移频信息监测文档

1、目录文档说明2移频自动闭塞的基本概念3ZP-89型移频自动闭塞4ZP89型移频自动闭塞的信息特征5相位连续的移频信号5相位连续的移频波的频谱分析5方波调制的相位连续的移频波的频谱讨论11移频监测算法讨论13算法基于ARM芯片的实现18实际测试22文档说明本文档说明了移频自动闭塞的原理及ZP89移频的信息，分析了连续相位移频信息的频率谱线，进而确定了移频信息监测算法，并设计了信号转换电路，搭建了系统硬件平台，通过测试，实现了预期的功能。本文前两部分（前12页）为理论分析，参考的各种资料，后三部分为工作总结，请戴老师审阅。移频自动闭塞的基本概念自动闭塞是根据列车运行及有关闭塞分区状态。自动变换通过

2、信号机显示而司机凭信号行车的闭塞方法，它是一种先进的行车闭塞方法。自动闭塞是在列车运行过程中自动完成闭塞作用的。自动闭塞通过轨道电路（或计轴器等列车检测设备）自动地检查闭塞分区的占用情况，根据轨道电路的占用和空闲状态，通过信号机自动地变换显示，以指示列车运行。移频自动闭塞是以移频轨道电路为基础的自动闭塞。它选用频率参数作为控制信息，采用频率调制的方法，把低频信号（FC）搬移到较高频率（载频f0）上，以形成振幅不变、频率随低频信号的幅度作周期性变化的调频信号。将此信号用作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。其移频信号波形如图所示。从图中可以看出，调频信号的变化规律

3、，是以载频信号f 0为中心，作上、下边频偏移。当低频调制信号输出低电位时，载频f 0向下偏移（称为频偏），为f 0 ，叫做低端载频（或称下边频）；当低频调制信号输出高电位时，载频f 0向上偏移，为f 0 +,叫做低端载频（或称上边频），可见，调频信号是受低端信号的调制而作低端载频f 0 和高端载频f 0 +交替变化，两者在单位时间内变化的次数与低频调制信号的频率相同。在轨道电路中传输的信息是低端载频f 0 和高端载频信号f 0 +，载频f 0实际上是不存在的。由于低端载频和高端载频的交替变换接近于突变性的，好似频率的移动，因此成为移频信号。应用这种移频轨道电路的自动闭塞称为移频自动闭塞。在移频

4、自动闭塞中，低频信号用于控制通过信号机的显示，而载频f 0 （又称中心频率）则为运载低频信号之用，其目的是提高抗干扰能力。移频自动闭塞的载频中心频率f 0选为550Hz、650Hz、750Hz和850Hz四种。在单线区段采用650Hz和850Hz两种，这是为了防止钢轨绝缘双破损后两相邻轨道电路产生错误动作，所以，相邻的闭塞分区采用了不同的载频。在双线区段，由于上、下行线路之间存在邻线干扰，所以上行和下行线路也应采用不同的频率，上行线采用650Hz和850Hz；下行线采用550Hz和750Hz。在移频自动闭塞中，轨道电路中传输的信息，是利用四种低频控制信号FC，分别对四种中心载频f 0进行调之后

5、的移频信号，即f 0 +，频偏为55Hz，其频率如表所示。表 轨道电路中传输的移频参数中心载频f 0 (Hz)上边频f 2 = f 0 + (Hz)下边频f 1 = f 0 (Hz)550605495650705595750805695850905795由于这些频率正好在电力牵引区段工频牵引电流50Hz的偶次谐波500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz附近，而牵引电流的偶次谐波幅值较小，即对移频信息的干扰较小，这就提高了移频自动闭塞的干扰性能。在每个闭塞分区的钢轨中传输的移频信息，实际上是以频率为中心载频的下边频f 1 （f 0 ）和上边频f 2 （f 0 +）的两个交替变换

6、的正弦交流信息，即，单位时间内频率变换次数由低频调制信号FC决定。ZP-89型移频自动闭塞原移频自动闭塞只有四种信息，若发展四显示自动闭塞，除增加信息量外，还必须对原设备进行改进，以提高可靠性，扩大功能。信息量增加后，元件数量必然增加，设备的可靠性随之降低。为此，应在满足系统的故障安全和提高干扰能力的基础上，积极采用集成器件，以提高设备的可靠性，并缩小体积。由于信息量增加，频率间间距缩小，必须提高频率的稳定度。此外，还应改善防雷性能和适应大牵引电流的抗干扰要求。1983年开始研究四显示自动闭塞，将信息量从4个增加到5个，但难以满足发展列车运行超速防护的要求。1988年又开始研究集成化多信息移频

