基于EEMD的應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)處理的研究

張友鵬， 梁鵬飛

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

應(yīng)答器作為列控系統(tǒng)中重要的點(diǎn)式車-地信息傳輸設(shè)備對列車的安全運(yùn)行有重要影響[1]。然而在高速鐵路復(fù)雜的電磁環(huán)境中，影響應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)(Balise Uplink Signal，BUS)傳輸?shù)母蓴_因素很多，包括地面應(yīng)答器接收到列控車載設(shè)備應(yīng)答器傳輸模塊(Balise Transmission Module，BTM)天線發(fā)送的下行鏈路高頻電磁能量、強(qiáng)電磁干擾以及時(shí)刻產(chǎn)生的噪聲。這些因素影響應(yīng)答器的電磁傳輸過程，導(dǎo)致列車無法正常運(yùn)行。

在移頻鍵控FSK信號(hào)檢測方面，陳滿堂等[2]利用相位推算法檢測信號(hào)并分析產(chǎn)生誤差的原因，孫艷朋等[3]在小波變換的基礎(chǔ)上利用小波包的方法對車載FSK信號(hào)進(jìn)行濾波處理，證明該方法的有效性，另外，有學(xué)者采用監(jiān)頻法、差分檢波法等檢測FSK信號(hào)。這些方法對檢測純凈的FSK信號(hào)非常有效，而當(dāng)噪聲較大時(shí)，檢測性能就會(huì)下降。應(yīng)答器工作在噪聲強(qiáng)、干擾強(qiáng)的背景下，采用以上方法對其檢測無法得到精確的應(yīng)答器上行鏈路調(diào)頻信號(hào)(Balise Uplink-2FSK，BU-2FSK)。目前在BUS信號(hào)噪聲處理方面國內(nèi)還鮮有研究，采用新的方法對其進(jìn)行檢測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和運(yùn)用價(jià)值。

在對BUS信號(hào)特點(diǎn)以及應(yīng)答器系統(tǒng)工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 (Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)對BUS信號(hào)進(jìn)行處理，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能夠有效檢測并提取BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)，提高車-地信息傳輸質(zhì)量，保障列車的安全運(yùn)行和行車效率。

1 應(yīng)答器系統(tǒng)工作原理

應(yīng)答器系統(tǒng)由地面、車載兩部分設(shè)備組成[4]，其中地面設(shè)備包括：有源應(yīng)答器、無源應(yīng)答器和軌旁電子單元(Lineside Electronic Unit，LEU)。車載設(shè)備主要包括：車載天線、應(yīng)答器傳輸模塊BTM。其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

應(yīng)答器系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)列車通過地面應(yīng)答器上方時(shí)，應(yīng)答器接收到列控車載設(shè)備BTM天線發(fā)送的下行鏈路27.095 MHz的高頻電磁能量作為工作電源，啟動(dòng)應(yīng)答器工作，循環(huán)發(fā)送應(yīng)答器報(bào)文，直至電能消失。

2 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)算法原理

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 (Empirical Mode Decomposition，EMD)是對信號(hào)進(jìn)行平穩(wěn)化處理的過程，根據(jù)信號(hào)頻率特征自適應(yīng)的分解為本征項(xiàng)和趨勢項(xiàng)[5-6]，選擇合適的本征項(xiàng)能起到降噪的作用。但EMD在實(shí)際應(yīng)用中不同頻率的特征成分被分解到同1個(gè)內(nèi)稟模式函數(shù) (Intrinsic Mode Function，IMF)中，或者同一頻率成分出現(xiàn)在不同的IMF中，這種現(xiàn)象稱為模式混淆。一旦產(chǎn)生模式混淆，IMF沒有任何物理意義，EMD的性能也會(huì)下降。

EEMD能夠較好的利用噪聲的統(tǒng)計(jì)特性和EMD的分解原則，有效的抑制EMD的模式混淆現(xiàn)象[7-8]，因此，采用EEMD對BUS信號(hào)進(jìn)行分解。

