TVM430信号的仿真与离线分析（可编辑）

TVM430信号的仿真与离线分析（可编辑） TVM430信号的仿真与离线分析 北京交通大学 硕士学位论文 TVM430信号的仿真与离线分析 姓名:庄娜 申请学位级别:硕士 专业:电路与系统 指导教师:杜普选 20071201中文摘要 摘要:由于我国主要的轨道信号信息量少,很难实现高效率的列车控制,因此需 要一种大信息量的轨道信号。法国轨道信号是一种信息量大,且具有 比特的数字编码轨道信号。本文将细致研究信号发送和各种解调方法, 同时用仿真信号的发送和解码,并在环境下实现信号的离 线分析系统。 利用离线系统可以对记录的现场信号进行解码研究,由于没有实时 性的要求,离线系统可以介入各种算法程序,研究解码的各个环 节,查看信号的 各种特征和数据,并进行解码策略的研究。利用该平台验证各种解码算法的正确 性和可用性,从而可以作为研发的技术平台。利用该系统可以确定信号发送和传 输中出现的问题,定位故障和干扰,及时对有故障的设备进行维修和防护。 本论文以离线方式实现了信号的发送和部分解码算法。 ;解调 关键词:信号;离线分析; 分类号: : 伍.丑. 哪 .. 皿 , . . ?. , . , . . :; ;;; :学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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, 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期:.跏年,月印 签字日期:少年。月哆细 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果,也不包含获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 签字日期: 学位论文作者签名:五膨静 砷年,,月日致谢 本论文的工作是在我的导师杜普选副教授的悉心指导下完成的,杜普选副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来杜普选老师对我的关心和指导。 杜普选副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助,在此向杜普选老师表示衷心的谢意。 杜普选副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间,王忠琴、司昱、孔勇、姜晓庆、赖女女、钟 伟等同学对我论文中的信号仿真的研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢我的父母和朋友,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。引言 . 铁路信号简介 ..国际背景 世界上高速铁路发展较快的三大国家是日本,法国以及德国,这 三个国家的 地面信号设备都采用了符合本国国情的自动闭塞制式,这种制式系统可靠性高、 信息量大、抗干扰能力强。在机车上,各国的高速铁路都积极安装了列车超防护 和列车自动控制系统。 日本在东海道新干线采用了系统,德国在高速线上采用了系统, 法国高速线采用了系统。他们的共同点就是这些系统完全改变了传 统的信号控制方式,可以连续、实时监督高速列车的运行速度,自动控制列车的 运行速度和制动系统,实现列车超速防护。此外,系统还可以实现列车群体的速 度自动调整,使列车均保持在最优运行状态,在确保列车安全的条件下,最大限 度的提高运输效率。而这三个国家的列车运行控制系统不同点主要体现在控制方 式、制动模式及信息传输的结构等方面。 日本是世界上最早实现高速铁路运营的国家,目前列车时速可达/。当 列车时速进一步提高到/以上时,由于模拟式轨道电路由地面向列车传输 的信息量不够,而增设了地面与机车之间的应答器设备作为辅助信息传输装置。 日本系统的安全信息传输媒介采用有绝缘模拟式轨道电路,因此地面与移动 列车之间为单向信息传输,信息量较少。近年来,日本对原有的系统进行了 数字化改造,使地面向移动列车传输的信息量增加到。因此使新的日本 高速铁路列车运行控制系统能够适应更高的列车运行时速的要求“。 德国的连续式列车运行控制系统,其运营速度可达/,它是目前 世界上唯一采用以轨道电缆为连续式信息传输媒体的列车控制系统,可实现地面 与移动列车之间的双向信息传输,同时还可以利用轨道电缆交叉环实现列车定位 功能,控制方式以人工控制为主。系统首先将连续式速度模式曲线应用于高 速列车的制动控制,打破了过去分段速度控制的传统模式,可以进一步缩短列车 运行的间隔时分,因此能更好的发挥硬件设备在提高线路运输效率方面的潜在能 力嘲。 法国铁路认为,当列车时速高于公里时,道边的信号就变得难以辨认,人的警惕性也不可能达到要求,尤其是在恶劣的天气条件下。在法国高速线 路上,列车时速高达或公里,传统的信号将无法使用,而必须用列车超 速防护系统确保运行安全,这就是信号系统。法国的系统是早期 产品,系统是在它的基础上进行数字化改造后的列车控制系统,在 北方线上采用,列车运行速度可达/。系统的地面信息传输设备采 用型无绝缘数字式轨道电路,由地面向移动列车之间实现地对车信息的单 向传输。