基于復(fù)調(diào)制的ZFFT算法在軌道電路信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用

李國(guó)慶，武曉春

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州　730070)

?

基于復(fù)調(diào)制的ZFFT算法在軌道電路信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用

李國(guó)慶，武曉春

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州730070)

隨著鐵路列車(chē)速度不斷提高，軌道電路信號(hào)面臨的干擾也越來(lái)越復(fù)雜，如何更加準(zhǔn)確的檢測(cè)出軌道電路信號(hào)參數(shù)成為了越來(lái)越重要的課題;由于軌道電路移頻信號(hào)采用頻率參數(shù)傳遞控制信息，因此通過(guò)提高信號(hào)頻譜分辨率的思路來(lái)提高信號(hào)的可靠性，結(jié)合基于復(fù)調(diào)制的細(xì)化快速傅立葉變換(zoom fast fourier transform，ZFFT)算法在信號(hào)頻譜局部細(xì)化領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，考慮軌道電路信號(hào)在頻域范圍內(nèi)的分布特性，針對(duì)軌道電路信號(hào)(FSK信號(hào))的可靠檢測(cè)提出了基于復(fù)調(diào)制的ZFFT算法，該算法通過(guò)將信號(hào)頻譜中感興趣的局部頻段進(jìn)行精細(xì)化處理，來(lái)提高頻譜的分辨率;并通過(guò)仿真進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明此方法檢測(cè)到的移頻信號(hào)低頻滿足誤差標(biāo)準(zhǔn)，提高了軌道電路信號(hào)檢測(cè)的可靠度。

軌道電路信號(hào)； 譜分析； 復(fù)調(diào)制； 精細(xì)化

0　引言

當(dāng)前我國(guó)鐵路干線主要采用ZPW-2000無(wú)絕緣軌道電路[1]，傳輸?shù)能壍离娐沸盘?hào)是相位連續(xù)的移頻鍵控信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的頻率參數(shù)來(lái)傳遞信息[2]，對(duì)ZPW-2000軌道電路信號(hào)頻率參數(shù)的正確檢測(cè)是保證行車(chē)安全行駛的重要保證。隨著車(chē)速的提高和行車(chē)密度的增加，依靠傳統(tǒng)的方法去檢測(cè)和維護(hù)軌道電路設(shè)備已無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患并立即修復(fù)，不能適應(yīng)高密度列車(chē)運(yùn)行的需要。因此，需要有可靠性好、精度高的檢測(cè)方法完成對(duì)鐵路移頻信號(hào)的檢測(cè)。

欠采樣技術(shù)在對(duì)信號(hào)檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用[3]，但本身存在一定的限制。例如，在采樣時(shí)，必須滿足關(guān)系式T=NTs，其中T是信號(hào)周期、Ts是采樣時(shí)間間隔、N為周期的采樣點(diǎn)數(shù)，而且采樣時(shí)所截取的信號(hào)區(qū)段時(shí)間必須是信號(hào)周期的整數(shù)倍，否則其FFT結(jié)果會(huì)發(fā)生混亂，產(chǎn)生頻譜泄漏。而且對(duì)于頻譜分辨率的要求也有限制。

在對(duì)軌道電路移頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為了檢測(cè)到可靠的控制信息，要求信號(hào)的頻譜必須滿足一定的分辨率。根據(jù)采樣頻率fs，采樣點(diǎn)數(shù)N以及頻譜分辨率△f的關(guān)系式△f=fs/N，可知通常提高分辨率的方法是降低采樣頻率fs和增加采樣點(diǎn)數(shù)N，但在實(shí)際中這兩種方法都不可取。因此提出只對(duì)需要觀測(cè)的載頻±40 Hz頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)頻譜進(jìn)行細(xì)化處理[4-5]。由于基于復(fù)調(diào)制的ZFFT算法在信號(hào)頻譜局部細(xì)化處理中，在分析精度、計(jì)算效率、分辨率、靈活性等方面都有著顯著的優(yōu)勢(shì)，提出將其應(yīng)用于軌道電路信號(hào)的檢測(cè)中的思路。

1　基于復(fù)調(diào)制的ZFFT算法的基本原理

復(fù)調(diào)制ZFFT算法主要思路是在對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，我們有時(shí)只對(duì)信號(hào)整個(gè)信號(hào)頻譜中的一小段感興趣，需要細(xì)致的觀測(cè)這一小段頻譜的頻線分布，但如果單純的通過(guò)降低和增加采樣點(diǎn)數(shù)N來(lái)提高分辨率的做法并不可取，因?yàn)椴蓸宇l率fs必須滿足內(nèi)奎斯特原理，而增加N也會(huì)也處理器帶來(lái)更大的運(yùn)算量。因此考慮將感興趣的頻段移至低頻。然后用一個(gè)較低的采樣頻率去對(duì)移至低頻的信號(hào)進(jìn)行采樣，這樣既可以提高頻譜分辨精度，有能夠滿足內(nèi)奎斯特原理。主要處理過(guò)程是：移頻→低通數(shù)字濾波→重新采樣→FFT處理及頻譜分析→頻率調(diào)整這樣一個(gè)過(guò)程[6]。其原理過(guò)程如圖1。

