铁路移频

铁路移频（共4篇）

铁路移频 篇1

0 引言

随着我国经济社会的不断发展, 铁路现代化建设程度也在不断提高, 在以高速、高密、重载为特点的铁路运输发展方向上, 铁路信号系统已成为其中不可或缺的重要技术手段, 它在确保铁路行车安全, 提升铁路运输效率, 传递轨道电路信息等方面起着重要的作用。

1 zpw-2000无绝缘移频自动闭塞系统的原理及特点阐述

zpw-2000无绝缘移频自动闭塞系统是基于移频轨道电路之下的自动闭塞, 它通过频率调制的手段, 将低频信息调至较高频, 形成振幅不变的情况下其频率随低频信息的幅度为周期变化的调制信号。它借助于电气绝缘节可以有效隔离相邻轨道电路区段, 对相邻区段频率信号呈现零阻抗, 使相邻区段的信号短路, 从而真正实现相邻区段电路信号的闭塞。zpw-2000无绝缘移频自动闭塞系统的移频轨道电路由主轨道电路和调谐区小轨道电路两部分组成, 小轨道电路被看作是主轨道电路所属的“延续段”, 是用于解决全程断轨检查而设置的。

主轨道电路类似“总发送器”, 主轨道电路的“低频调制移频”信号由电缆通道传送至匹配变压器和调谐单元, 它在无绝缘的钢轨之下进行面向主轨道和小轨道的传输, 经由调谐单元、匹配变压器、电缆通道, 最后传至本区段接收器。

调谐区小轨道电路信号是由铁路运行前方相邻轨道电路接收器进行处理的, 在这一区段的接收器接收到主轨道“移频”信号和小轨道电路继电器的信号后, 确认无误, 即驱动轨道电路继电器运行。

zpw-2000无绝缘移频自动闭塞系统的特点主要体现在以下几方面:

(1) zpw-2000无绝缘移频自动闭塞系统由UM71无绝缘轨道电路技术引进而来, 保持与UM71无绝缘轨道电路相似的结构优势;

(2) 通过在调谐区段内添加小轨道电路, 可以解决调谐区段断轨检查的问题, 实现全程铁路轨道电路断轨检查;

(3) 通过减少调谐区分路死区, 实现对调谐单元断轨故障的检查;

(4) 提高和优化了自动闭塞系统的参数, 提升了轨道电路和机械绝缘节轨道电路的传输;

(5) 通过与我国实情相结合, 将法国的ZC03电缆转为由国产的SPT铁路数字信号电缆所替代, 这样可以通过减小铜芯线径, 减少备用芯组, 从而降低造价成本, 提升系统技术性能。

2 铁路行车指挥控制系统技术方法阐述

2.1 铁路行车闭塞法

铁路列车在行车过程中, 由于其速度快、质量大的特性, 要尽量避免行车过程中的相互避让方法, 这有可能导致后续列车追撞前行列车的后果, 而行车闭塞法则可以保证列车在铁路区段内的行车安全, 隶属于铁路区间信号系统。由于铁路线路以车站为分界点进行区段的划分, 而为了实现铁路各区段的行车能力, 自动闭塞区段必须将一个区间又细分为若干个闭塞分区, 为了保证各分区的行车安全, 列车必须遵循铁路行车规律进行组织, 要在确认区间内 (包括各闭塞分区) 没有列车的情况下, 才能进行发车, 以避免列车相撞或追尾等事故的发生。

依照规律组织行车的闭塞法在我国的铁路发展上应用多年, 主要采用64D和64F型继电半自动闭塞方式, 由于其只能限定一列列车在闭塞区间内运行, 因此在铁路负载较大的情况下, 已不能满足铁路列车行车的需要, 行车控制系统由半自动化转为自动化闭塞方向, 在历经了交流二元三位式的自动闭塞、交流计数电码自动闭塞、极频自动闭塞之后, 又发展到了下述的称频自动闭塞。