列车定位功能也是由轨道电路完成的。系统制动模式采用的是 分段连续式速度监督曲线,控制方式以人工控制为主,但当司机没有按要求操作 时,控制设备自动完成其应执行的任务。 ..国内背景 目前我国投入运营的自动闭塞系统基本上有五种:极频自动闭塞系统,交流 计数自动闭塞系统,国产移频自动闭塞系统,自动闭塞系统,法国 自动闭塞系统五种制式。 自动闭塞就是根据列车运行及有关闭塞分区状态自动变换信号 显示,而司机 凭信号来行车的闭塞方法。其特征为:把站间划分为若干闭塞分区,有分区占用 检查设备,可以凭通过信号机的显示行车,也可凭机车信号或列车运行控制的车 载信号行车;站间能实现列车追踪;办理发车进路时自动办理闭塞手续,自动变 换信号显示。 极频信号是一组有极性的脉冲,脉冲的极性和间隔代表着信息的含义。目前 这种信号只有在东北还在使用,由于极频信号的信息量比较少,所以相对可靠性 就比较差,且这种信号极易受到干扰,解调周期长,现趋于淘汰。 交流计数信号是年代从前苏联引进的。交流计数信号的特征是载频和、 码持续的时间。交流计数信号是周期信号,一般一个周期从到之 间,、码交替出现,按照码持续的时间和顺序就可以确定信号的含义。交流计 数信号的载频目前使用的有和,一般是用在电气化区段, 一般是用在非电气化区段。 国产移频自动闭塞有:信息、信息、信息等三种方式。信息、信息 移频自动闭塞技术落后,安全性差,信息量不足,应变时间过长,抗干扰能力差, 将逐步淘汰。目前,信息移频自动闭塞已在京九线、沪杭线、浙赣线、襄石线、 宝成线、水珠线等多条铁路干线上使用。国产移频自动闭塞的低频信息是、 、.、、.、、.、.、、.、.、.、 、.、.、.、.、,分别代表种信息含义,由于 载频选择、调制频偏的固有缺陷频率间隔没有固定的值,使轨道电路存在传输 特性差、邻线干扰、半边侵入等问题,必须进行技术改造。国产移频信号的载频 有四个:上行载频为 和 、下行载频为 和 交叉排列, 频偏为? ,其频谱能量主要集中在载频的上、下边频附近,可以躲开 工频的奇次谐波干扰。 自动闭塞的低频信息在.到之间共个,低频间隔为., 其四种载频分别是 、、、,频偏是土,其频谱 能量主要集中在中心频率附近。因为选择的载频频率较高,而且调制后频 谱能量也处于的偶次谐波附近,它抗电气化干扰的能力很强,但在轨道上传 输时衰耗较大,需在轨道上增加补偿电容来延长传输距离。的上行载频为 和,下行载频为和。 信号又名数字编码信号自动闭塞低频信息包括个,从. 到.,间隔为.,个不同的低频信息在同一时刻可以任意组合被调 制在载频上,载频分别是、、、。而本论文主要介绍 的就是信号。 移频信号和信号都是调制的,信号是单一比特的调频信号, 这种信号抗干扰能力强。而信号是多比特的调频信号,虽然目前我国铁 路信号主流在一个较长的时间内仍然是单一比特的信号,但是多比特信息的 信号是一种发展趋势,本文主要研究的信号是具有比特信息的调频信 号。 . 问题的提出 列车控制系统是保证铁路运输的关键。轨道电路是列控系统重要的组成部分, 而数字轨道电路是随着高速铁路产生的先进技术。在高速铁路的条件下,地面信 号变得更加难以辨认,尤其在恶劣环境下更加不易辨认。同时, 制动距离的增大 导致必须增加新的信号显示,这样司机需要处理更加复杂的情况。如果在高速铁 路系统中依然依赖传统的地面信号为主体,那么将不可能有效的保证列车的安全 运行。为了实现安全、高效、正点的目标,高速铁路列控系统要求地面设备向列 车传送大量列控信息,所以,对数字轨道电路的研究具有重要意义。 由于我国主要的机车信号信息量比较少,很难实现安全和效率都很高的列车 控制。数字编码信号有个信息位,这种方式产生的信息量大大超过国 产轨道信号的信息,因此研究数字编码信号对我国的轨道信号的发展将有很大的 帮助。本论文将深入细致的研究信号的发送和各种解调方法,并建立相 应的离线分析平台,利用该平台可以对记录的铁路现场信号进行解码研究,由于 没有实时性要求,因此可以将各种思想人工介入程序,研究解码的每一个环节, 查看包括原始信号、中问步骤到最终结果在内的任何数据,观察 波形,频谱等获 得信号的各种特征并进行解码策略的分析。利用该平台还可以验证各种解码算法 的正确性,从而可以作为研发的技术平台。更重要的是可以利用该系统识别信号 发送和传输中出现的问题,确定各种可能的故障和干扰,及时对有故障的设备进 行维修和防护. . 任务与技术指标 本文旨在开发针对信号的离线分析系统,离线分析系统的数据源是 现场采集回来的信号生成的文件。确定离线分析系统的算法时,利用工 具来做辅助仿真,验证的可行性和可靠性,包括以下几个方面的工作: 仿真信号的发送以及解调算法; 把信号的发送和解调移植到环境下实现信号的离线分析; 验证信号的实现情况,研究离线分析系统在分析铁路信号方面的优势, 设计该系统的功能,主要完成信号的发送功能、解码功能、信号故障检 测及干扰检测功能; 得出结论。 根据铁路现场的需要,制定信号分析的参数范围。主要指标包括信 号的指标以及系统的指标: 信号指标:在此范围内来识别信号 信号的频率范围即带宽:; 信号载频的偏移量:?; 信号调制频率的分辨率:. ; 校验码:在校验时,判断得到的校验结果是否为; 信号以电压或电流的形式在特定的信道中传输,在此过程中不可避免的产生 或混入干扰。