KR101205927B1 - 궤도 회로 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래의 AF 궤도 회로 및 HVI 궤도 회로의 시험 및 측정기가 갖는 문제를 해소할 수 있는 궤도 회로 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치는, 궤도 회로의 변조된 송신 신호를 수신하는 수신 수단; 상기 수신 수단을 통해 수신된 궤도 회로 신호의 USB 주파수와 LSB 주파수를 구분 검출하여 분석하고, USB와 LSB 주파수 각각의 크기를 분석하는 분석 수단; 및 상기 분석 수단에 의해 분석된 결과를 출력하는 출력 수단을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도 회로 측정 방법은, 궤도 회로의 변조된 송신 신호를 수신하는 수신 단계; 상기 수신 수단을 통해 수신된 궤도 회로 신호의 USB 주파수와 LSB 주파수를 구분 검출하여 분석하고, USB와 LSB 주파수 각각의 크기를 분석하는 분석 단계; 및 상기 분석 단계에 의해 분석된 결과를 출력하는 출력 단계를 포함한다.

Description

궤도 회로 측정 장치 및 방법{TRACK CIRCUIT TEST DEVICE AND METHOD FOR TESTING TRACK CIRCUIT}
본 발명은 궤도 회로의 신호를 측정할 수 있는 궤도 회로 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
궤도 회로는 레일을 신호 전류가 흐르는 회로의 일부로 사용하여 열차의 차축에 의해 레일 사이가 단락됨에 따라 열차의 유무를 판단하여 신호기, 선로 전환기, 연동 장치, 기타의 신호 기기를 직접 또는 간접적으로 제어할 목적으로 설치된 궤도를 이용한 전기 회로이다.
현재 대표적인 궤도회로로서, 간선 철도 및 역 구내에, 유절연 방식의 고전압 임펄스(High Voltage Impulse; "HVI") 궤도 회로가 널리 사용되고 있다. HVI 궤도 회로는 임펄스 전압 400~600[V], 3[Hz]의 특수 파형을 이용하여 일정 구간의 위치에 열차의 유무를 감지하는 설비이다.
HVI 궤도회로는 기계실에 전압안정기, 송신기, 수신기 및 궤도계전기가 설치되어 있다. 또한 현장에는 송수신 임피던스 본드로 구성된다. 전차선에 흐르는 귀선전류는 변전소까지 회로가 구성되어 있고, 신호전류는 1개의 궤도회로에만 전류가 흐르도록 되어 있다, 전차선 귀선전류는 코일의 반반씩 반대방향으로 흐르므로 철심이 자화되지 않도록 되어 있는 구조이다. 오랜 기간 사용된 고전압 임펄스(HVI)궤도회로의 전압, 전류 및 임피던스 등의 일반적인 사항은 기존 측정 장비인 인터그레이터가 첨부된 멀티테스터로 측정이 가능하다. 그러나, 주파수 3[㎐]의 측정은 어려운 실정이다. 현재까지 주파수의 측정 및 전압의 직접 측정은 불가능하고, 전압 임펄스의 파고 값 크기만을 인터그레이터가 첨부된 멀티테스터로 측정하고 있는 실정이다.
일반적인 멀티테스터는 정현파의 실효값을 측정하는 원리이므로 인터그레이터가 첨부되지 않는 경우는 불가능하다. 또한 인터그레이터의 원리는 콘덴서의 충전원리를 적용한 것이므로 수치가 정확하지 않아 대략적인 값만을 알 수 있다. 그리고, 고압의 충방전을 반복함으로 인하여 수명이 짧다는 단점이 있다. 꼭 측정할 필요가 있을 경우 기계실의 제어반에서 저압 상태인 오실로스코프로 측정해야만 가능하다.
HVI 궤도 회로의 송신부는 R ㅇC 충방전 회로의 동작에 의해 일정 간격(180펄스/분ㅁ5[%])으로 정펄스와 부펄스의 비가 3:1 이상이 되는 비대칭 파형의 임펄스를 임피던스 본드를 통해서 궤도로 송신한다. 신호 전류(3[Hz])는 임피던스 본드에서 차단하여 독립된 궤도 회로를 구성하는 방식으로서 고전압 임펄스를 사용하므로 전압 강하가 적고 1개 궤도 회로의 소비 전력이 50~60[VA] 정도이다. 도 1은 HVI 궤도 회로의 구성을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, HVI 궤도 회로는, 송신기, 수신기, 임피던스 본드(송신, 수신단), 궤도 계전기를 포함하여 구성된다.
