專利名稱：一種鐵路通信信號解調(diào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種鐵路通信信號解調(diào)的方法。

背景技術(shù)：
鐵路通信信號受鐵路環(huán)境的影響，在列車運(yùn)行的過程中和軌道的摩擦容易產(chǎn)生瞬時幅度很大的脈沖噪聲、有色噪聲及工頻干擾，信號頻譜也會受到非線性失真的影響。鐵路信號信息的識別技術(shù)是通過利用信號的時域和頻域特征，在強(qiáng)噪聲低信噪比的環(huán)境下，利用頻譜干擾消除技術(shù)，提取信號的載頻信息和低頻信息。
目前的信號信息識別算法，多采用序貫檢測的方法，通過時域過零點(diǎn)檢測計算信號的頻率信息，這種方法容易受到噪聲特別是脈沖噪聲的干擾，需要設(shè)計復(fù)雜的模擬濾波電路，且識別過程較長，信息的識別精度也較低的問題。


發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明在于提供一種鐵路通信信號解調(diào)的方法，以解決上述序貫檢測時，識別過程較長，信息的識別精度也較低的問題。
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種鐵路通信信號解調(diào)的方法，包括獲得信號后，對所述信號采樣并通過快速傅立葉FFT解調(diào)出載頻信號；通過獲得的所述載頻信號，將采樣點(diǎn)的數(shù)量按照預(yù)定倍數(shù)放大后對所獲得的信號進(jìn)行采樣，將采樣后的數(shù)據(jù)正交調(diào)制和濾波后，按照所述采樣點(diǎn)的數(shù)量再次采樣，將所述再次采樣后的數(shù)據(jù)做FFT運(yùn)算，并對運(yùn)算后的譜線做能量重心頻譜校正，解調(diào)出低頻信號。
優(yōu)選的，對所述信號采樣并通過FFT變換解調(diào)載頻信號時，采用頻率抽取法DIF對采樣點(diǎn)運(yùn)算。
優(yōu)選的，所述預(yù)定的放大倍數(shù)為4。
優(yōu)選的，所述鐵路通信信號為振幅移頻鍵控信號ASK或頻率移頻鍵控FSK信號。
本發(fā)明的方法，采用FFT和ZFFT解調(diào)低頻、載頻信號，解調(diào)準(zhǔn)確，運(yùn)算量低，時延小，可充分滿足目前鐵路通信的需要。



圖1是本發(fā)明的原理示意圖； 圖2是本發(fā)明解調(diào)低頻信號的流程圖； 圖3是仿真的效果圖。

具體實施例方式 為清楚說明本發(fā)明中的方案，下面給出優(yōu)選的實施例并結(jié)合附圖詳細(xì)說明。
參見圖1，本發(fā)明的方法適用的信號包括鐵路通信中采用的ASK(振幅移頻鍵控)信號，也可用于FSK(頻率移頻鍵控)信號。首先對接收的信號、噪聲進(jìn)行濾波后，再對載頻和低頻進(jìn)行識別。
現(xiàn)以列車通信中的ATP(自動列車防護(hù))信號為例，對鐵路信號進(jìn)行建模。
表1為ATP的信號信息列表，其中的載頻為列車上行和下行的頻率，低頻部分每個頻率分別對應(yīng)該運(yùn)行區(qū)段的最高速度限制，12種低頻分別表示不同的速度信號，較低的低頻頻率表示較高的列車運(yùn)行速度。低頻碼的占空比為1∶1即0和1交替出現(xiàn)，并有相同的持續(xù)時間。

表1 信號由一個方波序列與一個正弦載波相乘產(chǎn)生，可以表示成一個雙極性矩形序列與一個正弦載波相乘。
式(1) 此處g(t)是持續(xù)時間為Ts的矩形脈沖，而an為-1和1交替的數(shù)字序列，ωc為載波的角頻率，n為常數(shù)，令 式(2) 則s(t)＝c(t)coswct，其中c(t)為雙極性矩形脈沖序列。
雙極性的方波信號亦可展開為傅里葉級數(shù)表達(dá)式 式(3) 其中，