7、自动闭塞，将信息量增加到8个。1989年进行现场运行试验，1993年通过铁道部技术鉴定，定名为ZP89型移频自动闭塞，俗称8信息移频自动闭塞。ZP89型移频自动闭塞的信息特征载频仍为550Hz、650Hz、750Hz、850Hz，频率配置同四信息移频自动闭塞，频偏为±55Hz。低频频率有8个，它们是8（30）Hz、11Hz、15Hz、20Hz、26Hz、9.5Hz、13.5Hz、17.5（16.5）Hz。11Hz、15Hz、20Hz、26Hz为原用低频。8Hz可作为电气化区段站内轨道电路用，不传递信息。30Hz一般作双线双向自动闭塞反向运行时区间轨道电路用，也不传递信息。13.5Hz

8、为绿黄，四显示自动闭塞用，进站信号机显示绿黄灯时也能用。17.5Hz为黄2闪，用在特殊情况，如18号道岔侧向通过时用16.5Hz，四显示自动闭塞可作为黄2码使用，即在进站信号机显示双黄灯时，第二接近区段发送黄2码，供机车信号接收；9.5Hz备用。相位连续的移频信号ZP89型移频自动闭塞的信息是为相位连续的移频信号。相位连续的移频信号是通过键控一个移频振荡器产生的振荡电流信号。相位连续的移频波的频谱分析首先设键控信号为低频调制信号f(t),周期为T，时间表达式为：（1）式中 A方波的振幅。波形图如图1所示。经f(t)调制后，移频波的角频率和频率偏移量为（2）式中，k系数，代表移频器的灵敏度，单位

9、是Hz/V。移频波的瞬时角频率变化为（3）其波形如图2所示移频波的瞬时相位为其中， （4）其波形如图3所示。它是一个周期为T的三角形周期函数，而且。因此移频波的时间表达式为（5）其波形如图4所示。为了方便分析起见采用复函的实部表示，即（6）（7）由于是一个周期信号，故也是周期信号。它可用复数形式的傅里叶级数来表示，即（8）式中，基频。（9）为傅里叶系数。它决定于（10）现将式4代入上式得（11）积分可得因为所以其中因为故（12）式中，m移频指数，定义为（13）现将式（8）代入式（7）（14）再将式（12）代入式（14）（15）把式（15）代入式（6）得方波调制的移频波的频谱表达式为（16）当n

10、=0时，因为所以当n=1时，因为所以当n=-1时，因为所以当n=2时，因为所以当n=-2时，因为所以当n=3时，因为所以当n=-3时，因为所以当n=4时，因为所以当n=-4时，因为所以当，即n为正奇数时，因为，所以当时，即n为负的奇数时因为，所以当n=2k时，即n为正偶数时，因为，所以当n=-2k时，即n为负偶数时因为，所以将上述n=0，1，-1，2，-2，3，-3，4，-4（2k-1）、-（2k-1）、2k、（-2k），代入式16，化简后得（17）式中k为整数。方波调制的相位连续的移频波的频谱讨论式17说明，方波调制的相位连续的移频波的频谱，是在载频（当n=0）附近由无限多的成对边频分量组成

11、，其边频为和。它们之间相距为，各频率分量幅度与幅度之比值，称为相对幅度，其分布为（18）载频、奇次边频、偶次边频的相对幅度与m的关系列于表1中。由此可以作出频谱图，图2所示为F1固定，增加，m=0.3、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4；图3所示为固定，F1减少m=0.3、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4。方波调制的相位连续的移频波的通频带宽度决定于最大频偏的两倍，即式中由式2决定。由式16、式17和频谱图2、3可以得出下列四点结论：（1） 相位连续的方波调制的移频波有以载频为中心的两个边带，对应的上、下边带的大小相等，奇次项上、下边频的相位相反，偶次项上、下边频的相位相同。（2）

12、移频波没有保持原来方波信号的频谱结构，而出现新的频率分量，因此移频信号是一种非线性调制，不能看作为方波信号的频谱在频率轴上的搬移。（3） 由式18图2可见：当移频指数m增加时，移频波频谱中载频的幅度下降，边频幅度则上升，即随着m的增加，信号功率便扩展到较宽的频带中。因此在m较大的情况下，为了不失真地传输移频信号，就要求占用轨道电路较宽的通频带。即增大，才能使主要边频能量通过，这是不利的。（4） 当固定，随调制低频F1的增加而减小时，频谱中相邻边频的间隔增大。另一方面m的减小使较高次数的边频幅度下降，这些边频就显得不重要了。这一特点在图3中表示很清楚。在原来情况为的条件下，保持不变，增大调制频率