다른 궤도 회로로서는, 최근 사용이 증대되고 있는 무절연 오디오 주파수(Audio Frequency; "AF") 궤도 회로가 있다. AF 궤도 회로는 신호 전류에 가청 주파수를 변조기로 변조하여 송신하고 수신측에서 변조된 주파수 중 선택 증폭기로 해당 주파수를 증폭한 후에 정류하여 궤도 계전기를 동작시키는 방식이다. 이러한 AF 궤도 회로는 설치나 기능 측면에서 매우 유리하다.
AF 궤도 회로는 16~20,000[Hz]의 가청 주파수 철도 신호 전류를 레일에 흘려 궤도 회로를 구성한 것으로, 차상 신호용으로 사용하기에 가장 적합하다. 도 2는 AF 궤도 회로의 구성을 나타낸다. AF 궤도 회로 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 전원부, 송신부, 튜닝부, 수신부, 감시부를 포함하여 구성된다. 도 2에서, AT는 A 궤도 회로, BT는 B 궤도 회로, MT는 정합 변성기, TR은 궤도 계전기를 나타내다.
대부분의 AF 궤도 회로는 무절연 방식이며, 송신기의 동작은 멀티바이브레이터에서 4.8[Hz]의 구형파를 발진하면, 발진기가 공칭 주파수의 ㅁ17[Hz]의 주파수를 발진하여 변조기를 통해 주파수 시프트 키잉(Frequency Shift Keying; FSK) 변조 파형이 증폭기를 통해 매칭 트랜스와 필터 및 TU를 통하여 궤도에 송신된다. 수신기는, 궤도 회로를 통하여 전달된 신호를 TU를 통해서 그리고 입력 트랜스를 거쳐서 공칭 주파수의 ㅁ17[Hz]의 주파수가 각각 필터와 증폭기 그리고 필터를 거쳐 복조를 통해 논리곱 게이트(AND gate)를 통해 궤도 계전기에 전달하도록 동작한다. 궤도 계전기는 동작 전류가 목표치 이상인 경우에 동작한다.
HVI 궤도 회로 및 AF 궤도 회로의 시험 및 측정기의 중요성은 더욱 부각되고 있다. 현재 HVI 궤도 회로에는 인터그레이터를 멀티테스터에 첨부한 것이 주로 사용되고 AF 궤도 회로에는 TTM(TI21 Test Meter)가 주로 사용되고 있다.
그런데, AF 궤도 회로 및 HVI 궤도 회로의 시험 및 측정기에는 하기와 같은 문제점이 있다.
도 3은, A타입 TI21 교번 주파수 파형을 표현한 것으로 4.8[Hz]로 교번됨을 나타낸다. 수신부에서 USB 및 LSB 주파수가 복조를 거쳐 논리곱 게이트를 통하였을 때, 궤도계전기가 동작한다. 그러나 송신기 측의 고장으로 인하여 LSB나 USB 중에서 한 쪽만 전달될 경우, 궤도계전기가 무여자 되어 열차가 점유된 상태로 되는 문제점이 발생한다. 현재 사용되고 있는 TTM에서는 LSB와 USB의 신호출력을 분리하여 전압, 신호전류를 명확하게 측정 할 수 없다. 따라서 송신기 측의 고장이 발생하여도 정상적인 동작으로 측정이 되어 고장 유무를 파악하기가 어렵다.
현장 엔지니어는 측정값을 예측하여 레인지를 선택한 후 측정해야 한다. 그러나 자동조절 방식에 익숙한 엔지니어가 레인지의 선택을 잘못하여 고가의 TTM장비가 손상되거나 부정확한 측정값을 얻을 수 있는 문제점이 있다.
또한, 기존 AF궤도회로 측정장비(TTM)에 있어서, 수신기 측 측정구간에 주파수를 측정할 경우, 수신되는 최대 송신기 값을 확인할 수 있는 방법이 없다. 수신기는 주파수의 수신 값에 의하여 동작하며, 철도신호의 특성상 안전 측으로 동작하도록 되어 있다. 간섭 등의 문제가 발생할 경우 이를 해소시켜야만 정상적인 상태의 동작이 되도록 설계되어 있다. 그러므로 송신기 및 인접선로의 주파수 간섭에 의하여 이상이 발생할 경우 이를 해소하기위한 방법이 필요하다.
