基于dsp轨道移频信号检测设计(TMS320F2812)

1、摘 要铁路是运输系统中非常重要的基础设施，保证铁路的运输系统的安全可靠运行就显得尤为重要。随着我国铁路系统的不断发展，列车进行了多次提速，对铁路区间的可靠性、稳定性都有了更加严格的要求。而列车的区间信号可靠准确传输是列车能否稳定运行的非常重要的条件之一。所以非常有必要对列车轨道信号进行深入研究，这对列车的行车安全、提高运输效率以及满足列车的提速运行具有非常重要的意义。本论文详细讨论了现在主流的用于铁路系统的移频信号，详细介绍了轨道移频信号的构成，以及其调制方式。然后着重对轨道移频信号进行频谱分析，国产18的轨道移频信号频谱特征是：具有双峰，双峰信号的频率平均值就是信号的载频，相邻的峰值频率差为

2、控制信号频率，利用此特点，我们可以用频域检测法对轨道移频信号进行检测。利用数字芯片进行检测则必须引入离散型傅里叶变换，最后简化成FFT。由于轨道移频信号是窄带宽信号，所以可以采用欠采用技术，减少采样点数，增加DSP工作效率。最后本文采用以TMS320F2812芯片为核心，设计了国产18移频轨道信号检测系统。并给出详细电路。关键词：轨道移频信号；FFT；欠采样技术；DSPAbstractRailway is a very important infrastructure in transportation system, guarantee the safe and reliable opera

3、tion of the railway transportation system is particularly important. With the continuous development of China's railway system, train has carried on many times the speed, reliability, stability of railway have more stringent requirements. Interval signal train is reliable and accurate transmissi

4、on is one of the important conditions for the stable operation of the train can. So it is very necessary to deeply study on the train track signal, has a very important significance to speed the train operation safety and improve transport efficiency .This paper discusses the mainstream now for the

5、frequency shift signal of railway system, introduces the frequency shift signal, and its modulation. And the emphasis is on track frequency shift signal spectrum analysis, orbit 18 domestic frequency shift signal spectrum characteristic is: Two peaks. The frequency of the two peaks signals average v

6、alue is the carrier frequency, peak frequency adjacent difference of the frequency of the control signal, using this characteristic, we can detect the track frequency shift signal was detected by using the frequency domain. Using digital chip testing must be introduced into discrete Fourier transfor

7、m, finally simplify to FFT. Due to track frequency shift signal is narrow bandwidth signal, so we can use under sampling technology, reduce the sampling points, increase DSP efficiency.Finally, this paper uses TMS320F2812 chip as the core, the design of domestic 18 frequency shift track signal detec

8、ting system. And has given the detailed circuit.Keywords：frequency-shift signaling, Fast Fourier transform, Under sampled signal, DSPII目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状11.3 论文主要研究内容2第2章 移频轨道电路42.1 轨道电路42.1.1 轨道电路概述42.1.2 轨道电路构成42.1.3 轨道电路的工作原理52.2 闭塞方式分类62.2.1 人工闭塞62.2.2 半自动闭塞62.2.3 自动闭

9、塞72.2.4 移频自动闭塞72.3 移频自动闭塞特点82.4 轨道移频信号频率参数的配置9第3章 移频轨道信号的特点分析103.1 轨道移频信号频谱分析103.2 移频信号的特点14第4章 移频轨道信号的检测方法174.1 概述174.2 主要检测方法介绍184.2.1 限幅鉴频法184.2.2 过零周期检测法194.2.3 测宽法194.2.4 频谱分析法204.3 基于频谱分析的轨道移频信号检测214.3.1 离散傅里叶变换214.3.2 快速傅里叶变换224.3.3 欠采样技术244.4 轨道移频信号欠采样频率的确定26第5章 轨道移频信号系统的设计295.1 轨道移频信号硬件整体设计

10、概括295.2 DSP芯片的选择305.2.1 DSP芯片的介绍305.2.2 TMS320F2812简介315.3 外围电路的设计325.3.1 供电电源325.3.2 时钟电路355.3.3 复位电路365.3.4 信号的预处理375.3.5 键盘接口的设计385.3.6 显示电路设计395.3.7 JTAG接口电路设计415.3.8 外扩RAM电路425.3.9 串口通信电路设计43第6章 软件流程设计446.1 软件总流程设计446.2 子程序设计456.2.1 A/D程序设计456.2.2 键盘程序设计466.2.3 显示电路程序设计476.2.4 串口通信软件设计49结 论51致