13、使之等于、后，传输主要边频所需要的通频带宽度几乎不变。如果在最低调制频率上m小于1，则当调制频率升高时，一次边频就越出同频带，传输最必要的一次边频所需要的通带应相应加宽，否则波形失真就很大。因此在这种情况下就失去了调节带宽的作用。另外一次边频分量减小，不带信息的载频分量增大。故通常选取移频指数。（5） 当m1.5时，中心频谱幅度不再为最大值，边频频谱幅度变为最大。边频在频谱上对应位置附近的三根谱线幅值均不可忽略，分别为幅度前三位的频率谱线。三者间距为1，而排列顺序并不确定，但观察频谱图可以发现，幅度最大的两根谱线总是相邻，而且相距1。由上述结论1、5可知在上下边频附近存在着 0和（0 上幅度最

14、大的谱线，且关于中心频率对称。 0和（0 上幅度次大的谱线分别距对应的最大谱线间距为调制频率1。移频监测算法讨论所以对ZP-89移频信息的监测可以通过对其发送信号的频谱分析实现。根据ZP89制式得知，所要监测的最大载频为850HZ，频偏为55Hz，所以监测的最大频率值为905Hz，根据采样定理，要保证采样信号的完整性，采样频率需要大于最大频率的2倍。所以采样频率应大于2*905=1810Hz。对实时信号采样可以得到时域信号的离散值，对其作FFT可以得到频域信号，实际应用当中，FFT程序拟选用ARM函数库中的RFFT和FFT函数，两函数均要求点数为2的整次幂。所以设定采样时间为1s，取满足要求的

15、采样频率2048Hz。ZP89制式下调制频率包含1位小数，所以本监测设备至少应能精确到0.1Hz，从而需要对频谱信号进行细化10倍。频谱细化可以通过以下方法实现：1 将关心的频段fd=f1-f2搬移至0 fd。2 将2048点中其它点清零。3 对搬移后的信号作FFT反变换。4 对时域信号每隔10点抽取一点，并将得到的序列用0补齐2048点。5 将新的时域信号作FFT得到频域信号，则每一点代表0.1Hz。根据频谱的特点以及上述结论，可以基本确定如下算法，求出载频和调制频率，其中最大谱线、次大谱线分别指功率谱线幅度最大的和功率谱线幅度第二大的谱线。基本算法：1 设定采样频率为2048Hz，采样时间

16、为1s，可以得到2048点实时信号的离散信号。2 对时域信号进行FFT变换，得到频域信号，并初步确定中心频率。3 取中心频率附近256点搬移到频域信号最前面的位置，并将其它点幅度清零。4 对搬移后的频域信号作FFT反变换，得到将中心频率附近频段的信号展宽的时域信号。5 对展宽后的信号进行再抽样，每隔10点抽取1点，将重采样的信号点数后面再补0，补齐2048点。6 对重采样后的信号进行FFT变换，得到新的频域信号，此时的频域信号起始频率应为中心载频100Hz，点间隔代表0.1Hz。7 分别在 0和0 上寻找幅度最大的谱线，记录其位置s1和s2，其中间的位置即为中心载频。8 分别将s1、s2两侧8

17、0点幅度清零，再分别在 0和（0 上寻找幅度最大的谱线，记录其位置s5、s6。9 计算调制频率f_mod1=|s1s3|、f_mod2=|s2-s4|，f_mod1若与f_mod2相差不大，则可确定为调制频率。通过Matlab可以验证本算法是否可以实现预期的功能。在Matlab程序当中原始时域信号的产生可以通过式16的n取不同值得到，根据上述算法编写程序，可以得到不同m值时的时域图、频域图、展宽图、新频域图以及运算结果。以调制频率为13.5时为例，各图如下（其他情况可参阅附件）： 时域信号图功率谱线图功率谱线局部放大图形功率谱线局部放大图形搬移后时域信号图功率谱细化图细化后谱线局部放大图形ca

18、rrier = 850f_mod = 13.5000观察以上各图，可以发现，当采样信号作第一次FFT的时候，因为频域信号点间隔为1Hz，无法准确分辨调制频率不为整数赫兹的情况，能量分布在预定位置两侧相邻点，而细化后的功率谱中，点间隔变为0.1Hz，对于ZP89制式下各调制频率，可以清晰地分辨出谱线分布情况。根据算法，可以实现移频信息的监测。需要注意的是，Matlab仿真程序中的时域离散信号为根据式16n取等间隔数得来的，属于理想信号，在实际应用需要修正，例如在实际测量时，因为硬件因素，信号需要抬高，其幅值均大于0，这样会引入直流干扰，需要滤除。另外，对于其他硬件或现场故障，算法中并未考虑到，例

