CN115208321B - 轨道电路特征信号的相位调制方法、解调算法及用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道电路特征信号的相位调制方法、解调算法及用途，所述相位调制方法包括以下步骤：将电源信号传输部分设置为单一轨道侧传输信道，通过单一轨道侧传输信道传输轨道电源信号；采用相位调整的方式对轨道电源信号进行调制：轨道电源信号在一定时间后相位进行跳变，通过改变不同的相位跳变值，产生出多种特征信号。本发明将电源信号传输部分设置为单一轨道侧传输信道，通过单一轨道侧传输信道传输调制信号，信号特征受信道影响相对固定，传输的信息不变，因此免除了集中调相等措施。本发明只保留轨道侧单一传输信道并且无需调整理想相位角，进一步提高抗不平衡牵引电流能力，避免了相位调整、极性交叉、阻抗失配等难题。

Description

轨道电路特征信号的相位调制方法、解调算法及用途

技术领域

本发明涉及轨道交通信号控制技术领域，更具体涉及一种轨道电路特征信号的相位调制方法、解调算法及用途。

背景技术

目前，我国电气化电路站内大量使用了25Hz相敏轨道电路，25Hz相敏轨道电路作为铁路信号自动控制的基础设备，可以检测列车占用轨道的情况，从而控制信号机的显示，将地面信号传递给机车车辆，实现列车的运行控制。25Hz相敏轨道电路自从引入国内以来，依靠结构简单、反应灵敏、投资成本低等优点在站内大量中使用，并且不断地改进优化，先后有97型25Hz相敏轨道电路、加适配器型25Hz相敏轨道电路、3V化相敏轨道电路等，并发展了微电子接收器。

但在长期的使用过程中也发现了一些不足，由于既有25Hz相敏的轨道电路采用二元方式，局部信号和轨道信号的幅度、相位共同作用驱动二元二位继电器，可以防止相邻区段信号串扰误动轨道继电器，另一方面也防止通道内25Hz单频信号干扰误动轨道继电器。

电源信号分两部分传输，一部分是轨道电源信号轨道220V，在钢轨上传输，另一部分是局部电源信号110V，在线缆中传输。传输过程中，在钢轨传输过程中会发生相位偏移，无法保证发送时两者之间固定的相位差90°。信号在发送时有固定相位差；信号在接收时，由于钢轨环境复杂，相位差发生变化大，误差大。因其局部和轨道两者需一定的相位差，采用相位集中调整机制，个别区段调整困难，尤其是增加电码化隔离设备后更加严重。

另外随着大功率机车的不断上线使用，既有25Hz相敏轨道电路对不平衡牵引电流的冲击干扰越发敏感，已经不能完全适应铁路运力不断增长发展的要求。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种轨道电路特征信号的相位调制方法、解调算法及用途，以解决背景技术中的问题，去除了局部信号的传输，只保留轨道侧单一传输信道并且无需调整理想相位角，进一步提高抗不平衡牵引电流能力，避免了相位调整、极性交叉、阻抗失配等难题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

轨道电路特征信号的相位调制方法，包括以下步骤：

将电源信号传输部分设置为单一轨道侧传输信道，通过单一轨道侧传输信道传输轨道电源信号；

采用相位调整的方式对轨道电源信号进行调制：轨道电源信号在一定时间后相位进行跳变，通过改变不同的相位跳变值，产生出多种特征信号。

进一步优化技术方案，所述轨道电源信号的公式为：

g(t)＝A×cos(2×π×f×t+θ)   (1)

式中：A为信号幅度；f为信号频率；t为时间；θ为相位；

所述相位的公式为：

式中：θ'为跳变前相位值；

为相位跳变值；t为时间；k为周期个数；T为周期，是f的倒数。

轨道电路特征信号的解调算法，所述解调算法用于使得受电端正确解调所述的特征信号的特征，来判决轨道是否有列车占用。

进一步优化技术方案，所述解调算法是利用傅立叶变换计算出幅度谱和相位谱，包括以下步骤：

对于一定采样时间信号做傅立叶变换，公式如下：

欧拉公式：

e^-jωt＝cos(ωt)-jsin(ωt)   (4)