稱為該方波信號的基波，它的周期

與方波本身的周期相同。式(2-3)中其余各項都是高次諧波分量，它們的角頻率是基波角頻率的整數(shù)倍。
由此可見，方波可以分解成奇次的正弦波，其中基波的幅度最高，其各次諧波的幅度依次降低。所以方波的頻譜也可以分解成各奇次正弦波的頻譜和。
通過對上述的信號分析，由于接收的信號是方波和正弦波的調(diào)制信號，因此，在解調(diào)時，對信號進(jìn)行濾波后，解調(diào)出其中的載頻信號和低頻信號。
對于載頻信號，可采用快速傅立葉(FFT)解調(diào)；當(dāng)采用FFT解調(diào)時，可通過頻率抽取法DIF對采樣點(diǎn)運(yùn)算。
對于載頻識別后信號，對于低頻信號，可采用放大快速傅立葉ZFFT解調(diào)出信號頻點(diǎn)，由于低頻頻率的間隔較小，需要較高的頻率分辨率，如果提高分辨率就必須提高數(shù)據(jù)的長度，計算量也隨之增大?？紤]到將整個頻段采用高分辨率是不需要的，只需將信號信息所在的頻段做局部放大即可，并將放大后的數(shù)據(jù)復(fù)調(diào)制并重新采樣運(yùn)算，即可獲得正確結(jié)果，并降低運(yùn)算量。
采用ZFFT解調(diào)的過程可參見圖2，首先對接收的信號進(jìn)行采樣，對采樣后的信號進(jìn)行復(fù)調(diào)制和濾波后，對放大的數(shù)據(jù)重新采樣，并通過FFT運(yùn)算出頻率值，下面詳細(xì)描述解調(diào)過程。
在對信號采樣時，首先將采樣點(diǎn)與按照預(yù)定的放大倍數(shù)D擴(kuò)大后，對信號采樣； 例如對于信號x0(t)，信號的最高頻率為f′m，在時間長度t′p內(nèi)作M點(diǎn)采樣，采樣周期為Ts，以M點(diǎn)FFT計算x0(t)的頻率分辨率為Δf′，現(xiàn)在要以D倍的分辨率Δf＝Δf′/D來觀察x0(t)，其頻譜的中心頻率為f0＝l0Δf，帶寬為B＝MΔf。若此時保持采樣率fs不變，則信號的時間記錄長度應(yīng)為原來的D倍，采樣點(diǎn)數(shù)N＝Dt′p/Ts＝DM。
對采樣后的信號移頻，即對x0(t)做正交調(diào)制得 式(4-1) 由式4-1得，x0(n)和x(n)的頻譜為 K＝0，1，2，...N-1式(4-2) 式(4-3) 由式(4-2)和式(4-3)可以看到，正交調(diào)制后，信號頻譜左移l0Δf，則f0被移到零頻處。信號的最高頻率為MΔf/2，因此對該段重新采樣的采樣率為f′s＝MΔf，比原信號的采樣率降低了N/M倍。由于時間長度不變，用M點(diǎn)FFT計算得到的頻率分辨率和N點(diǎn)計算得到的頻率分辨率是相同的。
經(jīng)過正交調(diào)制后的信號進(jìn)行采樣，將采樣后的數(shù)據(jù)連續(xù)取1024點(diǎn)作FFT，再對信號譜線進(jìn)行校正即可獲得基帶低頻估計。
令抽取因子D＝15，則FFT的頻率分辨率為 式(4) 顯然，由上式計算得到的頻率分辨率是不能滿足技術(shù)要求的，為提高頻率檢測精度，可借助頻譜校正技術(shù)實現(xiàn)，這里采用能量重心法。
能量重心頻譜校正法，就是要找出所有FFT功率譜線的“中心位置”，該中心位置所對應(yīng)的頻率就是信號頻率的估計值。設(shè)采樣頻率為fs，做譜點(diǎn)數(shù)為N，主瓣內(nèi)峰值的譜線號為m，Yi為功率譜第i條譜線值，x0為主瓣重心，能量校正法校正頻率的公式為 式(5) 而對重采樣的輸入序列“加窗”后再求FFT可能把能量幾種在少數(shù)幾根譜線上，從而利用主譜線及左右各兩根共5根即可校正出信號的頻率。若假設(shè)FFT譜線X(k)在k＝m處取得幅度最大值，則其頻率估計表達(dá)式為 式(6) 如附圖3所示，是載頻為20000HZ，低頻為16HZ的ATP信號，原始取樣點(diǎn)數(shù)為16384點(diǎn)，放大倍數(shù)D＝4，圖中用圈標(biāo)出的是移頻重采樣后的信號頻譜，可以看到，在零頻附近和-15HZ附近的兩根譜線是最大的。用x標(biāo)出的點(diǎn)是這兩根譜線經(jīng)過能量重心校正之后的頻率點(diǎn)。經(jīng)過能量重心校正后，提取低頻信息的精度進(jìn)一步提高。