圖1　ZFFT算法原理圖

2　算法在軌道電路信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用

軌道電路移頻信號(hào)采用移頻鍵控(FSK)的調(diào)制方式，主要信息包含載頻、低頻、和頻偏3種頻率參數(shù)。信號(hào)的載頻分為8種，分別是1 698.7 Hz、1 701.4 Hz、2 298.7 Hz、2 301.4 Hz、1 998.7 Hz、2 001.4 Hz、2 598.7 Hz、2 601.4 Hz。代表列車(chē)速度信息的低頻信號(hào)有18種，范圍是10.3～29 Hz，每間隔1.1 Hz為一個(gè)低頻，代表一種控制信息[7]。在列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)車(chē)信號(hào)接收設(shè)備只對(duì)某個(gè)載頻的移頻信號(hào)進(jìn)行譯碼，得到這個(gè)移頻信號(hào)的頻譜圖，通過(guò)分析譜線的分布來(lái)得到信號(hào)所傳輸?shù)男畔8]。

我們以載頻為1700-1，低頻為19.1 Hz，頻偏為11 Hz的軌道電路移頻信號(hào)為研究對(duì)象，進(jìn)行基于復(fù)調(diào)制的ZFFT算法的信號(hào)檢測(cè)，步驟如下。

2.1細(xì)化頻帶范圍的確定

首先確定需要細(xì)化的頻帶范圍，對(duì)于上述研究對(duì)象，采用傳統(tǒng)的FFT技術(shù)對(duì)其直接進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到的波形圖和頻譜圖如圖2。

圖2　移頻信號(hào)的波形與頻譜圖

由于細(xì)化頻帶范圍主要有1 700±40 Hz、2 000±40 Hz、2 300±40 Hz、2 600±40 Hz共4個(gè)，從圖2(b)中可以獲取該移頻信號(hào)的載頻為1700-1或1700-2，可知細(xì)化頻帶的范圍為1 700±40 Hz。

2.2信號(hào)復(fù)調(diào)制

對(duì)信號(hào)進(jìn)行移頻，將1 700±40 Hz頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)移至0～80 Hz內(nèi)，對(duì)采樣得到離散信號(hào)x0(n)乘以e-j2πnf1/fs使細(xì)化頻帶的下邊頻f1=1 640 Hz移至頻率軸的零點(diǎn)位置，移頻后信號(hào)的頻譜圖如圖3所示。

圖3　移頻后的信號(hào)頻譜圖

從圖3(a)中可觀測(cè)到移至低頻后的移頻信號(hào)譜線在頻譜圖中的分布，而在圖3(b)中我們可以看出，盡管對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行了移頻處理，但通帶內(nèi)信號(hào)譜線之間的位置分布及距離并沒(méi)有放生改變。應(yīng)此可以保證準(zhǔn)確的得到低頻的信息。

2.3低通濾波

要保證重新采樣的信號(hào)不發(fā)生混疊，就必須進(jìn)行抗混疊濾波[9]，首先計(jì)算低通濾波器的截止率，由于移至低頻后，我們只需要對(duì)0～80 Hz頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行精細(xì)化處理，所以將低通濾波器的截止率設(shè)定為fc=80 Hz。將移頻后的信號(hào)通過(guò)低通濾波器。

2.4重新采樣

為了得到較高的頻譜分辨率，我們通過(guò)以較低的采樣頻率進(jìn)行重新采樣來(lái)提高分辨率，首先計(jì)算重新采樣頻率f's。由于對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行采樣頻率fs=8 192 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)N=8 192點(diǎn)的FFT運(yùn)算，且要求低頻的誤差應(yīng)低于±0.03 Hz[10]，所以設(shè)定低頻頻譜分辨率△f不能低于0.03 Hz，則△f=0.03=f's/N=fs/DN，其中細(xì)化倍數(shù)D=1/0.03，取整數(shù)的D=34，則f's=fs/D=8 192/34，取整數(shù)f's=240 Hz。因此以頻率240 Hz對(duì)低頻信號(hào)重新采樣，得到信號(hào)x(n)。

