黃斌

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)柳州市 545616）

1 引言

機(jī)車信號(hào)是裝在機(jī)車司機(jī)室里的機(jī)車色燈信號(hào)機(jī)及其附帶的一些設(shè)備的總稱。它能自動(dòng)地把列車運(yùn)行前方地面信號(hào)機(jī)顯示搬移到駕駛室內(nèi)，有效解決了司機(jī)在大霧、沙塵等惡劣天氣下的列車駕駛。機(jī)車信號(hào)的基本原理是，通過接收天線從軌面上感應(yīng)出軌道傳輸?shù)囊祁l信息，通過信息處理解調(diào)出移頻信息中的低頻信息，不同的低頻信息代表不同的信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)。我國(guó)鐵路干線目前普遍采用了ZPW-2000A型移頻軌道電路作。

機(jī)車信號(hào)在工作過程中，難免出現(xiàn)一些故障，將會(huì)影響行車安全與效率，為了能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)機(jī)車信號(hào)的參數(shù)，通過對(duì)機(jī)車信號(hào)進(jìn)行處理、分析，從而監(jiān)測(cè)機(jī)車信號(hào)參數(shù)狀態(tài)，如機(jī)車信號(hào)接收到列車上的信號(hào)幅度、信號(hào)載頻及低頻信息等，如果某一個(gè)參數(shù)或某幾個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異常或故障，我們可以快速定位異常和故障原因，有效提高列車行車效率。

目前針對(duì)移頻信號(hào)檢測(cè)的研究有很多種算法，大體可以分為兩類，一類為時(shí)域算法，即在時(shí)域下對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理，如自適應(yīng)濾波法、濾波法、盲分離法、自相關(guān)解調(diào)法等。自適應(yīng)濾波法以信號(hào)中的其中一個(gè)邊頻作為自適應(yīng)濾波器的期望信號(hào)，提取其中某一頻率分量，進(jìn)而得到調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)求解調(diào)制頻率，對(duì)含有單個(gè)載頻信號(hào)的效果較好，對(duì)含有多個(gè)載頻信號(hào)的效果較差。直接濾波法通過硬件或軟件直接對(duì)信號(hào)中的頻率進(jìn)行濾波，由于機(jī)車信號(hào)中的上下載頻間隔小，對(duì)濾波器的要求非?？量?，效果不佳。盲分離算法是在源信號(hào)和信號(hào)模型未知的情況下，僅從若干已觀測(cè)到的混合信號(hào)中恢復(fù)出各個(gè)原始信號(hào)的過程，算法復(fù)雜且移定高不高。自相關(guān)解調(diào)法是利用原始信號(hào)與移位后的信號(hào)進(jìn)行相乘，相乘后信號(hào)的包絡(luò)即為低頻信息，但原始信號(hào)的移位數(shù)確定較難，且需要采集大量數(shù)據(jù)。

第二類檢測(cè)算法為頻域算法，通過把原始信號(hào)變換至頻域下進(jìn)行分析處理，主要有小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、傅里葉變換等。小波變換是空間（時(shí)間）和頻率的局部變換，通過變換能夠充分突出問題某些方面的特征，能對(duì)時(shí)間（空間）頻率的局部化分析，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，因而能有效地從信號(hào)中提取信息，所以算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性低。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思想是先將信息化成概念，并用符號(hào)表示，然后根據(jù)符號(hào)運(yùn)算按串行模式進(jìn)行邏輯推理，這種思維方式的根本之點(diǎn)在于，一是信息是通過神經(jīng)元上的興奮模式分布存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)上，二是信息處理是通過神經(jīng)元之間同時(shí)相互作用的動(dòng)態(tài)過程來完成的，所以需要大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練。

鐵路機(jī)車信號(hào)在時(shí)域和頻域各有特點(diǎn)，所以在時(shí)域與頻域中各有檢測(cè)方法，從總體來說，時(shí)域方法簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短，但抗干擾能力差，頻域檢測(cè)方法抗干擾能力強(qiáng)，但算法復(fù)雜、運(yùn)算量大，致使時(shí)效性不高。