11、谢52参考文献53附 录55CONTENTSABSTRACTIICHAPTER 1 PREFACE11.1 Research background11.2 Research status at home and abroad11.3 The main contents of this thesis2CHAPTER 2 FREQUENCY SHIFT TRACK CIRCUIT42.1 Track circuit42.1.1 Track circuit overview42.1.2 Track circuit42.1.3 The working principle of track circui

12、t52.2 Block classification62.2.1 Manual block62.2.2 Semi automatic block62.2.3 Automatic block72.2.4 Shifting frequency automatic blocking72.3 Shifting frequency automatic blocking characteristics82.4 Allocation of frequency shift signal frequency parameters9CHAPTER 3 ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS

13、 OF FREQUENCY SHIFT TRACK SIGNAL103.1 Analysis of the track frequency shift signal spectrum103.2 Characteristics of frequency shift signal14CHAPTER 4 DETECTION METHOD OF FREQUENCY SHIFT TRACK SIGNAL174.1 Summary174.2 The main detection methods184.2.1 Limiter discriminator method184.2.2 Zero cycle de

14、tection method194.2.3 The width measurement method194.2.4 Frequency spectrum analysis method204.3 Spectral analysis of the track frequency shift signal detection based on214.3.1 DFT214.3.2 FFT224.3.3 Owe sampling technology244.4 Track frequency shift signal under the determination of sampling freque

15、ncy26CHAPTER 5 THE DESIGN OF FREQUENCY SHIFT SIGNAL SYSTEM295.1 Track frequency shift signal hardware design summary295.2 Choice of DSP chip305.2.1 DSP chip introduction305.2.2 TMS320F2812 introduction315.3 Peripheral circuit design325.3.1 Power supply325.3.2 The clock circuit355.3.3 Reset circuit36

16、5.3.4 Signal preprocessing375.3.5 The design of keyboard interface385.3.6 The display circuit design395.3.7 The design of JTAG interface circuit415.3.8 External RAM circuit425.3.9 Serial communication circuit design43CHAPTER 6 SOFTWARE DESIGN PROCESS446.1 Software flow design446.2 Subroutine design4

17、56.2.1 A/D program design456.2.2 Keyboard programming466.2.3 The display circuit design program476.2.4 The serial communication software design49CONCLUSION51ACKNOWLEDGEMENTS52REFERENCES53APPENDIX55第1章 绪论1.1 课题研究背景铁路作为国民经济的重要基础设施，是交通大动脉，作为人员和大众货物的主要运输工具，为经济发展、社会进步、提高人们生活质量做出很大贡献。随着科技发展，列车运行速度不断提高以及重载

18、发展对铁路运输系统是一个很大的挑战。为了提高运输能力，除了提高列车运行速度，增加新干线外，信号通信设备的技术改造及干线通信测量系统的配套建设，积极发展铁路自动化，也具有十分重要的意义。信号设备一般分为车站联锁设备、区间闭塞设备、机车信号和列车运行控制设备、调度监督和调度集中设备、驼峰调车设备和道口信号设备。闭塞是区间的行车组织方法。区间闭塞设备主要有半自动闭塞和自动闭塞1。当前机车运行所用的检测控制信号基本上为移频信号，故对自动闭塞区间的移频信号进行深入探究具有很大的意义。1.2 国内外研究现状我国铁路应用的列车信号是建立在机车轨道电路基础上的连续或者接近连续式的列车信号。历史上，我国不同线路

19、的区段有各种类型的自动闭塞，不同的自动闭塞制式产生不同制式的机车信号。不通的机车信号与相应的自动闭塞制式配套，但相互之间不能通用，同时相同制式下的非电气化和电气化的区段内不能通用。所以建立一套铁路列车信号的统一规范标准是非常重要的。当前，我国铁路列车信号实行统一标准规范化，目的是能够保证铁路运行过程中的快速性和安全性。我国铁路信号主要是用相位连续的移频键控调制方式（简称FSK方式）。FSK信号是利用数字信号对载波频率进行键控调制的信号。通过此种信号对列车的位置等工作状态进行检测，其中有几项参数必须检测，分别是载频频率、低频频率和频偏以及上下边频。在信号检测方面，一些发达国家已经具有非常成熟的理