2.2 移频自动闭塞

移频自动闭塞由于其具有抗干扰的性能, 因而适用于不同的电气化和非电气化区段, 由我国自主开发研制的zpw-2000无绝缘移频自动闭塞就是在引进法国的UM71无绝缘轨道电路的基础上产生的, 它以频率参数作为信息传输的制式, 采用科学的调制方法, 将调制信号转移至载频段, 形成震荡, 由此显现出交替变化的“移频”波形, 系统自动将载频选在工频的偶次谐波上、区间选在工频的“奇次”谐波上, 从而加强了信号设备管理与控制, 可以对故障进行科学系统的分析。

zpw-2000无绝缘移频自动闭塞系统主要由室外、室内和系统防雷三部分构成:

(1) 室外装置

室外装置包括调谐区、机械绝缘节、匹配变压器、补偿电容、传输电缆、“调谐区”设备引接线等设备组成。

(2) 室内装置

室内装置由发送器和接收器组成, 发送器可以产生高稳定、高精度的“移频”信号源, 在同一载频、同一低频控制条件下, 进行双CPU电路的应用。接收器的功能是对主轨道电路“移频”信号进行解调, 同时还可以实现对相连的调谐区短小轨道电路“移频”信号进行解调。另外, 接收器还可以接收除本主轨道电路频率信号之外的相邻区段的短小轨道电路的频率信号, 在数字信号处理技术下实现两种频率信号之间的转换。

(3) 系统防雷

为了保护装置设备, 需要设置系统防雷装置, 在模拟网络盘内进行横向、纵向防护, 这一系统防护主要针对两个方面的雷电引入:其一是从电缆引入的雷电冲击;其二是从钢轨引入的雷电冲击。

总之, zpw-2000无绝缘移频自动闭塞系统与法国传入的UM71轨道电路具有更长的传输距离, 可以满足我国铁路行车的具体实情, 其系统性能价格比也得到了大幅的提升, 满足了“机车信号作为主体信号”的要求, 为铁路行车安全创造了条件。

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铁路移频 篇2

洋坊铁路位于新余市铁路与新余钢铁公司运输部 (站) 的交汇连接处, 是新余钢铁公司原材料以及产品等物资的重要中转站;随着新钢产能的大幅提升, 厂内与路局的进出货物量的日趋增加, 更增加了铁路安全运输的风险性与不确定性, 为了提升路局与我站的安全运输, 提高作业效率, 保障铁路运输的准确、安全。为此我单位在洋坊二期扩能改造工程过程中特意引进先进可靠的站内移频电码化系统, 以更加安全可靠的满足铁路运输工作的需要。

1概述

移频电码化系统, 是在电码化过程中沿轨道内同时发送动作轨道电路和动作机车信号两种信息的方式, 移频电码化信号可以以“叠加”的方式发往轨道, 码源信息可以连续不断地发送给指定的机车, 从而保障信息传递的实时性、连续性、可靠性。移频电码化系统的构成如图1所示。

利用轨道电路检测车列的占用情况, 利用闭环设备检测的电码化通过信息传输媒介 (轨道电路点式信息) 传输给安装在列车上的车载接受设备, 自动检控列车运行情况, 确保列车安全, 高效地运行。

2移频电码化系统的工作原理

每台机柜设计放置10套电码化设备, 每套电码化设备, 包括:发送器、采集发送检测器, 通过机柜内配线和室外设备相连, 由24V专用电源屏提供工作电源, 在通过在机柜内安装的发送器, 采集发送检测器, 完成所需功能。在信号系统设备中, 车站电码化是一个重要的组成部分, 他的投入使用能有效的加强站内行车的信息畅通的实时性、安全性, 为铁路运转工作保驾护航。该设备用于电化和非电化区段的站内电码化, 实现了站内轨道电路与ZPW—2000A型移频信号的叠加。

3结语

随着新余市洋坊铁路股份有限公司的移频电码化设备的运行, 势必加快调度计划工作的传输与处理能力, 进一步提高调度工作的管理与工作效率, 大大提高运转系统工作的安全可靠性, 在铁路运输管理和调度工作中发挥积极作用。

参考文献

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移频轨道电路信号检测技术的研究 篇3

数字电子技术和计算机技术的发展, 推动数字信号技术的飞速发展, 这为移频轨道电路信号的检测提供了强有力的支持。针对移频轨道电路信号的工作原理, 结合FFT快速傅里叶算法在移频轨道信号检测方面进行应用与研究。

