專利名稱：一種檢測列車交通信號載波頻率的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及列車數(shù)字信號處理方法，尤其涉及列車交通信號載波頻率的檢測方法。
背景技術：
目前列車交通信號主要制式包括AC、FSK和UM-71。列車交通信號的提取包括載頻檢測和計算低頻調(diào)制信號頻率。精確的載頻檢測是計算調(diào)制信號頻率的關鍵。現(xiàn)有的載頻檢測方法一般為過零計數(shù)，它因為計算簡單而獲得了廣泛應用，但計算延遲大，一般為0.4秒以上，但精確度和抗干擾能力比較差，不適合UM-71這類頻率較高的制式。
另外有人用譜分析的方法計算載頻和低頻信號頻率(魏學業(yè)，強干擾小信號檢測的計算機仿真研究，《鐵路計算機應用》，1998年第6期)，但這種方法計算復雜，而且不適合逐點運算，并且也有比較大的延遲時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種列車交通信號載頻檢測方法，它不但具有延遲時間少，精確度高，好的信噪比性能和強抗干擾能力，而且計算簡單。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了如下的技術方案一種檢測列車交通信號載波頻率的方法，它包括首先將列車的采樣信號S(t)與參考信號進行相關運算；然后對所述的運算結果進行比較，并根據(jù)比較的結果確定信號的載波頻率。
所述的參考信號是程序預先產(chǎn)生并以數(shù)組的形式存放在存儲器中的，而且參考信號數(shù)組的長度對于不同的參考信號頻率具有不同的長度。
所述的參考信號是由若干對正交的正弦和余弦信號組成，每一對參考信號對應一個載波的判決頻率。
所述的相關運算是將采樣信號與參考信號進行乘積、然后對乘積進行積分運算，再對積分進行平方和運算。
所述的積分運算可以采用逐點迭代的方式實現(xiàn)，也可以采用逐數(shù)據(jù)塊批處理的方式。
所述的比較是通過檢測器選取積分平方和最大值對應的頻率點，然后輸出結果；它還包括用非線性平滑濾波器對所述的輸出結果進行修正。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，有顯著的技術進步首先，本發(fā)明具有極低的延遲時間。載波頻率檢測延遲近似為互相關運算中積分區(qū)間長度的一半，即N/2個樣點，對于UM-71就是6.3毫秒。非線性平滑濾波器的延遲為n個樣點，可以忽略不計。計算調(diào)制信號頻率的延遲為該調(diào)制信號周期的一半Tm/2＝1/2fm，不同的調(diào)制頻率對應不同的延遲時間。當調(diào)制信號頻率為10.3Hz時，該延遲達到最大值為49毫秒；當調(diào)制信號頻率為29Hz時，該延遲達到最小值為17毫秒。因此該算法的總延遲時間為近似23～56毫秒之間。而現(xiàn)有的技術一般為延遲0.4秒以上。
其次本發(fā)明具有很好的信噪比性能。假設信道中存在與信號不相關的功率為σN2/T的平穩(wěn)白噪聲N(t)，則用四個參考信號(頻率分別為fi，i＝1，2，3，4)分別進行相關運算得到Ai(t)=|∫T[s(t)+N(t)]exp(2πfit)dt|2]]>考慮到噪聲與信號不相關，可把上式寫為如下形式Ai(t)=(∫T[s(t)+N(t)]exp(2πfit)dt)(∫T[s(t)+N(t)]exp(2πfit)dt)*]]>=∫T∫s(t)s*(τ)exp[2πfi(t-τ)]dtdτ+T∫T|N(t)|2dt]]>=S(fi)+σN2]]>其中S(fi)是信號的功率譜密度在頻率點fi處的值?？梢姡捎谠肼暤拇嬖?，每個Ai(t)值都增加了一個相同的常數(shù)項σN2，而它對載波頻率的判決比較是沒有任何影響的。因此，本發(fā)明對任何強度的白噪聲具有天然的抑制作用。
另外，本發(fā)明還具有很強的抗干擾能力。本發(fā)明實質(zhì)上是計算采樣信號在4個參考頻率點上的功率密度譜值。假設信道中存在某個窄帶干擾源，如果它的各次諧波分量與任何參考信號是非正交的，則對該干擾信號與參考信號的相關運算將得到一個有界的結果，不會對載波頻率檢測產(chǎn)生不利影響。因此在列車行駛過程中，上行與下行信號之間以及不同模式信號之間不會相互干擾。
