件在t m s 3 2 0 c 2 5 一e 型开发板上进行调试。 系统采用d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 5 来实现低频信号的合成与调 制，避免了使用模拟器件实现时的一些困难，如要保持各路低频 信号相位差固定，2 8 个低频求和等等。用d s p 来实现调制产生基 于数码轨道电路传输信息的机车信号系统，不仅可使设备体积 小、重量轻、而且灵活方便，精度高，用编程实现调制，更新算 法，便于改变参数，更易升级换代，调试方便。 系统采用f m 调频方式，在频带利用率和抗干扰性能上都要 优于调相方式。同样也优于基带系统和线性系统。传输信息量大， 总信息量为2 “个，完全能满足铁路机车信号的需求。 、发展以轨道电路传输方式数字化列控系统是我国列车控制 系统的发展方向。本论文的意义在于该系统能够适用于多种现存 信号系统，并与t v m 一3 0 0 系统信号完全兼容。特别值得一提的 是该系统将采用模式盐线速控取代阶梯式速控，从而有利于减少 列车间隔距离。面对我国铁路普遍提速的现实要求，对该系统的 研究是有一定的现实意义的，而该系统的应用必将大大提高我国 铁路列车运行系统的效率和可靠性奠、 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g yo fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) i n a r e ao fc o m m u n i c a t i o na n ds i g n a lh a sb e e nv e r y c o m m o n l y ，a n dh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c s a n dt h e p r o g r e s s o fc o m p u t e r ， e s p e c i a l l yt h ea p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n to f d s pc h i p t h em a i nw o r ko f t h ep a p e ri sr e c e i v i n gt h er e l a t i v ec o n t i n u o u s i n f o r m a t i o nw h i c hi s g i v e nb yt h ec o n t r o l l i n gf a c e p l a t e ，a c h i e v i n g t h ec o m p o s i t ea n dm o d u l a t i o no ft h ec a bs i g n a ll o w f r e q u e n c ys i g n a l s w h i c hi sb a s e do i lt h ed i g i t a lr a i l w a yc i r c u i t m a k i n gp r o g r a ma n d d e b u g g i n g i nt m s 3 2 0 c 2 5 一e d e v e l o p i n gb o a r d t h cp a p e ri s a p p l y i n gd s pc h i p t oa c h i e v e c o m p o s i t ea n d m o d u l a t i o no f t h el o w f r e q u e n c ys i g n a l s a v o i d i n gt h ed i f f i c u l t i e so f a c h i e v e m e n tb ya n a l o gd e v i c e ss u c ha ss e c u r i n gp h a s ec h a r a c t e r i s t i c o fa l lt h e l o w f r e q u e n c ys i g n a l a s w h i l ea s c a l c u l a t i n g t h e s u m m a t i o no f t w e n t y - e i g h tl o w - f r e q u e n c ys i g n a l se r e i tm a k e s t h e c a bs i g n a ls y s t e mn o to n l ys m a l li nv o l u m e ，l i g h ti nw e i g h t ，h i g hi n p r e c i s i o na n df l e x i b l ei na p p l i c a t i o n ，b u ta l s oc o n v e n i e n ti nu p d a t i n g t h ea l g o r i t h m ，u p g r a d i n g ，d e b u g g i n g 1 1 1 