（电路与系统专业论文）基于DSP的移频参数检测系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 论文题目：基于d s p 的移频参数测试系统的设计 学科名称：电路与系统 作者姓名：薛凯凯 导师：杨媛 签名彝丛址 签名书卜 答辩日期： 摘要 随着铁路速度的不断提高，铁路运输能力逐年增加，铁路在我国国民经济生活中的 作用也越来越重要。在此情况下，人们对行车安全就有了更高的要求。为了确保行车安全， 就要准确、及时地检测出移频信号的参数。 本文通过对国内移频参数检测算法和移频参数检测仪的研究，提出了一种以d s p 为 处理器，以a r m 9 为上位机的实现方法。本文主要实现d s p 系统对移频信号参数的检测 包括算法和硬件实现。 在算法上，针对轨道移频信号的窄带特性，载频信号的检测采用了欠采样算法代替 奈奎斯特采样，以降低信号的采样频率；针对轨道移频信号能量集中且低频调制信号频率 低的情况，采用了z o o m f f t ( 简称z f f t ) 算法进行信号局部放大的方法，满足信号频 率分辨率的要求。 在硬件实现上，主要完成了以d s p 为主处理器的系统设计包括信号预处理电路、 d 采样电路、系统电源电路、f l a s hr o m 的扩展电路、时钟和复位电路、j t a g 测试 接口和用于与a r m 通信的h p i 接口。最后，在c c s 开发环境上采用c 语言和汇编语言 混合编写检测系统软件，并将其移植到d s p 硬件系统中实现，测试结果表明系统能很好 地检测信号的载频和低频调制信号。 整个系统充分利用了d s p 对数字信号处理的高精度、高速度的优点和嵌入式系统实 时操作性好、智能化程度高的特点，实现了移频信号的实时采集、分析和存储。 关键字：移频轨道电路；移频参数；欠采样；z f f t ；d s p a b s t r a c t t i t l e ：d e s i g no fp a r a m e t e rd e t e c t i n gs y s t e mf o rf r e q u e n c y s h i f t t r a c ks i g n a lb a s e do nd s p s u b j e c t ：c i r c u i ta n ds y s t e m a u t h o r ： s u p e r v i s o r ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： 蚍k 彬 m 灿 a b s t r a c t a st h et r a i ns p e e dr i s eq u i c k l y , t h er a i l w a yc a p a b i l i t yi sb e i n gi m p r o v e dy e a rb yy e a r , t h e f u n c t i o no fr a i l w a yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti no u rn a t i o n a le c o n o m ya n dl i f e i n t h i sc a s e ，t h ep e o p l eh a dah i g h e rr e q u e s tt ot h et r a f f i cs a f e t y t og u a r a n t e et h es a f e t yo fn m n i n g t r a i n ，i ti sn e c e s s a r yt od e t e c tp a r a m e t e r so ff r e q u e n c y - s h i f tt r a c ks i g n a l sp r e c i s e l ya n dt i m e l y t h i sa r t i c l e ，b yt h es t u d yo ft h ed o m e s t i cf r e q u e n c y s h i f tp a r a m e t e rd e t e c t i n gm e t h o d sa n d i n s t r u m e n t s ，p r o p o s e dam e t h o dt od e t e c tt h ef r e q u e n c y s h i f tp a r a m e t e r , t h em e t h o dw a sb a s e d o nd s p p r o c e s s o ra n da r mu p p e rm o n i t o r t h ea r t i c l ef o c u so nd e s i g no ff r e q u e n c y s h i f tt r a c k s i g n a