當然本發(fā)明的計算非常簡單。載波檢測對每個采樣點只進行8次乘法運算和4次平方和運算，以及為完成累加而進行的8次加、減法運算。采用特殊的參考信號使本算法需要的存儲量非常小。非線性平滑濾波的計算量也非常小。


圖1本發(fā)明的流程框圖具體實施方式
本發(fā)明被應用到本公司的ATP(自動列車防護，Automatic TrainProtect)項目中。在ATP系統(tǒng)中，經(jīng)過鐵軌發(fā)送的列車交通信號被裝置在列車上的傳感器獲取之后，經(jīng)過采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)化器(ADC)變?yōu)閿?shù)字信號。采樣率必須滿足Nyquist(奈奎斯特)條件，過大的采樣率會增加計算的復雜度，因而也是不需要的。對AC一般可設采樣率為250Hz，對FSK設為5KHz，對UM-71設為10KHz。
如圖1所示，它是本發(fā)明檢測載波頻率的框圖。該方法采用了互相關檢測算法的原理，該原理為如果將頻率為f1的正弦信號s1(t)＝sin(2πf1t)與一個頻率為f2的正弦信號s2(t)＝sin(2πf2t)相乘，得到s1(t)s2(t)=sin(2πfit)sin(2πf2t)=-12(cos[2π(f1+f2)t]-cos[2π(f1-f2)t]),]]>如果f1＝f2，則上式變?yōu)橐粋€高頻分量cos(4πf1t)與一個直流分量的和。由于直流分量的存在，將上式對時間t進行積分的結果將隨著時間而線性增長。
而如果f1≠f2，則上式是兩個交流分量的和，其積分結果是有界的且是周期性的。
如圖1所示，采樣信號Sk(t)分別與四個頻率為f1、f2、f3、f4、參考信號進行乘積、積分以及平方和運算，最后通過一個檢測器選取最大值對應的頻率點，作為載波頻率判決輸出。每個參考信號由一對正交的正弦sin(2πf1t)和余弦信號cos(2πf1t)組成，以解決采樣信號的相位不確定性問題，每一路相關運算的輸出值Ai(t)為Ai(t)=|∫Ts(t)sin(2πfit)dt|2+|∫Ts(t)cos(2πfit)dt|2]]>本發(fā)明是在定點DSP(數(shù)字信號處理)器件上用軟件實現(xiàn)的，如果用浮點運算或者用硬件電路實現(xiàn)，也是可行的。在定點DSP器件上進行運算時，采樣信號和參考信號可以設為256階有符號數(shù)，即一個字節(jié)長度，經(jīng)過乘積、積分和平方和運算后符號長度可能達到64bit，所以平方和運算以及判決部分要采用64bit的運算長度。
本發(fā)明的參考信號是由程序預先產(chǎn)生存放在存儲器中的，如果采用硬件電路信號源產(chǎn)生或者在算法運行過程中通過三角函數(shù)計算實時產(chǎn)生信號源，也是可行的。
本發(fā)明的積分運算是采用逐點迭代的方式實現(xiàn)的，如果采用逐數(shù)據(jù)塊批處理的方式也是可行的。所謂的迭代求和算法，即將采樣信號與參考信號的乘積P(i)作為中間結果保存在一個先入先出(FIFO)的數(shù)據(jù)結構中，同時保存累加值A(i)。第k次采樣后，先把當前乘積值P(k)輸入FIFO數(shù)據(jù)結構中，同時從FIFO數(shù)據(jù)結構中輸出最老的數(shù)值P(k-N)，然后更新累加值A(k)＝A(k-1)+P(k)-P(k-N)。其中N為FIFO數(shù)據(jù)結構的長度，表示積分區(qū)間。因為列車載波信號被一個低頻信號調(diào)制，所以積分區(qū)間的長度對載頻檢測精度有一定影響。我們經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)對于FSK其最佳值為N＝48，對于AC和UM-71為N＝128。由于采用迭代求和，所以計算量非常小，而且與積分區(qū)間的長度無關。在DSP軟件中FIFO數(shù)據(jù)結構可以用一個簡單的循環(huán)數(shù)組實現(xiàn)。