20、论基础并研制出适合本国需求的检测仪表。现如今，传统方法已经不能满足当今铁路快速发展，随着芯片产业的发展，使得现如今的芯片具有速度更快，容量更大，消耗功率更低等明显优势，这为我国的移频信号控制系统发展提供了有利条件。本世纪初至今，我国一些科研机构以及高校对此进行了大量研究并取得了一些成果。1.3 论文主要研究内容本论文的目的是研究轨道移频信号的检测方法，并分析如何能快速准确的检测出信号的参数，主要检测的参数有：低频调制频率、载频中心频率、频偏、以及上下边频频率。现将各部分分别介绍如下：第一部分主要介绍轨道电路以及闭塞原理并介绍它们的载频分配特点以及低频配置情况；第二部分主要利用傅里叶变换对信号进

21、行频谱分析，说明移频信号频谱特点，同时介绍在工程中非常实用的快速傅里叶变换（FFT）以及欠采样技术。对以上各部分给出MATLAB仿真；第三部分主要介绍移频信号检测系统的主要硬件设计方案以及硬件选择；第四部分主要说明整个系统工作流程，给出相应的总程序流程图以及子程序流程图。2第2章 移频轨道电路2.1 轨道电路2.1.1 轨道电路概述轨道电路是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。 整个轨道系统路网以适当距离区分成许多闭塞区间，各闭塞区间以轨道绝缘接头隔开，形成一独立轨道电路，各区间的起始点皆设有号

22、志机（色灯式号志），当列车进入某闭塞区间后，则该区间轨道电路立即反应，并向相邻闭塞区间传达本区间已有列车通行，禁止其他列车进入的信息至信号机，此时位于区间入口的信号机，立即显示险阻禁行的信息。2.1.2 轨道电路构成轨道电路由钢轨线路和钢轨绝缘构成，其有两个作用，一是监督铁道路线的占用情况，也就是利用轨道电路监督机车在区间或机车和调车车列在站内的占用情况，反映该区间段线路是否空闲，为开放信号和建立进站提供依据2。二是将列车的运行和信号显示联系起来，就是通过轨道电路像机车传递列车行驶信息。移频自动闭塞系统使用轨道电路是为了传递不同频率的信息来反映在当前列车前面行驶列车的确切位置，并决定了各个信号

23、机信号灯的显示，为列车的行驶提供确切的运行命令。轨道电路的线路是由钢轨绝缘、钢轨条和轨端连接线等组成。钢轨绝缘是为了分割划分回路而设置的。两个绝缘节之间的钢轨线路，称为轨道电路。轨端连接线是为了减小钢轨接头处的电阻值并接通钢轨电路。轨道电路由铁路的钢轨作为导体，并在两段加上机械或电气绝缘，以及送电设备和受电设备所组成的电路。实际电路图请见图2-1。2.1.3 轨道电路的工作原理图2-1 轨道电路构成示意图根据上图来对轨道电路工作原理进行具体分析3：当铁路的某个区段内为空闲时，轨道继电器与轨道电源可以组成回路，所以轨道继电器GJ线圈吸合，并发送指令命令相关路段的信号灯显示为绿色。当该区段有列车通

24、过时，由于列车的车轮具有非常良好的导电性，所以，轨道继电器流过的电流会大大减小，于是轨道继电器内的电流也会减少很多，其线圈由于吸力过小而使原来吸合的衔铁释放，此时接通了红色信号机的电路，于是信号灯变成红色，而绿色信号灯熄灭。此电路的目的是防止列车的后方列车距离前方列车的距离过短，从而防止追尾等事故的发生。2.2 闭塞方式分类闭塞设备是提高运输效率、保证区间行车安全的区间信号设备。我国目前主要采用的是半自动闭塞和自动闭塞。半自动闭塞大多用于单线铁路,而自动闭塞则更多用于双线铁路。2.2.1 人工闭塞是以人工记录列车的运行位置和控制色灯信号机的闭塞方法。在发车前，接发车双方的车站或线路所共同确认闭