1 移频轨道电路

移频自动闭塞的基础是移频轨道电路, 也是利用两根钢轨作为信息传输的通道。目前我国铁路上使用的轨道电路主要是ZPW-2000A无绝缘的移频自动闭塞, 本文主要是对该系统信号进行检测与研究。图1是ZPW-2000A移频轨道电路原理图。

2 FFT快速傅里叶变换

快速傅里叶变换是计算离散傅里叶变换的一种快速算法, 简称FFT。FFT算法利用对称性和周期性, 将大点数的DFT分解成若干小点数的DFT, 从而大大降低了DFT运算量和带来的积累量化误差。因此, 本文采用FFT对铁路移频信号进行检测研究。下面对FFT快速傅里叶变换进行简要的推理说明。

设N=2L, 将x (n) 按n的奇偶分为两组:

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式中X1 (k) 和X2 (k) 分别是x1 (n) 和x2 (n) 的N/2的DFT。

因此, X (k) 的前一半值由X (k) =X1 (k) +WkNX2 (k) 计算, 而后一半X (k) 值, 利用undefined。

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同理可得X2 (k+N/2) =X2 (k)

由Wundefined=Wundefined·Wundefined=-Wundefined

及前半部分X (k)

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可得后半部分X (k)

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可推出, N个点对应的DFTX (k) 可用下面两式来计算

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上两式可分别求出X (k) 的前一半值和后一半值。

由于X (k) =X1 (k) +WkNX2 (k) X (k) =X1 (k) -WkNX2 (k)

因此, 只要求出2个N/2点的DFT, 即X1 (k) 和X2 (k) , 就可求出全部X (k) 的值。相对于DFT, FFT算法的运算量大大减少。

3 移频轨道电路信号检测的Matlab仿真

用快速傅里叶算法对ZPW-2000A型移频自动闭塞系统的频率检测进行Matlab仿真, 我们以下行线载频1700-1 (1701.4Hz) , 低频频率10.3Hz, 频偏11Hz为例进行测试。测试结果如下:

图2是载频为1701.4Hz, 低频为10.3Hz的2FSK的Matlab仿真图。图3是经过1024点FFT变换后的频谱图, 图形显示的频率的分辨率很低, 通过ZFFT算法来提高分辨率 (程序中采样频率为605Hz) , 图4、5是ZFFT算法放大后的频谱图。

由图4和图5可算出:

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由以上两式可以得出载频频率的分辨率为0.005Hz;低频频率的分辨率为0.005Hz (0.005Hz<0.01Hz) 。通过计算可以看出, 频率分辨率达到了现场测试的要求。

4 系统硬件的构成

系统的总体功能是通过信号采集单元把轨道电路信号经过衰减/放大, 调整成标准信号, 通过有源模拟滤波器进行混叠滤波, 将滤波后的信号由A/D转换成数字信号送入DSP进行处理, 最后将处理后的结果实时显示或上传至上位机。

硬件平台的设计原理如图6所示, 主要由电源模块, 复位模块, 外部存储模块, CAN模块, JTAG接口模块, 采样模块, LCD显示模块组成。

5 系统软件设计

5.1 开发环境介绍

CCS5000是针对TMS320C55X系列DSP的集成开发平台, 能够将代码生成工具和代码调试工具集为一个整体, 可完成DSP系统开发过程的各个环节, 并将DSP的开发周期大幅度减少, 本文的软硬件调试就是在该环境下完成的。

5.2 采样频率的确定

铁路移频信号的调制方式是2FSK调制方式, 以载频信号f0为中心, 两边对称地分布着低频信号。2FSK调制信号是一个带通信号, 所以铁路移频信号也是一个带通信号。铁路移频信号的频谱能量主要分布在下边频f1和上边频fh之间, 铁路移频信号载频虽然高, 但携带的信号所占的带宽却很窄, 所以我们可以对其进行欠采样, 欠采样方式大大降低了采样后的数据量, 对分析信号的频谱来说非常重要。为了使有用信号不产生混叠现象采样率必须满足 :