為了發(fā)揮頻域檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，考慮計(jì)算處理的實(shí)時(shí)性與多載頻檢測(cè)的穩(wěn)定性，本文是采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）算法對(duì)機(jī)車信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，在保證數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上，減少采集個(gè)數(shù)，進(jìn)而降低采集時(shí)間，提高時(shí)效性，數(shù)據(jù)處理量小，可靠性高。

2 機(jī)車信號(hào)表達(dá)式

2.1 時(shí)域表達(dá)式

機(jī)車信號(hào)中的移頻信號(hào)是相位連續(xù)的移頻鍵控(frequency-shift keying, 簡(jiǎn)稱FSK)信號(hào)。是通過頻率調(diào)制的方式把低頻信號(hào)搬移到較高頻率（載頻f0）上，從而形成振幅相同、頻率隨低頻信號(hào)作周期性變化的調(diào)頻信號(hào)。令低頻調(diào)制信號(hào)為f(t)，周期為T。當(dāng)調(diào)制信號(hào)輸出低電位時(shí)，載頻f0向下偏移?f(稱為頻偏), 即為f0-?f，叫做下邊頻（f1）；當(dāng)調(diào)制信號(hào)輸出高電位時(shí)，載頻f0向上偏移?f，即為f0+?f，叫做上邊頻（f2），見圖1所示，從圖中可以知道。移頻信號(hào)受低頻信號(hào)的調(diào)制而作下邊頻和上邊頻交替變化，兩者在頻率切換處相位連續(xù)并且單位時(shí)間內(nèi)變化的次數(shù)與低頻調(diào)制信號(hào)的頻率相同。

圖1：機(jī)車移頻信號(hào)波形

機(jī)車信號(hào)的信息來源為地面ZPW-2000系列無絕緣軌道電路，通過電磁感應(yīng)原理，通過列車底部的軌道電路接收天線，從鋼軌上感應(yīng)軌道電路信息。ZPW-2000系列無絕緣軌道電路以鋼軌作為導(dǎo)體，用來自動(dòng)連續(xù)不斷的檢測(cè)線路中的移頻信息，通過移頻信息的檢測(cè)可以判斷該線路是否被列車占用的電路，同時(shí)也為列車車載信號(hào)設(shè)備提供行車許可信息。ZPW-2000A系列無絕緣軌道電路采用標(biāo)準(zhǔn)載頻，載頻有4種，每種載頻有兩系，1系為載頻+1.4Hz，2系為載頻-1.3Hz，頻偏?f為11Hz，如表1所示。低頻調(diào)制信號(hào)頻率為10.3+n×1.1Hz，n=0~17，即從10.3Hz至29Hz，每隔1.1Hz一個(gè)共18個(gè)，因此ZPW-2000系列無絕緣軌道電路可以向列車傳輸18種信息。

表1：軌道電路移頻載頻

其信號(hào)表達(dá)式為：

其中A為幅度，

式（1）中，?ω=2πf為移頻信號(hào)的頻率偏移量。

2.2 快速傅里葉變換表達(dá)式

為了有效接收地面移頻軌道電路信息，需要消除電力機(jī)車牽引回流、臨線信號(hào)、電磁感應(yīng)及脈沖信號(hào)的各種干擾，所以對(duì)機(jī)車信號(hào)的處理多采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（DSP），對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效分析，保證分析信號(hào)的準(zhǔn)確性與實(shí)效性。

對(duì)式（1）作FFT變換后，其頻譜為：

A為移頻振幅，f為載頻的中心頻率，m為移頻指數(shù)，m=?f/f, f為調(diào)制頻率，式中，

由鐵路移頻信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)，可以分析出其頻譜。鐵路移頻信號(hào)為相位連續(xù)的信號(hào)，為非線性調(diào)制，所以頻譜分析相對(duì)復(fù)雜。根據(jù)頻譜表達(dá)式可以看出，鐵路移頻信號(hào)的平均功率譜密度是隨頻率f偏離f（低頻調(diào)制信號(hào)），理想無干擾的移頻信號(hào)是由若干個(gè)單一的正弦波信號(hào)交替出現(xiàn)而組成的，由上下邊頻按周期變化來完成。即鐵路移頻信號(hào)頻譜是以載頻為中心，以調(diào)制信號(hào)f為間隔向兩邊展開，調(diào)制頻率越高，其頻譜就越分散，能量越分散。