ld e t e c t i n gs y s t e mb a s e d o nd s p i n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e i na l g o r i t h m ，f o rt h en a r r o w - b a n dc h a r a c t e r i s t i co ft h et r a c ks i g n a lw eu s eu n d e r - r a t e s a m p l i n gi n s t e a do fn y q u i s ts a m p l i n gt or e d u c et h es a m p l i n gr a t e s i n c et h ef r e q u e n c yo ft h e m o d u l a t i o ns i g n a l si sl o w , a n di tm u s th a v eh i g h e rr e s o l u t i o n ，w eu s et h ez f f tt od e t e c ti t , w h i c hc a ns a t i s f yt h ef r e q u e n c yr e s o l u t i o n o nt h eh a r d w a r eh a sm a i n l yc o m p l e t e dt h ec i r c u i td e s i g no fs y s t e mb a s e do i ld s p p r o c e s s o r , i ti n c l u d e sp r e p r o c e s s i n go fs i g n a l ，a ds a m p l i n g ，p o w e rs u p p l ym o d u l e ，c l o c ka n d r e s e tm o d u l e ，f l a s hr o m ，j t a g t e s t i n gi n t e r f a c e ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eh p i a t t h el a s tw ep r o g r a mt h ep a r a m e t e rd e t e c t i n gm e t h o d sf o rf r e q u e n c y s h i f tt r a c ks i g n a l 、析t i lc l a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g eb a s eo nc c s ，t h e nw er e a l i z ei to nt h ed s pc h i p e x p e r i m e n t s s h o w st h a ti tc a nd e t e c tt h ec a r d e rf r e q u e n c ya n dt h el o wf r e q u e n c yo fm o d u l a t i o ns i g n a l s t h eo v e r a l ls y s t e mm a d eu s eo fe x c e l l e n c e so fd s pa n da r m ，t h ee x c e l l e n c e si n c l u d et h e h i g hp r e c i s i o na n ds p e e do fd s pp r o c e s s i n gd i g i t a ls i g n a l ，t h ef u l lr e a l - t i m eo p e r a t i o na n dh i g h i n t e l l e c t u a l i z e dd e g r e eo f a r m k e yw o r d s ：f r e q u e n c y - - s h i f tt r a c kc i r c u i t ；f r e q u e n c y s h i f tp a r a m e t e r ；u n d e r - r a t es a m p l i n g ； z f f t ；d s p ； 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 尹衄 抑护年6 月厂_ ；7e l 学位论文使用授权声明 本人j 锄蛐l 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者躲删导师躲秘f 年占月如 绪论 绪论 自1 9 9 7 年4 月1 日开始至2 0 0 7 年4 月1 8 日，我国对铁路进行了六次大提速，这标 志着我国铁路正迈进世界先进行列，铁路在我国国民经济生活中所起的作用将更加重要。 