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其中fs为采样频率。

以ZPW-2000A移频自动闭塞系统为例, 进行采样频率的确定。

当载频f0=1700Hz时:

信号的上、下边频分别为:

fh=1700+11=1711Hz;

fl=1700-11=1689Hz;

由 (1) 可得d=[fl/2B]=1689/22=76, 即K=0, 1, 2, …, 76。

所以可以得出下面一组数据:

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同理可依次可求的fc=2000, 2300, 2600时, 采样频率fs的取值范围。

根据计算结果, 本文决定采用fs=605Hz的欠采样频率。

5.3 数字信号处理整体程序设计

硬件设计的核心是数字信号处理芯片TMS320VC5510, 它将采集来的信号进行处理, 其软件设计流程如图7所示。

6 测试结果及实时性分析

将Matlab仿真程序移植到DSP上, 测试载频频率为1701.4Hz, 低频为10.3Hz, 测试结果见表1。

Hz

DSPC5510上1024点的FFT快速傅里叶算法所用时间为1.05ms, ZFFT时间为3.11 ms, 再加上A/D转换时间102us, 总共用时不超过5ms, 所以该系统能够满足实时性要求。图8为硬件仿真图。

7 结束语

介绍了铁路信号系统中轨道电路的状况, 并以ZPW-2000A移频自动闭塞系统为基础进行仿真实验。重点研究了基于FFT快速傅里叶变换的移频轨道电路信号检测技术, 利用Matlab软件进行了FFT快速傅里叶算法的仿真, 并对铁路移频轨道电路信号检测技术系统进行了系统硬件和软件的设计。最后通过软硬件相结合, 成功将FFT快速傅里叶变换运用到移频轨道电路信号检测中, 测试结果表明, 该系统能够提高ZPW-2000A型无绝缘移频轨道电路信号频率的检测效率和检测精度, 也给监测铁路信号带来了很大的方便。

摘要：介绍了FFT快速傅里叶算法在ZPW-2000A无绝缘移频自动闭塞系统中的研究, 用M atlab仿真软件对该系统中信息的调制和解调进行了仿真, 并在FFT快速傅里叶算法的基础上运用欠采样技术, 对系统中载频频率和低频频率的分辨率进行了研究。另外, 根据ZPW-2000A型无绝缘自动闭塞系统的特点和FFT快速傅里叶算法的硬件要求, 搭建了检测移频轨道电路信号的硬件平台。最后, 通过软硬件相结合, 成功将FFT快速傅里叶算法运用到移频轨道电路信号检测中。

关键词：移频轨道电路,快速傅里叶变换,欠采样

参考文献

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铁路移频 篇4

1 移频信号频谱特点分析

移频信号是相位连续的移频键控信号,是键控角度调制信号的一种,其时域表达式为

式( 1) 中,g( t) = ∫kf( t) dt是一个周期为T的三角周期函数,A0为移频信号的振幅,θ( t) 为移频信号的瞬时相位,ω0为载频的角频率,f( t) 表示低频调制方波信号,k为系数,代表移频器的灵敏度,单位是Hz/V。其波形如图1所示。

将式( 1) 用复数形式傅里叶级数表示,化简可得移频信号的频谱表达式如式( 2) 所示:

式( 2) 中,Ω1为基频,m为移频指数( m = Δf/f1,Δf为频偏,f1为低频调制频率) ,n为边频数,n =… - 2,- 1,0,1,2…。

当前在我国铁路干线上,使用的移频轨道电路制式主要包 括国产18信息型移 频轨道电 路和ZPW—2000型无绝缘 移频轨道 电路 ( 引进法国UM71无绝缘轨道电路技术并加以国产化) ,其频率参数配置如表1所示。

根据移频信号频谱表达式,可以得到两种制式轨道电路移频信号的理论振幅谱图,如图2图3所示。

由两种制式的移频信号极限低频时的理论振幅谱可以看出

1) 国产18信息型移频信号的频谱,关于中心频率左右对称,频谱具有双峰,将峰值最大的四个边频对应的频率,相加求和再求平均值就可以得到该移频信号的载频,两条相邻边频对应频率之差的绝对值则为该移频信号的低频调制频率。