EEMD原理為[9-10]：在整個(gè)時(shí)頻空間中添加均勻分布的白噪聲，則與白噪聲尺度相關(guān)的信號(hào)將自動(dòng)映射。因?yàn)槊看伪环纸獾男盘?hào)都有白噪聲，而且添加的白噪聲每次都不相同，經(jīng)過足夠次數(shù)的分解后求平均值，噪聲將會(huì)消失。唯一不變的部分是信號(hào)本身。由原理可看出，EEMD分解一個(gè)復(fù)雜信號(hào)得到若干個(gè)IMF，選取適當(dāng)?shù)腎MF重構(gòu)能起到降噪的作用。

3 基于EEMD的應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)處理

列車運(yùn)行時(shí)，列控車載設(shè)備與地面應(yīng)答器之間相互傳輸信息，包括列控車載設(shè)備接收到地面應(yīng)答器發(fā)送的上行鏈路報(bào)文信息；地面應(yīng)答器接收到列控車載設(shè)備BTM天線發(fā)送的下行鏈路27.095 MHz的高頻電磁能量，由于列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲伴隨著BUS的傳輸，使得BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)更加難以提取。信號(hào)經(jīng)過降噪再進(jìn)行提取是傳統(tǒng)的2FSK信號(hào)檢測的基本方法，最常用的降噪方法為小波降噪，但這種降噪方法會(huì)出現(xiàn)閾值選擇的問題：如果閾值選擇的太大，使得降噪的效果不好，不能分離與提取BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)，如果閾值選擇的太小，又會(huì)丟失部分BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)，降低檢測的精度。

EEMD是一種新的噪聲輔助數(shù)據(jù)分析方法，避免了基函數(shù)的選擇以及閾值選擇的問題[11-12]，采用EEMD對BUS信號(hào)降噪處理，提取BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)。設(shè)BUS信號(hào)為x(t)，算法求解具體步驟為[13]

Step1將白噪聲序列添加到BUS信號(hào)x(t)中，得到M個(gè)加入噪聲后的信號(hào)x′(t)。

Step2對其中一個(gè)x′(t)進(jìn)行分解，得到N個(gè)IMF分量。

Step3重復(fù)Step1、Step2，將M個(gè)x′(t)全部分解。

Step4計(jì)算N個(gè)IMF在M次試驗(yàn)之后的平均值作為最終的IMF。

Step5分別作出N個(gè)IMF分量的快速傅里葉變換FFT頻譜圖，從中識(shí)別出各個(gè)頻率段所包含的頻率信息。

Step6分別識(shí)別出BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)，27.095 MHz的高頻電磁能量信號(hào)以及噪聲信號(hào)。

Step7最后重構(gòu)代表BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)的IMF，得到比較精確的BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)，并分析其FFT頻譜圖。

4 仿真及結(jié)果分析

初始化MATLAB編輯器，通過編程得到BUS原始信號(hào)x(t)，見圖2(a)，包含的成分主要有頻率分別為4.512、3.948 MHz的BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)以及27.095 MHz的高頻電磁能量，為無噪聲時(shí)BUS仿真信號(hào)表達(dá)式為

x(t)=cos(2πf1×t)+cos(2πf2×t)+

cos(2πf3×t)

( 1 )

式中:t為時(shí)間;f1、f2、f3為頻率。

圖2(b)為在x(t)中添加高斯白噪聲n(t)之后的BUS信號(hào)，添加噪聲時(shí)的BUS仿真信號(hào)表達(dá)式為

x′(t)=cos(2πf1×t)+cos(2πf2×t)+

cos(2πf3×t)+n(t)

( 2 )

在x(t)中加入n(t)，對其分解、均得到N個(gè)IMF分量。分別作出各個(gè)IMF分量的FFT頻譜圖，分析各個(gè)頻率段包含的信息，識(shí)別出代表BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)的IMF分量，將其重構(gòu)。EEMD算法的建模流程見圖3。對BUS信號(hào)進(jìn)行EEMD分解，分解結(jié)果見圖4。

圖2中x′(t)為要進(jìn)行EEMD分解的BUS信號(hào)，從EEMD函數(shù)的OUTPUT函數(shù)中可知，圖4中的第1個(gè)分量為原始數(shù)據(jù)，能夠看出整個(gè)BUS信號(hào)已經(jīng)被噪聲“污染”，無法檢測出有用的BU-2FSK信號(hào)，因此采用EEMD將BUS信號(hào)分解得到9個(gè)IMF分量。EEMD分解得到的各個(gè)IMF分量中包含BUS原信號(hào)的不同成分，對其進(jìn)行FFT頻率譜分析，得圖5所示的頻譜圖。

