（电路与系统专业论文）铁路信号传输与车载接收模拟系统的研制.pdf

中文摘要 摘要：铁路信号系统是为了保证行车安全、提高运输效率和改善劳动条件而诞生 和发展的。铁路信号向列车发送指令和信息，以控制列车运行的线路、间隔和速 度，并显示当前列车线路及设备的状态，从而保证列车高速安全的行驶。铁路信 号发展的方向主要是实现高度自动化、智能化，以便保证行车和各种作业的安全、 准确，提高效率。 本文构建并实现了基于d s p 的铁路轨道信号的传输与车载接收模拟系统，该 系统以浮点处理器t m s 3 2 0 v c 3 3 为数据处理核心，以定点处理器 1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 为控制核心，主要包括信号发送设备、传输钢轨、信号接收线圈、 信号解码设备、8 显示信号显示设备等，实现了铁路轨道信号的传输、车载接收、 译码以及执行上灯控制等，支持国内现有四种制式铁路轨道信号。 系统解调部分采用频域分析与时域分析相结合的方法、频域模式识别技术和 信号分级策略完成四种制式机车信号的自动识别和实时解调。 铁路轨道信号传输与车载接收模拟系统在2 0 0 8 全国t id s p 大奖赛系统组中， 获得全国优胜奖。该系统可以为教学提供实验和演示，也可以为机车信号仿真、 开发研究提供一个平台。把输入信号换成铁路实际信号，就可以仿真机车信号一 些功能，从而可以利用其研究机车信号的各种新算法、新功能，也可以查找和定 位铁路现场信号的故障，具有广泛的应用前景。 关键词：d s p ：铁路轨道信号传输；车载接收；实时解调 分类号：t n 9 1 1 7 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h er a i l w a ys i g n a ls y s t e mi s b r o u g h ta n dd e v e l o p e dt oe n s u r et r a f f i c s a f e t y , i m p r o v et r a n s p o r te f f i c i e n c ya n dw o r k i n gc o n d i t i o n s r a i l w a ys i g n a ls e n d s i n s t r u c t i o n sa n di n f o r m a t i o nt oc o n t r o lt h et r a i nl i n e ，t i m ei n t e r v a la n ds p e e d ，d i s p l a y s c u r r e n tt r a i nl i n ea n de q u i p m e n ts t a t u s ，s oa st oe n s u r et h es a f e t yo f h i g h s p e e dt r a i n t r a f f i c f u t u r ed e v e l o p m e n t o f r a i l w a ys i g n a li st oa c h i e v eah i g h e rd e g r e eo f a u t o m a t i o n a n di n t e l l i g e n ti no r d e rt oe n s u r et r a f f i cs a f e t ya n di m p r o v e e f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , as i m u l a t i o ns y s t e mf o rr a i l w a y s i g n a lt r a n s m i s s i o na n do n - b o a r dc l b s i g n a lr e c e i v i n gi sc o n c e i v e da n di m p l e m e n t e d t h es y s t e mu s e sad s pc h i p t m s 3 2 0 v c 3 3a sd a t ap r o c e s s o ra n dat m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 aa sa c o n t r o l l e r 伽l 盯p a r t so f t h es y s t e mi n c l u d eas i g n a lg e n e r a t o r , a l l e x p e r i m e n t a lr a i lt r a n s m i t t i n gd e v i c e , a r e c e i v i n gl o o p ，ar e c e i v i n gd e m o d u l a t o ra n da ne i g h t s i g n a ld i s p l a yd e v i c e t h es y s t e m s i m u l a t e st h er a i l w a ys i g n a l