2) ZPW—2000型移频信号的频谱,关于中心频率左右对称,频谱特征为单峰谱,振幅谱图中峰值处的频率值即为该移频信号的载频,两条相邻边频对应频率之差的绝对值则为该移频信号的低频调制频率。

各个频率分量幅度与幅度A0的比值,称为相对幅度,设载频分量的相对幅度值为H ,偶次边频分量的相对幅度值为He( n) ,奇次边频分量的相对幅度值为Ho( n) ,由式( 2) 可得:

对于国产18信息移频信号,由于载频的幅值较难确定,故可通过确定最高峰值左右两侧的n1和n2( 即同奇或同偶) 次边频幅值的比值来计算移频指数m ,再代入式( 6) 得到频偏值Δf。

当n1和n2为奇次边频时

当n1和n2为偶次边频时

对于ZPW—2000型移频信号,载频的幅值很容易确定,根据式( 3) 即可计算出m的值,再将m的值代入式( 6) 便可以得到频偏,即

最后可通过( f1为低频调制频率,f0为中心频率,Δf为频偏,fh为上边频,fl为下边频) 得到上、下边频的值。

2 基于频谱特点的移频信号解调

2. 1 采样频率的选取

对于ZPW—2000型移频信号,若采用满足采样定理的整周期采样,因其频率分辨率最大为0. 1Hz,而采样时间是频率分辨率的倒数,因此需要10 s的采样时间,不能满足测试的实时性要求,同时采样点数过多会给存储和计算带来很大麻烦。而由ZPW—2000型移频信号的频谱特点可以看出其有明显的窄带性质,可以通过欠采样的方法[9]将信号的采样频率降低至fs/ K ,在同样的频率分辨率下,采样点数就可以减少为原来的1 /K。同时,为了缩短采样时间,必须增大频率分辨率,进行非整周期采样。

由ZPW—2000型移频信号的频谱特点可知在计算频偏时至少需要用到载频左右第2次边频的幅值,为了能较准确的计算出频偏值,振幅谱图中至少左右第4次边频内的幅值是准确的,以最大的低频值29 Hz来计算,即至少在载频左右各116 Hz内要保证幅值准确,因此将上下限频率分别设置为1 880Hz和2 120 Hz( 取载频左右各120 Hz) ,由文献[9]可知,欠采样频率应为2 120 ~ 3 760 Hz之间( 取K = 1) 。

取采样频率为2 560 Hz,采2 048点,图4所示的是低频为10. 3 Hz时的振幅谱图,然而从图中可以得知中心频率为2 560 - 560 = 2 000 Hz,误差为0 Hz; 低频为 ( ( 570 - 560) + ( 560 - 550) ) /2 = 10 Hz,误差为 - 0. 3 Hz。

由仿真结果可以看出,载频误差为0,而低频因频率分辨力的原因还是误差较大,超过了误差指标±0. 03 Hz。

2. 2 移频信号频谱的矫正

利用欠采样技术改变采样频率及频率分辨率虽然缩短了采样时间和数据长度,但是利用其得到的频谱来计算移频信号参数,在准确性上还存在问题,究其原因,是因为在对有限样本进行处理的前提是对时域信号进行截断,然而时域截断会产生能量泄露,造成频率和幅值精度降低。再者,由于非整周期采样,在FFT离散频谱中,信号频率的谱线就会落在两条分析频率的谱线之间,这时由峰值谱线反映的频率和幅值就存在较大误差。因此利用谱线分布来确认移频信号的频率参数就需要很高的频率分辨率才能满足误差要求,然而很高的频率分辨率需要很长的采样时间来实现,这不符合移频信号检测实时性要求。因此,为了保证实时性,考虑利用对频谱分析中的误差进行校正的思想,将误差减小到指标以内。由于移频信号参数的计算与其频谱中的频率和相应幅值都有关系,所以在校正时,需要对频率和幅值都进行校正,因此考虑使用频谱重心校正法[11]。频谱重心校正公式与窗函数有关,矩形窗具有最窄的主瓣,但是其旁瓣最大,衰减速度也最慢。汉宁窗和海明窗的主瓣稍宽,但有较小的旁瓣和较大的衰减速度,海明窗的旁瓣衰减速度比汉宁窗慢,根据移频信号频谱特点选择汉宁窗来截取移频信号。