25、塞区间是处于空闲状态，然后发车的车站或线路所使用路签机、路牌、路票等记录本段区间已经被占用，并把占用信息通过电话、电报等手段通知接车的车站或线路所。接车的车站或线路所有责任在列车到达后检查车辆到达编组是否完整，是否有部分车厢滞留在区间未到达。在列车到达前，发车车站应阻止后续运行的列车进入这一区间，接车车站应阻止反向运行的列车进入这一区间。2.2.2 半自动闭塞是以人工确认区间空闲，发车后由轨道电路判断车辆进入区间后自动把区间设置为占用状态的闭塞方法。此种闭塞需人工办理闭塞手续，列车凭出站信号机的进行显示发车，但列车出发后，出站信号机能自动关闭，所以叫半自动闭塞。列车进入区间后，轨道电路会连锁控

26、制色灯信号机，把占用信息通知到双方车站。车辆到达后，仍需要人工检查车辆到达编组完整，由人工把区间状态复位为空闲状态。2.2.3 自动闭塞是以计轴设备自动计算进入该区间的车轴数目和离开该区间的车轴数目，从而自动判断区间空闲状态的闭塞方法。通过列车运行及闭塞分区的情况，通过色灯信号机可以自动变换显示，列车凭信号机的显示行车，这种闭塞方法完全是自动控制进行的，不需要人工操纵，故叫自动闭塞。自动闭塞是由运行中的列车自动完成闭塞任务的一种设备。车辆进入或离开区间将自动连锁控制色灯信号机的状态。2.2.4 移频自动闭塞由于轨道信号传输的距离较长，为了增加信号传输距离并增加信号的抗干扰性，所以出现了使用移频

27、信号来传送信息的方法。现以图示说明来解释移频自动闭塞区段信号传输，当列车A占用闭塞分区a时，防护该闭塞区间的通过信号机2显示红灯。此时通过信号机2的发送设备则自动向后方闭塞分区的接收设备b，发送以26Hz为低频、中心载频850Hz的移频信号，当防护闭塞分区b的通过信号机4的接收设备收到此移频信号后，使通过信号机4显示黄灯。此时通过信号机4的发送设备也自动向其后方闭塞分区c发送以15Hz为低频，调制中心频率650Hz的移频信号，在防护闭塞分区c的通过信号机6的接受设备收到此移频信号后，使通过信号机6显示绿灯。同样，信号机6的发送设备又自动向闭塞分区d发送以11Hz调制中心频率850Hz的移频信号

28、,当防护闭塞分区d的通过信号信号机8的接受设备收到此移频信号时，通过信号机8也点亮绿灯。因此追踪列车B的司机可以以正常运行状态驾驶机车4。图2-2 移频自动闭塞区段信号传输示意图2.3 移频自动闭塞特点根据移频自动闭塞的调频原理，再通过合理设置低频和载频的频率，并对系统结构进行优化，使得此种制式具有以下几个特点：一是既适用非电化区段，同时也适应电气化区段；二是具有较高的抗干扰性，并且通过系统结构改造和采用高速芯片处理技术，可以加快处理速度，增加信息量。三是符合故障安全的原则，在受到干扰或故障情况下，能够以最快的速度消除干扰和故障。在移频自动闭塞中，低频信号用于控制通过信号机的显示信号，载频f0

29、是作为低频的载频，并且能很大程度上的增加抗干扰能力，整个移频信号中最重要的是基频的测量信号，直接指挥列车的运行，因此准确测量移频信号中的基频信息非常重要。2.4 轨道移频信号频率参数的配置移频信号以载频f0为中心，选择频偏f即可确定上下边频，实际在传输信号的时候上下边频交替变换，每交替一次所用时间称作时间T，这个时间T称为信号的低频周期。我国自动移频闭塞设备的中心频率一共采用四种，即上行线路采用650Hz和850Hz，下行线路采用550Hz和750Hz。而低频控制信号频率有四种分别为11Hz、15Hz、20Hz、26Hz，分别对四种中心频率f0进行调制后的信号波形，频偏f统一为55Hz。由此可

30、知，每个闭塞区间轨道中所传输的移频信号，实际上市上边频fh和下边频fl两个交替变换的正弦交流信号，即有fhfl再有flfh每秒内变换fc次，它们的频率如表2-1所示：表2-1 国产18信息铁路移频信号频率表f0（Hz）f（Hz）f1（Hz）f2（Hz）f0（Hz）f（Hz）f1（Hz）f2（Hz）55055495605750556958056505559570585055795905在工程应用中，需要在信号检测时达到的频率指标为：载频频率误差：0.30Hz低频调制频率误差：0.30Hz频率分辨率：0.10Hz16第3章 移频轨道信号的特点分析3.1 轨道移频信号频谱分析移频键控（简称FSK）调

