CN104369746B - 相敏轨道电路接收器信号处理方法 - Google Patents

Abstract

相敏轨道电路接收器信号处理方法，涉及信号处理技术。本发明包括下述步骤：1)分别对轨道信号和局部信号作A/D转换，产生数字轨道信号S_G(t)和数字局部信号S_J(t)°；2)分别对轨道信号和局部信号作离散傅里叶变换，得到轨道信号正弦分量a_G(k)、轨道信号余弦分量b_G(k)、局部信号正弦分量a_J(k)、局部信号余弦分量b_J(k)，3)分别采用折叠算法和迭代算法计算轨道/局部信号幅值和相位；4)分别以迭代算法和折叠算法计算结果为依据，通过阈值函数计算比较值若以折叠算法计算结果为依据的和以迭代算法计算结果为依据的二者皆大于等于预设的继电器吸起阈值，则继电器吸起；若二者皆小于等于预设的继电器落下阈值则继电器落下。本发明处理精度高，处理速度快。

Description

相敏轨道电路接收器信号处理方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术。

背景技术

数字化是铁路信号控制系统发展的一个重要方向。数字信号处理技术随着计算机和信息科学的发展应运而生，并得到迅速发展。近年来，数字信号处理已经在通信、自动化等领域得到了极为广泛的应用。随着电子技术的发展，25Hz相敏轨道电路接收端也逐步采用电子化，代替以前二元二位继电器机械式动作，彻底解决了原继电器接点卡阻、抗电气化干扰能力不强、返还系数低等问题，与原继电器的接收阻抗、接收灵敏度相同，提高了安全性和可靠性。

目前国内除了采用机械式的二元二位继电器检查轨道占用情况，还有基于51单片机开发的相敏接收器，二元二位继电器是纯机械式动作，存在接点卡阻、抗电气化干扰能力弱，返还系数低等问题，而基于51单片机开发的相敏接收器，由于数据处理能力低，处理方式只能采用查表方式，处理数据简单，误差范围大等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有更高安全性和可靠性的相敏轨道电路接收器信号处理方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，相敏轨道电路接收器信号处理方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)分别对轨道信号和局部信号作A/D转换，产生数字轨道信号S_G(t)和数字局部信号S_J(t)，所述轨道信号超前局部信号90°；

2)分别对轨道信号和局部信号作离散傅里叶变换，得到轨道信号正弦分量a_G(k)、轨道信号余弦分量b_G(k)、局部信号正弦分量a_J(k)、局部信号余弦分量b_J(k)，

3)分别采用折叠算法和迭代算法计算轨道信号幅值A_G、轨道信号相位局部信号幅值A_J、局部信号相位得到折叠算法计算结果和迭代算法计算结果；

4)以折叠算法计算结果为依据，通过阈值函数计算比较值并且以迭代算法计算结果为依据，通过阈值函数计算比较值

若以折叠算法计算结果为依据的和以迭代算法计算结果为依据的二者皆大于等于预设的继电器吸起阈值，则继电器吸起；

若二者皆小于等于预设的继电器落下阈值则继电器落下。

本发明的有益效果是，处理精度高，处理速度快，满足轨道电路接收器准确快速的处理信号，即使的给予信号表示，发明基于双套独立通道处理，最后采用二取二安全结构，提供信号处理结果的安全性。

附图说明

图1是微电子接收器原理图。

图2是微电子接收器的系统结构图。

图3是本发明的信号处理原理图。

图4是迭代算法仿真示意图。

图5是迭代算法结果曲线图。

具体实施方式

参见图1、2、3。

本实施例的原理是，轨道电路的发送端发送25Hz的轨道信号，轨道信号通过钢轨传送至接收端，微电子接收器将钢轨传输到接收端的轨道电路信号和信号25Hz电源屏传送的局部电源信号进行数字信号处理(局部信号超前轨道信号90°)，将处理后得到的信号幅值和相位，进行计算，并与预设阀值进行比较，最后执行输出，驱动后级继电器吸起或落下。