干扰的强度和频谱的位置可能影响系统的可靠性,因此在做离线分 析时,将在信号中参杂特定的噪声,以便研究其对信号的影响程度,同时为改进 解调算法和策略提供依据,进一步改进算法的抗干扰性能。 .论文的组织结构 本文共分六章,第一章简要介绍了铁路信号的基本知识和信号分析的研究现 状,提出要研究的问题、任务、信号分析的技术指标等;第二章主要介绍、, 信号的基本知识;第三章介绍信号的具体发送技术以及信号编 码时采用的校验;第四章主要介绍了信号具体的解调策略以及铁路信号中常 见的干扰;第五章主要是信号的仿真和离线分析,主要是对系统的测试, 检验系统的实现效果;第六章是结束语,对已经完成的和没有完成的工作进行总 结。 信号的简介 . 信号的简介 信号是一种数字调频信号,其调制信号由个幅度不同的正弦信号 叠加构成。 信号调制频率从.到.,间隔为.。信号的载频在 下行方向上采用和,上行方向上采用和。 信号的位信息位分别代表不同的信息,每一位对应于轨道电路中 调制在载频上的一个低频正弦信号,这些信息位意义如下: ?路网码 路网码有位,占用的是位中的第.位,频率是从.到., 路网码决定列车上的微机如何理解速度码。例如,在最高允许速度为/的 高速线路上所用的路网码与在速度限制为/的海峡隧道中所用的 路网码不 同。国际上给中国分配的这三位路网码是三个“”。 ?速度码 速度码有位,占用的是位中的第.位,频率从.到., 速度码中包含了个信息,分别是:本闭塞分区最高安全速度,本闭塞分区末端 的目标速度,下一闭塞分区末端的目标速度;速度码中还代表了个速度值,在 高速线路上为:,,,和/。 ? 闭塞分区长度码 闭塞分区长度码有位,占用的是位中的第.位,频率从.到 .,闭塞分区长度可能有多种,对于计算速度十分重要。例如,在平坦的高 速线路上,一个闭塞分区可以长达,而在海峡隧道闭塞分区的末端部分, 闭塞分区长度只有这个数字的十分之一。 ?坡度码 坡度码有位,占用的是位中的第.位,频率从.到.,坡 度信息由整个闭塞分区情况平均而得。列车的信号处理微机进行速度计算时要考 虑到这一因素。 ?纠错码 纠错码有位,占用的是位中的第位,频率从.到.,顾名 思义,纠错码检查位码字的正确性。当信号误读时,纠错码不但能 检查出错误, 在有些情况下还能纠正错误。纠错码采用位循环冗余码。 ?占用码 占用码并非这位码中的码字,它的频率为.,与其它码的间隔并不 是.,而是比.更大的间隔。它是一个比较特殊的码,是衡量 信号的标志位,由于这一位的幅值比其他的信息位要大得多,所 以当变换后 在.处有较大的能量分布,就可以说明接收到的信号是信号。 . 信号的数学模型 信号的调制信号的时域表达式为: ,..纯】 一 工?彳 其中为调制信号的幅度,仍为调制信号的相位。如表?所示: 表调制信号参数值 比特数 频率 幅度值 初相位弧度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 备注:第位是信号的占用码 上表把信号的幅值与初相位已经给出,幅值和相位是经过计算得到的 最优幅度和相位,这样可以保证最终合成的调制信号幅度无剧烈起伏,并且将已调 信号的频率偏移限制在正负以内。由于越后面的码字信息量越重要,所以根 据码字的权重对应的低频信息幅值也就越大,在解码时,识别重要码字时出现差错 的概率就会很低。 下图.是低频信息为. ,. 和. 叠加而成的调制低频信号 的波形图,从图中可看出信号是一个幅度不同的震荡波。 图低频调制信号 ? 用调制信号对载频进行调制,得调频信号,其时域表达式为: ? ,石.,】 其中为振幅,为载频,为调制器的频率灵敏度。 图是载频为的调频信号。 . ?. . .. 咖 伽? 图调频信号 . 调频信号简介 在无线电通信中,角度调制是一种重要的调制方式,它包括频率 调制 和相位调制,是使高频震荡信号的频率按调制信号的规律变化瞬 时频 率变化的大小与调制信号成线性关系。虽然频率调制信号的频带 利用率不高,但 是其抗干扰和噪声的能力较强。 信号是一种调频信号,而调频信号主要分单一频率信号调制和多频 率信号调制,信号属于多频率信号调制。 首先讨论单一频率信号的调频嘲。 设单一频率的调制信号为%, .,其频率为,调载波电压 为虬,载频为/,则根据频率调制的定义,调制信号的瞬时 角频率为: 眈田.,?%. 它是在吃的基础上,增加了与%成的频率偏移。式中以为比例常数。调频 一 信号的瞬时相位伊是瞬时角频率?对时间的积分,即伊识。其中, 式中‰为信号的起始角频率。为了分析方便,不妨设‰,则上式变为: 彼?加 ?。鲁. 。。 其中,式中?./,为调制指数。波的表示式为: 甜以。/ 在式中,有两个重要的参数:?%和/。?‰是相对于载频的最大角频率 峰值角频偏,与之对应的名?%/万称为最大频偏。在频率调制方 式中, 蛾是衡量信号频率受调制程度的重要参数,也是衡量调频信号质量的重要指标。 由式可见,?%.,%,‰与【,成正比,?%也表示受调制信号控制 的程度,是产生信号电路的一个重要参数由调制电路决定,也称为调频灵 敏度。 小,?%/影/称为调频波的调频指数,是一个无因次量。由可 知,它是调频波与未调载波的最大相位差?%,与【么成正比,与成反比。 然后讨论多频率信号的调频“。 设载波仍为虬配。