31、制是一种利用频率差异的信号来传送资料的调制方式。移频键控信号具有抗扰能力强，频谱有效带宽小，相应的移频自动闭塞系统适应性广、信息量大、反应速度快、既可以分散又可以集中等诸多优点，因此在铁路通信系统中获得了广泛应用。现轨道电路一般都采用相位连续的移频键控信号。下面我们对移频信号的频谱进行特性分析。首先假设监控移频信号的低频信号f(t)的时间表达式为5：ft=A -T4<t<T4-A T4<t<T4 (3-1)式中 A方波的振幅； T信号的周期。图3-1 方波信号函数当经由ft调制后，移频信号的角频率和频率偏移（简称频偏）量为：=kA f=kA2 (3-2)其中k为系数，代

32、表移频器的灵敏度，单位是Hz/V经低频调制后的移频信号波的瞬时角频率变化为：t=0+ -T4<t<T40- T4<t<3T4 (3-3)移频信号的瞬时相位为：t=tdt=0+kf(t)dt=0+gt (3-4)式中gt=kftdt=t -T4<t<T4 kftdt=tT2-t T4<t<3T4 (3-5)故移频信号瞬时表达式可写成：St=A0cost=A0cos0t+gt (3-6)图3-2 移频信号示意图为了研究方便写成复数形式并取其实数部分St=ReS(t) (3-7)写成复变函数形式：S(t)=A0ej0t+g(t)=A0ej0tejg(t

33、) (3-8)由于移频信号是周期信号，所以此函数也是周期函数，故可以用复数形式的傅里叶积分表示，即：ejg(t)=n=-Cnejn1 (3-9)其中 1基频，其值为2/T; Cn傅里叶系数，它的数值如下：Cn=1T-T43TTejg(t)e-jn1tdt (3-10)现将（3-5）式代入（3-10）得：Cn=1T-T4TTejg(t)e-jn1tdt+1TT43TTejg(t)e-jn1tdt (3-11)将上式积分化简得：Cn=1Tjej-n1T4-e-j(+n1)T4(-n1)-e-j+n1T4-ej+n1T4+n1 (3-12)定义m为移频指数，m值为：m=1=ff1 (3-13)由于e

34、jn+e-jn=2cos(n)，且ejn-e-jn=j2sin(n)，可得： Tj+n1=T1j1+n=2jm+n (3-14)同理可得Tj-n1=T1j1-n=2j(m-n) (3-15)T4j+n1=T41j1+n=2j(m+n) (3-16)T4j-n1=T41j1-n=2jm-n (3-17)又由式（3-18）e-jnT2=e-jn=1ejn=1cosn+jsin(n)=(-1)n (3-18)得到：Cn=sin2m-nm-n+-1nsin2m+nm+n (3-19)现将（3-9）代入（3-8）可得：St=A0n=-Cnej0+n1t (3-20)再将（3-19）代入（3-20）可得

35、St =A0n=-sin2m-nm-n+-1nsin2m+nm+nej0+n1t=A0n=-ej0+n1tm2-n2m+nsinm2cosn2-cosm2sinn2+-1nm-nsinm2cosn2-cosm2sinn2 (3-21)将（3-21）代入（3-6）可得经方波调制的移频信号频谱表达式：St=A0n=-1m2-n2m+nsinm2cosn2-cosm2sinn2+-1nm-nsinm2cosn2-cosm2sinn2×cos0+n1t(3-22)由（3-22）式可推导出中心频率分量的相对幅度为：H(n)=1msinm2 (3-23)奇数次分量的相对幅度为：H0(n)=mco

36、sm2m2-n2 (3-24)偶数次分量的相对幅度为：He(n)=msinm2m2-n2 (3-25)3.2 移频信号的特点由（3-23）、（3-24）、（3-25）可知，移频信号的每个边频分量幅度的相对值都由一品指数m决定，而m的取值又由式（3-13）决定，通过以上的一系列数学计算并结合移频信号频域表达式分析可得到以下结论6：（1）轨道移频信号频谱最大的特点就是以载频为中心，两边的边频各自延伸并由无限成对边频构成且一般呈现出对称分布，即两边对称的边频大小相等。（2）轨道移频信号出现了新的频率分量并没有维持初始的低频调制方波的频谱特点，所以移频信号为非线性的调制，不能看做是方波信号频谱在它的频

