移频机车信号的频域分析与实现

　　一、利用频谱分析信号原理

　　频谱分析是把时域信号经过信号变换到频域信号，在频域内按照一定的原则提取有用信息并加以分析的方法，对移频信号进行频谱分析先要把移频信号从时域波形x(n)变换到频域X(k)的一一对应形式，经过这样的信号变换后得到的K个数据X(k)就是移频信号在频域中的K个频率成分的幅度值，如果以X(k)作出图形即频谱图，然后对计算出的频谱进行频域分析，经过检测极大值的方法提取出频谱的各个峰值，再把峰值经过幅度最小门限的筛选法去掉幅度较小的干扰而保留剩下的少量数据，如此处理过程的原则和目的，是使有用信号成分一定存在而且尽可能地删除干扰，这些工作对于后续信号的识别率以及实时性是至关重要的，如果误删掉有用成分，就会导致后续处理提取不出信息，但是保留过多信息以外的数据，则会严重影响DSP处理的实时性。

　　二、频域信号的理论分析

　　移频信号是相位连续的频移键控信号，是键控角度调制信号的一种。为了故障导向安全的考虑，一般采用周期方波键控角度调制信号，这是数字键控角度调制信号中的一种特例。键控角度调制信号可分为键控移频信号的键控移相信号。键控移频信号又可分为相位连续的移频信号和相位离散的移频信号。铁路移频信号中采用相位连续的移频波信号。

　　下面对相位连续的移频波频谱进行详细地分析。

　　首先设键控信号为低频调制信号f(t)，周期为T，时间表示式为：

　　

　　

　　

 

　　从上面的分析可以得出移频信号的频谱具有以下特点：

　　1、相位连续的方波调制的移频有以载频为中心的两个边带，对应的上下边带的大小相等，奇此项上下边频的相位相反，偶次项上的上下频的相位相同。

　　2、频谱没有保持原来的方波的频谱结构，而出现新的频率分量，因此移频信号是一种线性调制，不能看作为方波信号的频谱在频率轴上的搬移。

　　3、当移频指数m增加时，移频波频谱中的载频的幅度下降，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。

　　4、当△f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。

　　三、频谱分析移频信号时存在的问题

　　1、在接收信号从无码到有码，有码到无码，信号转变，制式转变等特殊时刻，为了提高频谱分析的实时响应性，用特殊处理方法作为辅助手段。这里应重点处理好所采集的数据的取舍程度，理想目标是找到真正的变化时刻，及时刷新数据即擦除遗留的原来信号保留新的信号数据，这样才能保证应变时间的快速性，频谱分析在应变时间的快速性上不如时域滤波处理好，作为弥补方法需要一个快速的短时Fourier变换处理即时探测信号的变化时刻，以便即时调整待处理数据。

　　2、应变时间的控制问题。频谱分析的实现方法有多种：①定周期法，即每隔固定时间计算一次频谱，进行一次分析。②不定周期法，即每次计算、分析频谱的周期没有严格的规定，连续地循环处理，这种方法依赖于DSP处理器的计算能力，另外波形的复杂程度也直接影响分析的时间长短。其中定周期法通常在DSP处理器的速度很高、执行时间充足情况下使用。本文研究内容就是采用定周期法设计。另外信号的输出需要多次冗余确认，至少两个分析周期以上的冗余方可输出，本文在设计时暂定三个分析周期的冗余确认。

　　3、识别方法的选择。①频率点对照方法，即把所有标准信号的频谱经过理论计算，将其典型的频谱点以及其大小制成数据库，每次频谱计算后的结果在数据库中查询找到蒲培的信号，这种方法在实现时为了适应信号频率的漂移通常需要对数据库的信息进行平移和缩放处理，精度要求较高时系统时间的消耗较多。②特征值提取方法，即如第三章所述，针对移频信号本身的频谱图的特点，充分利用其低频信息的冗余特点来分析，这种方法在分析时对各项指标的控制比较方便，因而在本文中采用。对于不同的识别方法有不同的法则限制，不同的识别方法在不同的情况下表现各有优势，是否有更好的十倍方法还需要升入研究。

　　4、应变时间、抗干扰性的矛盾。频谱分析时为了达到较高的频率分辨率和抗干扰能力，通常时窗函数选的较长，而系统的应变时间希望越快越好，这是一对矛盾。本文在单纯使用频谱分析方法实现了第三章所列的技术指标，但是要更好的解决这一矛盾本人认为应选择频谱分析与滤波处理相结合的方法，即如果数字滤波方法可以识别出信号而且频谱分析也分析出同样的结果，而可快速输出，在信号质量好的情况下可以提高信号的应变速度，在信号质量不好时，如果滤波方法难以分析出来，则以频谱分析为准输出（但需要多次冗余确认）以提高抗干扰性。这样既可以满足信号质量良好时的应变时间的快速性，同时又能使信号不好时信噪比指标大大增强。

　　四、现场波形可能存在的问题

　　1、列车通过道岔信号产生剪短的波形。在不同的列车速度下这种间断可以在200ms-400ms左右。

　　①间断前后信号幅度没有变化

　　②间断前后信号幅度有变化

　　③绝缘节前后信号幅度有较小的变化

　　④绝缘节前后信号幅度有较大的变化

　　⑤上下边频不对称的情况（歪肩膀）

　　⑥上下边频不对称失真情况严重

　　五、移频信号的处理

　　上一章中给出了移频信号的译码原理，从原理可知道移频信号的频谱分析是提取频率信息，然后利用频谱图的相似形来识别的，因此如果频率分量变化将导致信息的变化，又因为频谱分析是种统计结果，可以判定当信号变化或不具备平稳随机信号特点时有可能出现新的频率分量，所以会有产生信号译码错误的危险发生。

　　在铁路信号中，这种危险时刻通常发生在列车追踪运行时，列车在同一区间内信号的变化，例如由载频550Hz，低频20Hz，变灯以及间歇发码情况等。在这些情况下，移频信号的频域处理不如时域处理反映快。如果只在频域内解决的话，信号处理程序必须具有对信号变化的特殊识别处理。

　　标准信号及其对应标准频谱图：

　　

 

　　以上内容摘自一篇论文，论文原文地址：http://xueshu.baidu.com/s?wd=paperuri%3A%2837e9a4a53e78125f8725c5e3ccfea49c%29&filter=sc_long_sign&tn=SE_xueshusource_2kduw22v&sc_vurl=http%3A%2F%2Fwww.docin.com%2Fp-1467491451.html&ie=utf-8&sc_us=12852516269344581502