将公式(4)带入公式(3)得：

令：

将公式(6)、(7)带入公式(5)得：

F(ω)＝a-b·j   (8)

幅度值为：

相位值：

不同时刻之间的相位差：

θ_dif＝θ_t2-θ_t1   (11)。

进一步优化技术方案，将cos(ωt)和sin(ωt)变成方波信号，对整体算法结构进行优化。

轨道电路特征信号的用途，将所述的轨道电路特征信号的相位调制方法中的特征信号在相邻区段分别排布，针对不同区段采用不同的调制相位，在轨道电路系统绝缘破损检查中使用。

进一步优化技术方案，包括以下步骤：

将调相信号设计为4种信息特征，分别为+28°、-28°、+56°、-56°，将4种信息特征两两相邻；

相邻两个区段扼流中心点连接，单线破损后，邻区段信号混入本区段；

通过检测是否有驻波，判断相邻轨道是否发生短路。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明利用轨道侧传输信道属于“线性非时变系统”这一特性，将电源信号传输部分设置为单一轨道侧传输信道，通过单一轨道侧传输信道传输调制信号，信号特征受信道影响相对固定，传输的信息不变，因此免除了集中调相等措施。

本发明采用相位调制技术产生4种相位信息特征的信号，该调制方法去除了局部信号的传输，只保留轨道侧单一传输信道并且无需调整理想相位角，进一步提高抗不平衡牵引电流能力，避免了相位调整、极性交叉、阻抗失配等难题。

本发明将特征信号在相邻区段分别排布，针对不同区段采用不同的调制相位，在轨道电路系统绝缘破损检查中使用，实现绝缘破损防护功能。

本发明的解调算法有以下优点：

采用方波代替正弦波进行解调，计算速度快。

相位曲线呈现单向阶梯状，与轨道信号的调制相位相符。

相位差曲线平稳，与轨道信号的调制相位在固定时间间隔的差相符，判定简单。

附图说明

图1为本发明轨道电路特征信号的相位调制方法的流程图；

图2为本发明信号相位跳变示意图；

图3为本发明轨道电路特征信号的解调算法的结构图；

图4为本发明轨道电路特征信号的解调算法优化后的结构图；

图5为本发明轨道电路特征信号的解调算法实际解调结果图；

图6为本发明轨道电路系统绝缘破损示意图；

图7为本发明在进行绝缘破损检查时低频振荡波形图；

图8为本发明受随机噪声干扰解调后的波形图；

图9为本发明受工频干扰解调后的波形图；

图10为本发明受电码化干扰解调后的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

轨道电路特征信号的相位调制方法，包括以下步骤：

利用轨道侧传输信道属于“线性非时变系统”这一特性，将电源信号传输部分设置为单一轨道侧传输信道，通过单一轨道侧传输信道传输调制信号(轨道电源信号)。信号特征受信道影响相对固定，传输的信息不变，因此免除了集中调相等措施。

本发明采用相位调整的方式对轨道电源信号进行调制，即轨道电源信号在一定时间后相位进行跳变，增加或减少固定值。

送电端信号经过传输后，除幅度发生改变以外，对于相位均产生附加相移，但是相对时刻的相位差不变。针对不同区段，可以采用不同的调制相位，做为相邻区段绝缘破损防护。受电端解调出轨道信号的幅度和相位差，无需调整相位角。

该相位调制信号可表述为如下公式：

轨道电源信号的公式为：

g(t)＝A×cos(2×π×f×t+θ)   (1)

