強(qiáng)干擾小信號(hào)檢測的計(jì)算機(jī)仿真研究

1、強(qiáng)干擾小信號(hào)檢測的計(jì)算機(jī)仿真研究魏學(xué)業(yè)摘要強(qiáng)干擾、小信號(hào)的檢測，是實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)可靠工作的重要研究領(lǐng)域。采用濾波加頻譜分析的方法，可以克服時(shí)域檢測無法克服的缺點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)仿真，可以看出干擾大于信號(hào)時(shí)，這種檢測方法，仍能很好地完成信號(hào)的檢測。關(guān)鍵詞強(qiáng)干擾小信號(hào)檢測仿真軌道電路是自動(dòng)閉塞的基礎(chǔ)，其可靠性直接影響行車安全、列車通過能力和鐵路運(yùn)輸效率。目前國內(nèi)外鐵路信號(hào)的自動(dòng)閉塞、機(jī)車信號(hào)和列車控制系統(tǒng)的大部分都是由軌道電路作為基礎(chǔ)。軌道電路由檢測列車是否占用區(qū)間，發(fā)展到向車載列車控制系統(tǒng)傳輸大量的信息。為了保證列車運(yùn)行的安全，保證軌道電路向區(qū)間信號(hào)，車載控制系統(tǒng)傳輸正確、可靠的信息，就需要研究強(qiáng)干擾

2、、小信號(hào)的檢測方法。1待檢測的小信號(hào)的屬性分析設(shè)鍵控移頻方波信號(hào)f(t)的頻率為f1，周期為T，時(shí)間表達(dá)式為：(1)頻率為f0的載頻信號(hào)經(jīng)f(t)調(diào)制后，載頻信號(hào)的頻率偏移量f為：(2)式中k系數(shù)，代表移頻器的靈敏度，單位為Hz/V。移頻信號(hào)的頻率瞬時(shí)頻率為：(3)其瞬時(shí)相位(t)是一個(gè)以f1為頻率的周期信號(hào)，故可用傅里葉級(jí)數(shù)來表示，上式中的Cn為傅里葉系數(shù)，經(jīng)一系列的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到移頻信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)的數(shù)學(xué)模型為：(4)m定義為移頻指數(shù)：(5)由此可得頻譜的相對(duì)幅度為：載頻分量的相對(duì)幅度為：；奇次邊頻分量的相對(duì)幅度為：；偶次邊頻分量的相對(duì)幅度為：。由此可得，移頻信號(hào)經(jīng)過一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算，其頻

3、譜發(fā)生了頻變，使原來發(fā)送的上邊頻和下邊頻頻率不存在了，而取而代之的是出現(xiàn)了一個(gè)新的頻率成份中心頻率，且其中心頻率和調(diào)制頻率可由頻譜分析的方法進(jìn)行測量，因此可采用快速傅里葉變換的方法，實(shí)現(xiàn)頻率的測量。2強(qiáng)干擾條件下的小信號(hào)檢測方法根據(jù)移頻信號(hào)的發(fā)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(diào)制頻率為26 Hz時(shí)的頻譜圖，以及中心頻率2 600 Hz、調(diào)制頻率為10.3 Hz時(shí)的1024點(diǎn)FFT變換，計(jì)算出了它的功率譜圖。由于頻譜的泄漏現(xiàn)象，使本來應(yīng)以中心頻率對(duì)稱的頻譜(它的峰值也應(yīng)對(duì)稱)，出現(xiàn)了大小不等的峰值，但頻譜的位置還是對(duì)稱的，而計(jì)算頻率值

4、是以位置來計(jì)算的，所以峰的不對(duì)稱，不影響頻率的檢測精度。根據(jù)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(hào)檢測中心頻率為550 Hz、調(diào)制頻率為26 Hz，根據(jù)2中的方法，可得中心頻率應(yīng)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(jì)算相符。由頻譜的計(jì)算得移頻信號(hào)的中心頻率和調(diào)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(jié)果和理論分析一致。圖1中心頻率為550Hz、調(diào)制頻率為26Hz的頻譜圖2中心頻率為2 600Hz、調(diào)制頻率為10.3Hz圖3中心頻率為55

5、0Hz、調(diào)制頻率為26Hz的頻譜圖4中心頻率為2600Hz、調(diào)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(jì)算相符。由頻譜的位置計(jì)算得到移頻信號(hào)的中心頻率和調(diào)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(jié)果和理論分析一致。2.250Hz強(qiáng)干擾情況下的小信號(hào)檢測假設(shè)接收的信號(hào)中存在50Hz的干擾信號(hào)，根據(jù)采用的采樣頻率，計(jì)算干擾信號(hào)在80這個(gè)位置，處于移頻信號(hào)的帶內(nèi)，為了消除干擾的影響，就需要在進(jìn)行FFT計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)對(duì)50Hz的干擾進(jìn)行隱波處理，然后進(jìn)行正常的運(yùn)算。這里以國產(chǎn)移頻信號(hào)，載頻頻率為550Hz、調(diào)制頻率為26Hz為例進(jìn)行仿

6、真，在仿真中加入了10倍于移頻信號(hào)的50Hz強(qiáng)干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)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(qū)別?？梢詼?zhǔn)確解調(diào)出移頻信號(hào)的中心頻率和調(diào)制頻率。2.350Hz、150Hz、250Hz強(qiáng)干擾下的小信號(hào)檢測假設(shè)在接收的信號(hào)中，存在10倍于移頻信號(hào)的50Hz干擾，2倍于移頻信號(hào)的150Hz的干擾，與移頻信號(hào)相等的250Hz干擾，根據(jù)采樣頻率，可以計(jì)算出這些干擾的頻譜分別位于80、241、402，正好落在移頻信號(hào)的頻帶內(nèi)，出現(xiàn)嚴(yán)重的頻譜混疊，必須減小它的影響，才能解調(diào)出移頻信號(hào)，為此在這里采用濾波的方法，設(shè)計(jì)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(diào)制頻率為10.3為例進(jìn)行仿真，得到如圖4所示的頻譜圖。從圖中可以準(zhǔn)確解調(diào)出移頻信號(hào)的中心頻率和調(diào)制頻率。3結(jié)束語3.1在深入探討和分析軌道電路移頻信號(hào)頻譜特點(diǎn)的基礎(chǔ)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(huán)境惡劣、信號(hào)變化大等特點(diǎn)，通過分析FFT和帶通信號(hào)的特點(diǎn)及實(shí)際FFT頻譜圖隨采樣頻率變化，提出采樣頻率確定方法，對(duì)移頻軌道電路中的小信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。3.2仿真結(jié)果表明，在無干擾的情況下，可以很清楚地得到移頻信號(hào)的頻譜圖，由頻譜圖可以方便地計(jì)算出移頻信號(hào)的頻率值，且頻率分辯率在要求的范圍內(nèi)。3.3在存在強(qiáng)干擾的情況下，由于干擾信號(hào)正好落在了頻帶內(nèi)，出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，但采用了加入陷波器和濾波器的方法，先對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行FFT變換，就能很好地解決頻譜混疊的問題，并取得了對(duì)小信號(hào)檢測的滿意結(jié)果。本項(xiàng)目得到了鐵道部科技基金和北方交大科技基金資助。魏學(xué)業(yè)北方交大通信與控制工程系副教授100044北京市4參考文獻(xiàn)1楊福生，戴先中.帶通信號(hào)采樣定理.信號(hào)處理，1986，1(2)：58612魏學(xué)業(yè)，汪希時(shí)，丁正庭