錄音技術(shù)在鐵路頻率信號(hào)測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用

喻喜平 吳全堅(jiān)

喻喜平:武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 副教授 430205 武漢

吳全堅(jiān):武漢鐵路局武漢電務(wù)段 高級(jí)技師 430012 武漢

ZPW-2000A移頻自動(dòng)閉塞制式系列低頻信號(hào)豐富，載頻種類多，精度高 (≤ ±0.03 Hz)，鄰碼間隔小 (1.1 Hz)，載頻誤差≤ ±0.15 Hz，－1、－2型的區(qū)分頻差僅為+1.4、－1.3Hz，且對(duì)頻率穩(wěn)定度要求嚴(yán)。制作這種信號(hào)源難度大，軟硬件成本不菲，專用測(cè)試機(jī)具價(jià)格昂貴。因此，考慮一種簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)取代。

移頻軌道電路的載頻處于音頻范圍中容易作不失真處理的頻段，如果繞開(kāi)復(fù)雜的信號(hào)產(chǎn)生、校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換過(guò)程，把現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)移頻信號(hào) (調(diào)頻波)作為一種音源文件錄制下來(lái)，以wav格式存儲(chǔ)于硬盤、閃存、卡或光盤中，形成專用的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)資源庫(kù)，通過(guò)調(diào)用或回放即可參與測(cè)試。由于是一種只讀文件，不會(huì)因元器件及軟件故障引起信號(hào)頻率、幅度的不穩(wěn)，做到了無(wú)誤差、免維修，而且有較好的可操作性。

ZPW-2000A系列接收設(shè)備接收的大都是主軌、小軌2種頻率信號(hào)疊加的復(fù)合信號(hào)，而目前各類ZPW-2000A測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)接收設(shè)備時(shí)都只能送單路信號(hào)，即主軌或小軌信號(hào);某一時(shí)刻只能動(dòng)作1個(gè)軌道繼電器，而現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中的接收設(shè)備一般是主、并機(jī)的主軌、小軌信道同時(shí)工作。顯然，現(xiàn)有的檢測(cè)手段對(duì)接收器電子電路尚不能給出完全的模擬運(yùn)用條件，存在漏檢的可能，這對(duì)多路信號(hào)處理、多路GJ工作是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，因此有必要在測(cè)試系統(tǒng)中增加輸入復(fù)合信號(hào)的功能。可這又會(huì)使得機(jī)具軟硬件更加復(fù)雜。但如果將一個(gè)裝載有復(fù)合音頻信號(hào)的資源子庫(kù)植入測(cè)試系統(tǒng)或直接調(diào)用，問(wèn)題就比較簡(jiǎn)單了?？梢?jiàn)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)資源庫(kù)應(yīng)包括“單路”和“復(fù)合”兩大類信息資源。

1 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)頻率資源庫(kù)制作

1.1 單路音頻文件錄入

以1700-1/10.3 Hz信號(hào)頻點(diǎn)為例，用1臺(tái)ZPW.F發(fā)送器按運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置好封線，作為信號(hào)源母機(jī);將S1、S2輸出的移頻信號(hào) (5級(jí)電平、1701.4 Hz)衰耗至100 mV左右，由二線插頭直接輸入PC機(jī)聲卡的話筒孔 (MIC)，只須單聲道。打開(kāi)電腦附件中的錄音程序，錄制5 s后停止，存儲(chǔ)為171-103.wav文件就完成了。

ZPW-2000A的全部信息共有18低頻×8載頻=144個(gè)，即要制作144個(gè)5 s時(shí)長(zhǎng)的文件。wav文件每秒約80KB，144個(gè)文件占存儲(chǔ)空間約60MB。這些都是單頻點(diǎn)文件，可隨意調(diào)用、排序、組合。為了使用方便，還可以制作一些有低頻遞增功能的文件。例如，將載頻設(shè)為2300-2型，錄制時(shí)從10.3 Hz開(kāi)始，每隔5 s變換一次低頻，依次為11.4、12.5…直至29 Hz，錄完后存為一個(gè)232-103-29.wav文件，其他以此類推。用V3.8等錄音軟件錄音時(shí)間可以更長(zhǎng)。必須指出wav和APE格式是無(wú)損存儲(chǔ)，不推薦使用MP3、WMA等有壓縮的格式。無(wú)論使用哪種錄音軟件，都要設(shè)置成采樣頻率44.1 kHz、16位、單聲道模式。部分單路音頻文件錄制后回放的信號(hào)波形和頻域特性如圖1、圖2所示。

圖1 MP4輸出的2000-1單路信號(hào)