2.5復(fù)FFT處理

對(duì)重新采樣得到的離散信號(hào)x(n)進(jìn)行采樣點(diǎn)數(shù)N=8 192點(diǎn)的FFT運(yùn)算。頻譜如圖4所示。

圖4　復(fù)FFT處理后信號(hào)的頻譜

通過(guò)以上步驟，分辨率提高了D倍。在圖中，用最高峰頻率減去40 Hz的值再加上1 700 Hz即為移頻信號(hào)的載頻頻率，其分辨率為0.03 Hz，滿足載頻分辨率大于0.1 Hz的要求。用最高峰頻率減去次高峰頻率的值即為低頻信號(hào)的頻率，滿足分辨率0.03 Hz的要求。以上兩個(gè)過(guò)程過(guò)程可以用編程實(shí)現(xiàn)，經(jīng)多次的仿真結(jié)果再去求平均值，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　仿真測(cè)量結(jié)果

綜上所述，通過(guò)對(duì)移頻信號(hào)的檢測(cè)，得到了信號(hào)的載頻和低頻，且都均滿足誤差要求。而且由于不需要將信號(hào)的頻譜移回實(shí)際頻譜處就可以得到低頻信號(hào)，因此不需要進(jìn)行頻率調(diào)整。

3　在抗干擾中的應(yīng)用

當(dāng)移頻信號(hào)在軌道電路上傳輸時(shí)，由于受到了牽引電流等外界環(huán)境干擾，接受設(shè)備接收到的信號(hào)中可能會(huì)夾雜著干擾信號(hào)[11]。所以，能否在有干擾情況下正確解調(diào)軌道電路信號(hào)，得到正確列車(chē)控制信息，對(duì)行車(chē)效率和安全起著決定性作用。通過(guò)對(duì)軌道電路信號(hào)頻譜的分析發(fā)現(xiàn)，軌道電路移頻信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)與干擾信號(hào)的頻譜有著顯著的區(qū)別[12]，尤其是當(dāng)干擾信號(hào)落在信號(hào)接收頻帶內(nèi)時(shí)，可以利用頻譜特征識(shí)別的辦法將干擾信號(hào)剔除。因而采用頻域的處理方法，來(lái)分辨有用信號(hào)和諧波干擾信號(hào)具有天然的優(yōu)勢(shì)。

首先分析能夠進(jìn)入移頻信號(hào)接受通帶內(nèi)的干擾信號(hào)，由于不平衡牽引電流產(chǎn)生的干擾諧波是基波為50 Hz的諧波，帶來(lái)的干擾主要有：1)50 Hz的34次諧波1 700 Hz進(jìn)入通帶內(nèi)；2)考慮工頻50 Hz的漂移帶來(lái)的干擾，漂移范圍是±1%，則可能有1 666.6 Hz和1 732.5 Hz的干擾諧波進(jìn)入通帶內(nèi)。因此我們加入干擾信號(hào)：x=cos(2*pi*1 700*t)+cos(2*pi*1 666.5*t)+cos(2*pi*1 732.5*t)后，僅用傳統(tǒng)的FFT算法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，其結(jié)果如圖5所示。

圖5　加入干擾后的移頻信號(hào)

由圖5可以看出，信號(hào)的頻率由于干擾已發(fā)生變化，而頻譜檢測(cè)中并不能分辨出高次諧波1 700 Hz信號(hào)，而檢測(cè)出的其他干擾信號(hào)也達(dá)不到分辨率的要求。因此不能可靠檢測(cè)出低頻信號(hào)，下面對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜細(xì)化處理，結(jié)果如圖6所示。

圖6　加入干擾后的頻譜細(xì)化處理

從圖6中可以看出，細(xì)化后的頻譜可以清楚的檢測(cè)出干擾信號(hào)的頻率。我們可以利用信號(hào)頻譜在頻譜內(nèi)分布的特征來(lái)剔除干擾信號(hào)的頻率，將載頻±40 Hz范圍內(nèi)的頻譜分為3個(gè)區(qū)域如圖7所示。

圖7　帶通內(nèi)信號(hào)頻譜劃分圖

頻譜分布規(guī)律如下：

1)A和A'區(qū)域內(nèi)不可能出現(xiàn)軌道電路頻率信息，所以A和A'區(qū)域內(nèi)的譜線可以作為諧波干擾去除。

2) B和B'區(qū)域內(nèi)包含了10.3～29 Hz低頻的一次變頻和10.3～13.6 Hz的二次邊頻，且B和B'區(qū)域內(nèi)低頻信號(hào)關(guān)于載頻對(duì)稱。如果檢測(cè)到的信號(hào)譜線不對(duì)稱，則作為干擾去除。