도 4는 인접 궤도회로 송신기 및 노이즈에 의한 간섭을 나타내는 것이다.
주파수 간섭의 요인은 다음과 같다. 첫째 도 4와 같이 전단 송신기 및 측선의 송신기 값이 수신기로 들어올 경우이고, 둘째 차량 등이 지나갈 경우 이상 노이즈를 발생시켜 문제를 발생시킬 수 있는 간헐적인 경우이며 셋째 기타 외부노이즈에 의한 파형이 입력될 경우이고, 넷째 임피던스본드의 이상으로 다음단의 송신기 파형이 입력될 경우 등이다. 이와 같은 경우들이 발생할 때는 측정을 통하여 문제점을 해결할 수 있는 기능이 필요하며, 현재 장비로는 임피던스본드의 이상상태와 올바른 동작을 측정할 방법이 없는 실정이다.
종래의 HVI 궤도 회로 측정기의 문제는 다음과 같다.
HVI 궤도 회로는, 기계실에 전압 안정기, 송신기, 수신기 및 궤도 계전기가 설치되고, 현장에는 송수신 임피던스 본드가 설치되어 있다. 전차선에 흐르는 귀선 전류는 변전소까지 회로가 구성되어 있고, 신호 전류는 1개의 궤도 회로에만 흐른다. 전차선 귀선 전류는 코일의 반반씩 반대방향으로 흐르므로 임피던스 본더의 철심이 자화되지 않도록 되어 있다. 고전압 HVI 궤도 회로의 전압, 전류, 임피던스 등은 인터그레이터가 첨부된 멀티테스터로 측정할 수 있다. 그러나, 주파수 3[Hz]의 주파수 측정은 곤란하다. 일반적인 멀티테스터는 정현파의 실효값을 측정하는 원리이므로 인터그레이터가 첨부되지 않은 경우는 측정이 불가능하다. 또한, 인터그레이터는 콘덴서의 충전 원리를 이용한 것이므로 수치가 정확하지 않아 대략적인 값만을 알 수 있다. 그리고, 고압의 충방전을 반복하므로 그 수명이 짧다는 단점이 있다. 꼭 측정할 필요가 있는 경우에는 기계실의 제어반에서 저압 상태인 오실로스코프로 측정해야만 하는 문제가 있다.
본 발명은, 상기한 종래의 AF 궤도 회로 및 HVI 궤도 회로의 시험 및 측정기가 갖는 문제를 해소할 수 있는 궤도 회로 측정 장치 및 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치는, 궤도 회로의 변조된 송신 신호를 수신하는 수신 수단; 상기 수신 수단을 통해 수신된 궤도 회로 신호의 상위 신호 대역(Upper Signal Band; "USB") 주파수와 하위 신호 대역(Lower Signal Band; "LSB") 주파수를 구분 검출하여 분석하고, USB와 LSB 주파수 각각의 크기를 분석하는 분석 수단; 및 상기 분석 수단에 의해 분석된 결과를 출력하는 출력 수단을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치에 있어서, 상기 수신 수단을 통해 수신된 궤도 회로 신호는 주파수 시프트 키잉(Frequency Shift Keying; FSK) 방식의 신호일 수 있고, 상기 분석 수단은, 상기 수신된 궤도 회로 신호의 교류 전압을 RMS(Root Mean Square) 값으로 계산한 후 제로-크로싱(Zero-Crossing) 방식에 기반하여 양 대 음(Positive-to-Negative)과 음 대 양(Negative-to-Positive)간의 구간값을 평균하여 주파수를 계산할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치에 있어서, 상기 분석 수단은, 상기 제로-크로싱 횟수의 변화 및 변화된 시간을 통해 변조 주파수 크기를 계측하고, 제로-크로싱 시간을 통해 USB 주파수와 LSB 주파수를 계측할 수 있다.
또, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치에 있어서, 상기 분석 수단은, 신호원을 설정 주기만큼 누적 계측하여, 레퍼런스 주파수 대비 계측 주파수 오차를 또한 분석할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치에 있어서, 상기 수신 수단에는 주변 선로에서 유입되는 노이즈를 제거하기 위한 대역 통과 필터(Band Pass Filter), 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터, 또는 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터 중 적어도 하나 이상이 포함될 수 있다.
또, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치에 있어서, 상기 분석 수단은, 상기 FIR 필터의 한 종류인 블랙맨 윈도우(Blackman Window)를 이용하여, 상기 수신된 궤도 신호의 USB 주파수와 LSB 주파수의 각각의 주파수별 크기를 검출하고, 이러한 검출 결과에 기반하여 궤도상의 열차 유무를 판별할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 궤도 회로 측정 방법은, 궤도 회로의 변조된 송신 신호를 수신하는 수신 단계; 상기 수신 수단을 통해 수신된 궤도 회로 신호의 USB 주파수와 LSB 주파수를 구분 검출하여 분석하고, USB와 LSB 주파수 각각의 크기를 분석하는 분석 단계; 및 상기 분석 단계에 의해 분석된 결과를 출력하는 출력 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 본 발명의 다른 실시예에 따른 궤도 회로 측정 방법에 있어서, 상기 수신 단계에서 수신된 궤도 회로 신호는 FSK 방식의 신호일 수 있고, 상기 분석 단계에서는, 상기 수신된 궤도 회로 신호의 교류 전압을 RMS 값으로 계산한 후 제로-크로싱 방식에 기반하여 양 대 음과 음 대 양간의 구간값을 평균하여 주파수를 계산할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 다른 실시예에 따른 궤도 회로 측정 방법에 있어서, 상기 분석 단계에서는, 상기 제로-크로싱 횟수의 변화 및 변화된 시간을 통해 변조 주파수 크기를 계측하고, 제로-크로싱 시간을 통해 USB 주파수와 LSB 주파수를 계측할 수 있다.
또, 상기 본 발명의 다른 실시예에 따른 궤도 회로 측정 방법에 있어서, 상기 분석 단계에서는, 신호원을 설정 주기만큼 누적 계측하여, 레퍼런스 주파수 대비 계측 주파수 오차를 또한 분석할 수 있다.
또, 상기 본 발명의 다른 실시예에 따른 궤도 회로 측정 방법에 있어서, 상기 분석 단계에서는, FIR 필터의 한 종류인 블랙맨 윈도우를 이용하여, 상기 수신된 궤도 신호의 USB 주파수와 LSB 주파수의 각각의 주파수별 크기를 검출할 수 있다.
상기 본 발명의 다른 실시예에 따른 궤도 회로 측정 방법에 있어서, 상기 분석 단계에서는, 상기 검출된 USB 주파수와 LSB 주파수의 각각의 주파수별 크기에 기반하여 궤도상의 열차 유무를 판별할 수 있다.
본 발명은, AF 궤도 회로의 공칭 주파수의 +17[Hz]의 주파수인 USB 주파수와 공칭 주파수의 -17[Hz]의 주파수인 LSB를 각각 분리하여 측정할 수 있다. 또한, 본 발명은, AF 궤도 회로의 주파수 진단 기능인 주파수 변위를 발견할 수 있다.
또한, 본 발명은 측정점에서 가장 큰 입력 값을 가지는 주파수를 측정할 수 있는 스캔 기능을 구현할 수 있다. 또, 높은 임펄스 전압이 인가되므로 정확도는 낮추는 대신 임펄스 파형에 대한 충격에 대한 내구성을 높이도록 설계할 수 있다.
또, 엔지니어가 수동 Range를 선택하는 실수로 부정확한 지시값을 읽거나 기기의 손상을 가져올 수 있는 문제를 해결하도록 Auto-Range 기능을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 HVI 궤도 회로와 AF 궤도 회로의 양쪽에서 사용할 수 있는 복합 기능의 휴대용으로 구현할 수 있다.
도 1은 HVI 궤도 회로의 구성을 도시하는 개략적인 구성도이다.
도 2는 AF 궤도 회로 장치의 구성을 도시하는 개략적인 구성도이다.
도 3은 TI21의 A형 주파수의 파형을 나타내는 도면이다.