em o d eo fm o d u l a t o rs e l e c t e di s f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( f m ) i tw i l lb eb e t t e rt h a np h a s em o d u l a t i o ni nf r e q u e n c ya v a i l a b i l i t y a n da n t i j a m m i n g p e r f o r m a n c e a n d t h es a m ei t s s u r p a s s i n gt h eb a s e b a n ds y s t e ma n d l i n e a r i t ys y s t e m i ta l s oc a ns u i tt h er e q u i r e m e n to f t h er a i l w a yc i r c u i to nt h et r a n s m i s s i o nf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s t h e i n f o r m a t i o nc a r r i e db yt h ec a r r i e rf r e q u e n c yi sv e r yl a r g e ，a n dt h e s u m m a t i o nc o u l db ea sl a r g ea s2 “，s oi tc a ns u i tt h er e q u i r e m e n to f r a i l w a y c a bs i g n a la b s o l u t e l y t h e m e a n i n go f t h ep a p e ri st h a tt h es y s t e mc a r lb ea p p l i c a b l e w i t hm a n yl i v i n gs i g n a ls y s t e m ，a n db ec o m p a t i b l ew i t ht v m 一3 0 0 c a bs i g n a l s y s t e m e s p e c i a l l y t h e s y s t e mw i l la d o p tt h es p e e d d i s t a n c em o d ec u r v et or e p l a c et h es p e e d - s t e pm o d e ，s oi tw i l lb e l i a v a i l a b l et oa b r i d g et h ed i s t a n c eb e t w e e nt w ot r a i n s i th a sr e a l i s t i c m e a n i n g t or e s e a r c hi ns u c h s y s t e m f o r f a c i n g t h er e a l i s t i c r e q u i r e m e n to fh i g h e rs p e e di n o u rr a i l w a ys y s t e m t h ed i g i t a l r a i l w a y c i r c u i ts y s t e mc o u l dr a i s et h ea v a i l a b i l i t ya n d d e p e n d a b i l i t y o f t h er a i l w a y m o v i n gs y s t e m o f o u r c o u n t y 1 1 1 北方变通大学硕士学位论文 第一章 第一章综述 1 1 引言 高速铁路的崛起和发展给世界铁路的重新振兴带来了勃勃 生机，使铁路装备技术水平跃上了一个新台阶，铁路信号系统从 传统的方式，即以地面信号显示传递行车命令，机车司机按行规 操作列车运行的方式，发展到了根据地面发送的信息自动监控列 车速度且自动调整列车运行和追踪间隔的方式。实现这一方式的 关键设备是列车速度自动控制系统。近年来为了满足铁路运行 系统对效率和安全要求不断提高的需要，列车速度自动控制系统 在最近几年中得到了显著发展。随着系统向高速度、高密度方向 的发展，硬件设备采用愈来愈先进的微处理器结构，控制算法则 向先进的智能控制过渡，对列车速度自动控制系统的技术要求将 愈来愈高。 我国郑武线引进的法国高速铁路u m 7 1 - - t v m 3 0 0 系统速 度监督为阶梯控制方式，在一个闭塞分区内只控制一个速度等 级。列车的容许速度为该区段的入口速度，但机车信号显示器给 出目标速度，要求列车在区段的出口端必须保持或降到此速度。 本区段的出口速度就是下个闭塞分区的容许速度。 本课题计划结合我国铁路的发展状况研制出一种基于数码 轨道电路传输信息的机车信号系统，由于该系统采用微处理器结 构，处理单元与传输和接收单元之间采用模块化设计，便于机车 信号特性参数的增加与修改，使系统适用于不同的应用。