李國慶，武曉春

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州　730070)

?

基于復調(diào)制的ZFFT算法在軌道電路信號檢測中的應用

李國慶，武曉春

(蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州730070)

隨著鐵路列車速度不斷提高，軌道電路信號面臨的干擾也越來越復雜，如何更加準確的檢測出軌道電路信號參數(shù)成為了越來越重要的課題;由于軌道電路移頻信號采用頻率參數(shù)傳遞控制信息，因此通過提高信號頻譜分辨率的思路來提高信號的可靠性，結(jié)合基于復調(diào)制的細化快速傅立葉變換(zoom fast fourier transform，ZFFT)算法在信號頻譜局部細化領(lǐng)域的優(yōu)勢，考慮軌道電路信號在頻域范圍內(nèi)的分布特性，針對軌道電路信號(FSK信號)的可靠檢測提出了基于復調(diào)制的ZFFT算法，該算法通過將信號頻譜中感興趣的局部頻段進行精細化處理，來提高頻譜的分辨率;并通過仿真進行驗證，仿真結(jié)果表明此方法檢測到的移頻信號低頻滿足誤差標準，提高了軌道電路信號檢測的可靠度。

軌道電路信號； 譜分析； 復調(diào)制； 精細化

0　引言

當前我國鐵路干線主要采用ZPW-2000無絕緣軌道電路[1]，傳輸?shù)能壍离娐沸盘柺窍辔贿B續(xù)的移頻鍵控信號，通過信號的頻率參數(shù)來傳遞信息[2]，對ZPW-2000軌道電路信號頻率參數(shù)的正確檢測是保證行車安全行駛的重要保證。隨著車速的提高和行車密度的增加，依靠傳統(tǒng)的方法去檢測和維護軌道電路設(shè)備已無法及時發(fā)現(xiàn)故障隱患并立即修復，不能適應高密度列車運行的需要。因此，需要有可靠性好、精度高的檢測方法完成對鐵路移頻信號的檢測。

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

在對軌道電路移頻信號進行檢測時，為了檢測到可靠的控制信息，要求信號的頻譜必須滿足一定的分辨率。根據(jù)采樣頻率fs，采樣點數(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和增加采樣點數(shù)N，但在實際中這兩種方法都不可取。因此提出只對需要觀測的載頻±40 Hz頻帶范圍內(nèi)的信號頻譜進行細化處理[4-5]。由于基于復調(diào)制的ZFFT算法在信號頻譜局部細化處理中，在分析精度、計算效率、分辨率、靈活性等方面都有著顯著的優(yōu)勢，提出將其應用于軌道電路信號的檢測中的思路。

1　基于復調(diào)制的ZFFT算法的基本原理

復調(diào)制ZFFT算法主要思路是在對信號進行檢測時，我們有時只對信號整個信號頻譜中的一小段感興趣，需要細致的觀測這一小段頻譜的頻線分布，但如果單純的通過降低和增加采樣點數(shù)N來提高分辨率的做法并不可取，因為采樣頻率fs必須滿足內(nèi)奎斯特原理，而增加N也會也處理器帶來更大的運算量。因此考慮將感興趣的頻段移至低頻。然后用一個較低的采樣頻率去對移至低頻的信號進行采樣，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)整這樣一個過程[6]。其原理過程如圖1。

圖1　ZFFT算法原理圖

2　算法在軌道電路信號檢測中的應用

軌道電路移頻信號采用移頻鍵控(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。代表列車速度信息的低頻信號有18種，范圍是10.3～29 Hz，每間隔1.1 Hz為一個低頻，代表一種控制信息[7]。在列車正常運行時，機車信號接收設(shè)備只對某個載頻的移頻信號進行譯碼，得到這個移頻信號的頻譜圖，通過分析譜線的分布來得到信號所傳輸?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為研究對象，進行基于復調(diào)制的ZFFT算法的信號檢測，步驟如下。