本發(fā)明與Fourier(傅立葉)變換在本質(zhì)上是一致的。如圖1所示，每一路相關運算的輸出值Ai(t)為Ai(t)=|∫Ts(t)sin(2πfit)dt|2+|∫Ts(t)cos(2πfit)dt|2]]>它可以被進一步寫為如下形式Ai(t)=|∫Ts(t)sin(2πfit)dt+j∫Ts(t)cos(2πfit)dt|2]]>=|∫Ts(t){sin(2πfit)+jcos(2πfit)}dt|2]]>=|∫Ts(t)exp(2πfit)dt|2]]>上式最后得到了一個Fourier變換模平方的形式，所以相關檢測可以被認為是只在幾個離散的參考頻率點上求信號的功率密度譜，其他無關的頻率點不予理會，因此可以得到比譜分析算法更高的計算效率，而且更適合逐點運算。
由于信號采樣帶來了參考信號的相位不連續(xù)性問題。離散的參考信號由程序預先產(chǎn)生并保存在存儲器中，每次進行相關運算時從中循環(huán)、順序地取出一個數(shù)據(jù)。如果參考信號長度選取不當，則循環(huán)取數(shù)會產(chǎn)生不連續(xù)相位，從而導致迭代重新進入初始化。對于某一路參考信號ri(t)＝sin(2πfit)，其離散形式為ri(k)=ri(kTs)=sin(2πfikfs),]]>其中Ts和fs分別為采樣間隔和采樣頻率。若要保證參考信號的相位連續(xù)，則其長度K必須使得 是2π的整數(shù)倍，即2πfiKfs=2πL,]]>或者
K=fsfiL.]]>即參考信號長度應為 的任意整數(shù)倍。對于AC制式(fi＝25Hz，50Hz，75Hz，fs＝250Hz)，可以選擇K＝10；對于FSK制式(fi＝550～850±55Hz，fs＝5000Hz)，可以選擇K＝1000。這樣可以得到絕對連續(xù)的相位。對于UM-71制式(fi＝1700～2600±11Hz，fs＝10000Hz)，選擇K＝10000可以得到絕對連續(xù)的相位。但是這么大的參考信號數(shù)組占用了太多的內(nèi)存，在DSP實現(xiàn)上是很不經(jīng)濟的，因此我們用不定長參考信號技術來解決這個問題。
所謂不定長參考信號，指的是本發(fā)明中由程序預先產(chǎn)生并存放在存儲器中的參考信號數(shù)組，對于不同的參考信號頻率，其長度是各不相同的，以便在保證參考信號相位連續(xù)的條件下盡量減小所占內(nèi)存空間。
不定長參考信號技術的原理是離散時間正弦信號除了在K=fsfiL]]>長度上保持嚴格的相位連續(xù)，在其它的一系列點上是近似連續(xù)的，這些點可以通過計算循環(huán)自相關求得。對于一個近似相位連續(xù)的參考信號，其誤差隨著循環(huán)次數(shù)累積增加。為了防止誤差無限累積，需要每隔10000個采樣周期(UM-71)對參考信號指針進行重新歸零，這是因為對于UM-71，長度10000的參考信號是嚴格相位連續(xù)的。
這樣，不定長參考信號的誤差周期性增長，且每隔10000次達到最大值。
表1列出通過循環(huán)自相關計算出的一系列可以滿足近似連續(xù)相位要求的參考信號長度值。最右列為我們計算出的最佳近似長度及其可以達到的最大誤差。如果采用這組最佳長度，則最大累積誤差為0.001數(shù)量級(信號幅值為1)?？紤]到定點運算中參考信號采用256級的量化級數(shù)，這個最大誤差是小于量化誤差的，因此可以得到與嚴格連續(xù)相位信號一致的參考信號。
經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，即使采用非最佳的近似連續(xù)長度，盡管此時會產(chǎn)生較大的周期性誤差，但是運算結果仍能基本滿足系統(tǒng)的精度要求，而且需要的存儲空間更小。在我們的系統(tǒng)中，采用的參考信號長度分別為373，263，181，363，782，463，309，563。
表1