19、如如果发送盒故障，晶振无法正常起振，调制频率为0，此时实际的时域信号只为单一频率信号，本算法将无法正确判断。综上可以发现，本算法可以在理论上实现移频信息的监测，但在实际应用当中需要在此基础上，综合考虑现场情况，加以完善。算法基于ARM芯片的实现对于移频信息的监测功能的实现由硬件和软件两部分。监测移频信息实际上的监测对象是区间移频电路的发送盒所发出的正弦电压所包含的信息。上文中提到的采样程序就是对该正弦电压采样，由于区间电路发送到轨面上的电压为040V，其峰值范围为±57V，为了保证安全，增加3V的裕度，所以监测范围定为±60V，而CPU板的A/D测量范围为05V，所以监测对

20、象信号不能够直接连接到CPU板的A/D输入端，需要将信号进行转换，从而降低信号的幅值，并且将信号小于0的部分抬高到正电压。转换电路的原理如图所示。 图中JP1为交流互感器，其输入电流范围为0 2mA，并可以保证输入输出的电流值不变，再输出端连接相应阻值的电阻，可以得到期望的电压。本硬件电路可以有效地将信号调整到理想范围内，同时不引起较大的失真，可以保证在移频监测中使用。根据Matlab仿真的结果，可以确定算法基本可以实现预期的功能，局部优化后，可以将算法在ARM体系中实现，但在实际的应用当中，需要注意一些细节问题。具体有以下几个方面：1 为了保证采样点之间的时间间隔为1/2048s，采样程序设

21、置在定时器中断程序当中，定时器中断时间设置为1/2048s。2 由于采样点数较多，FFT过程中的存储变量以复数形式存储，所占空间较大，而一般ARM程序中的堆栈字节不会大于256，所以所有2048点的数组将定义为全局变量。 3 保证采集的2048点为信号的等时间离散值，在进入移频程序时才能开启定时器中断，开始采样；同时重置采样缓冲区存储指针。4 根据采样定理，采样时间必须持续1s以上，所以程序必须等待采样程序采够2048点后才能进入分析程序。5 程序采样点数较多，FFT运算过程当中的中间变量也较多，每点均作为复数形式存储。所占的空间较大，考虑到RAM有限，应尽量节省空间。具体方式有，在第一次FF

22、T运算时，采用RFFT函数，其变量的存储空间比FFT函数少一半，另外由于其查表幂数比FFT小1，所以运算速度上也要快，对程序整体的性能提高有很大的帮助；另外在频谱细化的过程当中，变量可以复用，节省资源的开销。6 因为分析程序当中RFFT、FFT程序运算量很大，其运行时间也会很长，1/2048s之内不能够完成，为了防止定时器中断采样程序在分析过程中，对数据造成破坏，在每次采集完2048点后，需要将定时器关闭，在分析程序完成之后再行开启，进行下一次采样。7 CPU板所采集的信号为原始信号经衰减、抬高后的信号，在频率分析过程中，会导致0Hz位置的谱线幅度很大，即抬高电平的直流分量会对信号分析产生很大

23、的影响，所以在第一次FFT时，需要对0Hz位置频域信号清零。8 因为原算法是在考虑查询四条谱线的基础上确定的，当调制频率为0时，频率能量将集中在中心谱线，本算法将出现错误。避免这种错误情况的办法在本程序中，设定幅值最大值和次大值不可相差10倍。当发现 0和（0 两区段上幅值分别最大的谱线幅度相差10倍时，判定没有调制频率，幅值最大的谱线所对应的位置即为所测信号的频率。9 如前文所述，为了得到高精度的频率值（0.1Hz），在频率分析过程中，对信号频谱进行了细化，即将频域信号中，中心载频左右各100点进行了搬移，但当计算所的地中心载频小于100Hz时，载频100将不存在，程序中将报错。为了避免本错

24、误，可以在步骤2初步判断出中心载频时进行判断，如果小于100则直接跳出分析程序，并向站机报错。10 实际应用过程中，采样电路或轨道电路等硬件因素可能会引起频率的瞬时抖动，此时的波动可以忽略，需要在程序中实现判断稳定，剔除抖动。综合考虑上述情况，在算法基础上编写程序，程序流程图如下：实际测试根据要求设计信号转换电路，并与CPU板、移频信息发送盒连接完毕进行测试，如图所示。系统整体图图中移频信息发送盒为ZP89制式，载频固定为850Hz，可以根据跳线选择调制频率，选择发送信息，调制频率为0时，发送905Hz单一频率正弦信号，其工作电压为24VDC。首先测试转换电路的性能，各部分连接无误后，选择好调频信息，启动开关电源，发送盒输出移频信息。使用示波器观察移频信息原始信号如图所示。然后将发送盒信号连接到转换电路，将转换电路输出连接到示波器输入端，观察信号转换效果。ZP89原始信号转换电路输出信号根据上图可以看出，硬件转换电路的输出引入了一些噪声，但电压幅值得到了有效的衰减，并且成功地将信号抬高到了正电压范围内，总体上实现了需要的功能，可以应用到测试当中。