도 4는 인접 궤도회로 송신기 및 노이즈에 의한 간섭을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 궤도 회로 측정 방법의 개략적인 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치의 개략적인 블록 구성도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 궤도 회로 측정 장치는, TU(Tuning Unit : 10), 입력 트랜스(20), 대역 통과 필터(30), 증폭기(40), 저역 통과 필터(50), 디지털 신호 처리기(60), 출력부(70), 복조부(100)를 포함하여 구성된다.
상기 TU(10) 및 상기 입력 트랜스(20)는 송신부에서 발생하는 FSK 파형의 송신 궤도 회로 신호를 수신하고, 상기 대역 통과 필터(30)(Band Pass Filter; "BPF")는 상기 TU(10) 및 상기 입력 트랜스(20)를 통해 수신된 FSK 파형의 궤도 회로 신호에서 주변선로에서 유입되는 노이즈를 제거한다.
상기 증폭기(40)는 궤도 회로 신호의 감쇄된 FSK 파형을 신호처리를 위해 신호 증폭을 하고, 상기 저역 통과 필터(50)(Low Pass Filter); "LPF")는 상기 증폭기(40)에 의한 신호 증폭 과정에서 신호 잡음을 제거한다.
상기 디지털 신호 처리기(60)(Digital Signal Processor; "DSP")는 USB 또는 LSB의 편신호 오류 및 주파수 대역별 신호크기를 분석하기 위한 DSP회로를 거쳐 출력부(70)를 통해 분석결과를 출력한다.
여기서, 상기 디지털 신호 처리기(60)에는 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터와 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터가 포함된다.
상기 디지털 신호 처리기(60)는, IIR 필터 및 FIR 필터를 이용하여 변조 주파수 및 주파수 대비 크기 성분을 검출한다. 정확한 주파수 검출을 위해 변조된 FSK 신호의 제로-크로싱(Zero-Crossing) 검출을 통한 주파수 분석 실시하여 신호원 별 주파수 및 변조 주파수를 검출한다.
(적용된 IIR 필터의 특징 및 알고리즘)
적용된 IIR 필터를 이용한 주파수 측정은 주로 주파수 송신측에서 측정하며, 송신기의 이상 유무를 판단하기 위함이다. 이 경우 출력이 상대적으로 깨끗하며, 약간의 파형 왜곡은 있으나 잡음은 적은 편이다. 따라서, FIR 필터보다 차수가 적은 고속 연산에 유리하여 적용하였다. C28X Filter Library(SPRC082)에 포함된 Matlab용 프로그램인 "eziir32.m"을 사용하여 필터를 설계하였다. 다음이 표 1은 상기 필터의 특성을 나타내었다.
[표 1]
Figure 112011033249973-pat00001
상기 표 1에 있어서, 샘플링 주파수(Sampling Frequency)의 경우 과다하게 적용되면 신호처리 프로세서에 너무 부담이 된다. 또한, 연속 계산 시 시간 초과가 되어 데이터 손실이 발생된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 측정하고자 하는 주파수가 최대 2600[Hz]이므로 최대 주파수의 8배에 해당하는 20[kHz]를 적용하였다. 적당한 샘플링 주파수를 적용한 이유는 디지털 신호 처리기(60)에서 소비되는 계산 시간을 줄이기 위한 이유도 포함된다.
상기 복조부(100)는, 송신측에서 변조된 공칭 주파수의 ㅁ17[Hz]의 FSK 파형의 궤도 회로 신호를 그 원래의 신호로 복조한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 궤도 회로 측정 방법의 개략적인 블록 구성도이다.
도 6을 참조하여 보면, 본 발명은, TU(10) 및 입력 트랜스(20)가 송신측에서 발생하는 FSK 파형의 송신 궤도 회로 신호를 수신한다(S10).
그리고, 대역 통과 필터(30)가 상기 TU(10) 및 상기 입력 트랜스(20)를 통해 수신된 FSK 파형의 궤도 회로 신호에서 주변선로에서 유입되는 노이즈를 제거하고, 상기 증폭기(40)가 궤도 회로 신호의 감쇄된 FSK 파형을 신호처리를 위해 신호 증폭을 하며, 상기 저역 통과 필터(50)가 상기 증폭기(40)에 의한 신호 증폭 과정에서 신호 잡음을 제거한다(S20).