接收設(shè)備的檢測(cè)中還存在帶寬問(wèn)題，其解決辦法是借助將頻率合成器作為母機(jī)，可靈活設(shè)置低載頻值。設(shè)載頻為正弦波，調(diào)制低頻為方波，頻偏11 Hz，在音頻文件的錄制過(guò)程中，對(duì)低頻或載頻作一定間隔 (如0.01 Hz、0.1 Hz)的遞增或遞減，形成“掃頻”文件，文件名后面加S;也可以錄制處于標(biāo)準(zhǔn)通帶邊緣的固定頻點(diǎn)文件，如16.9+、16.9－、17001+、17001－等。錄制低頻帶寬文件時(shí)，只須固定一種載頻，一般為2000-1，文件名后面加字母DD。錄制載頻帶寬文件只須固定一種低頻，一般為18 Hz，文件名后加字母ZD。

圖2 MP4輸出的2000-1單路信號(hào)頻域

1.2 復(fù)合信號(hào)文件錄入

方式一，用2臺(tái)ZPW.F發(fā)送器分別設(shè)置為相鄰區(qū)段載頻，如主軌2000-2、小軌2600-2、低頻18 Hz，其輸出分別衰減后合為一路作為錄制信號(hào)源，操作方法與前述單路單頻點(diǎn)信號(hào)錄入方法相同。要保證送入MIC孔的主軌信號(hào)分量在100 mV左右，小軌信號(hào)的電壓值約為主軌的30%。錄完后存為202-262-18F.wav文件。

方式二，用頻率合成器送出調(diào)頻波進(jìn)行錄制。仍以主軌頻率2000-2、小軌頻率2600-2、低頻18 Hz為例，此處使用Total Recorder 7.1錄音軟件。先在聲卡MIC孔用頻率合成器輸出2600-2調(diào)頻波錄制一個(gè)音頻文件，存盤作為小軌信號(hào)待用，再送2000-2調(diào)頻波作為主軌信號(hào)錄音。在界面上調(diào)取待用的2600-2文件，用“文件-音頻”方式與其進(jìn)行混錄，形成復(fù)合音頻文件。這2次錄制時(shí)在聲卡MIC孔都同樣輸入100 mV電平，混錄時(shí)再在界面上調(diào)節(jié)二者合適的比例 (主軌100%，小軌30%)。當(dāng)然也可根據(jù)需要隨意設(shè)置頻率。此類軟件網(wǎng)上很多，使用方法不贅述。這種混錄方式效果優(yōu)于頻率合成器雙路輸出疊加方式。

用以上2種方式錄制復(fù)合信號(hào)時(shí)，都必須用選頻表測(cè)量，以輸出波形不削頂失真為原則。

復(fù)合信號(hào)因主要用于整機(jī)試驗(yàn)，故低頻、載頻都是標(biāo)準(zhǔn)值，無(wú)須“掃頻”模式，其文件名后面加“F”。部分復(fù)合音頻文件錄制后回放的信號(hào)波形和頻域特性如圖3—圖6所示。

文件雖然多，但常用的也就幾種。百兆級(jí)的數(shù)據(jù)總量一般存儲(chǔ)介質(zhì)體都能接受?，F(xiàn)在無(wú)卡MP4盤容都在8GB以上，所以標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)資源庫(kù)中盡可以裝入大量的，包括其他各種制式的音頻軌道電路標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，其擴(kuò)充性是很好的。該方案具有較高的性價(jià)比，比如5吋超薄MP4播放器價(jià)格僅二百多元，信息若刻錄到CD則有更好的非易失性。

圖6 聲卡輸出的復(fù)合信號(hào)

2 頻率信號(hào)文件的輸出

方式一，文件存于硬盤、光盤或U盤，在電腦耳機(jī)孔用二線插頭輸出，也可從音箱口輸出，這樣普通電腦就成了標(biāo)準(zhǔn)專用信號(hào)發(fā)生器，多種影音軟件直接在界面上調(diào)用播放，輸出范圍0～700 mV，可用于室內(nèi)器材的檢測(cè)試驗(yàn)。采用Total Recorder錄音軟件錄制播放最為理想，其循環(huán)播放完全是無(wú)縫銜接。

方式二，將錄好的wav文件庫(kù)拷貝至MP4播放器中，從耳機(jī)孔用二線插頭輸出。輸出電壓范圍一般為0～1000 mV、30級(jí)可調(diào)，于是MP4播放器就成為一種便攜式的信號(hào)發(fā)生器，成本極低。用音樂(lè)手機(jī)也可以，但耳機(jī)輸出孔需為圓孔，否則要對(duì)U口線轉(zhuǎn)換。