在此背景下，人们对行车安全有了更高的要求，这也要求我国铁路检测系统向更高的标准 发展。 1 1 移频轨道电路介绍 轨道电路是指以一段铁路线路的钢轨为导体构成的电路，用于自动、连续检测这段 线路是否被机车车辆占用，也用于控制信号装置或转辙装置，以保证行车安全的设备。移 频信号选用频率参数作为控制信息，采用频率调制的方式，将低频调制信号 搬移到较 高频率磊( 载频) 处，以形成振荡不变、频率随低频信号的幅度作周期性变化的信号。 移频信号波形见图1 1 所示，将此信号用钢轨作为传输通道来控制通过信号机的显示，达 到自动指挥列车运行的目的，采用这种方式的轨道电路就称移频轨道电路，而移频自动闭 塞正是以移频轨道电路为基础的自动闭塞【1 1 1 2 1 。 ( a ) 低频信号 ( b ) 整形螽的低频信号 ( c ) 载频信号 ( d ) 调频信号 图卜1 移频信号波形 f i g l 1t h ew a v eo ff r e q u e n c y - s h i f ts i g n a l 目前国际上比较通用的移频轨道电路主要有，法国c s e e 公司的u m 7 1 型无绝缘轨 道电路；英国西屋公( w e s t i n g h o u s e ) 的f s 2 5 0 0 轨道电路，其载频采用4 种频率：1 7 0 0h z 、 2 0 0 0 - z 、2 3 0 0 h z 、2 6 0 0 h z ，调制频率4 个：1 3 2h z 、1 5 6 h z 、1 8h z 、2 0 4 - z ，频 偏厂为1 2 5 勉；r 本的移频轨道电路，载频选用四个：1 7 0 0h z 、2 3 0 0 h z 、2 9 0 0h z 、 3 5 0 0 h z 。调制频率两种：一种是1 0 个信息( 1 0 h z 、1 3 h z 、1 6 h z 、1 9 h z 、2 3 h z 、2 6 h z 、 西安理_ t 人学硕一 ：学位论文 3 lh z 、3 4 h z 、3 7h z 、4 1h z ) ，频偏为4 0h z ；另一种是1 5 个信息，其频率除上面1 0 个外又增加5 个( 4 5h z 、5 5h z 、6 1h z 、6 7 h z 、7 3h z ) ，而频偏为7 0h z1 3 - 1 6 。 1 2 我国移频轨道电路简介 我国所采用的移频轨道电路主要有以下三种： 国产1 8 信息移频自动闭塞系统是我国在原来的4 信息移频自动闭塞系统的基础上开 发的。在不改变已有移频制式的载频的基础上扩充调制频率。其频率配置如表l 。1 所示。 u m 7 1 轨道电路作为一种先进的列车控制系统，于2 0 世纪7 0 年代在法国研制成功。 它是以无绝缘轨道电路作为连续信息的传输通道，以点式信息作为连续信息的补充，利用 电磁感应的原理，将钢轨中传输的信息感应到机车上，经处理通过机车信号显示器向司机 显示。由于其突出的优点，很快被多个国家相继采用。目前，已相当成熟。我国自八十年 代末引进该系统以来，已经得到了很好的应用与发展【1 7 1 。 z p w 2 0 0 0 a 型无绝缘移频轨道电路，是在法国u m 7 1 无绝缘移频轨道电路技术引 进及国产化基础上，于2 0 0 0 年开始结合国情进行提高各项性能指标的技术再开发。 z p w 2 0 0 0 a 无绝缘移频轨道电路中“无绝缘”并不是没有绝缘节，而是指没有机械绝缘 节，采用的是一种电气谐振式绝缘节，不需要切割钢轨。z p w - 2 0 0 0 a 无绝缘移频轨道电 路选择了较高的载频，远离5 0 h z 及其谐波的干扰，使得该轨道电路固有抗干扰能力强 该电路不仅适用于大铁路，同时也适用于城市轻轨及地下铁道1 1 8 1 。 以上三种移频轨道电路信号频率配置对照表如表1 1 所示。 表1 - 1 移频自动闭塞轨道信号频率配置对照表 t a b l el - 1t h ef r e q u e n c ya s s i g n m e n to f j o i n t l e s st r a c ks i g n a l 轨道电路制式 载频( h z )频偏( ) 调制频率( h z ) 5 5 06 5 0 7 o8 08 59 09 51 1 o 1 2 5 1 3 5 1 5 0 国产1 8 信息 5 5 7 5 0 8 5 0 1 6 o1 6 5 1 7 51 8 52 0 02 2 52 3 52 4 52 6 o 1 7 0 02 0 0 0 低频频率1 8 个，为：1 0 3 + n 1 1h z ，n ：0 u m 7 l 1 l 2 3 0 0 2 6 0 01 7 1 7 0 1 41 6 9 8 7 低频频率1 8 个，为：1 0 3 + n x l 1h z ，n = 0 2 0 0 1 41 9 9 8 71 7 z p w 一2 0 0 01 1 2 3 0 1 4 2 2 9 8 7 2 6 0 1 42 5 9 8 7 1 3 移频参数测试研究的意义及现状 行车安全是铁路运输的生命线，铁路信号是铁路运输的重中之重。