故障安 全化设计使得系统能够适用于多种现存信号系统，并与t v m 一 3 0 0 系统信号完全兼容。特别值得提的是该系统将采用模式曲 线速控取代阶梯式速控，应减速区段的前方提前以闪光发出警告 提醒司机注意，从而减少司机对减速信号的确认时间，和阶梯速 控相比，超速制动的起始速度为该区段实时监控速度，而不是区 段的入e l 监控速度，因此超速制动的制动距离相对要短些从而 有利于减少列车间隔时间。面对我国铁路普遍提速的现实要求， 北方交通大学硕士学位论文第一章 对该系统的研究是有一定的现实意义的，而该系统的应用必将大 大提高我国铁路列车运行系统的效率和可靠性。 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴科学。本世纪 6 0 年代以来，随着计算机和信息学科的飞速发展，数字信号处理 技术应运而生并得到迅速发展。在过去的十几年里，数字信号处 理已经成为通信信号领域里的一项极为重要的技术。数字信号处 理技术主要是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进 行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到 符合人们需要的信号形式。数字信号处理是以众多的学科为理论 基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、 概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具， 同时网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也 密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经 网络等，都是与数字信号处理密不可分的。可以说数字信号处理 是把许多经典理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己称为 一系列新兴学科的理论基础。然而在8 0 年代以前，由于实现方法 的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛应用。直到8 0 年代初 d s p 芯片的诞生，才将理论研究结果应用到低成本的实际系统 中，并且推动了新的理论和应用领域的高速发展。本论文将采用 数字信号处理技术，即应用d s p 芯片来实现数字调制。从而完成 t v m - - 4 3 0 系统机车信号的发送设备。下面先简要介绍一下国内 外列控系统信息传输方式的发展与现状。 1 2 国内外列控系统 信息传输方式的发晨与现状 自从1 9 6 4 年日本东海道新干线高速铁路交付运营以来，法 国、德国等国也相继发展了高速铁路。高速铁路的崛起和发展给 世界铁路的振兴带来了勃勃生机，使铁路装备技术水平上了一个 北方交通大学硕士学位论文 第一章 新台阶，使铁路信号从传统的方式，即以地面信号显示传递行车 命令，机车司机按行车规则操纵列车运行的方式，发展到了根据 地面发送的信息自动监控列车速度且自动调整列车运行和追踪 间隔的方式。实现这一方式的关键设备是列车速度自动控制系 统。 随着我国铁路向现代化目标发展，铁道部提出了“大力提高 列车重量，积极增加行车密度和努力提高行车速度”的要求。为 了实现以上要求，必须积极发展列车速度自动控制系统，使列车 速度由人工控制向设备控制转移，以提高行车的安全性和效率。 在现代列车速度自动控制系统中，信息传输占有重要地位。例如， 将地面上涉及列车速度控制的各种数据传输到机车上的车载设 备；将列车运行的实时信息传输到地面控制中心。下面将先介绍 一下其它国家列车速度自动控制系统中技术比较成熟的信息传输 方式。 1 、法国 法国高速铁路( t g v ) 区段采用带速度监督的t v m 3 0 0 型机车 信号，地面信息传输设备采用u m 7 1 型轨道电路。另外，地面还配 有点式信息发送设备。地面到列车上的传递信息方式为以轨道电 路连续传递信息，以点式信息为辅助设备。 u m 7 l 型轨道电路是1 9 7 1 年为防止交流电气化牵引电流谐波 干扰而研制的移频轨道电路。连续式信息的发送是利用u m 7 1 型轨 道电路作为传输信息的通道。系统的信号采用移频键控方式，载 频有1 7 0 0 、2 0 0 0 、2 3 0 0 、2 6 0 0 h z 四种，频偏为l o h z ，调制频率 即信息从1 0 3 h z 到2 9 h z ，每间隔1 1 h z 取一个信息，共有1 8 个， 均作为速度信息。 轨道电路频率布置考虑了防止同一线相邻轨道电路和上、下 行线间轨道电路等的横向和纵向干扰，轨道中载频的布置为：上 行线路为2 0 0 0 、2 6 0 0 h z 相间隔排列，下行线路为1 7 0 0 、2 3 0 0 h z 相间隔排列。 该系统的特点是：数据传输是单向连续式，无绝缘轨道电路 为谐振式，需设保护区段。 北方交通大学硕士学位论文第一章 2 、日本 在9 0 年代初，开始开发数字式a t c ，通过轨道电路向列车 传送数字化信号。