其他方式，從CD、TV以至網(wǎng)絡(luò)輸出。

上述數(shù)碼產(chǎn)品音頻播放界面非常友好，播放、停止、暫停、輸出量調(diào)節(jié)非常方便，多種播放模式為不同場(chǎng)合的測(cè)試提供了便利。比如，將頻點(diǎn)文件用單曲循環(huán)方式播放，可用于連續(xù)觀察某一個(gè)碼的接收狀況;低頻遞增文件順序播放，或各種制式移頻信號(hào)庫(kù)大循環(huán)播放，可用于機(jī)車信號(hào)測(cè)試;掃頻文件和帶寬文件的調(diào)用，則可用于接收設(shè)備的檢修;把播放列表中的所有頻點(diǎn)文件設(shè)為全部循環(huán)方式，適合于整機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)和通測(cè)。界面上顯示的文件名即是對(duì)應(yīng)的碼種，音效模式一般采用ONRM(標(biāo)準(zhǔn))模式，外接功放即可以實(shí)現(xiàn)大功率輸出，也可按需要自行制作播放界面。

3 實(shí)際運(yùn)用情況

PC機(jī)聲卡輸出的移頻信號(hào)用麥科信ME2000軌道電路綜合測(cè)試儀測(cè)試，其載頻低頻達(dá)到了零誤差。用方正電腦 (XP系統(tǒng)、一般檔次板載聲卡)作信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)了ZPW-2000A、UM71系列接收器的測(cè)試。用昂達(dá) (VX580LE)5吋MP4播放器拷入文件后播放也達(dá)到了同樣效果。用低擋MP4播放器的音頻文件錄制有時(shí)要對(duì)載頻頻率作微小修正(1700型 +1 Hz，2000型 +1.1 Hz，2300型 +1.3 Hz，2600型+1.5 Hz)，可借助頻率合成器和移頻頻率計(jì)來(lái)完成。UM71接收器測(cè)試過(guò)程中，用Agilent8904A頻率合成器作信號(hào)源，得到的2300/11.4 Hz低頻鑒頻波形，如圖7所示;在同樣場(chǎng)合用MP4調(diào)用頻率信號(hào)資源庫(kù)文件，發(fā)送同種信號(hào)得到的低頻鑒頻波形，如圖8所示。長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)(播放)運(yùn)行，結(jié)果無(wú)變化。圖9是低頻18 Hz時(shí)2個(gè)鑒頻波形的比對(duì)情況，可見(jiàn)完全沒(méi)有區(qū)別。

檢測(cè)工作中，將頻率信號(hào)資源庫(kù)中的主軌、小軌復(fù)合信號(hào)送入ZPW-2000A接收器，使主軌、小軌繼電器實(shí)現(xiàn)了同時(shí)吸起。若將主、并機(jī)輸入端相連，則能使4個(gè)軌道繼電器同時(shí)吸起，得到了檢修條件下更大程度的運(yùn)用仿真。當(dāng)然，也可用單路移頻信號(hào)對(duì)接收器作各通道的逐一檢測(cè)。

圖9 鑒頻波型的比較

值得提出的是，若在電腦上用2種播放軟件同時(shí)播放任意2個(gè)不同的信號(hào)音頻文件，聲卡輸出可得到其混合信號(hào)波形，這對(duì)某些仿真要求 (如串音干擾等疑難故障分析試驗(yàn))具有意義。用錄音技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)特定場(chǎng)合的信息采集、回放或作進(jìn)一步的頻譜分析，對(duì)鑒定軌道電路的技術(shù)狀況亦有幫助。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于硬件條件所限，上述試驗(yàn)結(jié)果不一定是最好的。這里只是提出了一種理念，固化后的標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)可以作為一種頻率信號(hào)定型模塊，供調(diào)用、移植嵌入，不必費(fèi)財(cái)費(fèi)力的“造”模塊里的東西。使用中按需要調(diào)取，做到一鍵 (觸)自動(dòng)完成，省去專用機(jī)具旋鈕按鈕的麻煩。

現(xiàn)今各類固體錄音片技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。如ISD系列片子錄音時(shí)長(zhǎng)由最初的數(shù)秒已增至千秒以上?？煞侄螖?shù)越來(lái)越多，每段容量也越來(lái)越大。其他系列如LX一次燒寫、超長(zhǎng)錄音片子也層出不窮。與聲卡錄音不同的是，通過(guò)變址可實(shí)現(xiàn)更靈活的文件調(diào)用和拼接，功能擴(kuò)展性更好，在鐵路頻率信號(hào)測(cè)試領(lǐng)域也應(yīng)有較好表現(xiàn)。

［1］ ZPW-2000A無(wú)絕緣自動(dòng)閉塞原理［M］ ．北京:北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院.2004.

［2］ Agilent8904A頻率合成器［M］ ．USA:AgilentAgilent Technologies Inc(安捷倫科技公司).2004.