轨道信号和局部信号处理部分包括去噪，模数转换，数字信号处理。

数字信号处理过程为：将轨道信号X_G(t)或局部信号X_J(t)通过A\D过转换为数字轨道信号S_G(t)或局部信号S_J(t)，再通过离散傅里叶变换转换为25Hz基波正余弦分量(a_G(k)、b_G(k)为轨道25Hz基波正余弦分量；a_J(k)、b_J(k)为局部25Hz基波正余弦分量)，通过转换方程，计算轨道信号和局部信号相位和幅值最后将转换计算后的幅值和相位，计算执行下级动作值

解释：

f_s：采样频率；

T_s：采样周期，其中

k：采样序列号；

W_n：所提取交流信号n次谐波信号的角速度，其中W_n＝f_n；

N：提取信号一个基波周期的采样点数；

S(t)：第t时刻的轨道信号或局部信号；

M：采样总数M＝2N；

25Hz轨道信号或局部信号为S(t)，由于轨道信号中混有50Hz工频信号和ZPW2000移频信号，其表达式为：根据离散傅里叶变换对轨道信号S(t)做离散傅里叶变换：

$S\left(t\right)=a_0+\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{a}_{n}cos\left(nwt\right)+\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{b}_{n}sin\left(nwt\right)---\left(1\right)$

其中a₀为轨道信号或局部信号的直流分量，a_n为轨道信号或局部信号的n次谐波余弦分量，b_n为轨道信号或局部信号的n次谐波正弦分量。

由于系统对轨道信号实时处理，并且每次采样处理数据点数为基频信号周期的整数倍，所以对信号采用矩形窗的离散傅里叶变换。

$a_0\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{t=t_0}{\overset{t_0+{\mathrm{kT}}_s}{\Σ}}S\left(t\right)cos\left(nwt\right)---\left(2\right)$

在采样时刻t₀+kT_s，并且0<k≤N，

$a_n\left(k\right)=\frac{2}{N}\underset{t=t_0}{\overset{t_0+{\mathrm{kT}}_s}{\&Sigma;}}S\left(t\right)cos\left(nwt\right)---\left(3\right)$

$b_n\left(k\right)=\frac{2}{N}\underset{t=t_0}{\overset{t_0+{\mathrm{kT}}_s}{\&Sigma;}}S\left(t\right)sin\left(nwt\right)---\left(4\right)$

当N<k时，平移矩形窗

$a_n\left(k\right)=\frac{2}{N}\underset{t=t_0+(k+1-N)T_s}{\overset{t_0+{\mathrm{kT}}_s}{\&Sigma;}}S\left(t\right)cos\left(nwt\right)---\left(5\right)$

$b_n\left(k\right)=\frac{2}{N}\underset{t=t_0+(k-N)T_s}{\overset{t_0+{\mathrm{kT}}_s}{\&Sigma;}}S\left(t\right)sin\left(nwt\right)---\left(6\right)$

a_n(k)、b_n(k)为25Hz轨道信号或局部信号第k个采样点获得的n次谐波的正余弦幅值，在DSP处理当中，每次处理的始端为采样的第一个数据，即t₀＝0，对于基波信号(25Hz信号)，正余弦函数sin(wkT_s)、cos(wkT_s)分为N个采样点，并以为周期的函数。t₀表示大于零时刻的任意时刻。

基波信号(25Hz信号，即n＝1)表达式为：

S₁(t)＝a₁cos(wt)+b₁sin(wt) (7)

令

即：

即为25Hz信号中的幅值，为轨道信号中25Hz信号的相位。

$A_1=\sqrt{a_1^2+b_1^2}=\underset{k=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}\sqrt{a_1^2\left(k\right)+b_1^2\left(k\right)}---\left(9\right)$