开发的目的主要要解决多级控制a t c 存在的咀 下问题：实施紧急制动；无法缩短列车追踪间隔时间；迁就最差 的制动性能的列车，实施速度监控；在初步设计成a t c 信号后， 若想提高运行速度，必须要更新设备；采用双音频的a t c 发送的 信息量少。采用数字a t c 的列控系统后，就能解决上述问题。 日本开发的数字a t c ，于1 9 9 6 年1 2 月开始与中国铁道科 学研究院合作试验研究。试验的数字a t c 的车载列控系统制动控 制方式采用模式曲线控制方式。列车运行速度采用自动控制，当 超过限制速度时列车自动制动控制，使列车速度降低，当列车速 度降低到限制速度以下的安全值时缓解。 模式曲线的产生需要三种信息：距前方列车的距离信息( 开 通区间数) ，运行的线路数据信息，该列车的制动性能三种信息。 数字a t c 采用两种方式传送三种信息。向列车传送距离信息是在 运行中实时进行，传送的信息包括：目前运行闭塞分区编号：距 前方列车距离；车站出发及到达股道编号；临时限制速度等信息。 这些信息通过轨道电路以数字编码方式向机车传送。运行的线路 数据信息是在机务段出发股道和车站到发线之类的列车停车地点 向机车传送的。数字a t c 使用高频轨道电路向机车高速传输整个 区间的线路数据。线路数据包括：各轨道电路起点里程长度；曲 线的起点里程、长度和半径：坡道信息，道岔信息、限制速度信 息等。列车接收到线路数据后进行存储。 车载a t c 装置根据来自地面的信息和前方开通的闭塞分区 数求得距前方列车所占用的闭塞分区轨道电路入口端的距离，再 根据该距离和车载存储的线路数据，列车及其制动性能、最高容 许速度等参数，实时算出列车容许速度，得出该列车在距前行列 车占用的闭塞分区后分界点的“速度一距离”模式曲线，列车运 行速度不能超过该曲线所容许的速度。 日本数字a t c 的列车检测和a t c 信息是分开传输的，列车 检测采用电压接收式非谐振自然衰耗式无绝缘轨道电路，采用 m s k 数字代码方式。其载频频率为1 2 个。调制频率为+ 2 4 h z 4 北方交通大学硕士学位论文第一章 ( m s k ：代码为0 1 0 1 0 1 ) 。地面向机车上传送的a t c 信息的 载频频率为：a 线4 2 5 h z ：b 线4 7 5 h z 。调制频率_ + 2 5 4 h z ( m s k ) ， 传送速度为2 5 b p s ，一帧5 6 比特。包括轨道电路编码、距前方列 车的空闲闭塞分区数、到达出发的线路号、临时速度限制等。a t c 信息的发送是采用列车接近发码，当无列车时，地面只发送列车 检测信息，当列车接近时，向机车发送a t c 信息。 3 、德国 德国的d t c 2 4 d t c 9 2 1 数字轨道电路系统由发送单元、接 收单元、电缆及电缆平衡网络、电气绝缘节、轨道、补偿电容及 i i 型谐振式电气绝缘节等组成。 数字编码信息由微机联锁或其它联锁设备产生，或由其它安 全数据传输网络设备提供，信息采用安全传输逻辑传送以保证数 据的安全性和正确性。 地对车的信息传输采用m s k 调制方式进行信息传输，这种 调制方式占用频带小，数据传输速率高，调制系数为o 5 ，传输速 率为4 0 0 b i “s ，报文长度为2 0 0 比特，其中有效安全信息位1 0 0 比特。一秒钟内，列车可收到两帧数据，在保证有足够的反映时 间内信息传递的安全性和可靠性都有了保证。车对地的通信是半 双工的，传输信息为非安全信息，使用与地面一致的载频，利用 发送端电缆传递信息至室内，传输速度为2 5 0 b i f f s ，报文长度为 5 4 比特，其中信息位2 4 比特。 所有信息均为连续式信息传递方式，车载接收设备从入口至 出口均能接收到数字信息。地面双向通信接收设备亦能在整个轨 道电路范围内接收来自车载设备发送器的信息。 此系统特点如下：具有车地双向通讯功能，地面向列车提供 控制信息，列车向控制中心传递列车运行信息，有利于列车的调 度控制：能提供较多的安全信息。传输速率高为扩展信息量打下 了基础；站内、区间均可使用无绝缘轨道电路，有利于工务施工， 当采用无缝焊接式道岔时，优势更为明显；调制、解调均采用通 用成熟的通信技术，易于开发和研制。由于信号载频较高，轨道 电路需要增加补偿电容。 北方交通人学硕士学位论文第一章 4 、瑞典 瑞典铁路采用的列车控制系统是a b b 公司的列车自动防护 ( a t p ) 系统。根据运营要求形成了e b i c a b 7 0 0 、e b i c a b 8 0 0 、 e b i c a b 9 0 0 系列。e b i c a b 系列是使用于高速铁路的a t p 系统。 此系统列车于地面的通信通过机车天线与地面感应器实 现，机车从地面感应器获得编码信息。地面感应器固定在轨道中 间，可以不需要任何导线与之连接。当列车通过地面感应器时， 在感应器中建立起电源，然后向机车传送当前信息( 感应器报 文) 。机车上的天线接收到报文，送到a t p 计算机系统，由计算 机系统将信息解码。最后将该信息显示给司机并用来控制制动系 统。 地面感应器报文包括1 8 0 b i t 的信息，分为4 5 个四位位组， 再加上7 5 b i t 校验码，报文总长2 5 5 b i t 。