錄音技術在鐵路頻率信號測試領域的應用

喻喜平 吳全堅

喻喜平:武漢鐵路職業技術學院 副教授 430205 武漢

吳全堅:武漢鐵路局武漢電務段 高級技師 430012 武漢

ZPW-2000A移頻自動閉塞制式系列低頻信號豐富，載頻種類多，精度高 (≤ ±0.03 Hz)，鄰碼間隔小 (1.1 Hz)，載頻誤差≤ ±0.15 Hz，－1、－2型的區分頻差僅為+1.4、－1.3Hz，且對頻率穩定度要求嚴。制作這種信號源難度大，軟硬件成本不菲，專用測試機具價格昂貴。因此，考慮一種簡便經濟的方式來取代。

移頻軌道電路的載頻處于音頻范圍中容易作不失真處理的頻段，如果繞開復雜的信號產生、校驗、轉換過程，把現成的標準移頻信號 (調頻波)作為一種音源文件錄制下來，以wav格式存儲于硬盤、閃存、卡或光盤中，形成專用的標準頻率信號資源庫，通過調用或回放即可參與測試。由于是一種只讀文件，不會因元器件及軟件故障引起信號頻率、幅度的不穩，做到了無誤差、免維修，而且有較好的可操作性。

ZPW-2000A系列接收設備接收的大都是主軌、小軌2種頻率信號疊加的復合信號，而目前各類ZPW-2000A測試系統檢測接收設備時都只能送單路信號，即主軌或小軌信號;某一時刻只能動作1個軌道繼電器，而現場運用中的接收設備一般是主、并機的主軌、小軌信道同時工作。顯然，現有的檢測手段對接收器電子電路尚不能給出完全的模擬運用條件，存在漏檢的可能，這對多路信號處理、多路GJ工作是不嚴謹的，因此有必要在測試系統中增加輸入復合信號的功能。可這又會使得機具軟硬件更加復雜。但如果將一個裝載有復合音頻信號的資源子庫植入測試系統或直接調用，問題就比較簡單了。可見標準頻率信號資源庫應包括“單路”和“復合”兩大類信息資源。

1 信號標準頻率資源庫制作

1.1 單路音頻文件錄入

以1700-1/10.3 Hz信號頻點為例，用1臺ZPW.F發送器按運用標準要求設置好封線，作為信號源母機;將S1、S2輸出的移頻信號 (5級電平、1701.4 Hz)衰耗至100 mV左右，由二線插頭直接輸入PC機聲卡的話筒孔 (MIC)，只須單聲道。打開電腦附件中的錄音程序，錄制5 s后停止，存儲為171-103.wav文件就完成了。

ZPW-2000A的全部信息共有18低頻×8載頻=144個，即要制作144個5 s時長的文件。wav文件每秒約80KB，144個文件占存儲空間約60MB。這些都是單頻點文件，可隨意調用、排序、組合。為了使用方便，還可以制作一些有低頻遞增功能的文件。例如，將載頻設為2300-2型，錄制時從10.3 Hz開始，每隔5 s變換一次低頻，依次為11.4、12.5…直至29 Hz，錄完后存為一個232-103-29.wav文件，其他以此類推。用V3.8等錄音軟件錄音時間可以更長。必須指出wav和APE格式是無損存儲，不推薦使用MP3、WMA等有壓縮的格式。無論使用哪種錄音軟件，都要設置成采樣頻率44.1 kHz、16位、單聲道模式。部分單路音頻文件錄制后回放的信號波形和頻域特性如圖1、圖2所示。

圖1 MP4輸出的2000-1單路信號

接收設備的檢測中還存在帶寬問題，其解決辦法是借助將頻率合成器作為母機，可靈活設置低載頻值。設載頻為正弦波，調制低頻為方波，頻偏11 Hz，在音頻文件的錄制過程中，對低頻或載頻作一定間隔 (如0.01 Hz、0.1 Hz)的遞增或遞減，形成“掃頻”文件，文件名后面加S;也可以錄制處于標準通帶邊緣的固定頻點文件，如16.9+、16.9－、17001+、17001－等。錄制低頻帶寬文件時，只須固定一種載頻，一般為2000-1，文件名后面加字母DD。錄制載頻帶寬文件只須固定一種低頻，一般為18 Hz，文件名后加字母ZD。

圖2 MP4輸出的2000-1單路信號頻域

1.2 復合信號文件錄入

方式一，用2臺ZPW.F發送器分別設置為相鄰區段載頻，如主軌2000-2、小軌2600-2、低頻18 Hz，其輸出分別衰減后合為一路作為錄制信號源，操作方法與前述單路單頻點信號錄入方法相同。要保證送入MIC孔的主軌信號分量在100 mV左右，小軌信號的電壓值約為主軌的30%。錄完后存為202-262-18F.wav文件。

方式二，用頻率合成器送出調頻波進行錄制。仍以主軌頻率2000-2、小軌頻率2600-2、低頻18 Hz為例，此處使用Total Recorder 7.1錄音軟件。先在聲卡MIC孔用頻率合成器輸出2600-2調頻波錄制一個音頻文件，存盤作為小軌信號待用，再送2000-2調頻波作為主軌信號錄音。在界面上調取待用的2600-2文件，用“文件-音頻”方式與其進行混錄，形成復合音頻文件。這2次錄制時在聲卡MIC孔都同樣輸入100 mV電平，混錄時再在界面上調節二者合適的比例 (主軌100%，小軌30%)。當然也可根據需要隨意設置頻率。此類軟件網上很多，使用方法不贅述。這種混錄方式效果優于頻率合成器雙路輸出疊加方式。