s w o r k i n gp r o c e s s ，i n c l u d i n gt r a n s m i s s i o n ，r e c e i v i n g , d e c o d i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h ee i g h t - s i g n a ld i s p l a yd e v i c e t h es y s t e ms u p p o r t sa l lt h e e x i s t i n gr a i l w a ys i g n a ls t a n d a r d su s e di nc h i n a t h ed e m o d u l a t i o np a r to ft h es y s t e mu s e sam i x e dm e t h o dw h i c hc o m b i n e s f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sw i t h t i m ed o m a i na n a l y s i s i ta l s om a k e su s eo ft h e t e c h n i q u e so ff r e q u e n c yp a t t e r nr e c o g n i t i o na n ds i g n a lq u a l i t yc l a s s i f i c a t i o nt or e a l i z e t h ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o na n dr e a l - t i m ed e m o d u l a t i o no ft h ef o u rs t a l l d a r dr a i l w a v s i g n a l s t h es i m u l a t i o ns y s t e mo fr a i l w a ys i g n a lt r a n s m i s s i o na n do n - h o a r dc a bs i g n a l r e c e i v i n ga c h i e v e st h ec h a m p i o ni nt h en a t i o n a ld s pc o m p e t i t i o no r q a n iz e db yt ii n 2 0 0 8 t h i ss y s t e mc a np r o v i d en o to n l ya ne x p e r i m e n t a la n dd e m o n s t r a t i n gm o d u l ef o r t h et e a c h i n gp u r p o s e , b u ta l s oap l a t f o r mf o rc a bs i g n a ls i m u l a t i o nf o rt h ep u r p o s eo f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t r e p l a c i n gt h eg e n e r a t e di n p u ts i g n a lw i t ha c t u a l r a i l w a y s i g n a l s ，s o m ef u n c t i o n so fac a bs i g n a lc a nb es i m u l a t e dt oa s s i s tt h er e s e a r c ho fn e w a l g o r i t h m sa n df e a t u r e so fc a bs i g n a l s i tc a na l s ob eu s e dt os e a r c hf o ra n ye r r o ro r f a i l u r eo fs p o tr a i l w a ys i g n a l t h e r e f o r e ，t h es y s t e mc a nf i n dw i d e a p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：d s p ；r a i l w a ys i g n a l t r a n s m i s s i o n ；o n - b o a r dr e c e i v i n g ；r e a l t i m e d e m o d u l a t i o n c l a s s n o ：t n 9 1 1 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师杜普选副教授的悉心指导下完成的，杜普选副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来杜老师对我的关心和指导。 