ZPW-2000轨道电路信号的解析方法

许燕文

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

铁路是一种重要的交通运输工具，铁路信号系统是铁路接通运输的神经枢纽。我国铁路信号系统是由地面信号系统和列车车载信号系统共同构成的，对于不同制式的铁路地面系统，需要匹配不同的车载信号系统。国内的铁路地面系统中，现阶段服务于国内铁路客运和货运系统的骨干力量是CTCS-2级及以上系统。CTCS-2级地面信号系统的列车占用检查是由ZPW-2000制式的轨道电路承担，其信号系统的安全级别对应欧洲铁路应用标准的最高安全完整性等级SIL4。

2 ZPW-2000制式的轨道电路

ZPW-2000制式的轨道电路是一种连续式轨道信号系统，采用钢轨传输模拟信号，模拟信号为FSK信号。ZPW-2000轨道电路的模拟信号由发送器经由室内模拟网络设备和室外调谐匹配单元发送至钢轨的调谐区送端，经钢轨传输，由钢轨调谐区受端至室外调谐匹配单元、室内模拟网络设备回传到接收器。

轨道电路发送器发送的载频是预先配置的，发送器收到载频命令校核正确后则发送对应的FSK信号。载频命令在信号接收端是预先配置的，轨道电路的接收器解析预知载频下的对应低频信息，同时对载频做正确性检查。轨道电路接收器解析的载频、低频均作为解析空闲占用的一个检查手段，即轨道电路接收器根据钢轨传输回来的信号的电压幅度判断钢轨是空闲还是占用，钢轨占用为轨道电路的安全侧。当接收器收到电压信息为空闲，但解析载频、低频为无效信号，同样将检查状态置为占用状态，以保证安全行车。因此，对FSK信号的有效性判断对轨道电路信号系统至关重要。

ZPW-2000轨道电路FSK信号，载频频率四制式和八制式共12种，分别是：四制式1 700 Hz、2 300 Hz、2 000 Hz、2 600 Hz，八制式（1 700+ 1.4）Hz、（1 700-1.3）Hz、（2 300+1.4）Hz、（2 300-1.3）Hz、（2 000+1.4）Hz、（2 000-1.3）Hz、（2 600+1.4）Hz、（2 600-1.3）Hz。低 频：10.3 Hz、11.4 Hz、12.5 Hz、13.6 Hz、14.7 Hz、15.8 Hz、16.9 Hz、18 Hz、19.1 Hz、20.2 Hz、21.3 Hz、22.4 Hz、23.5 Hz、24.6 Hz、25.7 Hz、26.8 Hz、27.9 Hz、29 Hz。频 偏：±11 Hz。四 载 频 制 式应用于ZPW-2000S轨道电路，八载频制式应用于ZPW-2000A/ZPW-2000R/ZPW-2000G轨道电路。

实际的轨道电路信号和牵引钢轨不平衡电流共存于钢轨信号回流中，被接收器电路采集。因此如图1所示，模拟轨道电路信号中加入了50 Hz的噪声信号，轨道电路信号载频2 000 Hz，低频18.0 Hz，图1中采用平均功率图法描述信号的功率谱密度。

3 轨道电路信号处理技术

3.1 轨道电路FSK信号采样

欠采样是以低于奈奎斯特采样频率的采样频率对信号进行采样的过程。信号采样等同于对原有信号的频谱进行沿频率轴的搬移。ZPW-2000轨道电路信号的搬移，载频Fc，采样频率Fs，频率搬移后的载频为Fd，则采用公式（1）计算。

其中，abs{}表示取绝对值, []表示取整操作。

轨道电路接收器可以通过过采样和欠采样技术实现数据采样。ZPW-2000轨道电路的接收器CPU根据系统结构承担主轨道信号、小轨道信号的信号采样和解析，并且根据各厂家实现方案还需要解析并机或发送器反馈检测回路信号，因此轨道电路采样技术的实现需要兼顾考虑CPU的数据存储空间，而欠采样技术可以满足CPU存储空间有限的实现方案。