铁路信号的主要功 能是保障行车安全和提高运输能力。在信息社会的今天，信号已成为铁路信息技术的三 2 绪论 大支柱( 即通信、信号、计算技术) 之一【2 0 】。由于历史和技术等方面的原因，我国轨道 信号检测技术已经落后现代铁路的发展，要确保行车的安全，还必须进一步提高我国铁路 轨道信号的检测技术，使得理论和实际相结合。 ( 1 ) 国内高校移频参数测试研究主要分为以下两个方面： a 在采用的算法方面主要有 直接利用f f t 算法进行移频参数的提取； f f t 的基本思想就是通过蝶形运算的方法来减少算法所需的运算量，每一级运算都只 需要n 2 次复数乘和n 次复数加。它在频域内具有完全的局部化特性，通过对信号进行 n 个采样点的频率采样，就可以计算出各个频率点对应的信号幅值特征，从计算结果我们 可以很容易的看出信号的频谱特性。因此通过对f f t 计算结果的分析，可以得到信号的 频率特征，包括上、下边频，中心频率，带宽和低频频率。 采用带通采样( 即欠采样) 然后进行f f t 算法。 欠采样( u n d e r - r a t es a m p l i n g ) 的原理：根据奈奎斯特定理，采样速率六必须大于信号最 高频率的两倍，以保证采样后信号频谱不重叠，能无失真地恢复出原始信号。对带通信号， 设带宽为b ，只要取疋 2 b 的某些值，就可保证采样后的信号频谱不重叠。欠采样的采 样频率可以用式( 1 ) 确定1 1 9 1 ： 黑厂，丝 ( 1 ) ( k + 1 ) 。j 5 一 k 、v 式中，f 为带通信号最高频率， 是带通信号的最低频率；为整数，取值范围如式( 2 ) ： l k 1 h b 硬件实现方法上主要有以下几种结构 典型的电路就是利用单片机( 如a t 8 9 c 5 2 ) 进行系统的搭建2 1 】【2 2 1 ： 目前比较流行的系统搭建方案是利用d s p ( 如t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 2 4 0 7 ) 进行移频信号的处 理、显示、存储，其典型电路如图1 3 所示1 2 3 - 2 5 i 。 图卜3 基- 1 - d s p 移频参数测试典型电路 f i g l 一3t h et y p i c a lc i r c u i to f t e s t i n gf r e q u e n c y s h i f tp a r a m e t e rb a s e do nd s p 3 西安理工人学硕二e 学位论文 ( 2 )目前国内便携式移频参数测试仪器的生产单位主要有以下几家： 武汉贝通科技有限公司( b 订y p a 1 移频参数测试仪) ； 北信电子产品有限公司( c d 9 6 系列手持式移频测试表) ； 上海思源电气股份有限公司( l p 叫移频线路参数测试) ； 北京中西远大科技有限公司( 轨道电路综合参数测试仪型号：c c 2 7 c t 2 6 7 b 2 ) 。 研究发现，以上厂家生产的移频参数测试仪器虽然都可以测试国产1 8 信息移频信号 制式、u m 7 1 制式以及z p w - 2 0 0 0 a 制式，而其操作简便、体积小巧、适合现场测试，但 是对所测数据的存储、查询以及实时处理上的功能不很完善，智能化程度也不是很高。 1 4 论文的主要研究内容 本论文以研制国内集成度高、实时性好、抗干扰能力强的智能化便携式铁路移频信号 参数测试仪器为背景，深入研究了国内移频参数测试的研究现状和国内移频参数测试仪的 基本结构后，提出了一种以d s p 为下位机，a r m 9 为上位机的移频参数测试仪。 本文研究的主要内容如下： 根据移频信号的特点，在频域对移频信号参数检测做了研究，利用欠采样技术和z f f t 对移频信号的频谱进行分析，得出移频信号参数的提取方法和相关的参数；利用m a t l a b 对算法进行了仿真，以验证检测算法的可实现性；实现了检测算法的d s p 硬件电路，并 对其进行了验证。 4 移频参数测试系统设计思路 2 移频参数测试系统设计的整体思路 2 1 移频参数测试系统整体介绍 图2 1 是移频参数测试系统整体框图，由此可以看出，输入连续相位f s k 经过信号调 理( 滤波、放大) ，再经过a d 转化为数字信号送给d s p 进行滤波、f f t 变化等处理，提 取移频参数( 上边频、下边频、中心频率、低频) ，把经d s p 测试所得移频参数通过h p i 口传输给上位机a r m ，上位机对所采集的信号进行存储、显示。利用串口来进行和p c 机的数据同步，把采集的信号同步到p c 机进行相关的处理，这样有利于数据的维护和实时 的处理，及时发现所存在的问题，提高铁路的安全性。 