基于虛擬儀器技術(shù)的軌道信號(hào)參數(shù)測試系統(tǒng)

基于虛擬儀器技術(shù)的軌道信號(hào)參數(shù)測試系統(tǒng)

0時(shí)域測試法軌道和公路是對機(jī)車運(yùn)行的可靠保證，在列車自動(dòng)管理系統(tǒng)中起著非常重要的作用。軌道電路中承載著軌道信號(hào),機(jī)車通過連續(xù)采集軌道信號(hào),來獲得前方區(qū)段是否占用等重要信息。所以,有必要對軌道電路信號(hào)進(jìn)行定期動(dòng)態(tài)測試,保證軌道電路傳輸信號(hào)的可靠性。目前,在國內(nèi)鐵路系統(tǒng)中軌道信號(hào)主要有2種類型:移頻信號(hào)和UM71信號(hào),它們都是相位連續(xù)的FSK信號(hào)。移頻信號(hào)的載頻分別是550Hz,650Hz,750Hz,850Hz;頻偏是55Hz,調(diào)制頻率是7Hz,7.5Hz,8Hz,…,26Hz;UM71信號(hào)的載頻分別1700Hz,2000Hz,2300Hz,2600Hz;頻偏是11Hz,調(diào)制頻率分別是10.3Hz,11.4Hz,12.5Hz,…,29Hz。對軌道信號(hào)的測試方法主要有時(shí)域和頻域2種。時(shí)域測試法原理簡單、易于實(shí)現(xiàn),但抗干擾能力不強(qiáng),測試精度難以提高,無法實(shí)現(xiàn)波形失真度的測試。頻域測試通常采用ZOOMFFT的方法,實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜,計(jì)算量大,對測試系統(tǒng)硬件要求很高,需要采用高速DSP芯片來確保測試的實(shí)時(shí)性。并且,經(jīng)典的FFT譜分析方法,由于受時(shí)域截?cái)嗟挠绊?經(jīng)FFT分析得到的譜線頻率、幅值和相位誤差都很大。從理論上分析,加矩形窗時(shí),單次諧波頻率的最大誤差可達(dá)36.4%。加其他窗函數(shù)時(shí),也不能完全消除此影響,在加Hanning窗時(shí),最大幅值誤差達(dá)15.3%,相位誤差達(dá)90°。針對傳統(tǒng)FFT測試方法的缺點(diǎn),本次提出了一種譜線細(xì)化算法,以較少的計(jì)算量,實(shí)現(xiàn)了較高的頻率和幅值測試精度,保證了測試的實(shí)時(shí)性;軟硬件開發(fā)采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù),增加了測試系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。1基于光譜校正的fsk信號(hào)翻譯方法1.1相對穩(wěn)定約束條件的校正在信號(hào)處理過程中,經(jīng)常用到信號(hào)的采樣和加窗處理,這就不可避免地造成了能量泄漏和信號(hào)頻率參數(shù)的飄移。為了減小能量泄漏,保證測試準(zhǔn)確度,考慮采用振動(dòng)領(lǐng)域的能量重心校正法。該方法的理論依據(jù)是:當(dāng)分析的樣本點(diǎn)數(shù)足夠大時(shí),窗函數(shù)(如Hanning,Blackman等)的離散頻譜的能量重心無窮逼近于坐標(biāo)原點(diǎn)。因此,信號(hào)的檢測頻率值可以通過分布在信號(hào)真實(shí)頻率周圍的若干譜線進(jìn)行校正。設(shè)采樣率是fs,FFT的點(diǎn)數(shù)為N,窗函數(shù)離散功率譜內(nèi),主瓣內(nèi)峰值的譜線號(hào)是m,功率譜第i條譜線值是Yi,則主瓣中心頻率x0的校正公式為:x0=(∑i=?nnYi(m+i)fs/N)/∑i=?nnYi(1)x0=(∑i=-nnYi(m+i)fs/Ν)/∑i=-nnYi(1)根據(jù)ParseVal定理,校正后的幅度為:A=kt∑i=?nnYi????????√(2)A=kt∑i=-nnYi(2)式(2)中系數(shù)kt可通過數(shù)值方法算出。校正后的相位為:Φm=arctan(ImRm)+(x0?mfs/N)(fs/N)π(3)tan(ΙmRm)+(x0-mfs/Ν)(fs/Ν)π(3)1.2翻譯信號(hào)的方法1.2.1邊頻分量構(gòu)成移頻信號(hào)和UM71信號(hào)都是相位連續(xù)的FSK信號(hào),其頻譜都是由載頻及其附近無限多的成對邊頻分量構(gòu)成,如圖1和圖2所示。移頻信號(hào)調(diào)制指數(shù)m的變化范圍為2.1～7.9,而UM71信號(hào)調(diào)制指數(shù)變化范圍相對較小,從0.38～1.06,所以相應(yīng)的移頻信號(hào)頻譜的主要能量集中在上下邊頻分量上,而UM71信號(hào)的主要能量集中在信號(hào)的載頻附近。1.2.2fsk參數(shù)校正設(shè)置信號(hào)采樣率為9600S/s,采樣時(shí)間是1.28s,譯解步驟如下:(1)判斷載頻(Fc)取2048點(diǎn)做FFT,根據(jù)各個(gè)載頻處的能量分布大小粗略判出載頻所在位置。然后,根據(jù)UM71信號(hào)和移頻信號(hào)的載頻特點(diǎn),通過設(shè)置頻率門限來識(shí)別它們。頻率門限可以在移頻載頻的最大值(850Hz)和UM71信號(hào)的載頻最小值(1700Hz)之間取值。(2)頻域預(yù)處理由于實(shí)際的軌道信號(hào)中混有大量的噪聲和無關(guān)信號(hào),直接辨認(rèn)出真正的FSK信號(hào)頻譜十分困難。為此,本文采用頻譜細(xì)化方法,濾除其余干擾譜線,得到載頻附近的若干譜線極大值。(3)頻譜校正根據(jù)式(1)～式(3),對細(xì)化后的各個(gè)譜線的幅度,頻率進(jìn)行一一校正。