상기 노이즈 제거 및 증폭된 궤도 회로 신호는 아날로그-디지털(Analog to Digital; "A/D") 변환 과정을 거쳐(S30), 디지털 신호 처리기(60)를 통해, 주파수의 오차 계측(S40), FSK 변조 주파수의 계측(S50) 및 열차 점유 판단(S60)을 거치게 된다.
구체적으로는, 상기 주파수의 오차 계측 단계(S40)에 있어서, FSK 파형을 협대역 통과(Narrow Band Pass) 필터를 사용하여 노이즈가 제거된 대역 신호만을 계측한다. AC 전압을 RMS값으로 계산한 후 제로-크로싱 방식에 따라 양 대 음(Positive-to-Negative; 이하, "PtoN")과 음 대 양(Negative-to-Positive; 이하, "NtoP")간의 구간값을 평균하여 주파수를 계산한다.
이러한 과정을 통해 본 발명의 궤도 신호 측정 장치 및 방법을 통해 편신호에 대한 주파수 분석 및 전압별 크기를 계측할 수 있다.
또한, 레퍼런스 주파수 대비 계측 주파수 오차를 검출할 수 있는데, FSK 파형 검출 시 단순 제로-크로싱 방식으로는 아날로그-디지털 변환 과정에서 샘플링한 주파수 20[kHz]로 2600[Hz]까지의 레퍼런스 주파수 오차를 측정하기는 불가능하다. 이에 대한 예시는 다음과 같다.
Pt = Pt구간의 시간
Nt = Nt구간의 시간
주파수 = 1/ Pt + 1/ Nt
샘플링 주파수에 따른 최소 검출 샘플링 시간 = 1/20[kHz] = 50[μs]
아래와 같이 레퍼런스 주파수 구간이 2600[Hz]일 경우 한주기에 대한 시간은 384.62[μs] 이다. 이에 계측에 따른 신호 레퍼런스가 2601[Hz]일 때 샘플링 시간은 384.47[μs]이다. 이에 따른 레퍼런스 오차를 검출하기 위해서는 2600[Hz] - 2601[Hz] 간의 384.62[μs] - 384.47[μs] = 0.15[μs] 보다 샘플링 시간이 짧아야 한다. 하지만 본 발명의 실시예에서는 샘플링 시간이 50[μs]이기 때문에 신호원을 한 주기씩 계측하여 오차를 계측하는 것은 불가능하다.
이를 해결하기 위하여 계측된 신호원을 5000주기로 누적하여 계측하였다. 이렇게 계측된 신호원의 레퍼런스가 2601[Hz]일 경우, 기준 레퍼런스인 2600[Hz]와 샘플링 시간 오차는 750[μs]가 된다. 이럴 경우 설정된 샘플링 시간보다 크기 때문에 오차에 대한 계측이 가능해진다.
상기 FSK 변조 주파수의 계측 단계(S50)에 있어서, AF궤도회로의 FSK 궤도 신호는 레퍼런스 주파수에 저주파 -17[Hz]와 고주파 +17[Hz]에 의한 4.8[Hz]로 변조가 이루어진다.
변조 주파수에 대한 이상을 검출하기 위하여 제안된 알고리즘은 한 주기 내에 제로-크로싱점을 검출하여 USB 및 LSB 신호에 대한 주파수 분석과 변조 주파수의 분석이 가능하다. 이에 대한 예시는 다음과 같다.
철도 내에 AF 궤도회로의 최대 변조 폭은 1～10[Hz]이다. 따라서 가장 가혹한 조건인 10[Hz]의 변조를 기준으로 할 때, 50[ms]동안은 주파수 변이가 없는 시간임을 알 수 있다. 다시 표현한다면 변조의 한주기는 저주파와 고주파의 파형으로 구성되어져 있고, 한주기에 대한 시간은 100[ms]이다. 이로써 반주기에 해당하는 50[ms]동안은 주파수에 대한 변이가 없다.
이를 착안하여 제로-크로싱의 횟수가 변하는 구간을 검출 한 다음 USB 신호 및 LSB 신호에 대한 편신호 주파수 분석이 가능해 진다. 또한 한주기내의 변조주파수 분석이 가능하다. 이에 대한 예시는 다음과 같다.