为了确定那个方向的信 息是有效的，轨道上紧挨着两个地面感应器。a t p 车上设备将从 两个感应器上各收到一个完整的有效报文。第一个地面感应器通 常包含了完整的信息，第二个地面感应器可以重复这个信息，特 别是当其中的一个感应器由于某种原因失效时，仍能保证系统正 常工作，从而提高了系统的有效性。 5 、原苏联 原苏联在八十年代末期研制了a j l c e h 型连续通道机车信 号系统。此系统可适应2 0 0 k m h 行车需要，并可以作为调整列车 运行的主体设备。 在a j l c e h 型机车信号系统中，从线路向机车发送的全部 信息都是沿轨道感应通道传输的，而且采用一条频率通道 ( 1 7 5 h z ) 。信号信息是双路相位调制发送，此种调制要比幅度调 制和频率调制方式抗干扰性好，并能组成发送信息频率各为 1 0 9 b it s 的两条独立的相位子通道。 a j l c e h 型机车信号系统中，采用相对相移键控和抗干扰 的信息编码，可以显著降低发送设备的功率。 每个子通道采用8 位电码组发送信息，可有1 6 码组，总信 息量为1 6 x1 6 = 2 5 6 。 6 北方交通大学硕士学位论文 第一章 除了上面介绍的各国的信息传输方式外，还有一些其它的信 息传输方式。 无线方式：它是利用车载测速设备和计时器，及时测试列车 运行速度和运行时间并算出列车距某一起点的距离，这就确定了 列车的位置。再用机载电台将列车的位置信息传送到地面电台， 经由地面计算进行处理就可确定相邻列车的空间间隔。然后再将 这些信息返回到列车上控制列车运行。此种方案采用空间波以无 线数据通信方式传递信息，可以充分利用移动无线通信系统，具 有很大的吸引力。一些发达国家正以无线方式构成列车控制系统 并在试验中，我国也f 对它进行可行性研究。 g p s 方式：全球卫星定位系统( g p s ) 是利用卫星测定地面 移动物体并与之通信的技术。这种技术原是应用与军事领域，目 前已经移植到民用系统中。当然它用于检测列车位置并与之通信 还是可行的，并具有简单方便的优点，北美铁路先进列车控制系 统( a r e s ) 就是一例。但是问题是利用开放的空间，用美国发射 的2 4 颗卫星来进行，实际上是受别国控制的，这就涉及到国家战 略上的考虑，因此还没有在我国铁路上应用。 利用漏泄电缆：此种方式在日本的上越新干线的新泻长冈 区间已经得到使用，它在轨道旁约1 7 m 高处沿高速铁路线敷设漏 泄电缆，此电缆中传输信息的频率为4 0 0 m h z ，传输速率约在8 1 6 k b p s ，或直接用6 4 k b p s ，并以c m s k 方式或t d m a 方式传输。利 用漏泄电缆的好处是：一能双向传输，二是既能传输数据信息， 又能传输话音信息。 在我国铁路上，由于历史和技术等各种因素，存在着多种自 动闭塞制式。非电气化区段自动比塞主要5 0 t l z 交流计数，极性脉 冲和非电气化移频三种制式。电气化区段自动闭塞主要有2 5 h z 和7 5 h z 交流计数电码，电气化移频三种制式。 近年来我国引进了法国u m 一7 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和自行研制了带超速防护系统的 多信息自动闭塞，前者已经在郑武线开通使用，后者正在京九线 上使用。 1 9 9 4 年1 2 月2 2 日我国第一条准高速铁路一广深准高速铁 北方交通大学硕上学位论文 第一章 路正式投入运营。在该线上采用了一些铁路信号新技术，以保证 列车安全高效的运行。 在准高速线采用了法国u m 一7 1 型无绝缘轨道电路构成的带 有速差显示意义的四显示自动闭塞；机车上装有t v m 一3 0 0 型带速 度监督的机车信号，能够接收地面发送的1 8 种信息，自动识别运 行方向，实现了双线双向运行；在我国第一次实现了准高速列车 以机车信号为主体信号的行车方式。 从上面介绍的国内外信息传输的方式来看，列车运行安全间 隔自动调整与控制系统中信息传输目前主要是轨道电路。轨道电 路不仅能反应区段是否空闲，还可以用来衡量相邻两列车之间的 间隔距离即知道了两列车之间还有多少个轨道区段空闲，就知 道了两列车之间的空间间隔。另外，如果轨道电路设计的合理， 轨道电路还有断轨检查的优点。利用轨道电路还可以将地面与列 车速度控制有关的各种信息传输到机车上的车载设备，从而控制 列车的运行。 随着铁路的现代化，铁路干线多采用长钢轨。如果仍采用以 绝缘材料分隔的轨道电路，势必破坏了长钢轨的优越性，因此出 现了无绝缘轨道电路。下厩一节将介绍无绝缘轨道电路的发展与 现状。 1 - 3 无绝缘轨道电路的发展与现状 轨道电路是利用钢轨来监督列车占用、出清某一区段或完成 地面设备向列车传递信息的设备。 在一般的轨道电路中，为防止相邻轨道电路相互干扰，用绝 缘节把它们在电气上进行隔离。绝缘节的存在，使因绝缘破损而 造成的轨道电路失效概率大大上升。对使用长钢轨的区段来说， 因设置绝缘节而增加了钢轨的分割点。这对高速列车的安全、平 稳驾驶是很不利的因素。在电力牵引区段，绝缘节的存在对牵引 电流的输送带来了一定的困难。另外，绝缘节本身就是一笔不小 的投资，对绝缘节的维护更换也是比较麻烦的工作。 