一種鐵路機(jī)車(chē)信號(hào)時(shí)域檢測(cè)方法的驗(yàn)證與思考

黃斌

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西柳州 545616

機(jī)車(chē)信號(hào)又被稱為機(jī)車(chē)自動(dòng)信號(hào),設(shè)在機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組的駕駛室內(nèi),用來(lái)有效自動(dòng)地反映鐵路列車(chē)運(yùn)行前方地面信號(hào)機(jī)的顯示狀態(tài)，從而輔助司機(jī)安全駕駛列車(chē)。我國(guó)的鐵路干線主要采用了ZPW-2000A型無(wú)絕緣移頻自動(dòng)閉塞系統(tǒng)，該系統(tǒng)中ZPW-2000A無(wú)絕緣軌道電路作為鐵路運(yùn)輸信號(hào)基礎(chǔ)安全設(shè)備，已經(jīng)被確立為今后鐵路發(fā)展的統(tǒng)一制式。

機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)中，機(jī)車(chē)信號(hào)接收器從鋼軌上接收到ZPW-2000A軌道電路信息，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)處理，恢復(fù)出低頻調(diào)制信號(hào)。為保證列車(chē)的行車(chē)安全，要求機(jī)車(chē)信號(hào)檢測(cè)應(yīng)非?？煽?，目前針對(duì)移頻信號(hào)檢測(cè)的研究普遍轉(zhuǎn)向抗干擾能力強(qiáng)的頻域分析法，產(chǎn)生了很多種算法。但這些算法由于要處理的數(shù)據(jù)多運(yùn)算量大，普遍必須依靠昂貴的超大容量處理器或外接存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的效率和可靠性。而在時(shí)域算法方面，也存在多種算法，如自適應(yīng)濾波法[1-2]、濾波法[3]、盲分離法[4]、自相關(guān)解調(diào)法[5]等，本文對(duì)參考文獻(xiàn)[5]中自相關(guān)解調(diào)算法進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，分析了該方法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，并且針對(duì)缺點(diǎn)提出了一種解決方法。

1 機(jī)車(chē)信號(hào)與算法原理

1.1 機(jī)車(chē)信號(hào)

在鐵路發(fā)展史中，地面信號(hào)機(jī)一直是列車(chē)司機(jī)行車(chē)的指令，由于信號(hào)機(jī)裝在鐵路線的路側(cè)，因此，司機(jī)的視線受線路曲線、隧道等影響，給瞭望前方條件帶來(lái)了很大困難，在大雪、大雨、沙塵暴、大霧等較為惡劣的天氣下，地面信號(hào)機(jī)的顯示無(wú)法被司機(jī)看清。此外，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提高，特別是高速動(dòng)車(chē)組的出現(xiàn)與運(yùn)用，依靠地面信號(hào)行車(chē)已無(wú)法保證列車(chē)運(yùn)行安全。如以200km/h的速度行駛的列車(chē)，當(dāng)司機(jī)發(fā)現(xiàn)地面信號(hào)機(jī)顯示紅色信號(hào)時(shí)，即使立即使用緊急制動(dòng)，但是列車(chē)存在巨大慣性，會(huì)沖出前方信號(hào)機(jī)，造成“冒進(jìn)”。因此，高速列車(chē)單純依賴地面信號(hào)機(jī)來(lái)行車(chē)已不再安全。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研制出了機(jī)車(chē)信號(hào)機(jī)，它被裝在機(jī)車(chē)司機(jī)室內(nèi)，用于把地面信號(hào)“搬移”到車(chē)上，顯示同地面信號(hào)機(jī)顯示意義一致的信號(hào)，司機(jī)在行車(chē)過(guò)程中以機(jī)車(chē)信號(hào)機(jī)顯示為主，以地面信號(hào)機(jī)顯示為輔，從而保證了行車(chē)安全，提高了運(yùn)行效率，也改善了司機(jī)的工作條件。

機(jī)車(chē)信號(hào)如何把地面信號(hào)“搬移”到列車(chē)上呢？首先，軌道電路采用ZPW-2000A移頻軌道電路，軌道電路中有地面信號(hào)機(jī)顯示的對(duì)應(yīng)低頻信息，如地面信號(hào)機(jī)顯示紅燈，此時(shí)本區(qū)段軌道電路移頻信息中的低頻信息為26.8Hz，顯示意義為“禁止列車(chē)越過(guò)前方信號(hào)機(jī)”。其次，鋼軌上部、列車(chē)底部安裝有軌道電路接收天線，當(dāng)列車(chē)在線路上運(yùn)行時(shí)，接收天線從鋼軌中接收移頻軌道信息，送往信息處理模塊。最后，通過(guò)信息處理模塊解調(diào)后，根據(jù)低頻信息來(lái)控制機(jī)車(chē)信號(hào)機(jī)顯示相應(yīng)燈光，如果接收到26.8Hz的低頻信息，則機(jī)車(chē)信號(hào)機(jī)顯示半紅半黃的燈光，表示禁止列車(chē)越過(guò)前方地面信號(hào)機(jī)，與地面信號(hào)機(jī)顯示紅燈意義一致，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)顯示的“搬移”。