由于連續(xù)相位移頻信號(hào)的頻率由低頻調(diào)制信號(hào)控制周期變化，由快速傅里葉變換（FFT）分析后，便可計(jì)算出移頻信號(hào)的譜結(jié)構(gòu)，得到移頻信號(hào)的中心頻率f和低頻調(diào)制信號(hào)f等參數(shù)信息，然后通過計(jì)算便可得出上下邊頻信號(hào)。

3 欠采樣技術(shù)與檢測(cè)環(huán)境

3.1 欠采樣技術(shù)

由奈奎期特采樣定理可知，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的2倍才能保證采樣后信號(hào)頻譜不會(huì)發(fā)生混疊，才可以無失真的恢復(fù)原始信號(hào)。而對(duì)于帶通信號(hào)，只需要采樣頻率是被采樣信號(hào)帶寬的2倍以上即可，此類采樣被稱為欠采樣。欠采樣需要滿足條件為：

式中，f為采樣頻率，k為選擇采樣頻率時(shí)對(duì)應(yīng)值，且取大于1的整數(shù)。根據(jù)以上理論，對(duì)于不同的載頻則取不同的k值，載頻的中心頻率為：

3.2 實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境

借助學(xué)校高鐵信號(hào)實(shí)訓(xùn)基地室外線路，由區(qū)間移頻軌道發(fā)送器向線路送相應(yīng)移頻信息，在鋼軌上方210mm處安裝軌道電路接收天線，真實(shí)實(shí)現(xiàn)從地面接收移頻信號(hào)。為保證載頻與低頻誤差低于0.25Hz，考慮運(yùn)算速度， FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)取N=2048，為減少采樣時(shí)間，提高檢測(cè)實(shí)時(shí)性，取采樣頻率為320Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為320點(diǎn)，其余點(diǎn)用零來補(bǔ)充。對(duì)于載頻1700Hz時(shí)k=10，此時(shí)載頻中心頻率為：

對(duì)于載頻2000Hz時(shí)k=12，載頻中心頻率為：

對(duì)于載頻2300Hz時(shí)k=14，載頻中心頻率為：

對(duì)于載頻2600Hz時(shí)k=16。載頻中心頻率為：

具體檢測(cè)環(huán)境如下：

（1）測(cè)試地點(diǎn)在學(xué)院高鐵信號(hào)實(shí)訓(xùn)基地；

（2）區(qū)間移頻軌道電路4個(gè)區(qū)段，發(fā)送器額定輸出功率70W（400Ω負(fù)載），軌面電壓1.8V；

（3）真實(shí)軌道電路接收天線，接收到電壓0.6V；

（4）處理器采用STM32F4系列，時(shí)鐘168MHz；

（5）利用串口輸出采集數(shù)據(jù)與FFT變換數(shù)據(jù)，在Excel中生成圖形顯示。

4 檢測(cè)與分析

4.1 單載頻檢測(cè)與分析

單載頻為信號(hào)中只有一個(gè)載頻的機(jī)車信號(hào)，以下行線載頻為例，由于低頻信息最低為10.3Hz、最高為29Hz，共18種，故選取10.3Hz、20.2Hz、29Hz三種典型低頻為例進(jìn)行實(shí)際采集。