用以上2種方式錄制復合信號時，都必須用選頻表測量，以輸出波形不削頂失真為原則。

復合信號因主要用于整機試驗，故低頻、載頻都是標準值，無須“掃頻”模式，其文件名后面加“F”。部分復合音頻文件錄制后回放的信號波形和頻域特性如圖3—圖6所示。

文件雖然多，但常用的也就幾種。百兆級的數據總量一般存儲介質體都能接受。現在無卡MP4盤容都在8GB以上，所以標準信號資源庫中盡可以裝入大量的，包括其他各種制式的音頻軌道電路標準頻率信號，其擴充性是很好的。該方案具有較高的性價比，比如5吋超薄MP4播放器價格僅二百多元，信息若刻錄到CD則有更好的非易失性。

圖6 聲卡輸出的復合信號

2 頻率信號文件的輸出

方式一，文件存于硬盤、光盤或U盤，在電腦耳機孔用二線插頭輸出，也可從音箱口輸出，這樣普通電腦就成了標準專用信號發生器，多種影音軟件直接在界面上調用播放，輸出范圍0～700 mV，可用于室內器材的檢測試驗。采用Total Recorder錄音軟件錄制播放最為理想，其循環播放完全是無縫銜接。

方式二，將錄好的wav文件庫拷貝至MP4播放器中，從耳機孔用二線插頭輸出。輸出電壓范圍一般為0～1000 mV、30級可調，于是MP4播放器就成為一種便攜式的信號發生器，成本極低。用音樂手機也可以，但耳機輸出孔需為圓孔，否則要對U口線轉換。

其他方式，從CD、TV以至網絡輸出。

上述數碼產品音頻播放界面非常友好，播放、停止、暫停、輸出量調節非常方便，多種播放模式為不同場合的測試提供了便利。比如，將頻點文件用單曲循環方式播放，可用于連續觀察某一個碼的接收狀況;低頻遞增文件順序播放，或各種制式移頻信號庫大循環播放，可用于機車信號測試;掃頻文件和帶寬文件的調用，則可用于接收設備的檢修;把播放列表中的所有頻點文件設為全部循環方式，適合于整機運行試驗和通測。界面上顯示的文件名即是對應的碼種，音效模式一般采用ONRM(標準)模式，外接功放即可以實現大功率輸出，也可按需要自行制作播放界面。

3 實際運用情況

PC機聲卡輸出的移頻信號用麥科信ME2000軌道電路綜合測試儀測試，其載頻低頻達到了零誤差。用方正電腦 (XP系統、一般檔次板載聲卡)作信號源，實現了ZPW-2000A、UM71系列接收器的測試。用昂達 (VX580LE)5吋MP4播放器拷入文件后播放也達到了同樣效果。用低擋MP4播放器的音頻文件錄制有時要對載頻頻率作微小修正(1700型 +1 Hz，2000型 +1.1 Hz，2300型 +1.3 Hz，2600型+1.5 Hz)，可借助頻率合成器和移頻頻率計來完成。UM71接收器測試過程中，用Agilent8904A頻率合成器作信號源，得到的2300/11.4 Hz低頻鑒頻波形，如圖7所示;在同樣場合用MP4調用頻率信號資源庫文件，發送同種信號得到的低頻鑒頻波形，如圖8所示。長時間反復(播放)運行，結果無變化。圖9是低頻18 Hz時2個鑒頻波形的比對情況，可見完全沒有區別。

檢測工作中，將頻率信號資源庫中的主軌、小軌復合信號送入ZPW-2000A接收器，使主軌、小軌繼電器實現了同時吸起。若將主、并機輸入端相連，則能使4個軌道繼電器同時吸起，得到了檢修條件下更大程度的運用仿真。當然，也可用單路移頻信號對接收器作各通道的逐一檢測。

圖9 鑒頻波型的比較

值得提出的是，若在電腦上用2種播放軟件同時播放任意2個不同的信號音頻文件，聲卡輸出可得到其混合信號波形，這對某些仿真要求 (如串音干擾等疑難故障分析試驗)具有意義。用錄音技術對現場特定場合的信息采集、回放或作進一步的頻譜分析，對鑒定軌道電路的技術狀況亦有幫助。

4 結束語

由于硬件條件所限，上述試驗結果不一定是最好的。這里只是提出了一種理念，固化后的標準音頻信號可以作為一種頻率信號定型模塊，供調用、移植嵌入，不必費財費力的“造”模塊里的東西。使用中按需要調取，做到一鍵 (觸)自動完成，省去專用機具旋鈕按鈕的麻煩。

現今各類固體錄音片技術得到了長足的發展。如ISD系列片子錄音時長由最初的數秒已增至千秒以上。可分段數越來越多，每段容量也越來越大。其他系列如LX一次燒寫、超長錄音片子也層出不窮。與聲卡錄音不同的是，通過變址可實現更靈活的文件調用和拼接，功能擴展性更好，在鐵路頻率信號測試領域也應有較好表現。

［1］ ZPW-2000A無絕緣自動閉塞原理［M］ ．北京:北京全路通信信號研究設計院.2004.

［2］ Agilent8904A頻率合成器［M］ ．USA:AgilentAgilent Technologies Inc(安捷倫科技公司).2004.