基于虚拟仪器技术的轨道信号参数测试系统

基于虚拟仪器技术的轨道信号参数测试系统

0时域测试法轨道和公路是对机车运行的可靠保证，在列车自动管理系统中起着非常重要的作用。轨道电路中承载着轨道信号,机车通过连续采集轨道信号,来获得前方区段是否占用等重要信息。所以,有必要对轨道电路信号进行定期动态测试,保证轨道电路传输信号的可靠性。目前,在国内铁路系统中轨道信号主要有2种类型:移频信号和UM71信号,它们都是相位连续的FSK信号。移频信号的载频分别是550Hz,650Hz,750Hz,850Hz;频偏是55Hz,调制频率是7Hz,7.5Hz,8Hz,…,26Hz;UM71信号的载频分别1700Hz,2000Hz,2300Hz,2600Hz;频偏是11Hz,调制频率分别是10.3Hz,11.4Hz,12.5Hz,…,29Hz。对轨道信号的测试方法主要有时域和频域2种。时域测试法原理简单、易于实现,但抗干扰能力不强,测试精度难以提高,无法实现波形失真度的测试。频域测试通常采用ZOOMFFT的方法,实现过程较为复杂,计算量大,对测试系统硬件要求很高,需要采用高速DSP芯片来确保测试的实时性。并且,经典的FFT谱分析方法,由于受时域截断的影响,经FFT分析得到的谱线频率、幅值和相位误差都很大。从理论上分析,加矩形窗时,单次谐波频率的最大误差可达36.4%。加其他窗函数时,也不能完全消除此影响,在加Hanning窗时,最大幅值误差达15.3%,相位误差达90°。针对传统FFT测试方法的缺点,本次提出了一种谱线细化算法,以较少的计算量,实现了较高的频率和幅值测试精度,保证了测试的实时性;软硬件开发采用先进的虚拟仪器技术,增加了测试系统的灵活性和可扩展性。1基于光谱校正的fsk信号翻译方法1.1相对稳定约束条件的校正在信号处理过程中,经常用到信号的采样和加窗处理,这就不可避免地造成了能量泄漏和信号频率参数的飘移。为了减小能量泄漏,保证测试准确度,考虑采用振动领域的能量重心校正法。该方法的理论依据是:当分析的样本点数足够大时,窗函数(如Hanning,Blackman等)的离散频谱的能量重心无穷逼近于坐标原点。因此,信号的检测频率值可以通过分布在信号真实频率周围的若干谱线进行校正。设采样率是fs,FFT的点数为N,窗函数离散功率谱内,主瓣内峰值的谱线号是m,功率谱第i条谱线值是Yi,则主瓣中心频率x0的校正公式为:x0=(∑i=−nnYi(m+i)fs/N)/∑i=−nnYi(1)x0=(∑i=-nnYi(m+i)fs/Ν)/∑i=-nnYi(1)根据ParseVal定理,校正后的幅度为:A=kt∑i=−nnYi−−−−−−−−√(2)A=kt∑i=-nnYi(2)式(2)中系数kt可通过数值方法算出。校正后的相位为:Φm=arctan(ImRm)+(x0−mfs/N)(fs/N)π(3)tan(ΙmRm)+(x0-mfs/Ν)(fs/Ν)π(3)1.2翻译信号的方法1.2.1边频分量构成移频信号和UM71信号都是相位连续的FSK信号,其频谱都是由载频及其附近无限多的成对边频分量构成,如图1和图2所示。移频信号调制指数m的变化范围为2.1～7.9,而UM71信号调制指数变化范围相对较小,从0.38～1.06,所以相应的移频信号频谱的主要能量集中在上下边频分量上,而UM71信号的主要能量集中在信号的载频附近。1.2.2fsk参数校正设置信号采样率为9600S/s,采样时间是1.28s,译解步骤如下:(1)判断载频(Fc)取2048点做FFT,根据各个载频处的能量分布大小粗略判出载频所在位置。然后,根据UM71信号和移频信号的载频特点,通过设置频率门限来识别它们。频率门限可以在移频载频的最大值(850Hz)和UM71信号的载频最小值(1700Hz)之间取值。(2)频域预处理由于实际的轨道信号中混有大量的噪声和无关信号,直接辨认出真正的FSK信号频谱十分困难。