迭代算法(算法一)实现：

将公式(5)、(6)变型

$a_n\left(k\right)=a_n(k-1)-\frac{2}{N}S(t_0+(k-N\left)T_s\right)\cos \left(nw\right(t_0+{\mathrm{kT}}_s\left)\right)+\frac{2}{N}S(t_0+{\mathrm{kT}}_s)\cos \left(nw\right(t_0+{\mathrm{kT}}_s\left)\right)---\left(11\right)$

$b_n\left(k\right)=b_n(k-1)-\frac{2}{N}S(t_0+(k-N\left)T_s\right)sin\left(nw\right(t_0+{\mathrm{kT}}_s\left)\right)+\frac{2}{N}S(t_0+{\mathrm{kT}}_s)sin\left(nw\right(t_0+{\mathrm{kT}}_s\left)\right)---\left(12\right)$

由公式(11)和(12)可以得出，模型可采用迭代算法求解，算法的主要步骤如下：

Step1：初始化基波频率f₁＝25Hz采样频率，基波角频率w₁＝2πf₁＝157.08rad/s,f_s＝6400Hz，a₁(1)＝0，b₁(1)＝0,a₁＝0，b₁＝0；

Step2：计算 $\mathrm{\&delta;}a=\frac{2}{N}S\left(k\right)cos\left(w_1{\mathrm{kT}}_s\right),\mathrm{\&delta;}b=\frac{2}{N}S\left(k\right)sin\left(w_1{\mathrm{kT}}_s\right);$

Step3：计算a₁(k)＝a₁(k-1)+δa，b₁(k)＝b₁(k-1)+δb；

Step4：当k>N时

$a_1\left(k\right)=a_1(k-1)-\frac{2}{N}S(k-N)cos\left(w_1\right(k-N\left)T_s\right),$

$b_1\left(k\right)=b_1(k-1)-\frac{2}{N}S(k-N)sin\left(w_1\right(k-N\left)T_s\right);$

Step5：a₁＝a₁+a₁(k),b₁＝b₁+b₁(k)当k<＝M，跳到Step2，否者到Step6；

Step6：计算A₁和结束。

信号仿真示意图如图4，仿真结果如图5。幅值计算结果为20.0011，相位1.5708。

折叠算法(算法二)实现：

正余弦函数周期性：

sin(wkT_s)＝sin(w(k+N)T_s) (13)

cos(wkT_s)＝cos(w(k+N)T_s) (14)

正余弦函数单周期内(轴)对称性：

sin(wkT_s)＝-sin(w(N-k)T_s) (15)

cos(wkT_s)＝cos(w(N-k)T_s) (16)

正余弦函数半周期内(轴)对称性：

$sin\left({\mathrm{wkT}}_s\right)=sin\left(w\right(\frac{N}{2}-k\left)T_s\right)---\left(17\right)$

$cos\left({\mathrm{wkT}}_s\right)=-cos\left(w\right(\frac{N}{2}-k\left)T_s\right)---\left(18\right)$

利用sin(wkT_s)、cos(wkT_s)函数的周期性，且在单(半)周期内具有轴对称和对称性，算法可采用翻折求解。折叠算法又称为翻折算法。

Step1：初始化基波频率f₁＝25Hz采样频率，基波角频率w₁＝2πf₁＝157.08rad/s,f_s＝6400Hz，a₁＝0，b₁＝0；

Step2：计算

$\mathrm{\&delta;}a=\frac{2\cos \left(w_1{\mathrm{kT}}_s\right)}{N}\underset{i=0}{\overset{i\&le;M/N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(S\right(k+iN)-S(\frac{(2i+1)N}{2}-k)-S(\frac{(2i+1)N}{2}+k)+S(\left(i+1\right)N-k\left)\right)$

$\mathrm{\&delta;}b=\frac{2sin\left(w_1{\mathrm{kT}}_s\right)}{N}\underset{i=0}{\overset{i\&le;M/N}{\&Sigma;}}\left(S\right(k+iN)+S(\frac{(2i+1)N}{2}-k)-S(\frac{(2i+1)N}{2}+k)-S(\left(i+1\right)N-k\left)\right)$