鉴于信号轨道电路载频为1 700～ 2 600 Hz，如下采用的欠采样频率为1 408 Hz，根据搬移后的载频中心频率采用的计算公式计算如表1所示。

3.2 轨道电路FSK信号瞬时频率处理

ZPW-2000移频信号的解调内容包括载频和低频的解调，可以分为两个步骤：第一步骤是求取瞬时频率，第二步骤是求取载频和低频。

图1 ZPW-2000轨道电路移频信号Fig.1 ZPW-2000 track circuit frequency shift signal

表1 欠采样后载频中心频率Tab.1 Carrier frequency center frequency after undersampling

从轨道电路信号中获取瞬时信息的方法有多种，如瞬时相位法，过零点检测法等。本文介绍采用过零点检测法求取瞬时频率。

过零点检测法具有精度高、实时性强、占用CPU资源小等特点，其原理是通过已知采样率的信号采样瞬时信号，判断两个相邻采样点的电压值的符号。如果两个相邻采样电压值符号相反或其中一个电压值为0时，即为一个过零点。一定时间长度内统计采样点的过零点数，根据已知采样率和过零点数及采样点数等信息，得出瞬时信号频率。本文采用的过零检测法原理如图2所示。

在图2中，检测周期是11个。其中：

Z：过零点；

k：检测周期数；

Ts：采样周期；

S(k+1)：第k+1组11个采样周期中过零点数目；

L：第k+1组S(k+1)个轨道电路瞬时信号的半波周期数的时间长度；

N(k)：第k组检测周期的最后一个半波周期的相邻两个过零点之间的采样点数目；

N(k+1)：第k+1组最后一个半波周期的相邻两个过零点之间的采样点数目；

Δt(k)：L时间内第一个半波零点与过零点的时间值，即第k组的最后一个半波零点与过零点的时间值；

图2 过零点检测法求取瞬时频率示意Fig.2 Schematic diagram of instantaneous frequency obtained by zero-crossing detection method

Δt(k+1)：第k+1组的最后一个半波零点与过零点的时间值；

则有，L=［11+N(k)–N(k+1)］×Ts+Δt(k) -Δt(k+1)，瞬时频率Fd= 1/［L/S(k+1)］。

Δt(k)的计算方法：如图3所示，描述轨道电路信号零点前后相邻的两个采样点在信号波形中的位置，两个点电压为：

图3 Δt(k)示意Fig.3 Schematic diagram of Δt(k)

则计算得

公式（4）中，Fd表示上一计算周期的瞬时频率，在第一次运算时，Fd采用初始化载频频率值。

轨道电路信号钢轨信号在传输中不是一直维持在恒定值，由于调整表配置的轨出电压、轨入电压各区段的不一致，气候变化、天气状况、地质环境影响钢轨阻抗的变化，在接收器采集到的电压幅度在各个区段或同一区段的不同时间是不一致的，尤其是出清和列车驶入的过程中，信号的幅度都在变化。采用过零检测的方法获取信号的频率特征可以很好的免除信号幅度变化带来的影响。

3.3 轨道电路FSK信号低频解析

计算轨道电路信号的瞬时频偏，通过瞬时频率与中心频率的偏差即可得出信号的低频特征。根据轨道电路信号的偏移量，瞬时频率频偏就是以轨道电路低频为周期，幅度为±11的正弦特征信号，如图4所示，采样频率12 800 Hz、载频2 600 Hz、低频29 Hz。

3.3.1 Zoom-FFT的原理及低频解析

传统的FFT 能够实现数字频谱分析，但对频率精度要求高的频率片段无法满足。因为传统FFT 的频域分析范围是0 Hz～0.5倍的采样频率。即设定采样频率为fs，FFT点数为N，频率分辨率△f的关系式为△f=fs/N。根据公式，当采样频率fs和FFT的点数N确定后，其分辨率是确定的。

解析轨道电路低频采用频域的方法实现，低频的精度要求是0.1 Hz，采用过采样，采样频率为12 800 Hz，以采样1 s时间长度的数据进行处理,采用4 096点的FFT计算，则频率解析精度为12 800 Hz/4 096 = 3.125 Hz，不满足精度要求。因此本文采用Zoom-FFT的方法对瞬时频率频偏求取频率。

Zoom-FFT称为细化的快速傅立叶变换，能够对信号的频率进行局部细化放大，可以提高被分析的局部目标频率段分辨率。

Zoom-FFT其实是移频到数字低通滤波，再到重新抽样、FFT以及频率调整的过程。其基本原理在数字信号中有详细的描述，在本文中提及实现过程。设轨道电路输入模拟信号为x(t)，经过A/D采样后即可得到离散的数据序列x(n)，n=0,1…N-1，设定以下标识符：X(k)为经过处理后的输出， FFT的点数N，细化倍数D，采样频率fs，目标频带的中心频率fe。算法过程为：