,被频率为石/和正哆/的多频率信号 所调制,分别产生频偏为颐和,则所得到的波可以写成为: ? 蚝./赋刀压 式中屈馘/石表示第一个单一频率的调制指数;岛疋/正表示第二个单频率信 号的调制指数。 用分析单一频率调制波所产生的调频波类似的方法,可以把式.展开为: ? ??././。幔】 该式表明,由频率为和五双调制波所产生的波频谱,由下列四种形式 组成: .一个幅度为山届厶屈和频率为的载波分量; .一组对应于调制频率的边频,具有幅度厶屈厶压和频率以?,,弧, 其中、、?; .一组对应于调制频率以的边频,具有幅度山屈以尾和频率?幔, 其中、、?; .一组交叉调制项,具有幅度厶届以屈和频率士,顽?,畈,其中、 、?和、、?。 可见在式?表示的波中,除了载频调制频率和五外,产生了许 多新的边频。把式.推广到多调制波是简单的事,不过这时的分析变得更加 复杂,因为其交叉调制项呈几何级数增加。 . 信号的频谱 信号的调制频率由到个不同频率的正弦信号叠加组合而成。其 调制波的频谱中含有交叉调制项,可想而知,其频谱会很复杂。 对于单一频率信号的频谱来说,频谱具有以下特点: 载频分量上、下各有无数个边频分量,它们与载频分量相隔都是调制 频率的整数倍。奇数次的上、下边频分量相位相反. 调制指数越大,具有较大振幅边频分量就越多。 调频波的频谱结构与调制指数有密切的关系,即调制指数越大,要考虑的边 频分量的数目就越多。当调制信号振幅恒定时,调频波的调制指数与调制频率成 反比。 对于多频率调制信号来说,调制信号比较复杂,含有许多的频率分量。几个 频率调制产生的结果却不能看作是每一个调制频率单独调制所得频率分量的线性 叠加。此时增加了许多组合频率,使频谱组成大为复杂。由式.可以看出, 调频波的频谱结构除了包含单一频率调制时的边分量以外,还产生了组合频率分 量,使频谱结构大为复杂,从图.可以看出,调制低频的频率在不断的增加,其 频谱也是逐渐变得复杂。。 【 一 土 图频谱比较 调制频率分别为、、、个低频信号叠加后调制过的信号的频谱。 从图.中可以看出,当一个低频信号叠加时,频谱不是很复杂,两个低频信息叠 加时,频谱也不是很复杂,但是当低频信号多于三个时,信号的频 谱就 交得很复杂,信号频谱中的交叉调制项很多,无法从调制信号的频谱中判断所包 含的信号频率。虽然频谱比较复杂,但是可以分析频谱,从中得到信号的载频。 因为其频谱是对称的,对称轴就是载频,根据这个特点可以找到载频的信息。 接下来分析一个比较实际的信号,首先根据信号的定义发 送一个低频信息包括.、.、.这三个低频信息是路网码,国 、. 、. 际给中国分配的是三个“”、. 速度码、. 闭塞分区长度、. 坡度码,程序将按照这几个信息位进行编码,计算 出位循环码的编码结果,生成调制信号以及调频信号,如图为信 号的调频波的频谱图: 图.调频信号的频谱 从图中可以看出现在的频谱波形已经相当的复杂,因为它含有位的低频信 息,但在载频附近频谱的能量比较大,在处即是能量的集中位置,通过换算 得出其频率是。 . 小结 本章重点介绍信号的数学模型以及组成信号的低频信息 位,信号属于多频率调制信号,利用多频率调制信号的频谱引出 信号的频谱。由于信号是由多个低频信息组成,所以它的频率就会随着 低频信息的增多而变得复杂。 信号的发送 . 信号的冗余码 信号编码时所使用的实际码长为位不含占用码,信息位为 位,校验位为位,即信号的线性分组码为,。位冗余码采用 循环校验来实现的。 在线性分组码中,有一种重要的码型一循环码。循环码的编码和解码都不是 很复杂,并且纠错的能力较强,循环码除了具有线性码的一些性质外,还具有循 环性,即循环码中任意一个码组循环一位以后,仍为该码组中的一个码组,对于 信号这种信息量比较多的信号来说是比较实用的。 信号应用循环码来验证接收的码字是否正确。 循环码编码原理“:首先要根据给定的,值选定生成多项式功,即从 一十的因子中选伽一次多项式作为。 这样所有码多项式都可以被整除。根据这一原则,就可以对给定 的 信息位进行编码:设为信息码多项式,其次数小于。用,“乘,得到 的“的次数必小于。用除,。辨曲,得到余式,的次数必 小于的次数,于一。将此余式曲加于信息位之后作为监督位,即 将,曲与工”‘相加,得到的多项式必为一码多项式。因为它必被 整除, 且商的次数不大于七一。 可以归纳一下循环码编码原理,其步骤如下: 用,。乘。这一运算实际上是把信息码后附加上加一后个“”。 时, 例如,信息码为,它相当?功矿。当伽一? 。研曲‖,曲‖,,它相当于。 用功除,。,得到商功和余式,功,即 ? ,力/工,曲/ 例如,若选定一,则有式. ,。工/:;:;;;:专;,善:。:;:;笔; 式.相当于 ??:‘』坠 .可得下式: 编出的码组为?。,。在上例中, . 曲式中的结果即是最终得到的码信息。 接收端的解码要求有两个:检错与纠错。达到检错目的的解码原理很简单。 由于任意一个码组多项式丁力都应被生成多项式曲整除,所以在接收端可以将 接收码组用生成多项式去除。当传输中没有发生错误,接收码组与发送 码组相同,即功,故接收码组力必定能被整除;若码组在传输中 发生错误,则??,被除时可能除不尽而有余项,即有 /’.曲/力,因此,我们就以余项是否为零判断码组中是否有 错码。 循环编码除了有检错能力以外还有纠错能力,下面分析一下循环编码的纠错 能力嘲。 .生成多项式的项数大于时,所生成的循环码能检测出所有的单个错 误。 .凡可用除尽的多项式,肯定具有偶数个数目的项,可以检测奇数 个数目的错误。 .长度?的突发错误,能被?次生成多项式所生成的循环码检 出。 .长度为?一七的检测不出的突发错误模式占同样长度错误模式可能的总 数的百分比为: “一。’ 若一后 一” 若珂一七 由,次生成多项式生成的循环码检测突发错误的能力是很强的。它不 仅能检测所有长度等于或小于一女的突发错误,而且可以检测绝大部分更长的突 发错误。 .在能被除尽的,形式的多项式中,幂次最低的多项式,的幂 次被称为功的周期或指数。当为不可约多项式,且生成的码长珂不大于 曲的周期时,则由所生成的码能检测出所有的单个错误和所有的双个错误。 .若码长不大于的周期,由功力蜀善所生成的码能检测出所有 单个、双个和三个的错误。 .若码长不大:的周期,由蜀?生成的循环码能检测出 长各为或小于的两个突发错误的任意组合。 总之,,次生成多项式力,如不含因子工。而含因子及另一项 三次以上的多项式所生成的循环码,可以检测: %的单错; %的双错假设双错是连续的或分散的; %的奇数错; %的小于或等于位突发错; 一一’‘’的,位突发错; 卜的多于位突发错;此处假设各种突发错模式是等概率的; %长度各?的两个突发错误。 前面已经讲到循环校验码能够检错和纠错,对于信号来说,它的 线 性分组码为,,则它的生成多项式的次数就是最高为次,取生成多 项式 的次数为次,并设生成多项式的码字为,汉明距离为 ’一‘‘, 计算可得分组码的最小距离为。 根据分组码的定理:任意疗,七分组码,若要在码字内: 检测出口个随机错误,则要求码的最小距离?; 纠正个随机错误,则要求?; 纠正个随机错误,同时检测个错误,则要求?。 信号的分组码的最小距离为,根据上述定理中可知, ?,所以信号可以纠正个随机错误,可以检测个随机 错误。 信号的生成多项式不含因子,而含因子及另一项三次以上的 多项式,因此,信号可以检测: %的单错; %的双错假设双错是连续的或分散的; %的奇数错; %的小于或等于位突发错; 一的位突发错; ?的多于位突发错;此处假设各种突发错的模式是等概率的; %长度各?的两个突发错误。 . 信号编码 把秦沈客运专线上采集回来的现场信号导入到中,从现场采集的信 号可以和自己编写的信号相互验证,还可以作为信号源,用于以后的解调离线分 析,研究现场信号的干扰和噪声。 由于离线分析是用做信号的直观分析,须在上做理论 分析,保证发送信号正确,在这种情况下,在选择合适的解调方案,并且在解调 信号时用的信号源是自己发送的信号生成的数据文件。 ,,.在第二章中已经提过,信号的低频信息中有一个频率为。的占 用码,它是区别其他铁路信号的重要标志位,严格说来信号的信息位是 位,占用码是信号发送过程中必须选择的,所以通常说信号 的信息位是位,可以把占用码设定为固定的码字来发送。 在发送信号时,保证占用码作为固定的码字发送出去,它是鉴定信 号的重要标志,只有鉴别出是何种信号后才能使用对应的解调方法来识别信号。 在发送信号时,位冗余码是根据给定的位信息位按照循环编码原则 生成的,位信息位确定以后,程序将把这位包括占用码信息编成“”和 “”序列。 编码”时设计到的程序总体框架。 ??通过特殊的 进行离线分析 ““”。 墨荐暑裴孺离线撕 鬻蚓嚣 的信号 实现 ?两个的参数以废\ /\‘????。一 / 图形是否吻台 \./???. 自己编写的发码程序 改变编码 引的策略广 图编码程序总体框架 触 ?..文件转换程序 根据编码程序可以看出,第一步是把采集回来的现场信号导入到中。 首先要了解采集现场信号的设备是什么,然后确定采集的信号文件是以什么方式 来存储的,最后用编程实现文件的转换,从而可以直观地观察现场信号 的波形以及重要的参数。 文件转换程序编写前的准备工作: 设备存储嘲的文件类型:设备存储文件里的数据是由多个块组成的,每 一个数据块的结构都是一样的,其大小是,但是真正的有效数 据大小是个数据,每一个块最后是由的组成, 用来标志每一个块的结束; 知道中文件输入输出函数的具体用法; 编写转换程序的具体图。 编写一个名为 , 的函数来读取采集信号的数 据,首先介绍参数的含义,是设备存储的数据文件的名字, 表示 文 件结构的开始, 表示文件结构的结束。当 时,返回这个文件具有 的 数据结构块的总数,即有多少个数据,其中要求参数必须., 否则就返回所在的数据结构的个数据。 程序的流程图如图.: 开始 打开仪器储存文件 设置并获得数据读取指针 计算块的个数,同时把指针放到块的头 判断是否已 经到文件尾 剖继蒸妾箍譬数 ?、 结束 图文件转换程序的流程图 ..编码程序的流程图 表.信息位对应的值 .’ 位数 参数 “位数 参数 位数 参数 ? 位数 参数 备注:是由于六位校验位是由前面码值产生的,所以编码时不用添加这些信息。 上一小节中已经把现场采集的信号导入到中,并可以以图形的形式 回放出来,下一步开始编写信号的发送程序,发送的信号可以和采集的 现场信号相互验证,保证自己发送信号原理的正确性。 编写一个函数名为,的函数,其中函数有两个参数,代表 的是载频,可以选择的载频有,,,;代表的是 位的信息量,这个参数必须含有占用码的信息,它代表的权值为, 而其它的信息位可以根据自己的要求来选择,每一位信息位对应的数字对照表如 表.。 