Step3：计算a₁＝a₁+δa，b₁＝b₁+δb；

Step4：当时跳到Step2，否者到Step5；

Step5：计算A₁和结束。

幅值计算结果为19.9998，相位1.5716。

微电子接收器驱动继电器吸起的阀值为F_吸，驱动继电器落下的阀值F_落根据算法一和算法二分别计算出轨道信号幅值A_G、相位值和局部信号的幅值A_J、相位值值，通过阀值函数计算比较值

判决条件

以算法一得到的判决结果，和以算法二得到的判决结果相比较，若二者一致，则以一致的判决结果执行。

Claims (3)

1.相敏轨道电路接收器信号处理方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)分别对轨道信号和局部信号作A/D转换，产生数字轨道信号S_G(t)和数字局部信号S_J(t)，所述轨道信号超前局部信号90°；

2)分别对轨道信号和局部信号作离散傅里叶变换，得到轨道信号正弦分量a_G(k)、轨道信号余弦分量b_G(k)、局部信号正弦分量a_J(k)、局部信号余弦分量b_J(k)；

3)分别采用折叠算法和迭代算法计算轨道信号幅值A_G、轨道信号相位局部信号幅值A_J、局部信号相位得到折叠算法计算结果和迭代算法计算结果；

4)以折叠算法计算结果为依据，通过阈值函数计算比较值并且以迭代算法计算结果为依据，通过阈值函数计算比较值

若以折叠算法计算结果为依据的和以迭代算法计算结果为依据的二者皆大于等于预设的继电器吸起阈值，则继电器吸起；

若二者皆小于等于预设的继电器落下阈值则继电器落下；

所述步骤3)中，通过下述迭代算法计算信号幅值A和相位

迭代步骤如下：

Step1：初始化基波频率f₁＝25Hz采样频率，基波角频率w₁＝2πf₁＝157.08rad/s,f_s＝6400Hz，a₁(1)＝0，b₁(1)＝0,a₁＝0，b₁＝0；

Step2：计算

Step3：计算a₁(k)＝a₁(k-1)+δa，b₁(k)＝b₁(k-1)+δb；

Step4：当k>N时

Step5：a₁＝a₁+a₁(k),b₁＝b₁+b₁(k)当k<＝M，跳到Step2，否者到Step6；

Step6：计算A₁和结束；

或者，所述步骤3)中，通过下述折叠算法计算信号幅值A和相位

正余弦函数周期性：

sin(wkT_s)＝sin(w(k+N)T_s)

cos(wkT_s)＝cos(w(k+N)T_s)

正余弦函数单周期内对称性：

sin(wkT_s)＝-sin(w(N-k)T_s)

cos(wkT_s)＝cos(w(N-k)T_s)

正余弦函数半周期内对称性：

利用sin(wkT_s)、cos(wkT_s)函数的周期性，且在单周期或半周期内具有轴对称和对称性，采用折叠算法求解：

Step1：初始化基波频率f₁＝25Hz采样频率，基波角频率w₁＝2πf₁＝157.08rad/s,f_s＝6400Hz，a₁＝0，b₁＝0；

Step2：计算

Step3：计算a₁＝a₁+δa，b₁＝b₁+δb；

Step4：当时跳到Step2，否者到Step5；

Step5：计算A₁和结束；

t₀表示大于零时刻的任意时刻。

2.如权利要求1所述的相敏轨道电路接收器信号处理方法，其特征在于，所述步骤2)中，以S(t)表示轨道信号，

离散傅里叶变换为：

其中a₀为轨道信号的直流分量，a_n为轨道信号的n次谐波余弦分量，b_n为轨道信号的n次谐波正弦分量，局部信号的变换方式与轨道信号相同。

3.如权利要求1所述的相敏轨道电路接收器信号处理方法，其特征在于，所述比较值计算公式为：