1）移频至零频：以目标频率与当前载频的差值为频率搬移的长度，假定分析频率频带为f1+f2，分析频率的中心点为fe=(f1+f2)/2，则对采样后的数据序列x(n)乘以e-j2πあe/fs进行复调制，得频移信号为：

图4 瞬时频率偏差波形图和频谱Fig.4 Waveform and spectrum of instantaneous frequency deviation

其中，Δf为频谱谱线间隔，采样频率fs=NΔf，频率的中心移位，中心频率fe的谱线序号对应点为L0，则fe=L0Δf。由此可得出，复调制使x0(n)的频率成分fe移到x(n)的零频点，即新的谱线X0(K)中零点频谱的位置就是原X0(K)中的第L0条谱线。

2）滤波：为了目标频段的细化下采样不受其他频段的混叠，根据具体情况来确定是否需要低通滤波，如果需要，则设定低通滤波器的截止频率为fc≤fs/2D。

3）下采样：经过移频和低通滤波，信号的点数变少，再对信号进行下采样，采样后补零至FFT的点数的数据个数，则此时等同于将样本总长度加大，从而提高了频谱分辨率。

下采样后，频率分辨率 =fs/N，下采样频率=fs/D，则下采样后的分辨率 =fs/(D×N)，相当于原有分别率的D倍。

4）复FFT：下采样后的信号属于复信号，具有实部和虚部，做FFT时需要采用复FFT得N条谱线，即分辨率 =Δf' ==Δf/D，从频域的角度可以看出分辨率是原来的D倍。

5）根据需求对频率进行回原位的调整：此时的频点是在原频点的基础上进行向左或向右搬移，因此根据项目应用的需求决定是否要搬移回原位，轨道电路信号在分析低频中，基于使用相对频率值，故无需搬移的算法操作，节省CPU资源。

依据上述Zoom-FFT的步骤，本文采用的Zoom-FFT算法计算瞬时频率频偏即低频的频谱。由于瞬时频率频偏是轨道电路信号经过零检测法处理后的瞬时频率与载频差值，低频的频率零点已被处理完成，采样率12 800 Hz，采用100个点的过零点统计计算瞬时频率，即完成1/100的重新抽样，等同于采样率降为12 800/100=128 Hz，而128 Hz的采样率满足低频信号0～30 Hz频率的采样定理，设计截止频率为40 Hz的低通滤波，保证低频信号完整的保留在带内，将抽样的谐波频率以及牵引工频50 Hz再一次被截止在带外，且根据过零检测原理，此时的工频信号不会出现在瞬时频率频偏数据中。

通过Z-FFT(2 048点复FFT)得出低频精度达到128 Hz/4 096 = 0.031 25 Hz。显而易见，低频频率11.4 Hz能被精细的识别。

3.3.2 载频解析

对瞬时频率信号进行一段时间的有符号数的累加求平均即可获得载频偏差，该方法获取的载频偏差理想值无限接近0。当偏差小于需求规定的误差时，即可判断输入信号的载频满足信号特性要求。

3.4 轨道电路FSK信号空闲占用解析

根据第2节所述，对轨道电路信号处理的主要目的是获取可信的空闲占用状态，采样数据经过带通滤波模块得到滤波后数据，采用均方根方法计算得到有效电压。有效电压与空闲占用阈值比较，得出空闲或占用状态，将该状态和载频、低频解析结果进行综合处理得出最终空闲占用状态。当有效电压检测为占用状态则最终结果为占用状态，当有效电压检测为空闲状态而载频或低频为无效状态则最终结果为占用状态，当有效电压检测为空闲状态且载频或低频有效则最终结果为空闲状态。如图5所示为本文对轨道电路接收信号进行处理的总体框图，各部分的详细算法方案和仿真结果如以上章节描述，该方案可以有效的抑制钢轨信号电压幅度对频率信息解析的干扰。

图5 轨道电路接收信号的空闲占用处理Fig.5 Processing of received signals to determine if a track circuit is clear/occupied

4 结束语

本文采用的时域、频域方法，综合考虑ZPW-2000轨道电路系统工作环境、当前能够符合SIL4硬件安全架构的CPU计算和存储性能，具有很强的应用特性，可以转化为基于C语言的编码软件，应用于实际工程项目中，考虑轨道电路带内干扰，为提高带内抗干扰能力，采用本文的算法方案同时，可以加强对带内信号的频域处理算法。