杜普选副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我极大的关心和帮助，使我在两年多的时间不仅学习到了理论知识，更学到 了许多为人处世的道理。杜老师严谨的治学态度、豁达的人生观将不断激励我在 今后的人生道路上不断前进。在此向杜普选老师表示衷心的谢意。 杜普选副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。感谢杜老师在研究生阶段帮我创造的条件和空间，使我有机会做实 时d s p 技术和浮点处理器此门课程的助教工作，这段经历全方位的锻炼了我的 能力。杜老师系统的为我讲解了铁路信号的相关理论和技术，从而为我论文的整 体思路打下了基础。同时杜老师乐观的性格和积极的生活态度给了我深远的影响， 激励我积极面对学习和生活中的问题，在此向杜普选老师表示衷心的谢意和敬意。 在我就读研究生期间，闻跃老师、张树德老师、养雪琴老师、郭九峰老师、 邵小桃老师、刘颖老师、刘文才师兄、马庆龙师兄也都给予了我悉心的指导和无 微不至的关怀，经常不厌其烦的为我解答问题。他们扎实的理论知识、丰富的工 程经验和开阔的思维给了我极大的启示和帮助。在此，我向他们表示诚挚的感谢 和敬意。感谢刘文才师兄对我论文中系统硬件实现部分的宝贵建议和莫大帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，司昱、庄娜、姜晓庆、赖女女、钟伟、蒋文 栋、孟英、王雪丽、张琳娟、李博等同学对我论文中的铁路信号研究工作给予了 热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。感谢姜晓庆同学对我论文中t v m 4 3 0 信号的解调和测试部分的帮助。 另外也感谢我的父母和家人，他们抚育我长大，在远方默默关注我的成长， 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。感谢所有关心我的朋友， 是他们在我无奈与烦恼的时候给我以鼓励，让我继续前进，勇往直前! 1 综述 1 1 铁路安全与铁路信号 铁路运输的基本任务是运送旅客，运送国民经济建设和工农业生产中所需要 的货物。因此，运输的安全是运输中永恒的主题。另外，在运输中，如何能使铁 路运输效率最高，达到高密度、重载和高速，也是运输中追求的目标。影响铁路 安全的因素可分为铁路外部因素和铁路内部因素。铁路外部因素又可分为人为和 自然灾害两部分，铁路的内部因素主要表现为各种铁路设备的不良和违章作业两 大方面。因此，从铁路一开始出现，人们就采用信号指挥列车运行。 铁路信号设备是铁路运输的基础设施，也是保证行车安全、提高运输效率和 改善劳动条件的重要设备。铁路信号向列车发出指令和信息，以控制列车的运行 方向、运行线路、运行间隔和速度，并显示列车移动、线路及信号设备的状态。 从而有效的保证调度指挥和控制列车运行，组织列车编解和调车作业，提高运输 水平【1 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，铁路信号成功的应用了微电子、现代通信、自动控制和 计算机等先进技术，把过程控制、数据采集和处理等连成一体，促进了铁路运输 生产和铁路运营管理现代化的发展，如今，随着信息技术和网络技术的发展，铁 路信号的传统理念正在改变，信号的功能逐步扩大，铁路信号作为一种重要的信 息与控制技术，具有全程全网和高安全高可靠的特点，在铁路运输更大的范围， 得到了更广泛的应用，发挥了越来越重要的作用。铁路信号作为铁路运输信息化 运营管理的一种不可缺少的手段，不但已经成为了铁路信息技术的三大支柱( 即 通信、信号、计算技术) 之一，而且其发展水平也已经成为铁路现代化的重要标 志之一。 为保证安全，把铁路线路划分成若干段，每一段为一个空间，在一个空间内 只允许一列列车按规定速度运行。为保证一个空间只允许一列列车运行，就要在 划定的空间入口处设置信号机以指挥列车能否驶入该空间。为了防止两列列车在 区间线路上发生迎面相撞事故或者同向追尾事故，而采取的按照一定的规律组织 列车在区间内运行的方法，叫做行车闭塞法，或简称闭塞。区间闭塞的种类包括 人工闭塞、半自动闭塞、自动闭塞和列车运行间隔自动调整等。区间闭塞是铁路 信号的重要组成部分，其在铁路运输中的作用主要体现在保障行车安全、提高运 输能力、增强运输收入和改善运营指标等方面【2 】【3 1 。 1 1 1我国自动闭塞系统的现状 我国以前运用的自动闭塞方式主要是交流计数电码自动闭塞，极性频率脉冲 自动闭塞( 简称极频) ，移频自动闭塞三种。交流计数电码自动闭塞是2 0 世纪5 0 年 代后期从前苏联引进的，极频，移频自动闭塞是我国2 0 世纪6 0 年代自行研制的。 它们共同的缺点是可靠性不够高，信息量太少，抗干扰能力不够强，不能满足提 高列车速度，增加行车密度，增大载重量和电气化的需要。随着铁路运输的发展， 需要发展四显示自动闭塞，复线双向自动闭塞以及列车运行超速防护，而原有的 自动闭塞不能满足这些要求，急需研制新型自动闭塞。 但如果丢开现有的发展基础，从头开始研制新制式，无论从时间上还是技术 发展上都不现实，无疑会延误我们的发展进程，为此，应该选择一条适合我国国 情的较为便捷的道路，即在现有自动闭塞的基础上，吸收国外的先进技术，对现 有制式做进一步的改进和提高。