为克服由于绝缘节的存在而引起的上述缺点，人们采用了一 北方交通大学硕士学位论文第一章 种取消绝缘节而又保留轨道电路功能的方法，即无绝缘轨道电 路。 无绝缘轨道电路的优越性在于：故障率小，维护方便；高速 列车在长钢轨区段行驶更加平稳；在电力牵引区段可以取消扼流 变压器：便于地面设备向列车可靠的传递信息，从而实现较高程 度的列车自动控制系统。 无绝缘轨道电路所采用的频率范围一般是音频或高频。因为 在此范围内便于采用各种有效的调制方式，以满足传递信息的要 求，也便于实现邻段隔离和邻线隔离。一般来说，频率越高死区 段越短，但轨道电路的长度也越短；另外，无绝缘轨道电路多应 用于交流电气化区段，频率参数的选择要根据需要加以综合考 虑。 无绝缘轨道电路可以分为两大类。 第一类是电气隔离式，又称谐振式。它是在轨道电路的分解 处，采用电容和电感构成谐振回路。另外，相邻轨道电路采用不 同频率的信号电流，使轨道电路电气隔离。法国的u m 7 1 型无绝缘 轨道电路就属于电气隔离式。 第二类是自然衰耗式，又称叠加式。它利用轨道电路的自然 衰耗，相邻轨道电路采用不同频率的信号电流，利用在轨道外进 行滤波的原理使相邻轨道的工作互不影响。日本的无绝缘轨道电 路属于自然衰耗式。 除了法国、日本以外，美国、德国等国都发展了自己的无绝 缘轨道电路。尤其是在高速铁路中，普遍采用无绝缘轨道电路。 近年来，我国引进了法国的u m 7 1 型无绝缘轨道电路，应用于郑武 线、京郑线和广深准高速线。下面就简要介绍u m 7 1 型无绝缘轨道 电路的原理和特点。 u m 7 1 型轨道电路电气分隔接头由中间的空心线圈，两侧的 谐振单元组成。两个谐振单元设在2 6 m 长的电气分隔接头两端。 它对本区段信号频率成电容性，该电容与谐振区钢轨和空心线圈 的电感并联谐振，呈现较高阻抗，可减小对本区段信号的功率衰 耗；另外，该谐振单元对相邻区段信号频率成串联谐振，成较低 阻抗，可阻止相邻区段信号进入本区段；以此实现两相邻轨道电 9 北方交通大学硕士学位论文第章 路的电气隔离。 这种轨道电路发送的信息是频移键控，载频为：上行2 0 0 0 h z 和2 6 0 0 h z ，一f 行1 7 0 0 h z 和2 3 0 0 h z 。频偏为1 0 h z ，低频信息从 1 0 3 h z 起按1 1 h z 等差级数递增至2 9 h z ，一共有1 8 个低频信息。 u m 7 1 型轨道电路采用了1 7 0 0 h z 以上载频频率便于实现电气 化隔离，构成无绝缘轨道电路，频率较高则牵引电流谐波干扰量 也比较小，有利于抵抗电气化牵引电流的干扰。但是信号频率越 高，在钢轨中的衰耗就越大，给传输带来了极大的不利，因此每 隔l o o m 就需在钢轨间并联补偿电容，以延长轨道电路的长度。 u m 7 l 型轨道电路发送端和接收端都采用集成电路和晶体 管。发送频率误差很小，精度很高。 总之，随着列车提速以至于高速，无绝缘轨道电路是未来的 发展趋势。另外，随着计算机及微电子技术的迅速发展，使得用 集成电路来实现系统功能成为可能，并具有数字化、小型化、模 块化、和精度高等特点。其中d s p ( 数字信号处理器) 芯片的特 点使它较适于实现信息处理，在信息处理、通信工程、自动化等 各个领域取得了广泛应用。因此我们考虑选用3 s p 芯片实现数字 调制，实现信息的发送。在第四章中将介绍用d s p 芯片实现数字 调制解调的基本原理。 1 4 论文安捧 下面介绍论文各章的主要内容。 第一章：概述了国内外列控系统信息传输方式及无绝缘轨道 电路的发展和现状。 第二章：介绍系统的构成，及所要研究的主要内容。 第三章：模拟调制解调的基本原理。 第四章：频率参数选择应考虑的因素。 第五章：d s p 芯片实现数字调制解调基本原理，以及系统的 硬件设计。 第六章：给出了系统的软件结构和特点，以及软件设计过程 中的关键技术和主要程序框图。 1 0 北方交通大学硕士学位论文第二章 第二章系统构成 此课题拟结合我国铁路的发展状况研制出一种基于数码轨 道电路传输信息的机车信号信息发送系统的发送设备。下面介绍 一下此机车信号系统的概况。 2 1 系统结构总图 此机车信号系统结构如下图所示 懒 道姥制 _ 救 量塑鸳型1 垫颦到 i 俺端l 么i 惟趴。m i 惰息 一防护 一防护 图2 i 基于数码轨道电路传输信息的机车信号系统示意图 地面每个轨道电路设一个微处理器，由方向电路、闭塞电路 或信号楼道岔等条件控制相应的码组，发送到轨道电路给机车接 北方交通大学硕上学位论文第一章 收。地面发出的t v m 4 3 0 型低频信息和轨道电路2 5 6 7 h z 一起对u m 7 l 型的载频进行调制，每秒能发出数次码组。每个码组包括速度、 距离、坡道、地址和效验等部分。地面微处理器放在集中点，各 集中点用电缆通道联系，电缆通道也用编码信息。 车上设备由信息传感器、无源带通滤波器、模数转换器和计 算机等组成，计算机通过检测码组瞬时低频周期进行调整，用快 速傅里叶变换确认不同信息。在车上信息组执行的任务：地址码 选择运行区段的程序：速度码用于主显示器的速度值、闪光指令、 闭塞分区入口和出口速度；距离码用以参与制定速度控制盐线； 坡道码用于选择相应区段平均坡道值参与修定速控曲线。 