37、率轴的搬移。（3）轨道移频信号的频谱的能量分布及频谱形状受移频指数m的影响很大，所以移频指数m增大时，移频信号频谱中载频分量将减小，边频的分量将增大，移频信号的能量会向两边带扩散，而移频指数m减小时，轨道移频信号频谱中载频分量将增大，边频的分量将减小，信号的能量会向载频中心靠近。同时伴随着m的增大，移频信号频谱会由单峰谱转变为双峰谱。所以，在m较大的状态时如果要求无失真传输轨道移频信号，则要占用相对宽的频带，见图3-3，图3-4所示。图3-3 国产M18移频信号频谱图3-4 法国UM-17移频信号频谱从图3-3可见，对于国产18信息移频信号，由于移频指数m大于1，载频中心频率的成分比较小，谱线

38、的能量都聚集在f0±f的上、下边频的附近各次的谐波上，而频谱图则会出现双峰谱即(两个包络峰值)，越靠近上、下边频，它的谱线能量的分布会越大，从图3-4可见，对于引进法国的UM-71移频信号，因为移频指数m小于或者接近于1，所以载频中心频率的分量最大，调制频率的分量比载频中心频率能量小，频谱图上会出现一个包络峰值，即单峰谱。对于图3-3和图3-4来说，它们代表的是两种不同制式的轨道移频信号的频谱在无泄漏状态下所具有的特点。详细观察这两幅图，可以发现它们均具有极强的对称性以及各自的单双峰谱特性。第4章 移频轨道信号的检测方法4.1 概述由上章的移频信号的时域与频域数学模型的分析以及对其特

39、点进行研究得知轨道移频信号是一种相位连续的移频键控信号，其本质是一种频率调制信号。故对其进行参数检测也是对移频信号进行解调。解调是调制的逆过程，也就是把要传递的信号经过编码调制后传输过来的信号进行还原，目前以研究出多种移频信号的检测方法，根据移频信号的接收端是否需要提供相干的载波分为相干解调与非相干解调两种方法7。对于一般而言，非相干的应用要更广泛一些，虽然相干解调法的性能要比非相干的解调法性能要好很多（因相干解调法具有很强的抗干扰能力）。但相干解调法在使用时有一个限制条件，就是检测信号的接受部分必须提供准确的相位以及频率的相干载波。而非相干解调法则不需要接受端必须提供相干载波。而只需要根据自

40、己的需要以及相应信号波的特点进行相关检测，其电路设计也是十分简便的，所以这一章我们着重研究非相干法的信号检测。非相干解调又可划分为数字法和模拟法两大类。对于模拟法，常用的有限幅鉴频法和过零周期检测法；数字法有时域检测法以及频域检测法，时域检测法常用的是测宽法，此种检测方法简单易行，且有很快的处理速度，并且成本低，但由于其受到了元器件的温度漂移影响测量精度甚至根本不能完成基本检测要求。所以这种方法在实际应用中受到了很大的限制。随着数字芯片的发展，使得短时间内进行高速运算成为可能，在轨道信号方面使得频域的检测得到人们的关注，主要是短时间内的傅里叶变换频谱分析，这种频域检测方法使得检测信号的抗干扰能

41、力得到了极大提高，所以频域检测方法目前被广泛采用，故对轨道电路的移频信号进行分析具有很重要的意义。4.2 主要检测方法介绍移频信号的主要方法有限幅鉴频法、过零周期检测法、测宽法以及频谱分析的方法，所以先简单介绍一下这几种方法。4.2.1 限幅鉴频法限幅鉴频法是模拟检测法中非常常用的一种，本质是通过限幅和鉴频共同作用来实现低频信号的解调。限幅是用限幅器对移频信号中的寄生调幅屏蔽掉，使它变成相对纯粹的移频信号，当检测到的信号幅值超过或低于参考值时，输出电平将被限制在某一范围内。鉴频是使用鉴频器将信号的频率变化转化为幅度变化，然后经幅度检波提取低频调制频率信息，如图所示为，限幅鉴频法对轨道信号的低频