信号采集、处理检测部分 图2 1 移频参数测试仪系统框图 f i 9 2 1t h es y s t e mf r a m eo ff r e q u e n c y - s h i f tp a r a m e t e rt e s ti n s t r u m e n t 本论文所研究的是移频参数测试系统中的移频信号采集和处理检测部分地设计，如图 2 1 虚线内部所示。 2 2 信号采集和处理检测部分的设计流程 首先对信号采集和处理检测部分的设计任务进行分析，按照系统的功能要求选择一种 方案和多种算法，用计算机高级语言( 如c 、m a t l a b 等工具) 验证算法能否满足系统 5 1一厂一 西安理t 人学硕j ：学位论文 的性能指标，从多种信号处理算法中找出最佳或准最佳算法；其次，根据系统功能和算法 要求设计硬件电路；最后，进行软件开发。信号采集和处理检测部分的整个设计流程如图 2 2 所示。 6 i 系统功能要求 用m a t l a b 确定 算法及性能模拟 选择器件 设计硬件电路 i i 软件设计 功能测试 图2 2 信号采集和处理检测部分设就流程 f i 簖一3d e v e l o pp r o c e s so fs i g n a lg a t h e r i n g ，p r o c e s s i n ga n dd e t e c t i n g 移频信号的特点和参数检测算泫 3 移频信号的特点和参数检测算法 3 1 移频信号的频谱分析 3 1 1 移频信号的产生及表达 在我国铁路系统中，1 8 信息移频自动闭塞系统和u m 7 1 无绝缘轨道电路系统的信号 采用的是相位连续的频移键控( f s k ) 信号【1 8 】。其基本原理就是用调制方波信号，( f ) 引起的 相位变化去调制载波信号厶，控制上边频 和下边频无的交替变换，实现信息传输。 设低频调制方波为，( f ) ，周期为r ，振幅为彳，则时间表达式为： i ( 0 = 其波形如图3 - 1 所示。 jl 删 7 渖 1 4 f 图3 1 方波信号 f i g 3 1t h es q u a r es i g n a l 频率为f o 的载频信号经，p ) 进行频率调制后，移频信号的角频率和频率偏移量分别 为a c o = 姒，= k a1 2 ，r ，式中k 为系数，代表移频器的灵敏度，单位是勉y 。移频信 号的瞬时频率变化为： 厂( ，) = 移频信号的瞬时角频率变化为： 7 孓 丁一4 r 一；丁卜4盯一4 f r 彳 4 + 一 劭 一 0 r 一4 r一；r卜4玎一4 ， ， 阢 瓠 + 一 厶 厶 西安理t 人学硕t z 学位论文 国o ) = 其波形如图3 - 2 所示。 丁r 国。+ 岍i 百 ( 3 3 ) t 3 t 。 国。一缈，i 了 图3 2 瞬时角频率 f i g 3 2t h ei n s t a n t a n e o u sa n g u l a rf r e q u e n c y 移频信号的瞬时相位0 ( f ) 为： 秒( f ) = ，o g ( t ) d t = r o o t + ，k i ( t ) d t = c o o t + g ( t ) ( 3 - 4 ) 式中 g ( f ) = ，k i ( t ) d t = 丁丁 a t o t 一一 t 一 一4 4 ( 3 5 ) 叫和，； r 2 ，刀= 2 ，所以其能量主要分前i 在1 ，2 ，3 1 2 移频信号的特点和参数榆测算法 三个边频上，峰值在2 次边频，中心频率及其它边频分量上的能量非常小，用m a t l a b 对其仿真，频谱如图3 - 6 。从图可以看出，其上边频为6 0 5 4 7 h z ，下边频为4 9 6 0 9 h z ， 计算出其载频为5 5 0 7 8 h a ，载频误差为0 7 8 h z ，低频调制信号的频率为2 6 8 4 舷，低 频误差为0 8 4h z 。 图3 - 6 ：2 2 6 o h z ，f o2 5 5 0 h z 的移频信号频谱图 鲰、， f i g 3 - 6t h es p e c t r u mo f t h ef r e q u e n c y - s h i f ts i g n a l i n gw h e nz = 2 6 o h z ，f o = 5 5 0 h z 4 对于u m 7 1 无绝缘轨道闭塞电路移频信号，信号的调制指数m 在l 附近，根据调 频指数m 的定义可知信号的主要能量分布在载频和一次边频上，如表3 3 所示，信号的频 谱是单峰，而且频谱峰值处是信号的载频。图3 - 7 是载频为1 7 0 0 h z ，调制频率为1 1 4 h z 时的m a t l a b 仿真频谱图。由图可以看出其峰值在1 6 9 9 2 2 h z 处，载频误差为o 7 8 h z ， 低频调制信号的频率为1 1 7 2h z ，低频信号频率误差为0 3 2h z 。 表3 - 3u m 一7 1 轨道电路h 最大时玎和m 的取值对照表 仉出l e3 3t h ev a l u eo fma n dn 。