于是，在京广线郑武段电气化工程中引进了法国 的u m 7 1 和t v m 3 0 0 ，引进后进行了二次开发，以适应我国铁路客货混运，股道 没有保护区段等特点，通过消化吸收迅速实现国产化。 4 信息移频自动闭塞，8 信息移频自动闭塞和1 8 信息移频自动闭塞就是在这 种情况下应运而生的。我国相继开发了z p 8 9 型8 信息移频自动闭塞，z p y 1 1 8 型和z p y 2 1 8 型1 8 信息移频自动闭塞，z p w 1 1 8 型1 8 信息无绝缘移频自动闭塞 等多种新型自动闭塞系统。2 0 0 1 年，北京铁路信号工厂完成了w g 2 1 a 无绝缘轨 道电路移频自动闭塞系统的研制，在郑武段上道试验成功【4 】。 1 1 2 国外自动闭塞系统发展状况 ( 1 ) 法国高速铁路列车控制系统 t v m 3 0 0 系统是法国铁路高速线路的第一代系统，并在此基础上，研制了 t v m 4 0 0 系列，即通常所说的t v m 4 3 0 型列车超速防护系统。t v m 4 3 0 系统的地 面信息传输设备采用u m 7 1 型无绝缘数字式轨道电路，由地面向移动列车之间实 现地对车信息的单向传输。t v m 4 3 0 系统保持了t v m 3 0 0 系统的载频，但是调制 方式由键控频移变为多频率调频，由0 8 8 1 7 5 2 h z 共2 7 个低频信息作为自动列车 控制数字信息，另外设1 个2 5 6 7 h z 低频信息作为列车检测信息。 ( 2 ) d t c 2 4 数字轨道电路 d t c 2 4 数字轨道电路是意大利s a s i br a i l w a y 于九十年代中期开发成功的 全数字化轨道电路。d t c 2 4 数字轨道电路具有如下特点：具有车地双向通信功能， 地面向列车提供控制信息，列车向控制中心传递列车运行信息，有利于列车的调 2 度控制。能提供较多的安全信息。调制解调均采用成熟的通信技术，易于开发研 制。由于信号载频较高，轨道电路需要增加补偿电容。 ( 3 ) 德国l z b 连续式列车运行控制系统 它是目前世界上唯一采用以轨道电缆为连续式信息传输媒体的列车控制系 统，可以实现地面与移动列车之间的双向信息传输，同时还可以利用轨道电缆交 叉环来实现列车定位功能，控制方式以人工控制为主。l z b 系统首先将连续式速 度模式曲线应用于高速列车的制动控制，打破了过去分段速度控制的传统模式， 可以进一步缩短列车运行的间隔时间，因此能更好的发挥硬件设备在铁路运输效 率方面的潜在能力【5 j 。 1 2d s p 技术的最新发展及其在国内外铁路信号领域的应用现 状 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术 应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通 信等领域得到极为广泛的应用。数字信号处理( d i 酉t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是- - n 涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科【6 】。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起 来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来， 数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现 则是理论和应用之间的桥梁。 数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如， 在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基 本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。 近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别。神经网络等，都与数字信号处理 密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础， 同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。 1 2 1 数字信号处理( d s p ) 技术的发展现状 d s p 技术的发展经历了三个阶段： 7 0 年代，是数字信号处理的理论研究阶段，具有代表性的著作是两位著名教 3 授a v o p p e n h e i m h t f l r v s c h a 矗川e 所著的“d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ”( 1 9 7 5 年) 。数 字信号处理技术的出现，成为分析实际现象的有力工具，当时的d s p 系统由分立元 件组成。 8 0 年代，数字信号处理技术不断扩大，要求提高信息处理速度，进一步降低 成本，推动了d s p 技术的发展。这时的d s p 已是一种专业的微处理器，能够快速输 入和输出信息数据，快速处理以运算为主的信息。