42、调制检测过程。图4-1 限幅鉴频法流程由图可知对轨道移频信号第一步是通过带通滤波器对信号进行滤波，把杂散信号进行滤除，然后经过限幅器将信号中的高幅度和低幅度信号进行限幅，然后通过鉴频器将频率改变转化成电平幅值改变，最后通过滤波器将出低频外的信号进行滤除，最终输出低频信号完成解调。4.2.2 过零周期检测法过零周期检测法又称零交点法或计数法，其实质就是轨道信号在变换是会过零点，根据单位时间内过零点的次数可以检测出来信号的频率，轨道信号进入该系统后经过滤波器将杂散信号滤掉然后通过过零比较器将信号转变成方波然后通过计数器计数并进行计算可算出信号的上边频以及下边频。这种方法是基于时域的检测方法，具有监

43、测时间短，即时性好等特点，但此种方法对信号的质量以及计数脉冲要求较高，尤其是轨道进入滤波器是一定要将与轨道信号无关的杂散信号滤出干净，否则很难达到要求指标，极容易发生错误计数。由于轨道信号一般不容易满足这种要求，所以此种方法在轨道电路中不适合使用，该方法的原理流程图如图所示。图4-2 过零周期检测法流程4.2.3 测宽法测宽法是利用被检测信号中的不同波形宽度以及波形的变化来获得检测信号各种频率的参数信息。其基本原理是：首先利用确定频率的计数脉冲来检测各个波形的宽度，然后对各个波形进行比较，从而区分出上边频、下边频和上、下两个边频的切换波形，最后可以利用上、下连个边频的宽度信息分别的出上、下边频

44、的频率，并用相邻两个波形的宽度计算出低频调制频率。此种方法与过零周期检测法类似，也属于一种时域的检测方法，并且也具有检测速度快等优点，但此种方法对被检测信号质量有较高的要求，同时也需要计数脉冲有较高的稳定性。此外，此种方法最大不足就是抗干扰能力差，当存在一定的干扰时，被检测的过零点可能会发生改变，对检测信号宽度产生影响，导致其检测精度差。如果要采用此种方法来检测轨道电路移频信号时，对抗干扰能力等问题进行改进优化后才可使用。4.2.4 频谱分析法频谱分析法，是将对时域信号通过傅里叶变换变成频域领域中，通过特定算法来分析计算轨道信号的各个频率参数的方法。通过上面一章的分析发现，轨道移频信号的频谱特

45、征比较明显，所以利用频谱分析法对轨道信号进行检测是目前比较流行的方法之一，轨道移频信号需要检测上、下边频，以及中心频率和低频。轨道移频信号是以载频为中心，以低频频率的整数倍向外扩散且幅值关于中心频率点对称，并且当频率越接近上、下边频时的谱线能量就会越大，一般通过选择上、下相邻的几根谱线就可以准确识别轨道移频信号的特点，从而得出中心频率、上下边频以及低频。且通过此方法使整个系统的抗干扰能力变强，使得在比较恶劣的铁路环境中仍然能准确的识别信号。所以此种方法能否应用到工程中取决于是否有一种好的算法。下面我们将对此进行详细说明。4.3 基于频谱分析的轨道移频信号检测4.3.1 离散傅里叶变换傅里叶变换

46、是一种特殊的积分变换，他能将满足一定条件的函数表示成由不同幅值和周期的三角函数的线性组合，将一种函数变成多种有规律的函数的组合，在信号处理中便于对信号的频域进行分析。同时傅里叶变换也广泛用于统计学、物理学等诸多领域。在不同的领域中，傅里叶变换具有不同的意义。在数字信号处理中，计算机只能处理离散信号序列，并且这些离散信号是有限长的。所以必须对傅里叶变换进行改进，将连续的信号通过采样变成离散型信号然后再进行处理。下面对离散傅里叶变换进行介绍。我们用x(n)表示周期为N的离散周期序列，则此周期序列的傅里叶级数（DFS）表示成8：Xk=n=0N-1x(n)WNkn k=- +xn=1Nk=0N-1Xk

47、WN-kn n=- + (4-1) 上式中WN=e-j2N，尽管式子中标注的n，k都是从-到+，实际上只能算出N个独立的值，DFS无论在时域、频域都是周期的，且都是离散的。周期序列实际上只有有限个离散序列值有意义，因此我们可以对其进行拓展到有限长的序列上。对于长度为N的有限序列x(n)，x(n)在n=0到N-1点上有意义且有效，其余的值均为0，即xn=xn 0nN-10 n为其他值 (4-2)xn=r=-x(n+rN)以序列x(n)为主值序列并以N为周期延拓得到周期序列x(n)，所以它们之间的关系为：xn=xn 0nN-10 n为其它值 (4-3)根据离散周期序列的傅里叶级数（DFS）可得出有