举例:,,为载频, 代表的占用码信息,这位在函数中是必须要有的,因为它是信号的标志 位;代表的是第位的信息,代表的是第位的信息,代表的 是第位的信息。函数发送的是一个在第位、第位以及第位有信 息的信号,即这几位对应码为,其余的都是不包含校验位。当这些 信息位 确定以后,程序内部就会自动按照这些位来生成六位校验位,最 后程序将这位 信息发送出去,完成信号的发送。程序的流程图如图: 回 根据参数的来确 定信号的校验位 上 根据信号的数学模型 来确定发码 上 生成低频调制信号 ‘ 对调制信号进行积分 广 蓄 图.编码的流程图 在发送时,信号的相位以及幅度。都是已经确定好的,按这种方式 发 送出来的信号是最优的,噪声对其影响也是最小的。 已知位信息位后,生成位校验码的过程比较复杂,下面是生成校 验位的程序流图,校验码函数为。图检验码的流程图 图离线分析 的流程图 根据程序流图,可以把信号的发送用仿真出来。 . 信号离线分析 ..离线分析的流程图 离线分析系统信号发送界面的流程图如图。离线分析界面的软件 实现流程 如图。其中函数是生成校验位的函数,函数是信号发送的 函数。函数是离线分析界面从框中得到信息位后生成信号的 流程,如图.所示。 开始 楚登箩 弹出解码界面 弹出发码界面 翟箩 调用函数 从框口得到 低频信息 显示生成的低频信息 根据数学公式生成 调用函数 低频调制信号 上 从界面接口得到载 频信息 上 与调频信号线性相加 生成调频信号 苎堂. 、、.?????????一/ 图离线分析的流程图 圈 函数流程图 ..界面的设计 离线分析系统是用语言在环境下编写的。 首先规划一个比较完善的图形界面来控制信号的发送,比如界面要 包含低频信号的选择,是否叠加噪声,界面还要包含最后生成的码字是什么。最 初给的低频信息是不包含校验位的位信息码,需要在程序中显示最后的发送码 字,即含有校验位的位码字信息,这对后续的解调工作起到校验的作用。信息 解调完成后,可以与发送的码字比较,从而知道解调结果是否正确。 从总体看,不仅需要做信号发送的离线分析,还要做信号接收解调的离线分 析,把主界面做成一个含有发送按钮和接收按钮的界面,这样信号的离 线分析系统就有明显的功能??发送与接收。如图所示: 图 信号的离线分析系统主界面 ?主界面的图形确定好以后,当用户选择“发送信号”按钮以后,设定离线系 统将弹出一个信号窗口,这个窗口须含有个低频信息。如图所示,用户可 以在这些信息中选择自己想要的低频信息。 图低频选择 当用户选择完信息后,离线分析系统还要把最后生成的全部码字信息显示出 来,这样可以为以后的解码提供参考结果。如图.所示,在界面编写时加了一 个框和一个按钮,当低频信息选择完以后,按下“选择完毕”的按钮后,将 在框中显示编码的结果。显示的编码结果将为一连串的“”和“”码。 图.含编辑框的界面 当确定完低频信息后,在程序里就可以生成一个调制信号,这时 需要选择一 个载频信息来生成调频信号,然后信号就可以发送了,所以在界面中加 一个载频信息,如图.。 图含载频的界面最后考虑到信号是否要叠加噪声,离线分析系统主要功能之一就是要就噪声 对信号的影响程度,所以噪声是需要添加的。系统增加一个“噪声”的复选框。 如果选定复选框就表示信号要叠加噪声,如果没有选中表示信号是一个纯信号, 没有噪声的干扰。在程序中叠加的噪声是一个混合噪声,其中有随机噪声和白噪声,还有双频干扰,这四个噪声要混合叠加在信号中。在发送界面上加一个复选 框代表要叠加噪声。添加完所有信息以后,就可以根据离线分析的发送界面发送 一些实际信号,点击“信号发送”按钮以后,系统将生成一个数据文件,存储信 号的波形信息,用于解调的离线分析。如图.。 图. 信号完整的发送界面 . 小结 本章介绍了轨道信号的发送过程,重点介绍了信号冗余码 的设计,把信号的软件编码方法在上进行了仿真,在 环境下完成离线分析。 信号的解调 在解调信号之前应考虑要解调信号的组成,便于采用相应的方法来解调信号。 接收到的信号含有有用信号以及大量的干扰,所以在解调信号之前应尽量滤除干 扰,以保证解调结果的正确性。 下面分析所接收的信号含有哪些干扰。 . 铁路信号中的干扰以及抗干扰技术 ..干扰的分类 按照抑制干扰的可能性,干扰可分为自然干扰及人工干扰。自然干扰包括雷 电,大气层的电场变化,太阳黑子活动等等。人工干扰是各种电器设备所产生的 干扰,包括设备本身内部产生的干扰及其他的外部电器设备产生的干扰。铁路信 号主要有以下干扰。 铁路信号主要是靠仪器的发送,接收以及在钢轨上传输,轨道电路就是钢轨 线路和连接于起始端及终端的器械的总称。它是将某一区段的钢 轨用作电路的一 部分,由区段内的列车车轴将轨间分路,以检查有无列车的电路,考虑轨道电路 信道中的干扰后,轨道电路作为调制信道的输入和输出可表示为: ,其中式中为信道的输出,为信道的输入,为信 道的乘性干扰,为信道的加性干扰。后是一个较为复杂的函数,表示轨道电 路传输特性因乘性干扰而形成的变化特性,主要体现在温度、湿度等外界条件变 化引起轨道电路的一次参数变化和轨道电路状态的变化。七对输入信号的影响可 能造成线性和非线性畸变,引起传输过程中的信号幅度和相位失真,表示为信号 的衰耗和延迟。