1、強干擾小信號檢測的計算機仿真研究魏學業摘要強干擾、小信號的檢測，是實現鐵路信號可靠工作的重要研究領域。采用濾波加頻譜分析的方法，可以克服時域檢測無法克服的缺點，通過計算機仿真，可以看出干擾大于信號時，這種檢測方法，仍能很好地完成信號的檢測。關鍵詞強干擾小信號檢測仿真軌道電路是自動閉塞的基礎，其可靠性直接影響行車安全、列車通過能力和鐵路運輸效率。目前國內外鐵路信號的自動閉塞、機車信號和列車控制系統的大部分都是由軌道電路作為基礎。軌道電路由檢測列車是否占用區間，發展到向車載列車控制系統傳輸大量的信息。為了保證列車運行的安全，保證軌道電路向區間信號，車載控制系統傳輸正確、可靠的信息，就需要研究強干擾

2、、小信號的檢測方法。1待檢測的小信號的屬性分析設鍵控移頻方波信號f(t)的頻率為f1，周期為T，時間表達式為：(1)頻率為f0的載頻信號經f(t)調制后，載頻信號的頻率偏移量f為：(2)式中k系數，代表移頻器的靈敏度，單位為Hz/V。移頻信號的頻率瞬時頻率為：(3)其瞬時相位(t)是一個以f1為頻率的周期信號，故可用傅里葉級數來表示，上式中的Cn為傅里葉系數，經一系列的數學推導，得到移頻信號的傅里葉級數的數學模型為：(4)m定義為移頻指數：(5)由此可得頻譜的相對幅度為：載頻分量的相對幅度為：；奇次邊頻分量的相對幅度為：；偶次邊頻分量的相對幅度為：。由此可得，移頻信號經過一系列的數學運算，其頻

3、譜發生了頻變，使原來發送的上邊頻和下邊頻頻率不存在了，而取而代之的是出現了一個新的頻率成份中心頻率，且其中心頻率和調制頻率可由頻譜分析的方法進行測量，因此可采用快速傅里葉變換的方法，實現頻率的測量。2強干擾條件下的小信號檢測方法根據移頻信號的發送原理，按照2中給出的方法，采用了636.574 Hz的采樣頻率，完成了中心頻率550 Hz、調制頻率為26 Hz時的頻譜圖，以及中心頻率2 600 Hz、調制頻率為10.3 Hz時的1024點FFT變換，計算出了它的功率譜圖。由于頻譜的泄漏現象，使本來應以中心頻率對稱的頻譜(它的峰值也應對稱)，出現了大小不等的峰值，但頻譜的位置還是對稱的，而計算頻率值

4、是以位置來計算的，所以峰的不對稱，不影響頻率的檢測精度。根據選擇的采樣頻率，其頻率分辯率為：fa=636.574/1024=0.6217(6)2.1無干擾情況下的小信號檢測中心頻率為550 Hz、調制頻率為26 Hz，根據2中的方法，可得中心頻率應位于：1024-550/fa=139從頻譜中也可看到中心頻率的位置為139，這與理論計算相符。由頻譜的計算得移頻信號的中心頻率和調制頻率分別為550.164和25.488，由于頻率分辨率僅有0.6217，所以仿真結果和理論分析一致。圖1中心頻率為550Hz、調制頻率為26Hz的頻譜圖2中心頻率為2 600Hz、調制頻率為10.3Hz圖3中心頻率為55

5、0Hz、調制頻率為26Hz的頻譜圖4中心頻率為2600Hz、調制頻率為10.3Hz從頻譜中也可看到中心頻率的位置為86，這與理論計算相符。由頻譜的位置計算得到移頻信號的中心頻率和調制頻率分別為2599.759和9.946，由于頻率分辯率僅有0.6217，所以仿真結果和理論分析一致。2.250Hz強干擾情況下的小信號檢測假設接收的信號中存在50Hz的干擾信號，根據采用的采樣頻率，計算干擾信號在80這個位置，處于移頻信號的帶內，為了消除干擾的影響，就需要在進行FFT計算時，首先應對50Hz的干擾進行隱波處理，然后進行正常的運算。這里以國產移頻信號，載頻頻率為550Hz、調制頻率為26Hz為例進行仿

6、真，在仿真中加入了10倍于移頻信號的50Hz強干擾信號，設計了50Hz的隱波器，得到圖3所示的頻譜圖，可以看出圖1和圖3沒有多大區別。可以準確解調出移頻信號的中心頻率和調制頻率。2.350Hz、150Hz、250Hz強干擾下的小信號檢測假設在接收的信號中，存在10倍于移頻信號的50Hz干擾，2倍于移頻信號的150Hz的干擾，與移頻信號相等的250Hz干擾，根據采樣頻率，可以計算出這些干擾的頻譜分別位于80、241、402，正好落在移頻信號的頻帶內，出現嚴重的頻譜混疊，必須減小它的影響，才能解調出移頻信號，為此在這里采用濾波的方法，設計一高通濾波器，截止頻率為400Hz。本仿真以UM71，載頻的

7、中心頻率為2 600Hz、調制頻率為10.3為例進行仿真，得到如圖4所示的頻譜圖。從圖中可以準確解調出移頻信號的中心頻率和調制頻率。3結束語3.1在深入探討和分析軌道電路移頻信號頻譜特點的基礎上，考慮到電氣化鐵路不平衡電流的交流干擾和提高鐵路的列車速度，以及軌道電路工作環境惡劣、信號變化大等特點，通過分析FFT和帶通信號的特點及實際FFT頻譜圖隨采樣頻率變化，提出采樣頻率確定方法，對移頻軌道電路中的小信號進行計算機仿真。3.2仿真結果表明，在無干擾的情況下，可以很清楚地得到移頻信號的頻譜圖，由頻譜圖可以方便地計算出移頻信號的頻率值，且頻率分辯率在要求的范圍內。3.3在存在強干擾的情況下，由于干擾信號正好落在了頻帶內，出現頻率混疊現象，但采用了加入陷波器和濾波器的方法，先對這些信號進行預處理，再進行FFT變換，就能很好地解決頻譜混疊的問題，并取得了對小信號檢測的滿意結果。本項目得到了鐵道部科技基金和北方交大科技基金資助。魏學業北方交大通信與控制工程系副教授100044北京市4參考文獻1楊福生，戴先中.帶通信號采樣定理.信號處理，1986，1(2)：58612魏學業，汪希時，丁正庭