48、限长序列x(n)的离散傅里叶变换（DFT）公式：Xk=n=0N-1xnWNkn k=0,1,N-1xn=1Nk=0N-1XkWN-kn n=0,1,N-1 (4-4)上面的式子中WN=e-j2N，在使用上式的时候无论x(n)是否为周期序列，都应该把其看作是某一周期序列的一个周期，若x(n)是有限长的序列，我们令其长度为N，若x(n)为无限长的序列，我们可以用矩形窗将其截成N点，然后把这N点序列视为周期序列x(n)的一个周期。4.3.2 快速傅里叶变换快速傅里叶变换（FFT）就是将x(n)分解成比较短的序列，并以其较短序列为周期进行离散的傅里叶变换，根据DFT变换的特点进行化简分析，创造出快速傅

49、里叶变换的方法，并得到即时的信号频谱，这种思想是从较短序列的DFT中求出频域X(k)这种思想方法而得来的，此种变换极大的提高了离散傅里叶变换的效率。这种算法的形式一般分为两个大类：分别是时域抽取法（DIT-FFT）与频域抽取法（DIF-FFT）。虽然是两种不同的算法，但它们的功能是一样的，下面以DIT-FFT的算法为例来详细说明。将时间n按奇、偶分开，称为时间抽取算法（decimation in the time，DIT）。所以长度为N（为了方便实现FFT所以通常N=2v，v为整数）的序列x(n)按奇、偶分成两组，用n=2m表示为偶数项，n=2r+1表示为奇数项，而m=0,1,N/2-1，于是

50、DFT可表示为9： Xk=m=0N2-1x2mWN2mk+m=0N2-1x2m+1WN2m+1k=m=0N2-1x2mWN/2mk+WNkm=0N2-1x2m+1WN/2mk (4-5)由于WN=e-j2N，则WN2=WN2WN2=e-j2N,WN2=e-j2N/2 (4-6) 此时对式（4-5）进行部分因式替换后得：Xk=m=0N2-1x(2m)WN/2mk+WNKm=0N2-1x(2m+1)WN/2mk=Z1k+WNkZ2k (4-7)上式中Z1k=m=0N2-1x2mWN2mk并且Z2k=m=0N2-1x(2m+1)WN2mk其中Z1k和Z2k分别是序列x(n)的奇数项和偶数项且长度为N

51、/2的序列的DFT。尽管k的取值范围是从0到N-1，但由于Z1k和Z2k都是周期的，并且其周期均为N/2，于是Z1k、Z2k都只要计算N/2个值。一个N点的DFT就被分解为两个N/2点的DFT。所以，Z1k+N2=Z1k (4-8)Z2k+N2=Z2k (4-9)在这里还要注意一点，上面提到过：WNnk=e-j2Nnk (4-10)由于WNnk是周期函数，所以：WNn(N-k)=WN-nk (4-11)并且还满足：WNnk+N2=-WNnk (4-12)所以此时把（4-6）、（4-8）、（4-9）代入（4-5）并利用（4-12）可得：Xk=Z1k+WNkZ2k k=0,1,N2-1 (4-13

52、) Xk+N2=Z1k-WNkZ2k k=0,1,N2-1 (4-14) 重复以上过程，即可得到x(n)的快速傅里叶变换结果10。4.3.3 欠采样技术在对信号进行采样是，满足什么条件能实现无失真还原我们有一个非常重要的定理奈奎斯特（Nyquist）采样定理，为了保证信号的频谱在频域分析是不发生频谱混叠并能无失真还原，要求信号的采样频率必须满足如下条件11：fs2fmax (4-15)其中fmax为信号的最高频率，当采样频率低于最高频率的两倍时，采样信号的频谱可能发生混叠现象，从而造成采样信号频率与原信号频率不同，即频谱发生畸变或频率混乱。根据离散型傅里叶变换的性质，信号频谱的频率分辨率是采样频率fs与FFT长度N的比值，即：fN=fsN (4-16)从上式我们可知，为了保证所测量的频域分析信号能达到足够的