w h e nhi st h em a x i m u mo fu m 71t r a c kc i r c u i t z 1 0 31 1 41 2 51 3 6 1 4 71 5 81 6 91 8 01 9 1 m1 0 7 0 9 70 8 80 8 10 7 50 7 00 6 50 6 1 0 5 8 刀 ll11lllll z 2 0 22 1 3 2 2 4 2 3 5 2 4 6 2 5 7 2 6 82 7 92 9 0 m0 5 5 0 5 20 4 90 4 70 4 50 4 3 0 4 10 3 9o 3 8 ，z 1l1111111 西安理t 火学硕j 二学位论文 图3 7z = 1 1 4 z ，f o = 1 7 0 0 h z 的移频信号频谱图 f i g 3 - 7t h es p e c t r u mo ft h ef r e q u e n c y - s h i f ts i g n a l i n gw h e n 石= l1 4 h z ，f o = 17 0 0 h z 5 对于移频自动闭塞系统，当鲈固定，小：竽：丝随调制低频z 增加而减小，频 ，l1 谱中相邻边频的间隔增大，且m 的减小使较高次数的边频幅度下降，边频就显得不重要 了。因此，移频波的主要能量主要集中在峨= 2 ( 矽+ z 一) ，是一窄带信号。 经过上面的分析，可以从信号的频谱图中可以得到的移频信号参数有： 1 移频信号的载频频率。在国产1 8 信息移频自动闭塞系统中，信号的载频频率为两 峰值处频率和的平均值，而对于u m 7 1 信号而言，信号的载频频率即为频谱图中峰值处 的频率。 2 移频信号的低频调制频率。在频谱图中，其谐波之间的间隔即为信号的低频调制频 率。 3 2 移频信号参数测试系统对频率分辨率的要求 在机车的行驶过程中，参数的正确检测对保证行车安全至关重要因此，在移频信号 参数检测过程中，必须保证信号频率的分辨率。 在工程应用中，在移频信号检测的过程中需要达到的技术指标为： 1 4 1 载频频率误差： 0 3 0 舷 2 低频调制频率误差：0 3 0 胞 3 频率分辨率： o 1 0 胞 对于专业检测机构来说，计量级的信号检测频率指标为： 载频频率误差： 0 1 5 舷 移频信号的特点和参数检测算法 低频调制辨率误差： o 1 0h z 频率分辨率：0 0 1 勉 3 3 移频信号参数的检测算法 3 3 1 采样频率的确定 对移频信号进行处理和分析之前，首先要先对要分析处理的信号进行采样。根据傅 立叶变换的性质可以知道，信号频谱的频率分辨率为采样频率与f f t 长度n 的比值，即 嗨n = j 瓜 ( 3 - 2 6 ) 要提高信号的分辨率有两种方法：1 ) 增加f f t 的长度n 。但是这种方法会带来存储 空间的增大和处理时间的按照对数规律增长。2 ) 降低信号的采样频率【l 】。这样将会影响 a d 采样信号的真实性，从而会严重影响到移频自动闭塞系统的可靠性，甚至会造成严重 的行车事故。 按照奈奎斯特采样定理可得信号的采样频率应该满足式( 3 2 7 ) ，当采样频率小于该 频率时，采样信号会产生重叠【2 1 1 。在一般情况下，解决上述问题是比较困难的，但是由 于移频轨道信号实际上是以载频 为为中心，两边分布有低频调制信号 及其各次谐波 的带通信号，大致可以表示如下图3 - 8 所示，具有窄带性质，因此我们采用邢晓异、仲新 莉提出的欠采样技术作为轨道信号采样的方法【2 】【1 0 】，可以将信号的采样频率降低至 疋，这样就可以在不增加f f t 长度n 的基础上将轨道移频信号的频率分辨率提高k 倍。因此，提高轨道移频信号的频率分辨率是可行的。 正2 l ( 3 - 2 7 ) 图3 - 8 移频信号频谱 f i g 3 8t h es p e c t r u mo f f r e q u e n c y s h i f ts i g n a l 1 欠采样原理( 带通信号采样原理) 对于带通窄带信号而，如果仍然按f 2 f o 。的采样速率进行采样，则所得采样信号 的频谱中会有。一 这一段频谱空余而得不到利用，造成信号带宽的浪费。为了提高频带 1 5 西安理t 大学硕 = 学位论文 的利用率，应设法利用0 一正，这一频谱空隙，使得既不会造成边带之间的重叠，又能降低 采样频率瞄】。设带通信号的带宽为b ，只要采样频率疋2 b 的某些值，就可以保证采样 后的信号频谱不重叠t z 3 l ，所谓欠采样技术就是指以低于奈奎斯特采样频率k 倍的采样频 率进行无失真采样。 下面来讨论带通信号的欠采样问题。设任意带通信号的频率限制在力一 之间，带 宽b = 一无，并假定其上限频率厶满足( 3 2 8 ) ，其中，k 取无b 的整数。如图3 - 9 a ) 所示，带通信号x ( f ) 的频谱为x ( n ，其频谱的上、下边带分别用u p 、d o w n 表示。 