1.2 時(shí)域算法原理

ZPW-2000A移頻軌道信號(hào)采用相位連續(xù)的移頻鍵控(frequency-shift keying，簡(jiǎn)稱FSK)信號(hào)[6]。即通過(guò)頻率調(diào)制的方法，把低頻調(diào)制信號(hào)搬移到較高頻率(載頻f0)上，以形成振幅不變、頻率隨低頻信號(hào)的幅度作周期性變化的調(diào)頻信號(hào)。設(shè)鍵控信號(hào)為低頻調(diào)制信號(hào)f(t)，周期為T(mén)，時(shí)間表示式為：

(1)

其中A為方波的振幅，低頻調(diào)制信號(hào)輸出低電位時(shí)，載頻f0向下偏移Δf(稱為頻偏)，為f0-Δf即fl，叫作下邊頻；當(dāng)?shù)皖l調(diào)制信號(hào)輸出高電位時(shí)，載頻f0向上偏移Δf，為f0+Δf即fh，叫作上邊頻。移頻信號(hào)受低頻信號(hào)的調(diào)制而進(jìn)行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[7]。

f(t)=Acos[ω0t+g(t)]

(2)

其中：

式中，Δω=2πf為移頻信號(hào)的頻率偏移量。波形如圖1所示。

圖1 機(jī)車(chē)移頻信號(hào)波形

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]知道，移頻信號(hào)用余弦信號(hào)表示為x(t)=cos(ω0t)，將原信號(hào)與延時(shí)τ后的信號(hào)進(jìn)行相乘，如下：

x(t)·x(t-τ)=cos(ω0t)·cos[ω0(t-τ)]

(3)

式中B=cos(ω0τ)/2，可見(jiàn)B與移頻信號(hào)的頻率和延時(shí)τ有關(guān)，在頻率不變時(shí)，B不變，如fh=1712.4Hz，ω0=2πfhτ。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出最佳的B值。

2 算法驗(yàn)證與分析

2.1 驗(yàn)證環(huán)境

機(jī)車(chē)信號(hào)來(lái)自實(shí)際ZPW-2000A發(fā)送器輸出信號(hào)，引到鐵路沙盤(pán)軌面上，形成4個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段接收端有短路電阻，在軌面上方10cm處懸掛接收線圈，模擬機(jī)車(chē)從軌道上感應(yīng)移頻軌道信息，形成機(jī)車(chē)信號(hào)信息。感應(yīng)到的軌道電路信號(hào)通過(guò)低頻濾波、幅度放大、電壓采樣并送給處理器處理。

根據(jù)奈奎斯特定律，當(dāng)采樣頻率低于2倍頻譜峰值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頻譜混淆現(xiàn)象。當(dāng)采樣頻率超過(guò)2倍時(shí)，其頻譜不會(huì)出現(xiàn)混淆。奈氏標(biāo)準(zhǔn)的另一種表示方式是：理想的低通信元每秒傳送兩個(gè)符號(hào)。如果符號(hào)的傳送速度超出奈氏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，符號(hào)間會(huì)發(fā)生相互干擾，導(dǎo)致接收方不能準(zhǔn)確地判斷符號(hào)。

對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)采集時(shí)，為減少采集帶來(lái)的干擾且保證信號(hào)幅度的準(zhǔn)確性，一般采集頻率是被采集信號(hào)最高頻率的2.5倍以上，在ZPW-2000A中最高頻率大于2600Hz，所以采樣頻率應(yīng)大于6500Hz，一方面保證采集幅度的準(zhǔn)確性，另一方面保證頻率誤差盡量小，這里最終的采樣頻率為12800Hz。驗(yàn)證環(huán)境如下：

(1)真實(shí)移頻軌道信號(hào)，在開(kāi)路情況下，軌面電壓2.0V。

(2)軌面上方10cm安裝空芯方形感應(yīng)線圈，內(nèi)徑22mm×39mm，線徑0.15mm，電感量180mH，內(nèi)阻283Ω，厚度5mm。