式中：A为信号幅度；

f为信号频率；

t为时间；

θ为相位。

相位的公式为：

式中：θ'为跳变前相位值；

为相位跳变值；

t为时间；

k为周期个数，取值为10；

T为周期，是f的倒数。

通过改变不同的相位跳变值，产生出多种特征信号。

该调制方法去除了局部信号的传输，只保留轨道侧单一传输信道并且无需调整理想相位角，进一步提高抗不平衡牵引电流能力，避免了相位调整、极性交叉、阻抗失配等难题。

现有的局部电源信号和轨道电源信号采用轨道和局部两个信道分别传输的方式，并且局部电源信号相位超前轨道电源信号相位90°，其中轨道电源信号通过耦合设备传输到钢轨上经过一段距离后再经过耦合设备传输到二元二位继电器的轨道侧线圈，另外的局部电源信号直接通过电缆在室内传输到二元二位继电器的局部侧线圈，二元二位继电器只有在局部相位超前轨道相位90°并且轨道侧线圈电压大于15V才会可靠吸起。而轨道侧电源信号由于传输了很长的距离，所以难免会受到了信道的变化的影响，而局部电源信号传输非常短，基本无变化，这样很难保持局部电源信号相位超前轨道电源信号相位90°这一特征，另外由于原轨道电路设计为一个电源驱动多个轨道电路，很难做的把所有轨道电路都调整的非常理想。而本发明只保留轨道侧单一传输通道采取的做法是去除了局部电源及其传输通道，转而把轨道电源信号进行了相位调制(具体调制方式见公式(1)和公式(2))，这样就使其带有了特征信息，通过耦合设备传输到钢轨上经过一段距离后再经过耦合设备传输到接收设备后进行解调，解调后其相位差保持不变，接收设备判断相位差是否合格和电压值大于一定值这两个条件都满足的情况下才会驱动二元二位继电器吸起。

本发明设计相位调制信号为4种。

表1 4种信号模式

轨道电路特征信号的用途，将特征信号在相邻区段分别排布，针对不同区段采用不同的调制相位，在轨道电路系统绝缘破损检查中使用，实现绝缘破损防护功能。

该用途具体包括以下步骤：

将调相信号设计为4种信息特征，分别为+28°、-28°、+56°、-56°，将4种信息特征两两相邻。

轨道电路系统绝缘破损示意图如图6所示：相邻两个区段扼流中心点连接，单线破损后，邻区段信号混入本区段，为保证安全接收器在空闲调制状态下，需要在一定时间内检测出绝缘破损情况的发生。

绝缘破损后信号矢量相加，幅度曲线出现低频驻波振荡，如图7所示，特征明显。对此特征予以提取，实现破损检查。

经过理论计算和仿真验证，绝缘破损后驻波周期如表2所示：

各轨道上的调相信号是固定的。

通过检测是否有驻波，即可判断相邻轨道是否发生短路，如果有驻波，根据驻波周期判断哪两个相邻的轨道发生短路。

表2驻波周期

轨道电路是利用钢轨传输信号并通过在接收端正确解调信号的特征来判决轨道是否有列车占用还是处于空闲状态，所以快速正确的解调算法是实现轨道电路系统的重要技术点。

本实施例还公开了轨道电路特征信号的解调算法，解调算法用于使得受电端正确解调特征信号的特征，来判决轨道是否有列车占用，是否处于空闲状态。

解调算法可解调出信号的正确幅度和相位差，是利用傅立叶变换计算出幅度谱和相位谱。由于已知信号的频率，所以不需要计算出所有频率的变换，只对25Hz频率(赋予相位跳变特征的轨道电源信号)做变换即可，这样可以大大减少计算量，使接收满足时间响应要求。

算法的设计和优化如下：

对于一定采样时间信号做傅立叶变换，公式如下：

欧拉公式：

e^-jωt＝cos(ωt)-jsin(ωt)   (4)

将公式(4)带入公式(3)得：

令：

将公式(6)、(7)带入公式(5)得：

F(ω)＝a-b·j   (8)