1 9 8 2 年，美国的t i 公司研制出 来第一代低成本高性能的d s p ，使d s p 技术开始在工业领域中得到应用和普及。 9 0 年代，d s p 技术有了惊人的发展，体现在d s p 芯片的性能和指标不断提高。 以d s p 作为主要元件，再加上外围电路和特定功能单元的综合合成的单一芯片，加 速了d s p 的发展，运算速度和集成度得到了进一步提高。d s p 芯片建立在数字信号 处理的各种理论和算法的基础上，专门完成各种实时数字信号处理运算。d s p 系统 所选用的运算是各种经过时间考验的通用算法的组合和改进。当前的d s p 多数基于 r i s c 结构，并已经进入至t j v l s i 阶段。 目前，生产d s p 的厂家除了t i 公司、l u c e n t 公司、a d i 公司和m o t o r o l a 公司外， 还有s tm i c r o e l e c t r o n i c s ，p h i l i p s ，n s ，n e c ，s o n y 、日立、三星等。 t i ( te xa s in s t r u m e n t s ) 公司是全球最大的d s p 供应商，该公司于8 0 年代初第一 个推出了商用的d s p 。典型代表产品是t m s 3 2 0 系列，目前已推出1 0 类d s p 产品， 它们分别是：定点系列产品、浮点系列产品、多处理器、专用d s p 系列。每一系列 的d s p 又有许多不同的品种，总计1 0 0 多个型号，每一系列对应于不同的应用。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 综合了目前d s p 的所有优点，具有最佳的性价比和低功耗，其中又 分定点和浮点两种。t m s 3 2 0 c 6 2 x x 为1 6 位定点的d s p ，速度为1 2 0 0 2 0 0 0 m i p s ； t m s 3 2 0 c 6 7 x x 为3 2 位浮点d s p ，速度为1 g f l o p s 。以d s p 为核心，融合m s p ( 混合 信号处理) 、m p u ( 多处理单元) 、存储器等产品技术，提供统一的解决方案，i i p d s p s ( d s p 系统) ，是当今世界d s p 发展的主流。 a d i 公司致力于数字马达控制，以大量消费类和准消费类设备定位自己的客户 对象和应用方向。其研制的a d s p 2 1 0 6 x ( s h a r c ) 系歹t j d s p 产品将内置更多的 s r a m a d s p 2 1 0 0 具有双端d r a m 可达到1 9 2 k b i t 。片内内存的大小是区另u d s p 产 品性能的关键特征之一，因为信息在片内内存和片外内存之间的频繁交换会导致 d s p 性能的下降。a d i 宣称：“a d i 产品具有比其它产品高得多的d m a 和i o 带宽。 l u c e n t 公司的产品主要集中在通信领域，它在蜂窝电话、m o d o m 和数字应答机 等领域占领导地位。该公司推出的d s p l 6 0 0 0 系y j j d s p 就是严格按照无线通信标准 来设计的，其内核具有高代码密度的1 6 位和3 2 位混合指令集，每个周期可执行双 3 2 位访问，1 0 0 m h z 时钟下具有1 0 0 m i p s 的吞吐量或每秒二亿条操作功能。由于集 成电路工艺技术的进一步发展，d s p 的成本不断降低，因此在消费类产品中得到广 4 泛应用。 m o t o r o l a 的产品主要供公司内部通信系统应用。新款d s p 提供极小的功率和 1 0 2 k 字节片上s r a m ，将满足多通道数据处理等应用方案中对更高性能的信号传 输要求，而系统成本得到相应降低。d s p 的特点是电压低，只有3 3 伏，有的只有 1 8 6 t 。d s p 9 6 0 0 2 属高档产品，用作媒体引擎处理器，这种3 2 位浮点运算处理器支 持声频和视频处理。m o t o r o l a 也提供将p o w e r p cr i s cm p u 和d s p 相结合的v e c t o r c o m m u n i c a t i o np r o c e s s o r ，可用于数字蜂窝系统，同时大力加强d s p a s i c 业务， 据说公司有可能从d s p 事业总部中单独分出d s p 处理核。 随着d s p 市场占有额的不断扩大，其性能发展趋势表现在以下几个方面： ( 1 ) 追求更高速度和更小封装 d sp 的出现就是为了追求速度，目前它仍然保持这种态势。例如t i 公司推出 的典型产品：t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 。这个芯片有8 个并行的处理单元，分为相同的两组， 由于采用甚长指令字( v l i w ) 方式，芯片最高可达1 6 亿次的定点运算，执行一次1 0 2 4 点的f f t 运算时间约为6 6 微秒。这一芯片的推出，尤其是后续廉价的类似功能芯片 的推出，使其在通信、雷达信号处理、医疗成像等领域得到广泛的应用。 