최대 무 변조 간격 : 100[ms] / 2 = 50[ms]
50[ms] 간격으로 측정 시, 반드시 저 주파수 상태이거나 고 주파수 상태만 있는 무 변조 구간을 1회 이상 얻을 수 있다.
즉, 아래와 같이 제로-크로싱 횟수 및 시간을 검출 하여 USB 주파수 및 LSB 주파수를 분석 할 수 있다. 제로-크로싱 변화점을 계측하여 변조 주파수 또한 분석 될 수 있다.
50[ms]내의 제로-크로싱 횟수 및 시간:
USB Frequency : 1549[Hz] + 17[Hz] = 1566[Hz]
LSB Frequency : 1549[Hz] - 17[Hz] = 1532[Hz]
USB 구간의 한주기 시간 : 638.6[μs]
USB 제로-크로싱 총 검출 횟수 : 1566[Hz] * 50[ms] = 78.3번
LSB 구간의 한주기 시간: 652.7[μs]
LSB 제로-크로싱 총 검출 횟수: 1532[Hz] * 50[ms] = 76.6번
위에서 예시된 제로-크로싱 횟수의 변화 및 변화된 시간을 통한 변조 주파수 크기를 계측하고, 제로-크로싱 시간을 통한 USB 및 LSB 신호의 주파수를 계측 할 수 있다.
위와 같이 IIR 필터를 통한 LSB 및 USB 신호에 대한 주파수 계측 및 변조 주파수의 계측에 대한 알고리즘을 본 발명에서는 제안 하였다.
상기 열차 점유 판단 단계(S60)에 있어서, AF궤도회로의 FSK 궤도신호를 FIR필터를 이용하여 궤도상의 열차 점유 유무를 판단할 수 있다. FIR필터의 한 종류인 블랙맨 윈도우(Blackman Window)를 이용하면 변조된 신호의 USB와 LSB가 가지고 있는 각각의 주파수별 크기를 검출할 수 있다. 이를 통하여 궤도상의 열차 점유 유무를 판단할 수 있다.
상기 디지털 신호 처리기(60)를 통해서 수행된, 주파수의 오차 계측(S40), FSK 변조 주파수의 계측(S50) 및 열차 점유 판단(S60)의 결과는 출력부(70)를 통해 출력된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 송신기 측의 고장으로 인하여 LSB나 USB 중에서 한 쪽만 신호가 송출되는 경우, 궤도계전기가 무여자 되어 열차가 점유된 상태로 되는 문제점을 해결하기 위해, 주파수를 측정(AF)하여 변조상태를 숫자로 확인할 수 있도록 하였다.
또한, 본 발명에 따르면, 측정 장소의 최대값(주파수)을 측정할 수 있도록 설계하였다. 튜닝 유닛은 전기적 동조구역에 의하여 궤도회로를 분리해야 하는데 오류일 경우 전단의 주파수를 소거하지 못할 수 있으며, 측선의 주파수가 들어올 경우 간섭에 따른 문제를 진단할 수 있다. 또한 주변 송신기의 전원을 제거 했을 때 주파수가 측정된다면 노이즈에 의한 문제로 진단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, Auto-Range의 기능을 부가하여 편리성과 사용자의 조작실수로 인한 부정확한 측정 및 기기가 손상되는 일이 없도록 설계할 수 있다.
또한, 도통 시험을 수행할 수 있도록 하여 20[Ω] 미만일 경우 표시하도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명은, 종래의 TTM에 대한 향상된 다음과 같은 기능을 가질 수 있다. 첫째, 변조 주파수를 측정하여 변조상태를 숫자로 확인할 수 있도록 할 수 있다. 둘째, Auto-Range의 기능을 부가하여 사용상 편리하게 할 수 있으며, 사용자의 Range선택 실수로부터 기기를 보호할 수 있도록 할 수 있다. 셋째, 도통시험을 수행할 수 있도록 하여 20[Ω] 미만일 경우 표시하도록 할 수 있다.
본 발명은, 기존의 궤도 회로 특히, HVI 궤도 회로와 AF 궤도 회로의 신호를 주변 선로의 영향 없이, 송신측의 고장으로 인한 USB와 LSB의 편신호를 측정할 수 있는 향상된 궤도 회로 신호의 측정 장치 및 방법을 제공한다.