(4)求解FSK參數(shù)基于以上校正結(jié)果,信號(hào)參數(shù)可根據(jù)FSK信號(hào)的頻譜特點(diǎn)得到。方波調(diào)制的相位連續(xù)FSK信號(hào)是由許多頻率成分構(gòu)成的。設(shè)信號(hào)的n次諧波幅度是Cn,則:C0=(2A0/mπ)sin(mπ/2)(4)Cn=(2m/π(m2-n2))cos(mπ/2),n是奇數(shù)(5)Cn=(2m/π(m2-n2))sin(mπ/2),n是偶數(shù)(6)對UM71信號(hào),采用Fc及其周圍的幾根譜線,求解步驟如下:(1)按照頻率大小順序重新排列校正好的細(xì)化譜線。根據(jù)譜線對稱性找到中心頻率,即信號(hào)載頻Fc。(2)找到離載頻最近且關(guān)于載頻對稱的2根譜線,這2根譜線的間距就是二倍的調(diào)制低頻Fm。(3)根據(jù)Cm和Cn,利用曲線擬合方法求出頻偏ΔF。(4)調(diào)制系數(shù)m可根據(jù)式(7)得出:m=ΔF/Fm(7)(5)根據(jù)式(4),得到信號(hào)幅度Amp:Amp=(C0mπ/2)sin(mπ/2)(8)對于移頻信號(hào),由于載頻處的能量很小,絕大多數(shù)能量集中在低次邊頻上,所以取低次邊頻進(jìn)行分析,求解步驟如下:(1)找到足夠多的對稱譜線,取這些各個(gè)譜線對的頻率均值再做均值就是信號(hào)的載頻Fc。(2)根據(jù)移頻信號(hào)頻譜的對稱性:譜線關(guān)于載頻軸對稱,相鄰譜線間距即為調(diào)制低頻Fm。(3)設(shè)n1、n2是邊頻序號(hào)。如果n1≠n2且都是奇次或偶次邊頻,則根據(jù)式(5)和式(6),可以得到m的計(jì)算式:m=(cn12?n22)/(c?1)????????????????√(9)m=(cn12-n22)/(c-1)(9)式中:c=Cn1/Cn2。所以,通過找到合適的譜線對,就能求出調(diào)制指數(shù)m,進(jìn)而通過式(4)求出信號(hào)幅度。(4)頻偏ΔF可以通過式(10)求出:ΔF=mFm(10)2硬件結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)2.1a/d采樣系統(tǒng)主要功能描述:軌道信號(hào)通過接收線圈感應(yīng)上來,經(jīng)過隔離、濾波、放大處理,再由采集卡的第0通道進(jìn)行A/D采樣,送到筆記本電腦進(jìn)行處理。測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中硬件選用了NI公司的6062E多功能數(shù)據(jù)采集卡。2.2ows/cvi開發(fā)系統(tǒng)軟件采用了虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI開發(fā),通過軟件承擔(dān)各種復(fù)雜的運(yùn)算工作和控制,有效降低了硬件系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)荷量,并且其很強(qiáng)的擴(kuò)展性也為今后測試功能擴(kuò)展提供了極大空間。3測試誤差分析為了驗(yàn)證測試算法的正確性,在MATLAB平臺(tái)上編制了用于算法誤差分析的測試程序。采用MonteCarlo方法生成峰值為1V的移頻信號(hào)或UM71信號(hào),在各種載頻和調(diào)制頻率條件下,在信號(hào)初相角從0°到360°、每隔0.5°變化時(shí),對根據(jù)測試算法計(jì)算所得的頻率參數(shù)和幅度參數(shù)的誤差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。(1)移頻信號(hào)的誤差分析無干擾情況下,選擇采樣時(shí)間為1.28s,分析點(diǎn)數(shù)為4096點(diǎn),采樣率是9600S/s,載頻為550Hz時(shí),各種低頻下的載頻和信號(hào)幅度的誤差分析結(jié)果如表1所示。(2)UM71信號(hào)的誤差分析無干擾情況下,選擇采樣時(shí)間為1.28s,分析點(diǎn)數(shù)為4096點(diǎn),采樣率是9600S/s,載頻為1700Hz時(shí),各種低頻下的載頻和信號(hào)幅度的誤差分析結(jié)果如表2所示。從反復(fù)測試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出:(1)隨著分析點(diǎn)數(shù)的減少,測試誤差隨之增大。當(dāng)分析點(diǎn)數(shù)僅為512點(diǎn)時(shí),算法僅能用于判斷載頻頻率。(2)幅度誤差可以通過增加A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍來解決,在200MV量程時(shí)能夠達(dá)到信號(hào)電壓幅度測試誤差在±1mV之內(nèi)。4測試結(jié)果分析通過對系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想和硬件配置的詳細(xì)介紹,得出以下結(jié)論:(1)提出了一種譜線細(xì)化算法,以較少的計(jì)算量,實(shí)現(xiàn)了較高的頻率和幅值測試精度,對于我國鐵路干線使用的移頻和UM71信號(hào),在選擇采樣時(shí)間為1.28s,分析點(diǎn)數(shù)為4096點(diǎn)時(shí),頻率測試精度達(dá)到0.05Hz量級(jí),幅度測試精度UM71為0.05%、移頻為1.2%左右。而且本算法的分析點(diǎn)數(shù)少,僅為4096點(diǎn),