在轨道电路的噪声加性干扰”中,产生噪声干扰源有很多种,又 很分散。例如,各种电子器件的热噪声、电磁感应干扰和辐射干扰。从概率统计 的角度看,它们类似于高斯白噪声,可以用高斯白噪声进行模拟。对于乘性干扰 的减少可以采用均衡技术。 闭塞区间信号电气化轨道电路主要存在传导加性干扰,主要是不 平衡牵引电 流谐波干扰、邻线干扰、绝缘破损干扰及高频电磁波的辐射干扰,另外还存在脉 冲干扰和频谱截断干扰等。 .不平衡牵引电流干扰“” 在电气化区段,钢轨中所流经的不仅有轨道信号电流,还有电力牵引电流。 电气化区段轨道电路所传输的信号主要受牵引电流的干扰。在电气化区段,牵引电流经钢轨回到牵引变电所,当流经两根钢轨中的牵引电流大小相等时,在扼流 变压器初级线圈上形成的磁场大小相等、方向相反,因而相互抵消不会影响接收 端。但在实际条件下,两根钢轨对地漏泄电导不完全相同,因此在两根钢轨中的 牵引电流值也不相等,从而在接收端产生干扰电压。这种干扰的幅度和相位变化 缓慢,可视为稳态干扰。两根钢轨中的牵引电流值不相等时,其差值为不平衡牵 引电流。 牵引电流产生的干扰电压,与牵引电流的大小、不平衡系数以及轨道电路接 收端对牵引电流的输入阻抗成正比。不平衡系数较大时,列车牵 引吨数越大,牵 引电流也越大,对信号设备的干扰也越大。在自动闭塞各闭塞分区中,同时运行 的列车数越多,牵引电流也越大。为了分析牵引电流对轨道电路的影响,首先应 该分析牵引电流所包含的频率成分。以铁路区间为例,牵引电流基波的频率为 ,但由于牵引电流是通过机车主变压器,经整流器整流后供给直流牵引电机 的,因此,牵引电流的波形并不是正弦波,而是包含丰富谐波的非正弦周期函数。 电力牵引干扰量的大小,与电力机车类型和牵引状态有着密切关系,取决于牵引 电流的大小、牵引机车的运行状态即牵引电流的波形、轨道电路不平衡及轨道 电路设备参数等。根据实测,牵引电流基波及其各次谐波典型分布规律如表.所 示。 表实测不平衡牵引电流各次谐波典型分布规律 谐波次数 谐波频率 百分比 谐波次数 谐波频率 百分比 .. . ........... . . . . . . . ... .. 从上表可知其分布规律如下叭: 以基波及各个奇次谐波的能量比较大,而且奇次谐波的频率越高干扰量越小。 例如,次谐波占.%,次谐波占.%,次谐波占.%,次谐波占.%, 次谐波占.“%,次谐波占.%,次谐波占.%,次谐波占.%。 可见奇次谐波的能量比较大,但随频率的增加,衰减很快。 .偶次谐波,在正常情况下,干扰量都比较小。例如次谐波为.%,次 谐波占.%,次谐波占.%,次谐波占.%,次谐波占.%。它们 之间也是谐波次数越高,所占的百分比越小,但它随谐波次数的升高而下降的速 度比较缓慢。在整流装置故障时,非正常运用条件下,偶次谐波的干扰量有所增 加。 .当谐波频率在以上时,谐波所占百分比基本上奇偶相当,随着谐波 次数的增加下降也很小。 另外还要考虑基波的漂移,在正常运用情况下,基波漂移较小。但在供 电电网发生故障时,频率漂移比较大。 综上所述,不平衡牵引电流主要是的基波及其奇次谐波干扰,且随着谐 波分量的加大其强度逐渐减小。信号频带为~,所以应重点 消除该频带内的干扰。消除不平衡牵引电流干扰的措施为:在变换之后,直 接把~频带范围内的奇次谐波位置的频谱置零。 .邻线干扰和绝缘干扰“ 在双线区段,相邻上、下行轨道区段存在着相互干扰,本线轨道电路有时会 收到邻线轨道电路发送的信号。由通信传输线串音的概念,可称此时的本线轨道 电路为被串回路,邻线轨道电路为主串回路。同样,相邻线路机车信号之间也存 在相互干扰,本线机车会收到邻线轨道电路发送的机车信号,从而影响到本线机 车信号的显示,使其错误显示邻线的机车控制信息,这种现象称之为机车信号邻 线干扰。机车信号邻线干扰主要是由于空气泄漏、钢轨互感和大地泄漏造成的, 而钢轨互感和大地泄漏是主要因素。 目前广泛使用的自动闭塞系统,主要采用集中发送方式,即将信号的发送设 备放在机械室,通过传输电缆向钢轨发送信号。在这一过程中,轨道电路会产生 邻线干扰。邻线干扰分为两种情况,其一是构成传输线的对称电缆之间产生串音 干扰,其二是由于钢轨中传输的是交流信号,钢轨互感和大地漏泄而造成邻线干 扰。邻线干扰对信号产生影响,严重时会危害到列车行车安全。 由机械室向钢轨发送信号的传输线由对称电缆构成。在闭塞系统中,虽然发 送电缆和接收电缆分开,但不同闭塞分区的电缆均包含在同一护套内。在发送信 号的过程中,由于信号功率较大,相邻电缆之间通过电磁耦合而产生串音干扰。传输电缆串音干扰示意图见图,等效电路图如图所示。图中表 示因回路间的介质损耗不平衡而形成的等效不平衡电导,表示因回路间电容的不 平衡而形成的等效不平衡电容,表示因回路间的导线中的涡流损耗不平衡而形成 的等效不平衡电阻,表示因回路间的电感不平衡而形成的等效不 平衡电感。 主事目奠 孙 ’ . 皇 。 一 串圉格 型 如? ?劈骥图 ?等毅霸 图传输电缆串音干扰示意图在轨道电路中,信号由机械室通过信号电缆发送到钢轨。在这一过程中,由 于信号电缆产生串音,串音电流叠加到被串电缆回路的输出端负载阻抗上,产生 压降,使得被串钢轨回路接收到邻线的信号。轨道电路传输电缆的串音模型如图 .所示: 图移频轨道电路传输电缆的串音模型实际情况中,主、被串电缆回路很难达到终端匹配的理想状况,由于传输电 缆的邻线干扰,被串回路上的机车有可能接收到错误的信号。