厶= k b + b 0 i 根据公式( 3 3 3 ) 可得，当k = 1 时， 鲁六等j 等以竿堋5 胚丘 - 9 9 0 0 舷 同理可以求出当七= 2 ，3 ，4 时对应的欠采样频率，分别为 ii：2时2x605，型鉴4033l-495ohz21 + 一 2 七：3 时等工丝3 0 2 5 z , 3 3 0 h z l3 + 3 七：4 时 百2 6 0 5 丘垒等墅j 2 4 2 o ，_ 2 4 7 5 勉 4 + 1 4 “ 一 综上，当f o = 5 5 0 h z 时，信号的欠采样频率为 f 6 0 5 o - l - 9 9 0 o h z ，k = l 1 4 0 3 3 f 4 9 5 0 h z ，k = 2 1 3 0 2 5 _ 一f 3 3 0 o 舷，七：3),(3-36 【2 4 2 o f , 2 4 7 5 h z ，k = 4 同理可以求得当厶= 6 5 0 、7 5 0 、8 5 0 h z 时欠采样频率为： f o = 6 5 0 h z f o = 7 5 0 h z 7 0 5 0 疋1 1 9 0 o h z ，k = 1 4 7 0 0 疋5 9 5 o h z ，七= 2 3 5 2 5 丘3 9 6 7 h z ，k = 3 2 8 2 0 s 六2 9 7 5 h z ，k = 4 2 3 5 0 f 2 3 8 o h z ，七= 5 r ：? 8 0 5 0 疋1 3 1 0 o h z ，了，：1 5 3 6 7 疋s 6 9 5 o h z ，f = 2 4 0 2 5 一s 4 6 3 3 h z ，k = 3 3 2 0 0 f 3 4 7 5 h z ，后= 4 2 6 8 3 f 2 7 8 o h z ，七= 5 2 3 0 0 厂f 2 3 1 7 h z ，k = 6 ( 3 - 3 7 ) ( 3 - 3 8 ) 1 9 两安理工大学硕一l ：学位论文 f 0 = 8 5 0 h z 9 0 5 0 l 1 5 9 0 o h z k = 1 6 0 3 3 f 7 9 5 o h z ，k = 2 4 5 2 5 厂5 3 0 o h z ，k = 3 3 6 2 0 l 3 9 7 5 h z ，k = 4 ( 3 3 9 ) 3 0 1 7 l 3 1 8 o h z ，k = 5 2 5 8 6 f 2 6 5 o h z ，k = 6 2 2 6 3 l 2 2 7 1 h z k = 7 由以上的算式可以看出：对于每个兀都可以有多个不同采样频率进行欠采样，同时 保证信号不失真。但为了使得采样过程简单化，应该将信号的采样频率尽量统一。如上式 所示，四种载频不存在重叠部分，但是可以发现在信号的载频为5 5 0 h z 和7 5 0 h z ( 下行线) 时，欠采样频率存在重叠的部分4 0 3 3 疋4 6 3 3 胁。而在载频为6 5 0 h z 和8 5 0 h z ( 上行 线) 时，采样频率亦存在重叠部分3 6 2 0 无3 9 6 7 h z 。 对于u m 7 1 无绝缘轨道信号，按照如上分析方法可得到在载频分别为1 7 0 0 、2 0 0 0 、 2 3 0 0 、2 6 0 0 h z 时的欠采样频率范围，由于数据很大，所以在这里就不罗列，但是所得采 样频率中存在如式( 3 - 4 0 ) 的重叠部分。 f 0 = 1 7 0 0 h z ，3 1 4 4 丘3 3 4 2 h z ，k = 1 0 兀= 2 0 0 0 h z , 3 1 2 2 六3 2 8 5 舷，七= 1 2 ( 3 - 4 0 ) f 0 = 2 3 0 0 h z ，3 1 0 5 六3 2 4 4 h z ，k = 1 4 。 厶= 2 6 0 0 h z ，3 0 9 3 f 3 2 1 4 h z ，k = 1 6 根据以上欠采样的频率范围，可以得出四种载频信号的欠采样频率存在共同的部分， 因此对于u m 7 1 无绝缘轨道电路系统以2 5 倍整数抽取得欠采样频率为3 2 0 o h z 。 3 3 2 移频轨道信号载频的检测 根据3 1 节对轨道信号的分析可得，对于国内多信息无绝缘轨道信号，由于调制指数 m 的不同而使得信号的频谱为双峰信号，但是由于分布的对称性，信号的载频就是两峰 值频率的平均值；而对于u m 7 1 信号，频谱为单峰，其峰值处即为信号的载频。针对以 上叙述我们在进行检测时，只要能正确地检测出信号的峰值处频率就可以得到信号的载 频。因此，实现载频频率的检测方案如图3 一1 2 所示。 2 0 图3 - 1 2 载频检测方案 f i g 3 - 12t h ed e t e c tb l u ep r i n to f c a r r i e rf r e q u e n c y 移频信号的特点和参数检测算法 根据系统对信号频率分辨率的要求，信号载频的频率分辨率为0 3 h z ，而信号的采样 频率最大为4 4 4 4 h z 所以我们只要在欠采样的基础上，进行2 0 4 8 点的f f t 运算其分辨率 虮= 4 4 4 4 2 0 4 8 0 2 2 h z 可达到信号的频率分辨率的要求。 