3)C和C'區(qū)域內(nèi)僅有14.7～19.1 Hz的二次邊頻，且關(guān)于關(guān)于載頻對(duì)稱。如果檢測(cè)到的信號(hào)譜線不對(duì)稱，則作為干擾去除。

利用以上3個(gè)規(guī)律，對(duì)得到的頻譜進(jìn)行處理，將不符合要求的干擾信號(hào)剔除，得到的信號(hào)頻譜可靠性更高，防止因?yàn)楦蓴_，而得到錯(cuò)誤的低頻信號(hào)，影響行車(chē)效率，甚至行車(chē)安全。

4　結(jié)論

通過(guò)分析基于復(fù)解析的ZFFT算法的原理和特點(diǎn)，并結(jié)合移頻信號(hào)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于軌道電路信號(hào)檢測(cè)中，提高信號(hào)頻譜的分辨率，滿足系統(tǒng)所要求的頻譜分辨率，通過(guò)Matlab仿真證明對(duì)移頻信號(hào)頻譜細(xì)化分析的效果明顯，滿足頻譜分辨率。還將其應(yīng)用到諧波干擾防護(hù)方面，通過(guò)仿真證明通過(guò)頻譜細(xì)化，提高分辨率，再結(jié)合移頻信號(hào)頻譜分布特點(diǎn)，可以防止諧波造成的干擾。使檢測(cè)得到的信號(hào)信息更加可靠，從而保證列車(chē)安全運(yùn)行。

[1]董昱.區(qū)間信號(hào)與列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[2]王安，張芳芳，羅曉斌.一種軌道移頻信號(hào)解調(diào)的新方法[J].測(cè)控技術(shù)，2008，27(5):45-47.

[3]王鋼，于珊珊.一種實(shí)時(shí)軌道電路移頻信號(hào)的檢測(cè)方法[J].交通與計(jì)算機(jī)，2006，3(24):74-76.

[4]王麗萍，苗成偉.Z-FFT變換在站內(nèi)軌道信號(hào)解調(diào)中的應(yīng)用[J].電子科技，2011，24(5):35-37.

[5]趙宏強(qiáng).頻譜細(xì)化算法分析[J].四川工兵學(xué)報(bào)，2013，34(5):106-109.

[6]王力，張冰，徐偉.基于MATLAB復(fù)調(diào)制ZOOM FFT算法的分析和實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程，2006(4):119-121.

[7]林瑜筠.區(qū)間信號(hào)自動(dòng)控制[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[8]王瑞峰，高繼祥.鐵路信號(hào)運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[9]張焱，任勇峰，姚宗.抗混疊濾波設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23(1):243-246.

[10]楊世武.高鐵和重載條件下電氣化鐵道干擾對(duì)室外信號(hào)的影響研究[D].北京:北京交通大學(xué)，2014.

[11]李智宇，徐宗奇，趙陽(yáng)，等.高速條件下ZPW-2000A無(wú)絕緣軌道電路耦合干擾分析及對(duì)策[J].中國(guó)鐵道科學(xué) 2010，31(3):99-106.

[12]王燕芩.電氣化牽引回流對(duì)信號(hào)控制系統(tǒng)的干擾分析及防護(hù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2012.

Application of ZFFT Algorithm Based on Multiple Modulation in Detection of Track Circuit Signal

Li Guoqing, Wu Xiaochun

(College of Automation & Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou730070,China)

With the continuous improvement of the train speed, the interference of the track circuit signal is also more and more complex，how to more accurately detect the parameters of track circuit signal is becoming a more and more important issue. Due to the track circuit frequency shift signal passes control information by frequency parameters. Therefore, through improving spectrum resolutions to improve the signal reliability, combinng the advantage of Zoom Fast Fourier Transform(ZFFT) algorithm based on multiple modulation in the field of signal spectrum refinement, thinking distribution feature of track circuit signal in the frequency domain, the ZFFT algorithm based on multiple modulation is put forword for the credible detection of track circuit signal(FSK singal),this algorithm refines the interesting local signal spectrum in the whole signal spectrum, to improve the spectral resolution power. And verifying by simulation, the simulation results show that the low frequency detected of the frequency shift signal is satisfied with the error standard, and the reliability of the signal detection is improved.

track circuit signal; spectrum analysis; multiple modulation; refinement

2015-07-24；

2015-08-25。

國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目 (61164010)。

李國(guó)慶(1989-)，男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士研究生，主要從事軌道電路信號(hào)干擾防護(hù)方向的研究。

武曉春(1973-)，女，河北邯鄲人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事信號(hào)處理方向的研究。

1671-4598(2016)01-0262-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.073

TN911.23

A