幅度值为：

相位值：

由此可以看出，只需计算出a和b即可计算出幅度和相位，进而计算出不同时刻之间的相位差：

θ_dif＝θ_t2-θ_t1   (11)。

整体算法结构如下图3所示：

为了计算简便，把cos(ωt)和sin(ωt)变成方波信号，这样可以进一步简化程序和资源。离散后整体算法结构优化如图4所示：

实际解调计算举例：

采样10s时间进行计算。轨道信号为-28度调相，幅度大小为1.5V。解调结果如图5所示。

本发明的解调算法有以下优点：

采用方波代替正弦波进行解调，计算速度快。

相位曲线呈现单向阶梯状，与轨道信号的调制相位相符。

相位差曲线平稳，与轨道信号的调制相位在固定时间间隔的差相符，判定简单。

由于轨道电路传输采用钢轨传输，钢轨中还传输其它信号，如电码化信号和机车电流，所以轨道电路能够有一定抗干扰的能力。

1、结合图8所示，随机噪声干扰，信噪比1：1，可以正常解调。

2、结合图9所示，在信干比1：3的50Hz工频干扰下可以正常解调，该干扰为工频干扰。

3、结合图10所示，在信干比1：3的2000移频干扰下可以正常解调，该干扰为电码化干扰。

在图至图中，每幅图中的最上边一个图形为采集的原始图形；下边两个是解调出来的带特征信号图形。

Claims (7)

1.轨道电路特征信号的相位调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将电源信号传输部分设置为单一轨道侧传输信道，通过单一轨道侧传输信道传输轨道电源信号；

采用相位调整的方式对轨道电源信号进行调制：轨道电源信号在一定时间后相位进行跳变，通过改变不同的相位跳变值，产生出多种特征信号。

2.根据权利要求1所述的轨道电路特征信号的相位调制方法，其特征在于，所述轨道电源信号的公式为：

g(t)＝A×cos(2×π×f×t+θ)(1)

式中：A为信号幅度；f为信号频率；t为时间；θ为相位；

所述相位的公式为：

式中：θ'为跳变前相位值；

为相位跳变值；t为时间；k为周期个数；T为周期，是f的倒数。

3.一种轨道电路特征信号的解调方法，其特征在于，所述轨道电路特征信号按照权利要求1或2所述的相位调制方法所产生；所述解调方法用于使得受电端正确解调所接收的轨道电路特征信号，来判决轨道是否有列车占用。

4.根据权利要求3所述的一种轨道电路特征信号的解调方法，其特征在于，所述解调方法是利用傅立叶变换计算出幅度谱和相位谱，包括以下步骤：

对于一定采样时间信号做傅立叶变换，公式如下：

欧拉公式：

e^-jωt＝cos(ωt)-jsin(ωt)(4)

将公式(4)带入公式(3)得：

令：

将公式(6)、(7)带入公式(5)得：

F(ω)＝a-b·j(8)

幅度值为：

相位值：

不同时刻之间的相位差：

θ_dif＝θ_t2-θ_t1(11)。

5.根据权利要求4所述的一种轨道电路特征信号的解调方法，其特征在于，将cos(ωt)和sin(ωt)变成方波信号，对整体算法结构进行优化。

6.一种轨道电路特征信号的应用，其特征在于，将按照权利要求1或2所述的相位调制方法所产生的轨道电路特征信号在相邻区段分别排布，针对不同区段采用不同的调制相位，在轨道电路系统绝缘破损检查中使用。

7.根据权利要求6所述的一种轨道电路特征信号的应用，其特征在于，包括以下步骤：

将调相信号设计为4种信息特征，分别为+28°、-28°、+56°、-56°，将4种信息特征两两相邻；

相邻两个区段扼流中心点连接，单线破损后，邻区段信号混入本区段；

通过检测是否有驻波，判断相邻轨道是否发生短路。

Images