由于我们采用了欠采样技术，根据欠采样性质可得：通过欠采样技术所获得的信号 频谱会在各个矾区域重复出现，换言之我们虽然确保了信号的无失真采样，但是我们必 须人为确定出原采样信号是在哪一个，矿区域内，然后由0 l 区域进行扩展，得出原信号 的频率信息。 为了编程方便，我们事先将经前采样得到的频谱和原信号的频谱频率对应关系制表， 通过查表确定原信号频率。其对应关系如下表3 4 ，3 5 所示。 由于轨道信号的频率偏移是固定的，那么当检测出信号的载频的同时，信号的频偏 也就同时确定，对于我国国产轨道信号，频偏为5 5 h z ，而对于u m 7 1 ，其频偏为l1 h z 。 表3 - 41 8 信息轨道信号欠采样后频率对照表 t a b l e3 4t h er e l a t i o n s h i po fb e f o r es a m p l ea n da f t e rs a m p l eo f18 - i n f o r m a t i o nt r a c ks i g n a l 信号载频兀 5 5 0 6 5 07 5 08 5 0 欠采样频率， 4 4 4 43 8 1 04 4 4 43 8 1 0 欠采样后频率丘 1 0 5 61 1 2 01 3 8 88 8 0 欠采样前后频率关系 、= s 七代f 、= 2 l 一代f 、= 2 a 一气f o = 2 l + 五 表3 - 5u m 一7 1 轨道信号欠采样后频率对照表 t a b l e3 5t h er e l a t i o n s h i po f b e f o r es a m p l ea n da f t e rs a m p l eo f u m 一7 1t r a c ks i g n a l “ 。 信号载频兀 1 7 0 02 0 0 02 3 0 02 6 0 0 欠采样频率六 3 2 0 03 2 0 03 2 0 03 2 0 0 欠采样后频率名 l o o o8 0 o6 0 o4 0 0 欠采样前后频率关系 f o = 5 l + 六f o = 6 f s 一氏f o = 7 l 一五 、= 8 l 七代 3 3 3z f f t 法检测低频调制信息 在信号的分辨率上，欠采样技术采样较奈奎斯特采样有较大的提高，但是信号的低频 调制频率在几赫兹到几十赫兹之间，即使采用奈奎斯特采样，仍不能很好的满足低频调制 频率的分辨率。 2 1 两安理工人学硕。t ：学位论文 由于信号的低频调制频率比较低，表现在频谱图上即是信号的能量集中在一个较小 的区域内，即使我们增加信号的f f t 点数，虽然在整个数轴上分辨率有了一定的提高， 但是在能量相对集中的那一小段分辨率变化还是很小，为了更好的提高信号的频率分辨 率，使用z f f t 方法，对感兴趣的那一部分一一能量集中的部分一一进行频率细化 【2 5 】【2 6 1 【2 7 1 1 2 8 1 。因此，实现调制频率的检测方案如图3 一1 4 所示。 a ，d 采样数据 检测调制频率眶一i 眶t 三油i 图3 1 4 调制频率的检测方案 f i g 3 - 14t h ed e t e c tb l u ep r i n to fm o d u l a t i o nf r e q u e n c y 。 z f f t 算法能对某一需要特殊关注的频段作局部放大，得到该频段内的高分辨率谱， 它不要求增加变换点数，但能大大提高频谱分辨率。z f f t 犹如一个放大镜，缩小了视野， 但放大了景物，这对分析重点频区的细微结构是很有效的。 1 z f f t 的基本原理 z f f t 原理的框图如图3 1 5 。 图3 - 1 5z f f t 原理的框图 f i g 3 - 15t h ep r i n c i p l ed i a g r a m 其工作步骤为： 假设原始信号如图3 1 6a ) 所示： 1 对感兴趣的信号频谱进行移频处理，将尼段移至零频率附近，如图3 1 6b ) 。 2 若感兴趣的频带宽为士b 2 ，则对信号作一个带宽为占的低通滤波，那么输出序列 中只含有输入序列x ( t ) 中f o b 2 ，如此将频率范围缩小，如图3 1 6c ) 。 3 针对已经缩小范围的信号，采用重采样进一步降低信号的采样频率，每隔m 点取 一点，将抽取的信号再进行n 点f f t 如此可以将信号的频率分辨率较n 点f f t 提高m 倍，如图3 1 6d ) 。 移频信订的特点和参数检测算法 j 八 大 !l a ) j内 b ) j内 c ) j阳 d ) 图3 1 6z f f t 的工作步骤 f i g 3 - 1 6t h es t e p so f z f f t 2 z f f t 算法的实现 ( 1 ) 平移首先，要对信号进行移频处理，使得中心频率尽量向频率轴的零点靠 近，如此可以将信号的进行重采样的采样频率尽量的降低，同时也为下面的数字信号滤波 器的设计提供方便。 由于信号的载频不同，在进行移频时，不同信号的移频量也不同。移频时应达到 使得中心频率可能向频率零点靠近的目标，同时还要考虑到系数表的大小问题。而信号通 过欠采样技术所获得的频谱在