(3)利用感應(yīng)線圈接收到移頻軌道信號(hào)作為機(jī)車(chē)信號(hào)，然后對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)放大50倍后，輸入處理器的信號(hào)的峰峰值大約3.0V。

(4)處理器采用STM32F4高性能單片機(jī)，時(shí)鐘168MHz；采樣頻率12800Hz。

2.2 STM32F4單片機(jī)

STM32F4單片機(jī)的內(nèi)核為Contex-M4，最高頻率168MHz，并擁有FPU單元，有利于浮點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)算。Contex-M4有數(shù)據(jù)總線、指令總線、系統(tǒng)總線，三條總線通過(guò)總線矩陣與片上的各種資源和外設(shè)連接。

AHB1總線上的最高頻率為168MHz，每組GPIO端口連接在AHB1總線上，8個(gè)16位端口和1個(gè)12位端口，為單片機(jī)輸入輸出提供高速通道。

AHB1總線分出兩條外設(shè)總線，分別為APB1總線和APB2總線。APB2是高速外設(shè)總線，其最高頻率84MHz，主要外設(shè)有EXTI、TIM1、TIM8～TIM11、USART1、USART6、SPI1和3個(gè)ADC。

2.3 采集驗(yàn)證

由前述可知，機(jī)車(chē)信號(hào)中的低頻信息最低為10.3Hz，為能采集出完整的一個(gè)周期的10.3Hz信號(hào)，考慮到采集開(kāi)始點(diǎn)為隨機(jī)，預(yù)留半個(gè)周期，因此至少采集最小低頻10.3Hz的1.5個(gè)周期。設(shè)采集點(diǎn)為N，則

(4)

考慮到處理過(guò)程中數(shù)據(jù)的移位等，這里采集點(diǎn)N取2149點(diǎn)。數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸出，由Excel生成圖形展示。先以載頻為1700-1系(1701.4Hz)、低頻為10.3Hz為例，圖2為2149點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。

圖2 1700-1系載頻，低頻為10.3Hz的采集信號(hào)

數(shù)據(jù)移位通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，移位數(shù)據(jù)盡量小，在此采樣頻率下τ=149時(shí)效果最好，該數(shù)值對(duì)四種載頻的-1系、-2系均可。兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘，由于移位149個(gè)點(diǎn)，輸出數(shù)據(jù)點(diǎn)為2000。移位處理函數(shù)程序如下：

void scox(float *xn，int time，int lenth)

{ int i；

for(i=0；i

{ xn[i]=xn[i]*xn[i+time]；}

}

函數(shù)中xn為輸入信號(hào)，time為數(shù)據(jù)移位數(shù)，這里time=149，lenth為輸入信號(hào)數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度，為2149點(diǎn)。波形如圖3所示：

圖3 兩信號(hào)相乘后的自相關(guān)波形

由圖3可以看出，通過(guò)自相關(guān)解調(diào)算法處理后的數(shù)據(jù)，已經(jīng)形成了幅度具有低頻信息包絡(luò)的信號(hào)。為了使獲得的包絡(luò)信號(hào)比較平滑，需要進(jìn)行對(duì)自相關(guān)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，平滑后的信號(hào)通過(guò)數(shù)字檢波與濾波后，濾除掉高頻信號(hào)，留下低頻信號(hào)濾波系數(shù)取0.06。平滑程序如下：

void Pinghua(float *xn，int len)

{ int i；

for(i=0；i

{ if(xn[i]>xn[i+1]) {xn[i+1]=0.99*xn[i]；} else{xn[i]=xn[i+1]；} }

}

平滑后的信號(hào)通過(guò)數(shù)字檢波與濾波后，濾除掉高頻信號(hào)，留下低頻信號(hào)，其函數(shù)程序如下所示：

void lv(float *yn，int len，float u)

{ int i；

for(i=1；i

}

函數(shù)中yn為輸入信號(hào)，u為濾波系數(shù)，該系數(shù)取0.06，len為輸入信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，此處為2000點(diǎn)。通過(guò)處理后的波形如圖4所示：

圖4 低頻包絡(luò)信號(hào)波形

低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字施密特觸發(fā)進(jìn)行整形，就可以轉(zhuǎn)為方波信號(hào)，其函數(shù)如下：

void fangbo(float *xn，int len)