2 2 研究内容 基于数码轨道电路传输信息的机车信号系统发送设备的研 究： 本部分工作是接收控制面板传来的有关连续信息，并按照协 议加以编码、调制，最后通过功放送到钢轨中，从而实现对列车 进行安全而高效的控制。此部分工作将由我在导师丁正庭的指导 下完成。 一列火车要高效率、安全的运行，除了司机的正常操作外， 还需要许多其他装置去控制，例如机车信号、自动停车、超速防 护等等一些设备。这些装置的正常运行所需的相应的控制信息需 通过钢轨获取，例如进路长度、岔区长度、闭塞分区长度、坡度 曲线等，线路上的各种参数。由线路上的某些点提供，称为点式 信息。目前国外提供点式信息的方式有多种，例如查询应答器方 式( 瑞典) 、点式环线方式( 法) 、叠加短轨道电路方式( 俄日) 。 连续式设备有轨道电路( 法) 、轨道电缆回线( 德) 、泄漏同轴 电缆和无线方式。我们采用连续式( u m 7 1 型轨道电路) 多信息数 字调制式轨道电路发送系统。实践证明这种方式比较适合我国国 情，抗干扰性强，信息量大。 1 2 北方交通大学硕士学位论文第二章 2 2 1 信息发送系统工作流程 整个系统采用双处理器结构。首先应对控制面板输入信息进 行逻辑检查，如果出现异常，则停止执行后续任务，点亮报警指 示灯。若检查成功，处理器l 与处理器2 将分别按照系统协议，将 输入的控制信息进行编码和调制转换为相应的连续和点式信息， 另外同时对双处理器的输出进行动态检查，按照故障安全的原则 选择一个处理器的输出，此信号最后经功放送入钢轨，供列车运 行控制系统的使用。 2 2 2 信息发送系统结构 信息发送子系统可由以下框图来说明 图2 2 双处理结构 2 2 3 信息发送系统所发送的各种信息 t v m 4 3 0 系统的连续信息为编码制式，轨道电路中传递的信 息，是由载频和调制低频频率组成的移频信息。调制在u m 7 1 型轨 道电路的载频率上，点式信息为键相电报码。t v m 4 3 0 型连续信息 的编码使用2 7 个低频频率，从0 8 8 h z 至0 1 7 5 2 h z 每隔0 6 4 h z 一个。 另外设一个2 5 6 7 h z 低频信息供轨道电路工作使用。一个码组为 2 7 b i t ，其中2 1 b i t 为使用码，6 b i t s j 校验码。2 1 b i t 的用途如下： 载频：i 7 k h z 、2 k i z 、2 3 k h z 、2 6 k h z 。 北方交通大学硕十学位论文第二章 ( 1 ) 6 b i t ( 0 8 8 h z 4 0 8 h z ) 用为校验码以h a m m i n g ( 距离 加重平方方法) 距离为4 提供保护。 ( 2 ) 4 b i t ( 4 7 2 h z 6 6 4 h z ) 作线路坡道码，从一5 0 到 + 5 0 。 ( 3 ) 6 b i t ( 7 2 8 h z i 0 4 8 h z ) 为距离，间距为2 5 2 0 0 m ， 共长5 0 0 0 m 。 ( 4 ) 8 b i t ( 1 1 1 2 h z 1 5 6 0 h z ) 用于信号的速度等级，共 同2 5 6 个信息量。 ( 5 ) 3 b j t ( 1 6 2 4 h z 1 7 5 2 h z ) 用作线路地址码，确定区 段后此码是固定不变的。 t v m 4 3 0 系统的连续信息是采用调频方式。调频方式属于角 度调制的一种，它具有频带利用率相对较高，抗干扰性能强的特 点，因而当要求通信质量比较高的情况下，被广泛采用。调频波 可表示为： s 。( t ) = a o c 0 4 蚶+ k 。f f ( t ) d t + e0 其中 旧2 7 f ( t ) = a 。6 is i n ( o ) ，t + ( p 。) + a 。d vs i n ( a ) c d v t + ( p m ) k l 8 ：= 1 或o 2 3 研究的重点和难点 ( 1 ) 控制面板的设计 首先，控制面板的设计是系统的重要组成部分。它的设计将 确保系统能够准确、快速、方便的输入所需传输的信息。 ( 2 ) 低频信息的产生 北方交通大学硕上学位论文 第二章 本系统实质就是利用多个低频信息进行编码产生携带数字 编码信息的模拟调频信号。低频信息的产生与编码求和是此课题 研究的重点和难点。由于采用分离元件产生2 8 个低频并用模拟加 法器求和将是十分复杂的。因此利用数字信号处理器t m s 3 2 0 c 2 5 加以实现。 ( 3 ) 数字调频的实现 数字调频是系统的核心，最为复杂。实现采用d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 2 5 。其实现调频的功能框图如下： t j 一晌 图2 3d s p 实现调频的功能框图 北方交通大学硕士学位论文第三章 第三章 模拟调制解调的基本原理 本系统实质就是利用多个低频信息进行编码产生携带数字 编码信息的模拟调频信号。为了使模拟信号在带通信道中传输， 必须用数字信号对载波进行调制。传输模拟信号有三种基本的调 制方式：调幅、调频、调相，他们分别利用载波的幅度、频率、 相位来传递调制信号。 