先以載頻為1700-1系（1701.4Hz）、低頻為10.3Hz為例。其采集的時(shí)域信號(hào)波形如圖2所示。

圖2所示波形的疏密與幅度變化相對(duì)均勻，進(jìn)行FFT變換后的波形如圖3所示。

圖2：時(shí)域信號(hào)波形

圖3：1700-1系（低頻10.3Hz）FFT后波形

圖4：2300-2系（低頻20.2Hz）FFT后波形

圖5：2300-1系（低頻29Hz）FFT后波形

4.2 多載頻檢測(cè)與分析

為了減少車輪對(duì)鋼軌的撞擊與旅客乘坐的舒適性，采用了無絕緣軌道電路， 該系統(tǒng)無須切割鋼軌。同時(shí)，為了保證兩個(gè)相鄰軌道區(qū)段中信息不相互干擾，在軌道電路區(qū)段分界處安裝有調(diào)諧單元。當(dāng)列車經(jīng)過軌道電路區(qū)段時(shí)，將會(huì)接收到2個(gè)區(qū)段的移頻信號(hào)。對(duì)于下行線路，軌道區(qū)段的載頻分別以1700-1、2300-2、1700-2、2300-1、1700-1…交替配置，所以在軌道電路分界處接收到的移頻信號(hào)中，含有2種載頻與2種低頻信息。下面以相鄰區(qū)段載頻分別為1700-1與2300-2為例，低頻按照碼序邏輯設(shè)為11.4Hz與13.6Hz、16.9Hz與26.8Hz兩種情況進(jìn)行采集、處理與分析。

先以低頻為11.4Hz與13.6Hz時(shí)為例。采集的時(shí)域信號(hào)如圖6所示。

圖6所示波形與圖2所示波形相比，疏密程度與幅度變化嚴(yán)重畸形，這是因?yàn)閮煞N頻率信號(hào)進(jìn)行了疊加，此時(shí)在時(shí)域處理已相當(dāng)困難。經(jīng)過FFT變換、處理后的波形如圖7所示。

圖6：載頻為1700-1與2300-2時(shí)的采集波形

圖7：載頻為1700-1與2300-2時(shí)FFT波形低頻為11.4Hz與13.6Hz

圖8：載頻為1700-1與2300-2時(shí)FFT波形低頻為16.9Hz與26.8Hz

通過以上分析可知，當(dāng)兩種移頻信息疊加后，該方法能夠有效的檢測(cè)出中心頻率與低頻信息，其頻率最大誤差為0.16Hz，而由于信號(hào)的疊加，使兩種信號(hào)的幅度被削弱。

5 小結(jié)

鐵路機(jī)車信號(hào)在早期處理過程中，是通過設(shè)置4種帶通濾波進(jìn)行解調(diào)的，最后用低頻譯碼，完成地面軌道信號(hào)的接收，這種方法適用在時(shí)速較低的線路與列車上。隨著我國(guó)高速鐵路發(fā)展，鐵路系統(tǒng)對(duì)列車自動(dòng)控制的要求越來越高。鐵路機(jī)車信號(hào)是從地面接收到的軌道移頻信號(hào)，起著對(duì)列車精確控制作用。該信號(hào)以低頻調(diào)制信號(hào)為周期，兩種較高頻率交替出現(xiàn)，幅度相同且相位是連續(xù)的。

文中采用快速傅里葉變換（FFT）對(duì)鐵路機(jī)車信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過對(duì)機(jī)車信號(hào)的載頻與18種低頻信息進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)分析，載頻與低頻FFT檢測(cè)結(jié)果的誤差為1-2個(gè)分辨率，檢測(cè)精度較高。由于對(duì)信號(hào)采集320點(diǎn)，而FFT變換點(diǎn)為2048點(diǎn)，因此頻率分辨率為0.15625Hz。由于采集頻率為320Hz，采集320點(diǎn)，F(xiàn)FT運(yùn)算時(shí)間相對(duì)采集時(shí)間較少，因此采集與運(yùn)算時(shí)間在1.05s左右。而文獻(xiàn)等采集運(yùn)算時(shí)間均在2s以上，相比之下，本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有所提升。

當(dāng)機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)正常工作時(shí)，通過FFT算法進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果在信號(hào)載頻、信號(hào)低頻及幅度均正常，當(dāng)機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，檢測(cè)結(jié)果可快速查到是信號(hào)載頻、信號(hào)低頻及幅度中哪一項(xiàng)或多項(xiàng)出現(xiàn)故障，快速定位故障原因。