d s p 在不断提高速度的同时，由于采用了新的制造工艺( o 2 5 t m 和0 1 8 1 x m ) 和 封装工艺( t q f p 或b g a ) ，使其体积不断缩小。速度和 体积这两方面的变化为一些大系统的设计提供了方便，使原来可能用很多芯片才 能完成的工作，现在用一片就可以解决。 ( 2 ) 追求低价格，多功能 d s p 的低端器件，在外围功能上向m c u 靠拢，使其在控制功能上更像一个 m c u ，同时又保持高速运算的能力，价格也会使用户能够承受。特别的、适合于 某一行业的d s p 会越来越多，这种d s p 能够满足某种特殊要求，而且价格低。这类 d s p 会随着其应用产品的扩大，逐步过渡到专用d s p 芯片。 ( 3 ) d s p 的硬件设计简单化，软件设计多样化 尽管d s p 芯片结构比较复杂，引脚一般在一百个以上，但需要设计的外围电路 却越来越少，i ：t 女n d s p 内部有等待电路，当其与外部慢速部件配合时，只需软件设 置一下寄存器即可。还有，一般d s p 片内都有r a m ，有的是f l a s h 存储器，单片 就完成了许多复杂的功能。但由于d s p 的速度快、功能强，在软件上将大有作为。 d s p 应用领域越来越多，与传统的微处理器相比，它能够提供更好的性能价格 比，更高的运算速度和运算能力，是运算密集型器件而不是事务密集型器件。同 时，由于近年来d s p 已经开始支持高级语言，并出现了支持d s p 的实时操作系统， 特别是由于c 编译器得到改进，以及优化的联机应用数据库的出现，为d s p 的发展 提供了机遇。可以说，随着数字化时代的到来，d s p 的应用前景将更为广阔1 7 j 。 1 2 2 数字信号处理技术在铁路信号中的应用 我国对机车信号的研究起步较晚，参与的科研单位也较少。由于7 0 年代末几 次重大的交通事故才引起人们对“行车三大件 的足够重视，在8 0 年代中期才由 北京交通大学进行通用式机车信号的研究，并于9 0 年代初研制成功了第一代微机 控制通用式机车信号，其中采用的主处理器为美国z i l o g 公司的z 8 0 系列芯片；第 二代机车信号所采用的主处理器是8 0 年代末流行的m c s 5 1 系列的8 0 3 1 芯片。 直到第三代机车信号s j 型数字化通用式机车信号的研制成功，才实现了d s p 在我国铁路信号中的应用，因此d s p 真正进入中国铁路信号领域也就是1 9 9 4 年至 今十几年的时蝌引。 由于观念、体制、科研力量等诸多因素，国外在该领域的实际应用要比我国 成熟得多。具有代表性的有英国西屋公司( w e s t i n gh o u s e ) 、德国西门子 ( s i e m e n s ) 、美国g r s 等公司。 英国铁路早在2 0 世纪6 0 年代就开始研究列车自动控f l ；t j ( a t c ) 系统，主要采用列 车自动防护( a t p ) 系统和自动驾驶( a t o ) 系统。具有代表性的是西屋公司的a t p 系统 和a t o 系统，并先后在新加坡地铁、香港地铁和北京一线地铁被采用。a t p 系统由 轨道子系统和列车子系统组成，其中轨道子系统负责生成编码信息，从轨道向车 上发送：列车子系统根据轨道、信号和距离等数据，计算允许速度和自动速度，如 果从转速表获得的实际数据超过允许值，则通过指示系统向司机报警，然后采取 制动措施。 西门子公司是世界上最早投入铁路信号研究领域的厂商之一，早在1 9 6 5 年就 研制出第一套可以控制时速高达2 0 0 k m 的列车的l z b 系统并投入使用。1 9 8 8 年西 门子公司研制成功了以l z b 车载设备为主的行车控制方法，取消了区间地面信号 机。随着微电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，高集成度的芯片不断出现， 为机车信号的发展也提供了很好的机遇。在多年研究的基础上，西门子成功研制 出目前最完善的应用d s p 的车载信号系统l z b7 0 0 ，其中包括a t p 和a t o 两部分， 核心芯片采用8 0 年代流行t l 公司生产的数字信号处理器t m s 3 2 0 c 2 5d s p 。 1 3任务和技术要求 基于铁路信号与铁路车载接收系统的进一步研究需求，本文提出研制“铁路 轨道信号的传输与车载接收模拟系统 的课题。该系统被作为2 0 0 8 年全国t id s p 大奖赛系统组北京交通大学参赛项目，进入决赛阶段的角逐，最终获得全国优胜 奖。设计中，本文采用目前数字系统中所广泛使用的数字信号处理器和实频域相 6 结合的解调策略完成了模拟系统软硬件平台的搭建。 系统功能指标如下： ( 1 ) 系统传输 放大器将电压信号放大后并进行电压电流转换：l v 电压转换为1 a 的电流信 号。 ( 2 ) 系统检测项目 移频自动闭塞信号中心频率和调制频率的检测； u m 7 1 自动闭塞信号中心频率和调制频率的检测； 交流计数信号3 2 种码型的检测； t v m 4 3 0 信号中心频率和码字信息的检测； 信号电平幅值检测； 执行上灯的检测 ( 3 ) 系统允许接收信号频率偏移 国产移频调制频率判定允许偏移：0 2 h z u m 7 1 调制频率判定允许偏移：0 2 h z ；国产移频和u m 7 1 载频判定允许偏 移：3 h z ( 4 ) 接收灵敏度 为了可靠地接收轨道信号，铁道部规定了信号接收的灵敏度，其含义是进入 机车信号的轨道信号电压必须大于某一阀值，方可解调。