强干扰小信号检测的计算机仿真研究

1、强干扰小信号检测的计算机仿真研究魏学业摘要强干扰、小信号的检测，是实现铁路信号可靠工作的重要研究领域。采用滤波加频谱分析的方法，可以克服时域检测无法克服的缺点，通过计算机仿真，可以看出干扰大于信号时，这种检测方法，仍能很好地完成信号的检测。关键词强干扰小信号检测仿真轨道电路是自动闭塞的基础，其可靠性直接影响行车安全、列车通过能力和铁路运输效率。目前国内外铁路信号的自动闭塞、机车信号和列车控制系统的大部分都是由轨道电路作为基础。轨道电路由检测列车是否占用区间，发展到向车载列车控制系统传输大量的信息。为了保证列车运行的安全，保证轨道电路向区间信号，车载控制系统传输正确、可靠的信息，就需要研究强干扰

2、、小信号的检测方法。1待检测的小信号的属性分析设键控移频方波信号f(t)的频率为f1，周期为T，时间表达式为：(1)频率为f0的载频信号经f(t)调制后，载频信号的频率偏移量f为：(2)式中k系数，代表移频器的灵敏度，单位为Hz/V。移频信号的频率瞬时频率为：(3)其瞬时相位(t)是一个以f1为频率的周期信号，故可用傅里叶级数来表示，上式中的Cn为傅里叶系数，经一系列的数学推导，得到移频信号的傅里叶级数的数学模型为：(4)m定义为移频指数：(5)由此可得频谱的相对幅度为：载频分量的相对幅度为：；奇次边频分量的相对幅度为：；偶次边频分量的相对幅度为：。由此可得，移频信号经过一系列的数学运算，其频

3、谱发生了频变，使原来发送的上边频和下边频频率不存在了，而取而代之的是出现了一个新的频率成份中心频率，且其中心频率和调制频率可由频谱分析的方法进行测量，因此可采用快速傅里叶变换的方法，实现频率的测量。2强干扰条件下的小信号检测方法根据移频信号的发送原理，按照2中给出的方法，采用了636.574 Hz的采样频率，完成了中心频率550 Hz、调制频率为26 Hz时的频谱图，以及中心频率2 600 Hz、调制频率为10.3 Hz时的1024点FFT变换，计算出了它的功率谱图。由于频谱的泄漏现象，使本来应以中心频率对称的频谱(它的峰值也应对称)，出现了大小不等的峰值，但频谱的位置还是对称的，而计算频率值

4、是以位置来计算的，所以峰的不对称，不影响频率的检测精度。根据选择的采样频率，其频率分辩率为：fa=636.574/1024=0.6217(6)2.1无干扰情况下的小信号检测中心频率为550 Hz、调制频率为26 Hz，根据2中的方法，可得中心频率应位于：1024-550/fa=139从频谱中也可看到中心频率的位置为139，这与理论计算相符。由频谱的计算得移频信号的中心频率和调制频率分别为550.164和25.488，由于频率分辨率仅有0.6217，所以仿真结果和理论分析一致。图1中心频率为550Hz、调制频率为26Hz的频谱图2中心频率为2 600Hz、调制频率为10.3Hz图3中心频率为55

5、0Hz、调制频率为26Hz的频谱图4中心频率为2600Hz、调制频率为10.3Hz从频谱中也可看到中心频率的位置为86，这与理论计算相符。由频谱的位置计算得到移频信号的中心频率和调制频率分别为2599.759和9.946，由于频率分辩率仅有0.6217，所以仿真结果和理论分析一致。2.250Hz强干扰情况下的小信号检测假设接收的信号中存在50Hz的干扰信号，根据采用的采样频率，计算干扰信号在80这个位置，处于移频信号的带内，为了消除干扰的影响，就需要在进行FFT计算时，首先应对50Hz的干扰进行隐波处理，然后进行正常的运算。这里以国产移频信号，载频频率为550Hz、调制频率为26Hz为例进行仿

6、真，在仿真中加入了10倍于移频信号的50Hz强干扰信号，设计了50Hz的隐波器，得到图3所示的频谱图，可以看出图1和图3没有多大区别。可以准确解调出移频信号的中心频率和调制频率。2.350Hz、150Hz、250Hz强干扰下的小信号检测假设在接收的信号中，存在10倍于移频信号的50Hz干扰，2倍于移频信号的150Hz的干扰，与移频信号相等的250Hz干扰，根据采样频率，可以计算出这些干扰的频谱分别位于80、241、402，正好落在移频信号的频带内，出现严重的频谱混叠，必须减小它的影响，才能解调出移频信号，为此在这里采用滤波的方法，设计一高通滤波器，截止频率为400Hz。本仿真以UM71，载频的

7、中心频率为2 600Hz、调制频率为10.3为例进行仿真，得到如图4所示的频谱图。从图中可以准确解调出移频信号的中心频率和调制频率。3结束语3.1在深入探讨和分析轨道电路移频信号频谱特点的基础上，考虑到电气化铁路不平衡电流的交流干扰和提高铁路的列车速度，以及轨道电路工作环境恶劣、信号变化大等特点，通过分析FFT和带通信号的特点及实际FFT频谱图随采样频率变化，提出采样频率确定方法，对移频轨道电路中的小信号进行计算机仿真。3.2仿真结果表明，在无干扰的情况下，可以很清楚地得到移频信号的频谱图，由频谱图可以方便地计算出移频信号的频率值，且频率分辩率在要求的范围内。3.3在存在强干扰的情况下，由于干扰信号正好落在了频带内，出现频率混叠现象，但采用了加入陷波器和滤波器的方法，先对这些信号进行预处理，再进行FFT变换，就能很好地解决频谱混叠的问题，并取得了对小信号检测的满意结果。本项目得到了铁道部科技基金和北方交大科技基金资助。魏学业北方交大通信与控制工程系副教授100044北京市4参考文献1杨福生，戴先中.带通信号采样定理.信号处理，1986，1(2)：58612魏学业，汪希时，丁正庭