本發(fā)明在使用中，根據(jù)目前鐵路通信信號的定義，信號載頻最高頻率為21KHZ，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，確定采樣率應(yīng)為45KHZ以上。以ATP信號為例，其不同低頻相差間隔最小為3HZ，如果頻率分辨率滿足了ATP信號的話，其它信號對頻率分辨率的要求也一定能夠滿足。低頻相差3HZ，其頻率分辨率小于1.5HZ一定可以滿足要求。那么時域截短時間為T＝1/df＝1/1.5s＝0.667s，采樣頻率為48KHZ。需要的采樣點(diǎn)數(shù)至少為32000。
在已知ASK信號載頻的情況下，需要對載頻周圍的信號頻譜進(jìn)行ZFFT放大分析，對于最大低頻為150HZ，需要放大的頻率范圍為f0±250HZ，這樣總的需要進(jìn)行放大的頻率范圍為500HZ，換算成數(shù)字角頻率為500/48000rad＝0.0104rad，根據(jù)ω2-ω1≤π/D，ω1≥kπ/D，ω2≤(k+1)π/D，可得到D的范圍。為了得到抗噪聲能力和放大倍數(shù)D的關(guān)系，經(jīng)過測試，優(yōu)選D＝4；對于低頻以外的信號，可優(yōu)選D＝16。
校正前和校正后的仿真結(jié)果如附圖3所示，是載頻為20KHZ，低頻為16HZ的ATP信號，原始取樣點(diǎn)數(shù)為16384點(diǎn)，放大倍數(shù)D＝4，圖中用圈標(biāo)出的是移頻重采樣后的信號頻譜，可以看到，在零頻附近和-15HZ附近的兩根譜線是最大的。用x標(biāo)出的點(diǎn)是這兩根譜線經(jīng)過能量重心校正之后的頻率點(diǎn)。仿真結(jié)果證明，經(jīng)過能量重心校正后，提取低頻信息的精度進(jìn)一步提高。
本發(fā)明的方法，采用FFT和ZFFT解調(diào)低頻、載頻信號，解調(diào)準(zhǔn)確，運(yùn)算量低，時延小，可充分滿足目前鐵路通信的需要。
對于本發(fā)明各個實施例中所闡述的方法，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一秤鐵路通信信號解調(diào)的方法，其特征在于，包括獲得信號后，對所述信號采樣并通過快速傅立葉FFT解調(diào)出載頻信號；通過獲得的所述載頻信號，將采樣點(diǎn)的數(shù)量按照預(yù)定倍數(shù)放大后對所獲得的信號進(jìn)行采樣，將采樣后的信號正交調(diào)制和濾波后，按照所述采樣點(diǎn)的數(shù)量再次采樣，將所述再次采樣后的數(shù)據(jù)做FFT運(yùn)算，并對運(yùn)算后的譜線做能量重心頻譜校正，解調(diào)出低頻信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對所述信號采樣并通過FFT變換解調(diào)載頻信號時，采用頻率抽取法DIF對采樣點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定的放大倍數(shù)為4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鐵路通信信號為振幅移頻鍵控信號ASK或頻率移頻鍵控FSK信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵路通信信號解調(diào)的方法，包括獲得信號后，對所述信號采樣并通過快速傅立葉FFT解調(diào)出載頻信號；通過獲得的所述載頻信號，將采樣后的信號經(jīng)正交調(diào)制和濾波后，按照所述采樣點(diǎn)的數(shù)量再次采樣，將所述再次采樣后的數(shù)據(jù)做FFT運(yùn)算，并對運(yùn)算后的譜線做能量重心頻譜校正，解調(diào)出低頻信號。本發(fā)明的方法，采用FFT和ZFFT解調(diào)低頻、載頻信號，解調(diào)準(zhǔn)確，運(yùn)算量低，時延小，可充分滿足目前鐵路通信的需要。
文檔編號B61L27/00GK101714969SQ200910223530
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月23日
發(fā)明者王焱, 劉玉霞, 許镕淏, 黃雪程, 陳曉博, 李曉梅, 潘昕婷, 李星 申請人:北京大成通號軌道交通設(shè)備有限公司