本系统的灵敏度符合j t c 系列机车信号车载系统设备技术规范( 暂行) 的要求，即 国产移频信号、交流计数信号灵敏度指标 电压值( m v ) 1 0 0 & - _ 1 4 u m 7 1 制式、t v m 4 3 0 信号灵敏度指标 电压值( m v ) 1 0 0 0 - 2 _ 1 4 ( 5 ) 应变时间 机车信号收到轨道信号后并不是立即做出反应，接收持续一段时间再作出反 应，这段时间就是应变时间。应变时间要适中，太快了无法保证其可靠性，太慢 了无法满足使用要求。既要可靠又要满足使用的要求才行。机车信号显示的应变 时间应符合下列要求： a )国产移频区段应变时间：u 、u u 、h u 信号的应变时间不大于2 s ；转 换为l 、l u 信号的应变时间不大于3 s ；从有信息到无信息的应变时间不大于4 s 。 b )u m 7 1 区段应变时间：信息间转换不大于2 s ；从有信息到无信息的应 变时间不大于4 s 。 c )交流计数区段应变时间：信息间转换不大于7 s ；从有信息到无信息应 变时间不大于9 s 。 d ) t v m 4 3 0 信号应变时间不大于2 5 s ，从有信号到无信号不大于3 s ； 7 曲制式之间的信息转换时间不大于1 s 。 结合以上所述系统功能指标【9 】，本文提出了系统的整体设计，并给出了软硬件 的具体实现。在铁路轨道信号的传输与车载接收模拟系统的设计中，本人主要完 成模拟系统的搭建，硬件实现任务，完成交流计数信号、国产移频信号和u m 7 1 信号的实时解调软件设计，上灯控制的软件实现和上位机、下位机的通信软件设 计等任务。 1 4 本论文的组织结构 本文共分六章，其中： 第一章介绍国内外铁路系统的现状与发展；同时介绍了当今数字信号处理技 术的发展状况，描述了数字信号处理器在铁路信号中的应用情况；提出了要研究 的任务和信号分析的技术指标等。 第二章分析了国内现有的铁路信号制式特点，说明了信号传输的几种媒介， 介绍了信号处理的基本方法，为论文进一步的阐述作铺垫。 第三章详细介绍了信号传输和车载接收模拟系统的总体结构和硬件设计，利 用双d s p 处理器为核心，上位机和下位机结合，搭建了模拟系统平台，介绍了各 个芯片在设计时的连接方式和用途，说明了设计硬件的注意事项。 第四章主要介绍模拟系统软件设计。根据功能要求和编程平台的不同分别介 绍解调软件设计、u s b 通信设计和p c 上位机界面设计。 第五章是系统测试部分。采用标准铁路信号和铁路现场信号对系统进行传输 接收测试实验，并对实验结果进行分析，说明该系统是完整准确、有效可信的。 第六章是结束语，全文工作总结和展望。 2 铁路轨道信号及信号处理基础 本章主要介绍我国现存的四种铁路轨道信号的特征，说明信号传输的媒介， 介绍信号处理的基本方法，为论文后续章节进一步的阐述作铺垫。 2 1各种制式的轨道信号 2 1 1交流计数信号 交流计数信号是5 0 年代从前苏联引进的。交流计数信号的特征是载频和0 、l 码持续的时间。交流计数信号是周期信号，一般一个周期从1 6 0 0 m s 到1 9 5 0 m s 之 间，且在一周期内o 、l 码交替出现，按照0 、1 码持续的时间和顺序就可以确定 信号的含义。交流计数信号的载频目前使用的有2 5 h z 、5 0 h z ，2 5 h z 一般是用在 电气化区段，5 0 h z 一般是用在非电气化区段。电气化区段经载频调制的交流计数 信号如图2 1 所示，而典型的交流计数信号波形如图2 2 所示。 图2 1 经调制的交流计数信号波形 f i g u r e 2 1m o d u l a t e da vc o u n t i n gs i g n a l 卜 舞爨鬻熬鬻臻霆秘睡熬i 鬻鬻麓g g 鏊溅繁蠹l 爨黧蘩鬻瑟鬃鬻黧禚瓣等尊辩。辫簿灏瓣黧鬻羹辫慧搽麟黪辫藕鬻嚣鬻黪黧鬻添瓣麟鬻鬻囊鬻嚣 图2 2 交流计数信号波形 f i g u r e 2 2a vc o u n t i n gs i g n a l 从图2 2 中可以很清晰地看到0 码和1 码，根据0 、1 码持续的时间和排列的 顺序就可确定该码的含义。目前铁路上常用码型如表2 1 所示( 数据单位：毫秒) 。 表2 1 交流计数信号的码型 f i g n r e 2 1t h ec o d et y p eo f a vs i g n a l 9 bh#“k”醛 燃黼 惑秘瓤辫灌髓鹱耩浮 澄瓣溅辫熏瓣耀黼溱鬻 | | ；#&#淹罐罐醛臻罐隧麟麟麟鬻潘徽瓣勰黼 瓣鞭釉粼辫蟪懿瓣i | | 一 瓣麟黼麟 糕黼黼 瀵瓣爨瓣潞罐戮攀黼 i*nni|illll | | 疆耩瓣懑蕊燃麟攀黼踌鹱鼷灌瓣淤戮鬻麟瓣 | | 一 疆瓣鏊瓣黼溅鬻ii醛ii静iiii#瓣黼黼漤漶瓣瓣麟瓣黼隧瓣瓣瓣鼗鞋懿醛攫黼瓣雾 滤糕麟瓣黼粼麟 飘黛鄹 码型名称l 码0 码1 码0 码l 码0 码周期 l l3 2 01 6 0 2 0 0 1 6 02 0 05 6 01 6 0 0 l 23 2 01 6 0 2 4 0 1 6 02 4 08 0 01 9 2 0 l 33 4 01 2 0 2 2 0 1 2 0 2 2 05 8 01 6 0 0 i