圖4中IMF1～I(xiàn)MF10表示信號(hào)頻率從高到低依次排列。原信號(hào)的頻譜圖為IMF1分量。IMF2分量中包含的頻率最復(fù)雜，有下行鏈路27.095 MHz高頻能量、BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)以及噪聲信號(hào)。從圖4可見，原信號(hào)已經(jīng)被噪聲“污染”，除包含個(gè)別比較明顯的頻率特征之外，其余全部為噪聲頻譜。圖5(a)～5 (e)中IMF5分量的信號(hào)主頻約為27.1 MHz，對應(yīng)于地面應(yīng)答器接收到列控車載設(shè)備BTM天線發(fā)送的下行鏈路27.095 MHz的高頻電磁能量；圖5(f) ～5 (j)中IMF6、IMF7分量的信號(hào)主頻約為4.6、3.9 MHz，對應(yīng)于BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)。結(jié)合之前的分析可以得到，IMF6和IMF7這兩個(gè)分量應(yīng)為列控車載設(shè)備接收到地面應(yīng)答器發(fā)送的BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)。這說明BUS原信號(hào)的不同成分被分解在各個(gè)IMF分量中，具有實(shí)際的物理含意。

圖5(a) ～5 (e)中IMF2、IMF3、IMF4分量的幅值存在于整個(gè)頻帶，因此其頻譜類似于噪聲頻譜，另外27.095 MHz的高頻電磁能量存在于這3個(gè)分量中，因幅值較小，在原信號(hào)分析中基本無法檢測，可經(jīng)過EEMD將其分解，表明通過EEMD分解能夠?qū)F(xiàn)場實(shí)際信號(hào)放大。

采用EEMD對BUS原信號(hào)進(jìn)行分解，將信號(hào)的不同成分頻率分解到各個(gè)IMF分量中，從中提取并重構(gòu)有用的IMF分量。本文除IMF6和IMF7外，其余分量相對于BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)都屬于噪聲，因此去除噪聲重構(gòu)IMF6、IMF7兩個(gè)分量得到BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)見圖6。

從圖6和圖2對比中，可見BUS原信號(hào)中含有復(fù)雜的干擾因素，波形“粗糙”，影響觀察和分析，而采用EEMD分解重構(gòu)后的信號(hào)基本還原了BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)特征，信號(hào)比較“干凈”，去噪效果顯著。

圖7(a)為BUS原信號(hào)的FFT頻率譜。在分析圖6所示的BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)波形時(shí)，信號(hào)特征不突出，為了更直觀的表示重構(gòu)信號(hào)的頻率分量，對其進(jìn)行FFT頻率譜分析，圖7(b)為重構(gòu)BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)的FFT頻譜圖。

對比圖7(a)和圖7 (b)，可見圖7(a)中3.9、4.6 MHz的頻率被淹沒在噪聲以及下行鏈路27.095 MHz高頻能量中，且幅值較小，無法有效的檢測及提取；圖7(b)中重構(gòu)后的BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)中3.9、4.6 MHz的頻率比較明顯且幅值較大，對應(yīng)圖中的兩個(gè)峰值。因此，圖6所示的信號(hào)即為BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)。

5 結(jié)束語

在分析車載設(shè)備與應(yīng)答器信息傳輸?shù)幕A(chǔ)上，采用EEMD對BUS信號(hào)分解。該方法能夠有效地分解BUS原信號(hào)的不同成分頻率，結(jié)合FFT變換識(shí)別BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)并將其重構(gòu)。結(jié)果表明EEMD算法分解得到的IMF分量符合實(shí)際情況，在頻率幅值較小時(shí)，EEMD分解能夠?qū)⑿盘?hào)放大，保證信號(hào)能夠被有效的檢測及提取。采用的基于EEMD的信號(hào)處理算法可以有效地提取出BU-2FSK調(diào)頻信號(hào)，可供鐵路信號(hào)檢測以及保證列車的行車安全。