为此,本文采用频谱细化方法,滤除其余干扰谱线,得到载频附近的若干谱线极大值。(3)频谱校正根据式(1)～式(3),对细化后的各个谱线的幅度,频率进行一一校正。(4)求解FSK参数基于以上校正结果,信号参数可根据FSK信号的频谱特点得到。方波调制的相位连续FSK信号是由许多频率成分构成的。设信号的n次谐波幅度是Cn,则:C0=(2A0/mπ)sin(mπ/2)(4)Cn=(2m/π(m2-n2))cos(mπ/2),n是奇数(5)Cn=(2m/π(m2-n2))sin(mπ/2),n是偶数(6)对UM71信号,采用Fc及其周围的几根谱线,求解步骤如下:(1)按照频率大小顺序重新排列校正好的细化谱线。根据谱线对称性找到中心频率,即信号载频Fc。(2)找到离载频最近且关于载频对称的2根谱线,这2根谱线的间距就是二倍的调制低频Fm。(3)根据Cm和Cn,利用曲线拟合方法求出频偏ΔF。(4)调制系数m可根据式(7)得出:m=ΔF/Fm(7)(5)根据式(4),得到信号幅度Amp:Amp=(C0mπ/2)sin(mπ/2)(8)对于移频信号,由于载频处的能量很小,绝大多数能量集中在低次边频上,所以取低次边频进行分析,求解步骤如下:(1)找到足够多的对称谱线,取这些各个谱线对的频率均值再做均值就是信号的载频Fc。(2)根据移频信号频谱的对称性:谱线关于载频轴对称,相邻谱线间距即为调制低频Fm。(3)设n1、n2是边频序号。如果n1≠n2且都是奇次或偶次边频,则根据式(5)和式(6),可以得到m的计算式:m=(cn12−n22)/(c−1)−−−−−−−−−−−−−−−−√(9)m=(cn12-n22)/(c-1)(9)式中:c=Cn1/Cn2。所以,通过找到合适的谱线对,就能求出调制指数m,进而通过式(4)求出信号幅度。(4)频偏ΔF可以通过式(10)求出:ΔF=mFm(10)2硬件结构和软件实现2.1a/d采样系统主要功能描述:轨道信号通过接收线圈感应上来,经过隔离、滤波、放大处理,再由采集卡的第0通道进行A/D采样,送到笔记本电脑进行处理。测试系统的结构如图3所示,其中硬件选用了NI公司的6062E多功能数据采集卡。2.2ows/cvi开发系统软件采用了虚拟仪器软件开发平台LabWindows/CVI开发,通过软件承担各种复杂的运算工作和控制,有效降低了硬件系统的运算负荷量,并且其很强的扩展性也为今后测试功能扩展提供了极大空间。3测试误差分析为了验证测试算法的正确性,在MATLAB平台上编制了用于算法误差分析的测试程序。采用MonteCarlo方法生成峰值为1V的移频信号或UM71信号,在各种载频和调制频率条件下,在信号初相角从0°到360°、每隔0.5°变化时,对根据测试算法计算所得的频率参数和幅度参数的误差进行了统计分析。(1)移频信号的误差分析无干扰情况下,选择采样时间为1.28s,分析点数为4096点,采样率是9600S/s,载频为550Hz时,各种低频下的载频和信号幅度的误差分析结果如表1所示。(2)UM71信号的误差分析无干扰情况下,选择采样时间为1.28s,分析点数为4096点,采样率是9600S/s,载频为1700Hz时,各种低频下的载频和信号幅度的误差分析结果如表2所示。从反复测试的统计结果得出:(1)随着分析点数的减少,测试误差随之增大。当分析点数仅为512点时,算法仅能用于判断载频频率。(2)幅度误差可以通过增加A/D转换器的动态范围来解决,在200MV量程时能够达到信号电压幅度测试误差在±1mV之内。4测试结果分析通过对系统的软件设计思想和硬件配置的详细介绍,得出以下结论:(1)提出了一种谱线细化算法,以较少的计算量,实现了较高的频率和幅值测试精度,对于我国铁路干线使用的移频和UM71信号,在选择采样时间为1.28s,分析点数为4096点时,频率测试精度达到0.05Hz量级,幅度测试精度UM71为0.05%、移频为1.2%左右。而且本算法的分析点数少,仅为4096点,