載波頻率檢測后輸出四個值00b，01b，10b，11b，分別對應上行或下行時的四個頻率，但在載頻檢測過程中難免出現(xiàn)偶爾的判決錯誤。而用一個非線性平滑濾波器可以對上述結果進行修正，可以消除偶爾的判決錯誤，并且計算量增加極小。
這個非線性平滑濾波的原理是用程序生成一個長度為2n+1的FIFO，用來存儲載頻檢測結果的最低比特(0或1)。每輸入FIFO一個檢測值，對FIFO中的值進行迭代求和，如果該和小于等于n，則判決為0；否則判決為1。將判決值代替當前檢測值的最低比特，作為非線性平滑濾波器的輸出。用C語言描述如下static short flt_conv=0，flt_index=0;
static short flt_buf[FLT_SIZE];
short smooth_filter(short freq_id){short freq0=freq_id&0x01;
flt_conv=flt_conv+freq0-flt_buf[flt_ndex];
flt_buf[flt_index]=freq0;
flt_index++;
if(flt_index>=FLT_SIZE)flt_index=0;
freq0=flt_conv>=((FLT_SIZE>>1)+1) 1:0;
return(freq_id&0xfffe)|freq0;
}根據(jù)本發(fā)明得到了精確的載波頻率值，統(tǒng)計當前載頻的持續(xù)時間，就可以直接計算得到調(diào)制信號的頻率。例如對于UM-71上行模式，在一個鐵軌的BLOCK(區(qū)段)內(nèi)，載波頻率在1689Hz和1711Hz之間交替變換，其變換頻率為10.3Hz，11.4Hz，...，29Hz。當每次載頻變換的時刻，設統(tǒng)計該載頻持續(xù)了M點，則調(diào)制信號頻率為fm＝fs/2M。其中fs是采樣頻率。
權利要求
1.一種檢測列車交通信號載波頻率的方法，其特征在于，它包括首先將列車的采樣信號S(t)與參考信號進行相關運算；然后對所述的運算結果進行比較，并根據(jù)比較的結果確定信號的載波頻率。
2.如權利要求1所述的檢測列車交通信號載波頻率的方法，其特征在于所述的參考信號是程序預先產(chǎn)生并以數(shù)組的形式存放在存儲器中的，而且參考信號數(shù)組的長度對于不同的參考信號頻率具有不同的長度。
3.如權利要求1或2所述的檢測列車交通信號載波頻率的方法，其特征在于所述的參考信號是由若干對正交的正弦和余弦信號組成，每一對參考信號對應一個載波的判決頻率。
4.如權利要求1所述的檢測列車交通信號載波頻率的方法，其特征在于所述的相關運算是將采樣信號與參考信號進行乘積、然后對乘積進行積分運算，再對積分進行平方和運算。
5.如權利要求4所述的檢測列車交通信號載波頻率的方法，其特征在于所述的積分運算可以采用逐點迭代的方式實現(xiàn)，也可以采用逐數(shù)據(jù)塊批處理的方式。
6.如權利要求1所述的檢測列車交通信號載波頻率的方法，其特征在于所述的比較是通過檢測器選取積分平方和最大值對應的頻率點，然后輸出結果。
7.如權利要求6所述的檢測列車交通信號載波頻率的方法，其特征在于它還包括用非線性平滑濾波器對所述的輸出結果進行修正。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測列車交通信號載波頻率的方法，它包括首先將列車的采樣信號S(t)與參考信號進行相關運算；然后對所述的運算結果進行比較，并根據(jù)比較的結果確定信號的載波頻率。所述的參考信號是程序預先產(chǎn)生并以數(shù)組的形式存放在存儲器中的，而且參考信號數(shù)組的長度對于不同的參考信號頻率具有不同的長度，它可以是由一對正交的正弦和余弦信號組成。所述的比較是通過檢測器選取積分平方和最大值對應的頻率點，然后輸出結果，它還包括用非線性平滑濾波器對所述的輸出結果進行修正。
文檔編號B61L1/00GK1870443SQ20051002616
公開日2006年11月29日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權日2005年5月25日
發(fā)明者張華 , 張立軍 申請人:上?？埔饨菪畔⒓夹g有限公司