2.1細化頻帶范圍的確定

首先確定需要細化的頻帶范圍，對于上述研究對象，采用傳統(tǒng)的FFT技術(shù)對其直接進行FFT運算，得到的波形圖和頻譜圖如圖2。

圖2　移頻信號的波形與頻譜圖

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

2.2信號復調(diào)制

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

圖3　移頻后的信號頻譜圖

從圖3(a)中可觀測到移至低頻后的移頻信號譜線在頻譜圖中的分布，而在圖3(b)中我們可以看出，盡管對移頻信號進行了移頻處理，但通帶內(nèi)信號譜線之間的位置分布及距離并沒有放生改變。應此可以保證準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不發(fā)生混疊，就必須進行抗混疊濾波[9]，首先計算低通濾波器的截止率，由于移至低頻后，我們只需要對0～80 Hz頻率范圍內(nèi)的信號進行精細化處理，所以將低通濾波器的截止率設(shè)定為fc=80 Hz。將移頻后的信號通過低通濾波器。

2.4重新采樣

為了得到較高的頻譜分辨率，我們通過以較低的采樣頻率進行重新采樣來提高分辨率，首先計算重新采樣頻率f's。由于對移頻信號進行采樣頻率fs=8 192 Hz，采樣點數(shù)N=8 192點的FFT運算，且要求低頻的誤差應低于±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對低頻信號重新采樣，得到信號x(n)。

2.5復FFT處理

對重新采樣得到的離散信號x(n)進行采樣點數(shù)N=8 192點的FFT運算。頻譜如圖4所示。

圖4　復FFT處理后信號的頻譜

通過以上步驟，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的頻率，滿足分辨率0.03 Hz的要求。以上兩個過程過程可以用編程實現(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　仿真測量結(jié)果

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

3　在抗干擾中的應用

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

首先分析能夠進入移頻信號接受通帶內(nèi)的干擾信號，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，帶來的干擾主要有：1)50 Hz的34次諧波1 700 Hz進入通帶內(nèi)；2)考慮工頻50 Hz的漂移帶來的干擾，漂移范圍是±1%，則可能有1 666.6 Hz和1 732.5 Hz的干擾諧波進入通帶內(nèi)。因此我們加入干擾信號：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算法進行信號檢測，其結(jié)果如圖5所示。

圖5　加入干擾后的移頻信號

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

圖6　加入干擾后的頻譜細化處理

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

圖7　帶通內(nèi)信號頻譜劃分圖

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)低頻信號關(guān)于載頻對稱。如果檢測到的信號譜線不對稱，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)于載頻對稱。如果檢測到的信號譜線不對稱，則作為干擾去除。

利用以上3個規(guī)律，對得到的頻譜進行處理，將不符合要求的干擾信號剔除，得到的信號頻譜可靠性更高，防止因為干擾，而得到錯誤的低頻信號，影響行車效率，甚至行車安全。

4　結(jié)論

通過分析基于復解析的ZFFT算法的原理和特點，并結(jié)合移頻信號的特點，將其應用于軌道電路信號檢測中，提高信號頻譜的分辨率，滿足系統(tǒng)所要求的頻譜分辨率，通過Matlab仿真證明對移頻信號頻譜細化分析的效果明顯，滿足頻譜分辨率。還將其應用到諧波干擾防護方面，通過仿真證明通過頻譜細化，提高分辨率，再結(jié)合移頻信號頻譜分布特點，可以防止諧波造成的干擾。使檢測得到的信號信息更加可靠，從而保證列車安全運行。

[1]董昱.區(qū)間信號與列車運行控制系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

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

[3]王鋼，于珊珊.一種實時軌道電路移頻信號的檢測方法[J].交通與計算機，2006，3(24):74-76.

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

[5]趙宏強.頻譜細化算法分析[J].四川工兵學報，2013，34(5):106-109.

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

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

[8]王瑞峰，高繼祥.鐵路信號運營基礎(chǔ)[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[9]張焱，任勇峰，姚宗.抗混疊濾波設(shè)計在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用[J].計算機測量與控制，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室外信號的影響研究[D].北京:北京交通大學，2014.

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

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

國家自然科學基金地區(qū)項目 (61164010)。

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

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

1671-4598(2016)01-0262-04

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

TN911.23

A