3 1 线性调制 按调制器的传输函数来分，调制方式可分为线性调制和非线 性调制。线性调制，输出已调信号的频谱与输入调制信号的频谱 之间成线性搬移关系，包括幅度调制( a m ) ，双边带( d s b ) 、单 边带( s s b ) 和残留边带调制( v s b ) 。 3 1 1 幅度调制( 膻) 调幅信号的包络与输入调制信号呈线性对应关系，并且载波 信号是余弦( 或正弦) 波。用数学公式来表示为 5 0 ( ，) = 【爿。+ ( ，) 】c o 翻。，+ 口。) 式中 一输入调制信号的直流分量； f ( t ) 一输入调制信号的交流分量： 。一载波角频率； 0 。一载波相位。 如调制信号频谱f ( 国) 的最高角频率为。，则调制后a m 信号的频谱宽度扩展为2 国。 删效率苦= 揣 由上式可知调幅( a m ) 信号的调制效率最大为5 0 ，它发 北方交通大学硕士学位论文第二三章 上它增加一部分传输频带宽度来换取实现理想单边带信号的困 难。因此可以认为残留边带调制是由双边带方式向单边带方式的 过渡方式。 3 2 角度调制 角度调制是模拟通信中一类很重要的调制方式。角度调制可 分为两大类，即调相( p m ) 和调频( f m ) 。 3 2 1 角度调制解调的基本原理 角度调制和线性调制不同，已调波的频谱并不是简单地产生 频率搬移，也不是调制后的频率分量和调制前呈线性对应关系， 而是经过调制后将调制信号的频谱扩展到非常宽的频带范围内传 输，因此可称为非线性调制系统。 角度调制在时间波形上特点是已调波的幅度始终保持不 变，而是它的相位或频率随着调制信号变化，因此这也完全区别 与线性调制信号。角度调制的最大优点是抗干扰性强，因此在要 求通信质量比较高，而频率范围往往不受限制的条件下可以优先 考虑这类调制方式。 3 2 2 调频波( 糟) 调频波属于角度调制系统，已调波的频谱并不是简单地产生 频率搬移，而是将调制信号的频谱扩展到非常宽的频带范围内传 输，它的最大优点是抗干扰性能强，因而在要求通信质量比较高， 频率范围往往不受限的条件下可以优先加以考虑。调频波数学表 示为： s 。( t ) = a o 4 。t + k 。f f ( t ) d t 4 - 0 。l 其中 北方交通大学硕士学位论文 第三童 k ，。调频器的灵敏度，单位是h z v 。 对于窄带调频即当 * w 胁p 卜詈 有时也用0 5 来代替兰，则此时调频波可简化为 n s ( r ) = a oc o s ( ( d o t + 目。) 一a 。j 巾】s i n 0 3 o r + 目。) 相应的窄带调频波的频域表示式如下 s 一 ) = 州0 【万扣一曲。) e 归。+ 和+ 珊。) e 1 乩 + ! 丝争 烈国一曲。一。) 一占( 国一珊。+ 。) p 。岛 + 堡生芋苴 文国+ 。+ 卯。) 一甙珊+ 。一。) p 一， 由上可见窄带调频仅产生已调波的相位偏移( 反映瞬时频率 变化) ，不会带来幅度变化：但应限制最大相角偏移量，以防j 卜 产生寄生调幅：同时由于窄带调频的相位偏移量很小，使得调频 信号抗干扰性能强的优点不能得到充分发挥，因此应用更加广泛 的是宽带调频，它虽然占用的频谱较宽，但它的抗干扰性能好， 适合长距离通信。 对于宽带调频： s o o ) = a o 【c o o t + o o ) c o s i n 6 0 。t ) 一s i n ( c o o f 十o o ) s i n ( f l f ms i n r o 。f ) 其中= 坠 棚” 同样上式可在频域表示为： 1 9 北方交通大学硕十学位论文第三章 s 。( 甜) = 刎。以 文。一竹。) + j ( + 。+ 肝珊。) 根据贝式函数的性质可知，当 ) + 1 时，以( 励值均小于 o 1 ，因此可以确定调频波有效带宽的定义为 b 。= 2 ( p 。+ 1 扣。z2 ( 珊。) ，当。很大时 由此可见调频指数影响频谱组成和有效带宽，调频指数可在 很宽的数值范围内选择，但它通常决定于传输信道的容许频带宽 度。 3 2 3 调相波( 蹦) 已调信号的数字表达式为： ( f ) = 4 c o s 国。f + 曰。+ 女。厂( f ) k p _ 调相器的灵敏度，单位是r a d v 。 其频域表示如下： s m ( 珊) = 蒯。以删) 烈一国。一胛。) 8 了 一坚 + 烈+ o + n o ) 。) 8 。2 其中8p m = kp u a 。 调相波有效带宽的定义为： b m = 2 p 。+ 1 如。 式中。是调相指数，它与0 9 。无关。 3 2 4 调频波和调相波性能比较 频带利用率方面：对于双音或多音调制稍加分析就不难发现 调相波的频谱利用是很不经济的，因为它必须考虑最高调制频率 北方交通人学硕士学位论文第三章 分量的有效带宽，而对于其它调制频率来说这个带宽显得过于浪 费了。而这在调频波中是不存在的。因此在实际应用中调频波要 比调相波广泛的多。 接收端信噪比得益方面：角度调制与线性调制一样，传统卜 在接收端可采用相干解调和非相干解调两种办法来恢复原来的调 制信号。在角度调制系统中，接收信号常采用非相干解调方式为 主，仅在窄带调角时才用相干解调。 1 、相干接收 窄带调角的情况下无论是调频还是调相波均可分为同相分 量和正交