10: TU(Tuning Unit)
20: 입력 트랜스
30: 대역 통과 필터
40: 증폭기
50: 저역 통과 필터
60: 디지털 신호 처리기
70: 출력부
100: 복조부

Claims (14)

  1. 궤도 회로의 변조된 송신 신호를 수신하는 수신 수단;
    상기 수신 단계을 통해 수신된 궤도 회로 신호의 상위 신호 대역(Upper Signal Band; "USB") 주파수와 하위 신호 대역(Lower Signal Band; "LSB") 주파수를 구분 검출하여 분석하고, USB와 LSB 주파수 각각의 크기를 분석하는 분석 수단; 및
    상기 분석 수단에 의해 분석된 결과를 출력하는 출력 수단을 포함하되;
    상기 수신 단계을 통해 수신된 궤도 회로 신호는 주파수 시프트 키잉(Frequency Shift Keying; FSK) 방식의 신호이고,
    상기 분석 수단은, 상기 수신된 궤도 회로 신호의 교류 전압을 RMS(Root Mean Square) 값으로 계산한 후 제로-크로싱(Zero-Crossing) 방식에 기반하여 양 대 음(Positive-to-Negative)과 음 대 양(Negative-to-Positive)간의 구간값을 평균하여 주파수를 계산하는 궤도 회로 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 분석 수단은 상기 제로-크로싱 횟수의 변화 및 변화된 시간을 통해 변조 주파수 크기를 계측하고, 제로-크로싱 시간을 통해 USB 주파수와 LSB 주파수를 계측하는 궤도 회로 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분석 수단은 신호원을 설정 주기만큼 누적 계측하여, 레퍼런스 주파수 대비 계측 주파수 오차를 또한 분석하는 궤도 회로 측정 장치.
  5. 청구항 1, 3 및 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신 수단에는 주변 선로에서 유입되는 노이즈를 제거하기 위한 대역 통과 필터(Band Pass Filter)가 포함되는 궤도 회로 측정 장치
  6. 청구항 1, 3 및 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분석 수단에는 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터가 포함되는 궤도 회로 측정 장치.
  7. 청구항 1, 3 및 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분석 수단에는 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터가 포함되는 궤도 회로 측정 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 분석 수단은 상기 FIR 필터의 한 종류인 블랙맨 윈도우(Blackman Window)를 이용하여 상기 수신된 궤도 신호의 USB 주파수와 LSB 주파수의 각각의 주파수별 크기를 검출하고, 이러한 검출 결과에 기반하여 궤도상의 열차 유무를 판별하는 궤도 회로 측정 장치.
  9. 궤도 회로의 변조된 송신 신호를 수신하는 수신 단계;
    상기 수신 단계을 통해 수신된 궤도 회로 신호의 USB 주파수와 LSB 주파수를 구분 검출하여 분석하고, USB와 LSB 주파수 각각의 크기를 분석하는 분석 단계; 및
    상기 분석 단계에 의해 분석된 결과를 출력하는 출력 단계를 포함하되;
    상기 수신 단계에서 수신된 궤도 회로 신호는 FSK 방식의 신호이고,
    상기 분석 단계에서는 상기 수신된 궤도 회로 신호의 교류 전압을 RMS 값으로 계산한 후 제로-크로싱 방식에 기반하여 양 대 음과 음 대 양간의 구간값을 평균하여 주파수를 계산하는 궤도 회로 측정 방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 분석 단계에서는 상기 제로-크로싱 횟수의 변화 및 변화된 시간을 통해 변조 주파수 크기를 계측하고, 제로-크로싱 시간을 통해 USB 주파수와 LSB 주파수를 계측하는 궤도 회로 측정 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 분석 단계에서는 신호원을 설정 주기만큼 누적 계측하여 레퍼런스 주파수 대비 계측 주파수 오차를 또한 분석하는 궤도 회로 측정 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 분석 단계에서는 FIR 필터의 한 종류인 블랙맨 윈도우를 이용하여 상기 수신된 궤도 신호의 USB 주파수와 LSB 주파수의 각각의 주파수별 크기를 검출하는 궤도 회로 측정 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 분석 단계에서는 상기 검출된 USB 주파수와 LSB 주파수의 각각의 주파수별 크기에 기반하여 궤도상의 열차 유무를 판별하는 궤도 회로 측정 방법.
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