所以,鉴别是否存 在邻线干扰在铁路现场也是必需的。 此外,在绝缘节式轨道电路上还存在相邻轨道电路的钢轨绝缘节 破损干扰。 由于绝缘节要经常承受车辆的冲击力及雨水杂质的浸蚀,经过一段时间,就会破损,造成隔离性能的下降。钢轨绝缘节破损后,相邻闭塞分区会相互干扰而引起 升级显示。一个自动闭塞系统由于绝缘节破损而造成升级显示,则这个系统就不 能应用。所以,鉴别绝缘节破损干扰对列车的安全运行有着非常重要的意义。 .脉冲干扰 事实上,脉冲干扰也是牵引电流引起的,其特点是干扰电流幅值大而时间短。 形成脉冲干扰的因素很多,如列车运行时,钢轨接头处的接触电阻发生变化;电 力机车轮箍和钢轨的接触电阻的变化引起牵引电流值瞬时变化而产生的瞬时电 压;电力机车升降弓和启动时造成的突发性脉冲干扰;电力机车速度增加,机车 内的杂散磁场的干扰等等。理论上,脉冲干扰的频谱宽度无穷大,其中包含有用 信号频带因此难以用滤波的方法消除干扰的影响。 .由于信号截断造成的频谱干扰 事实上,信号截断造成的频谱干扰跟外部干扰无关,主要是因为 对机车接收 上来的轨道电路信号进行频谱分析时,根据系统实时性的要求,只能截取有限长 度的数据进行分析,即相当于无限长的信号数据乘上一个矩形窗作自然截短的结 果。时域相乘对应频域卷积,矩形窗的频谱是函数。卷积的结果是函 数的主瓣对信号频谱起到了平滑的作用,降低了信号频谱的谱峰分辩能力。 另外,函数的边瓣也会通过卷积的作用把信号频谱中的内容扩展到原频 谱范围以外,造成信号频谱的失真。这种情况下,对于数字编码这样频谱密集的 信号,不同频率低频信号频谱间会形成交叉干扰,特别是相邻频率点,干扰很严 重。 ..抗干扰措施 .不平衡牵引电流的干扰 机车上受不平衡牵引电流的干扰要比地面大,对不平衡牵引电流的干扰车载 设备必须能抵抗。为了使车载设备能够抵抗住各种干扰的影响,达到动作稳定可 靠,必须对轨道电路信号在载频频率及调制方式的选择采用抗干扰设计。 从前面的数据分析已知,牵引电流的谐波干扰随着谐波次数的增加,其能量将大 大的下降,并且奇次谐波的能量要大于偶次谐波的能量。举例来说,轨 道电路信号载波,带宽正负,信号频率限制在与之 间,只包含了偶次谐波,谐波比例占.%,避开了谐波分别占.%、 .%奇次谐波 和 .当然,采用较高载频躲避开牵引电流的奇次 谐波,是以牺牲轨道电路的传输性能为代价的。 另外,增加列车在闭塞分区入口端的短路电流也有利于系统对电化区段牵引电流的抗干扰性能,同时还能抵抗机车上杂散磁场的干扰。 .邻线干扰“” 机车信号邻线干扰现象都是在一些特殊的情况下或多个条件下才产生的,而 站内轨道电路是最容易发生邻线干扰的地方。对于上、下行的邻线干扰,通常是 在机车信号主机采用加装上,下开关来克服,但对于同方向的邻线干扰该方法无 能为力。还可以采取措施,使轨道电路入口端和出口端的短路电流相差不大,从 而机车信号接收灵敏度较低,以降低邻线干扰的可能性。 .脉冲干扰 增加信号电平,降低车载接收设备的灵敏度。 .由于信号截断造成的频谱干扰 可以考虑增加读取数据的长度,来增加译码的正确率,但其负面影响是系统 的响应时间的延长,由于译码的正确率的大大提高,有助于系统的安全性与可靠 性,这还是值得的。 . 信号的解调方法 多频调频信号的解调方法主要有三种。模块化解调法、数字高通滤波器解调 法和脉冲解调法。 ..利用模块化的解调方法来解调多频调频信号“町 模块化的解调方法主要分两个模块,第一个模块是限幅模块,限幅模块主要 是由/转换器和数字比较器构成,将输入调频波进行/采样,然后经过数字 比较器进行限幅,限幅的目的是使本系统的输出信号幅度与输入信号幅度无关。 第二个模块是鉴频模块,即检波,主要是用检波器进行幅度检波, 用以还原 调制信号。鉴频模块主要是借助谐振电路将等幅的调频波转换成幅度随瞬时频率 变化的调幅调频波。 鉴频模块完成频率一电压变换,实现该功能的关键是保证鉴频模块通带内的频 率和幅度响应之间为线性关系,本系统使用数字方法实现斜率鉴频,这样可以得 到比较理想的鉴频特性曲线。 图.为检波的主要步骤框图以及对应的波形图:等幅调 调幅调 变等幅调频频波甜 调制信号输出 波为调幅调卜???叫 幅度检波卜?????? 竺圹 频波 框图 ‘ 。“ 棚/\八一 /\ 八一 \ \ 波形图 图啊检波步骤及波形图..利用数字高通滤波器来解调多频信号 “田 首先是将接收到的调频信号求导,生成一个调幅调频信号后,其幅度包络包 含了调制信号的信息,就可以对其进行包络检波来实现解调的目的,即利用一个 时域微分器和一个包络检波器就能实现调频信号的鉴频,理想的微分器是一条通 过原点且斜率为的直线,可以设计出一种系统,其幅频特性在信号带宽范围内 具有类似理想微分器的线性特性,可用于鉴频。可用具有理想的斜率特性的 滤波器来对信号鉴频,但是这样的滤波器的阶数会很高,若输入频率正好落在该 滤波器近似线性的过渡带内,这个高通滤波器就可以实现调频信号鉴频。 ..前两种方法的比较 第一种使用模块化的形式来解调信号将会有些不便。此方法是用几 个模块来实现鉴频的,在调频波变为调幅调频波前,必须进行限幅控制。这是因 为检出的信号是利用高频振幅的变化,这就要求输入的调频波本身“干净”,不带 有寄生的调幅,否则这些寄生的调幅将混在转换的调幅调频