通过对移频信号进行2 048点的采样和加汉宁窗后的FFT,得到移频信号的频谱,对ZPW—2000型移频信号,由于是单峰谱,只需对最大幅值进行捕捉,即对2 048点的FFT结果进行循环比较得到幅值最大的点,并相应得到其对应的分析频率f =k( fs/ N) ,然后利用其左右两侧的分析频率和对应的幅值,通过文献[12]中汉宁窗的频率校正和幅值校正公式进行校正,从而得到实际峰值对应的频率和幅值,即得到了载频。对国产18信息型移频信号,由于是双峰谱,所以需要对两个峰值进行捕捉和校正,然后通过求和取平均的方法得到载频,低频和频偏的计算需要次大峰值和第三大峰值的捕捉和校正,方法与最大幅值的捕捉和校正相同。通过大量的仿真实验,该方法在频率分辨率为1 ~ 1. 5 Hz时都能准确计算出移频信号的参数,这就意味着采样时间被缩短到0. 67 ~ 1 s,大大提高了移频信号检测的实时性。

3 算法的移植和实测验证

实际的现场测试中,算法必须在微处理器上进行运算,所以必须对算法在实际微处理器上的运算时间和计算精度进行验证,以确定算法是否可以应用于实际。考虑到运算复杂度,采用TI公司的TMS320VC5509A作为算法的载体,利用C语言将算法实现并移植其中。

对于国产18信息型移频信号,采样频率选为2 560 Hz,而对于ZPW—2000型移频信号,当载频为1 700 Hz、2 300 Hz和2 600 Hz时采样频率选为2 048Hz,载频为2 000 Hz时选为2 560 Hz。同时,由于国产18信息型移频信号和ZPW—2000型移频信号的频谱特点不同,其相应的解调程序也有所区别。因此,在处理移频信号时,为了区分载频的类型和设置对应类型信号的采样频率及运行相应的解调程序,整个算法流程中需要两次FFT计算。算法流程如图5所示。

初始化后先进行少点数高采样频率的第一次采样进行载频的粗略计算以确定载频类型,从而确定第二次采样的采样频率,载频类型确定后采用对应的采样频率进行第二次采样并进行加窗和FFT计算以及解调处理( 即参数计算和校正处理) 得到移频信号的各个参数。这样便完成了移频信号参数的全自动测量,无需在测量前先手动设置移频信号的制式以及标称载频。

利用HP33120A型号的信号发生器产生两种制式移频信号标称频点的移频信号,通过采集芯片TLC320AC02采集并传 送给TMS320VC5509A进行运算。参数测试结果如表2所示。实验过程中,在程序里插入对某I /O引脚电平变化的控制,通过示波器来观察测试时间,测得每次检测时间约为1. 8 s,其中采样时间为1 s( 采样频率为2 048Hz时) 或0. 8 s( 采样频率为2 560 Hz时) ,与FFT运算相关的算法程序运行时间约为0. 6 s,与解调相关的算法程序运行时间约为0. 2 s。满足实时性要求。

由表2实测结果 可知,国产18信息型和ZPW—2000型移频信号的载频、频偏、低频调制频率的检测误差均满足指标( 载频最大误差0. 3 Hz,频偏最大误差0. 3 Hz,低频调制频率最大误差0. 03Hz) 要求。

4 结论

通过分析研究轨道电路移频信号的频谱特点,利用欠采样技术和汉宁窗频谱重心校正算法对移频信号参数进行了解算,并在基于DSP搭建的实验平台上对算法的运算时间和精度进行了实测验证。通过实测结果可知,国产18信息型和ZPW—2000型两种制式的移频信号的参数均能够在较短的时间内准确的检测出来,很好的解决实时性和精度之间的矛盾。同时使用该算法测试前无需再设置移频信号制式和标称载频,使移频信号检测更加智能化。

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