{ int i；

float max，min，pingjun，shangp，xiap；

max=xn[0]；//最大值

min=xn[0]；//最小值

for(i=0；i

{ if(max<=xn[i]) { max=xn[i]；}//獲取最大值

if(min>=xn[i]) { min=xn[i]；}//獲取最小值

}

pingjun=(max+min)/2.0；

shangp=pingjun+(max-min)/50.0；//上偏值

xiap=pingjun-((max-min)/50.0)；//下偏值

if(xn[0]>=pingjun)//第一個(gè)數(shù)據(jù)

{ xn[0]=1； }else //大于上平均值為1

{ xn[0]=0； } //否則為0

for(i=1；i

{ if(xn[i]>shangp)

{ xn[i]=1； } //大于上偏值為1

else if(xn[i]

{ xn[i]=0； }//小于下偏值為0

else

{xn[i]=xn[i-1]；}//否則保持為1或者0，符合施密特觸發(fā)

}

}

經(jīng)過(guò)處理后數(shù)據(jù)波形如圖5所示：

圖5 低頻包絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)為方波信號(hào)

由本例中可以看出，上升沿與下降沿坐標(biāo)依次為145、781、1381，可以計(jì)算出低頻為12800/(1381-145)=10.36Hz。當(dāng)載頻為1700-1系、低頻為29Hz時(shí)，得到的方波信號(hào)如圖6所示。

圖6 載頻為1700-1系、低頻為29Hz時(shí)的方波

通過(guò)計(jì)算可得低頻為29.27Hz。通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)4種載頻、18種低頻信息進(jìn)行反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，形成了低頻檢測(cè)驗(yàn)證報(bào)表，如下表所示：

低頻檢測(cè)平均值與最大誤差表

從上表中可以看出，18種低頻中，算法的檢測(cè)結(jié)果的次數(shù)越多，平均值越接近理想值，最大誤差值隨著低頻的變大有逐漸減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谕瑯硬蓸狱c(diǎn)的情況下，低頻越高，采集到的周期越多，計(jì)算的檢測(cè)平均值就越接近理想值。

2.4 結(jié)果分析與思考

綜合結(jié)果來(lái)看，參考文獻(xiàn)[5]中自相關(guān)解調(diào)算法檢測(cè)機(jī)車(chē)信號(hào)低頻信息，在2149采樣點(diǎn)下，可以發(fā)現(xiàn)單次檢測(cè)結(jié)果誤差較大，且誤差不規(guī)律，多次檢測(cè)平均結(jié)果相對(duì)較好，因此，該算法整體表現(xiàn)并不理想。從數(shù)據(jù)分析可以推測(cè)，如果增加采樣點(diǎn)數(shù)，單次檢測(cè)結(jié)果誤差會(huì)漸漸變小，但需要增加采樣點(diǎn)數(shù)，從而增加運(yùn)算量。參考文獻(xiàn)[5]對(duì)機(jī)車(chē)信號(hào)的載頻信息檢測(cè)采用FFT技術(shù)、重心法頻譜校正技術(shù)以及邊界判斷算法，導(dǎo)致算法復(fù)雜，運(yùn)算量大。

根據(jù)以上分析，由于機(jī)車(chē)信號(hào)頻率為ZPW-2000A軌道信號(hào)，以1700Hz為例，1700-1型載頻的中心頻率為：f0=1701.4Hz，1700-2型載頻的中心頻率為：f0=1698.7Hz，1700-1型與1700-2型的中心頻率相差2.7Hz，故可采用FFT算法直接求解。在采樣頻率為12800Hz下，采集12800個(gè)點(diǎn)，間隔D=25個(gè)點(diǎn)取一個(gè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行N=1024點(diǎn)FFT變換，得到進(jìn)行FFT變換的頻率分辨率為：

(5)

如前述分析結(jié)果，在12800點(diǎn)數(shù)據(jù)下獲得的低頻信息更加精確。同時(shí)，該分辨率是可以滿足要求[7-8]的。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)自相關(guān)解調(diào)算法的驗(yàn)證與分析可以發(fā)現(xiàn)，在采樣數(shù)據(jù)較少的情況下，檢測(cè)出機(jī)車(chē)信號(hào)低頻信息的結(jié)果存在較大誤差，但在提高采樣數(shù)據(jù)的情況下，計(jì)算出的低頻信息誤差較小，滿足技術(shù)要求。通過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行間隔25點(diǎn)抽樣，然后進(jìn)行1024點(diǎn)FFT變換，此時(shí)FFT變換分辨率也滿足技術(shù)要求，有效地克服了參考文獻(xiàn)[5]的精度不高、運(yùn)算量大、采樣時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，為機(jī)車(chē)信號(hào)的可靠檢測(cè)提供參考。