铁路轨道信号频谱分析
在铁路区间行车自动指挥系统中，广泛采用相位连续的二进制FSK信号指挥列车的运行速度，因此对移频信号进行实时检测具有及其重要的意义。
铁路上数以万计的信号机向司机发出各种信号，报告线路和道岔情况，帮助司机安全正点的运行。
但是，由于它们装在地面上，曲线、隧道等地形限制，给司机暸望带来一定的困难。
特别是在雨雪、风沙、大雾迷茫等恶劣气候条件下，地面信号更是看不清。
另外，随着列车速度的不断提高，特别是高速列车的出现，显示距离约1公里的信号机已很难使司机从容采取措施。
比如司机发现红色停车信号，即使立即紧急刹车，列车在巨大惯性的推动下，也要越过信号机2公里。
因此，再单纯依赖地面信号机显然是极其危险的。
为了解决这个问题，人们研制出了机车信号机，它装在机车司机室内，能显示和地面信号机同样的信号，保证了行车安全，提高了运行效率，也改善了司机的工作条件.
我国的铁路信号中的自动闭塞主要有：国产移频制式和UM71制式两种。
虽然新建的铁路线路基本使用UM71制式，但仍然有很多铁路使用国产移频制式。
本文主要针对国产移频信号进行检测。
铁路信号中使用的FSK信号是二进制FSK 信号，调制信号为占空比50％的周期方波信号，根据方波的高、低电平决定FSK 信号在对于时刻是上频偏还是下频偏。
本文目标检测的FSK信号的中心频率有四种，分别是下行550Hz、750Hz和上行650Hz、850Hz，频偏为55Hz，低频调制频率为11Hz、15Hz、20Hz和26Hz。
随着铁路的迅速发展,需要更多的信息量和更加有效的铁路信号检测方法,以满足铁路运输安全和高效率。
机车信号的准确检测关系到铁路的安全运行，所以如何快速和准确的进行机车信号的检测，具有重要意义。
1.工程背景
低端频移：频率偏移△f=55Hz,载波标准频率 550Hz，650Hz，750Hz，850Hz；
低频信息：11Hz 15Hz 20Hz 26Hz,误差 0.02Hz ± 0.01;
移频上，下边频及中心频率误差≦0.1Hz
电压/电流灵敏度：10mV/25mA;
高端频移：频率偏移△f=11Hz,载波标准频率上行频率1700Hz，2300Hz，下行
频率2000Hz，2600Hz；
低频信息：从10.3Hz起 1.1Hz等差递增至29Hz,误差 0.02Hz ±
0.01;
移频上，下边频及中心频率误差≦0.1Hz；
电压/电流灵敏度：10mV/25mA;
信号源采用连续相位FSK，低端周期脉冲宽度50％；
在本文中，所有的实验都采用高端频移的参数和数据进行的。
由于本文中的设计不涉及硬件电路，所以不考虑电压,电流灵敏度的问题。
仅仅讨论检测出的上下边频的误差和低频信息的误差。
2. FSK信号
工作原理:
用二进制数字信号m(t)进行调频，是使载波中的ωc，当符号为1时具有ω1频率的信息，而当符号为0时具有ω2的信息，此调制称移频调制。
移频调制方法有键控法和模拟调制法[1]。
产生波形如下图。
图1－1 FSK信号的产生和波形
键控法是利用二进制矩形脉冲m(t)控制开关电路，对两个独立频率f1、f2进行选通。
如上图所示，符号1选通f1,符号0选通f2,得其移频键控信号υFM 为:
式中g(t)为宽度为Ts的单个码元矩形脉冲波形。
FSK信号产生
①、键控调制法
▲二进制移频键控的原理图。
图1－2二进制移频键控原理图
▲原理
数字符号为0时，RS锁存器的输出为Q是0、Q’是1的组合，数字符号为1时，其输出为Q是１、Q’是0的组合。
因此，数字符号为0时，S1闭合，输出为f1；数字符号（信息）为1时，S2闭合，输出为f2。
如果电信符号反复交替0、1时，输出就交替切换为和，实现移频调制。
②、相位连续的移频键控信号的产生:
键控法调频的选通开关会使移频键控信号相位有变化，通常称相位不连续。
为克服此缺点，因此出现相位连续的移频键控信号的产生。
它是将数字基带信号加到模拟调频振荡器上对载波进行直接调频，产生相位连续的移频键控信号，即调频信号V FM如下式所示：
(1-1) 从(1-1)式中看出，数字信号m(t)在转换时是不连续的，但它的积分是连
续的，所以υFM相位是连续的。
假设FSK信号可以用周期信号s(t)表示，则描述FSK信号的一般数学表达式为[2]：
s(t)=Asin[2∏f(t)+φ(t)],0≦t＜T m (1-2) 其中T m为键控信号周期，f(t)为键控频率，φ(t)为瞬时相位。
根据FSK 信号的定义, 键控频率f(t) 的瞬时表达式为：
(1-3) 式中: f0为FSK 信号的中心载频; f h和f e分别为FSK 信号的上下偏频频率; ⊿f为信号频偏,它与移频器的灵敏度和键控信号的幅值成正比。
与一般的FSK信号不同的，一般在通信中FSK信号采用随机的0101的序列，而在本次实验中铁路轨道信号的信号源采用的是周期的0101的序列。