a3 6 01 2 02 4 01 2 02 4 08 4 01 9 2 0 l 53 5 01 2 02 2 01 2 02 2 05 7 01 6 0 0 l 6 3 5 01 2 02 5 0 1 2 02 5 08 l o1 9 0 0 l 7 3 5 01 2 02 4 01 2 02 4 07 9 01 8 6 0 l s ( l u l ) 2 0 01 6 0 2 0 01 6 0 3 2 05 6 01 6 0 0 l 9 ( l u 2 ) 2 4 01 6 03 6 01 6 02 4 07 6 01 9 2 0 l i o ( l u 3 ) 2 2 01 2 03 4 01 2 02 2 05 8 01 6 0 0 l 1i ( l u 4 )2 4 01 2 03 6 01 2 02 4 08 4 01 9 2 0 l 1 2 ( l u 5 ) 3 6 01 2 02 8 01 2 04 4 06 0 01 8 6 0 u l4 0 01 6 04 8 05 6 01 6 0 0 u 24 4 01 6 07 2 06 0 01 9 2 0 u 34 4 01 2 04 6 05 8 01 6 0 0 u 44 8 01 2 07 2 06 0 01 9 2 0 u 5 3 8 0 1 2 03 8 07 2 0 1 6 0 0 u 63 5 01 2 0 6 2 08 1 01 9 0 0 u 73 5 01 2 06 0 07 9 01 9 0 0 u 83 1 51 5 03 1 58 2 01 6 0 0 u u l5 2 01 6 03 6 05 6 01 6 0 0 u u 26 0 01 6 05 6 06 0 01 9 2 0 u u 35 8 01 2 03 2 05 8 01 6 0 0 u u 46 2 01 2 05 8 06 0 01 9 2 0 h u l2 4 05 6 02 4 05 6 01 6 0 0 h u 23 2 06 4 03 2 06 4 01 9 2 0 h u 32 2 05 8 02 2 05 8 01 6 0 0 h u 43 0 06 6 03 0 06 6 01 9 2 0 h u 5 2 3 05 7 0 2 3 05 7 01 6 0 0 h u 6 3 0 0 6 5 03 0 06 5 01 9 0 0 h u 73 0 0 6 3 0 3 0 0 6 3 01 8 6 0 h u 84 0 0 5 6 0 4 0 0 5 6 01 9 2 0 1 0 以上码型分布在不同的铁路局，目前随着交流计数逐步趋于淘汰，码型也在 逐步减少。各路局码型的含义也不同，比如有的路局就把u u 码作为u 码。机车 信号在检测交流计数信号时，一般允许一定误差，但周期的误差应该很小，而0 、 1 码的误差则和检测方法有关。 2 1 2国产移频信号 移频无绝缘轨道电路中传送的信号是键控移频信号f s k ( f r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ) 。键控移频信号实际使用的是相位连续信号。 国产移频自动闭塞有：4 信息、8 信息、1 8 信息等三种方式。4 信息、8 信息 移频自动闭塞技术落后，安全性差，信息量不足，应变时间过长，抗干扰能力差， 将逐步淘汰。1 8 信息移频自动闭塞是在原移频自动闭塞的基础上，采用微机技术 和数字信号处理技术实现原移频的功能，并增加了低频信息量，该系统在1 9 9 5 年 9 月通过了铁道部的鉴定。目前，1 8 信息移频自动闭塞已在京九线、沪杭线、浙 赣线、襄石线、宝成线、水珠线等多条铁路干线上使用。1 8 信息移频自动闭塞信 息量虽能适应c t c s ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m 即中国列车控制系统) 的技术要 求，但由于载频选择、调制频偏的固有缺陷，使轨道电路存在传输特性差、邻线 干扰、半边侵入等问题，必须进行技术改造。u m 7 1 系列设备，包括国产w g 2 1 a 和z p w - 2 0 0 0 轨道电路传输特性好，性能稳定，是目前中国适应a t p 技术要求， 将重点发展的自动闭塞制式。 国产移频自动闭塞的低频1 8 信息是7 h z 、8 h z 、8 5 h z 、9 h z 、9 5 h z 、1 1 h z 、 1 2 5 h z 、1 3 5 h z 、1 5 h z 、1 6 5 h z 、1 7 5 h z 、1 8 5 h z 、2 0 h z 、2 1 5 h z 、2 2 5 h z 、2 3 5 h z 、 2 4 5 h z 、2 6 h z ，分别代表1 8 种信息含义；按上行( 载频6 5 0 h z 和8 5 0 h z ) 、下行 ( 载频5 5 0 h z 和7 5 0 h z ) 交叉排列，频偏为5 5h z ，其频谱能量主要集中在载频 的上、下边频附近，可以躲开5 0h z 工频的奇次谐波干扰。近几年有的路局又增加 了3 0 h z 低频信息。表2 2 是目前国内使用的各种制式的灯码和超速防护码【2 】。模 拟系统采用京九1 8 信息模式信息。 表2 2 移频各信息模式表 t a b l e2 2t h ef o r m a t i o n