基于DSP的軌道電路移頻信號(hào)測(cè)試儀設(shè)計(jì)分析

摘 要：本文首先簡(jiǎn)要分析了移頻信號(hào)的基本定義，指出了解調(diào)算法的選取方法，最后分別從軟、硬件兩方面，探討了軌道電路移頻信號(hào)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)思路，望能為此領(lǐng)域設(shè)計(jì)研究提供些許借鑒。

關(guān)鍵詞：測(cè)試儀;DSP;軌道電路;移頻信號(hào)

當(dāng)前，伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)化發(fā)展，交通體系建設(shè)越發(fā)完善，各種交通設(shè)施持續(xù)推新與優(yōu)化;而無(wú)論是城際鐵路、提速鐵路，還是高速鐵路、客運(yùn)專線，軌道電路移頻信號(hào)都已成為其自動(dòng)閉塞的典型制式，同時(shí)還是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMS）、列車運(yùn)行監(jiān)控記錄器（LKJ）等的基礎(chǔ)地面信號(hào)。與此同時(shí)，針對(duì)軌道電路移頻信號(hào)來(lái)講，其對(duì)車-地間無(wú)線傳輸安全、傳輸時(shí)延及車載設(shè)備存儲(chǔ)負(fù)荷所帶來(lái)的影響也日漸增大。所以，全面、及時(shí)且準(zhǔn)確的獲取軌道電路移頻信號(hào)的當(dāng)前狀態(tài)，對(duì)于保障列車的安全、高效運(yùn)行，意義重大。當(dāng)采用常規(guī)移頻信號(hào)測(cè)試儀檢測(cè)移頻信號(hào)參數(shù)時(shí)，均采取的是傳統(tǒng)的選頻測(cè)量，也就是在測(cè)量開始前，需要先獲取所測(cè)移頻信號(hào)的標(biāo)稱載頻、制式，在完成手動(dòng)設(shè)置操作后，方能測(cè)量各類參數(shù)，操作繁瑣且機(jī)械。為了能夠?qū)⒋藛栴}有效解決掉，本文以DSP為基礎(chǔ)，對(duì)軌道電路移頻信號(hào)測(cè)試儀展開設(shè)計(jì)與分析。

1.移頻信號(hào)的基本定義

所謂移頻信號(hào)，從基礎(chǔ)層面來(lái)分析，即為以相位連續(xù)為典型特征的移頻鍵控信號(hào)，同時(shí)也是一種典型的鍵控角度調(diào)制信號(hào)。其時(shí)域表達(dá)式：

在此公式當(dāng)中，θ0 所表示的是移頻信號(hào)的基本振幅;ω 所表示的是載頻的角頻率;k表示系數(shù)，實(shí)際就是移頻器所對(duì)應(yīng)的靈敏度;f（t） 所表示的是低頻調(diào)制的方波信號(hào);θ（t） 表示的是移頻信號(hào)所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)相位。

2.解調(diào)算法的選取分析

在測(cè)量移頻信號(hào)時(shí)，最基礎(chǔ)性問題即為測(cè)量其頻偏、載頻及低頻調(diào)制頻率。當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)較多處于實(shí)用狀態(tài)的移頻信號(hào)參數(shù)解調(diào)算法，比如頻譜細(xì)化分析法（Zoom-FFT）及線性調(diào)頻Z變換分析法（CZT）等。針對(duì)Zoom-FFT法而言，其并未提升頻率分辨率，僅使整個(gè)計(jì)算的難度降低，其在提升頻率分辨率的情況下，采樣時(shí)間也隨之增加，因而難以滿足測(cè)試儀表的實(shí)時(shí)性要求;而對(duì)于CZT法而言，其盡管可以縮短采樣時(shí)間，并提升頻率分辨率，但會(huì)隨系統(tǒng)內(nèi)存增大，并且還會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜度。計(jì)算移頻信號(hào)參數(shù)通常與其自身頻譜中的頻率，以及幅值之間有緊密關(guān)聯(lián)，在進(jìn)行校正時(shí)，需要校正其幅值與頻率，所以，可選擇頻譜重心校正法。此方法能夠借助校正的思想，在比較短的時(shí)間內(nèi)，提升移頻信號(hào)參數(shù)的實(shí)際檢測(cè)精度，因而可以解決上述方法的不足。

3.軌道電路移頻信號(hào)測(cè)試儀設(shè)計(jì)思路分析

3.1硬件設(shè)計(jì)

3.1.1硬件電路的結(jié)構(gòu)分析

在選擇微處理芯片時(shí)，因解調(diào)算法的FFT運(yùn)算需2048點(diǎn)，有著比較大的數(shù)據(jù)量，而且整個(gè)計(jì)算過程比較復(fù)雜，因此，這無(wú)論是對(duì)處理器的內(nèi)存，還是對(duì)其運(yùn)算速度，均提出了嚴(yán)格要求;此外，由于所用儀器為便攜式儀器，這對(duì)處理器功耗也有比較高要求。本設(shè)計(jì)將TMS320VC5509A（16位定點(diǎn)DSP芯片）當(dāng)作微處理芯片（測(cè)試儀），并且在芯片的內(nèi)部還專設(shè)有RAM（256KB），最低功耗0.04mW/MIPS，而最高時(shí)鐘頻率是200MHz。針對(duì)外圍電路來(lái)講，其主要囊括信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、自動(dòng)量程切換等部分。移頻信號(hào)測(cè)試儀的工作過程為：借助鍵盤將測(cè)量啟動(dòng)。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，移頻信號(hào)分別經(jīng)前置信號(hào)調(diào)理電路、自動(dòng)增益控制電路處理后，與A/D轉(zhuǎn)換電路相連接，并依據(jù)特定的采樣速率，對(duì)調(diào)理后的信號(hào)實(shí)施模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終便可獲得移頻信號(hào)所對(duì)應(yīng)的離散值;而借助McBSP可以把所得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果持續(xù)向TMS320VC5509A傳送，最終便可以將低頻調(diào)制頻率、載頻及頻偏等給計(jì)算出來(lái)。

3.1.2采集電路設(shè)計(jì)

在整個(gè)測(cè)試儀當(dāng)中，采集電路為其基礎(chǔ)組成，其功能即為把處于模擬狀態(tài)的移頻信號(hào)向數(shù)字量轉(zhuǎn)換，后向TMS320VC5509A傳送，由其計(jì)算與處理;但需要指出的是，由于A/D與TMS320VC5509A之間存在接口問題，而且移頻信號(hào)的頻率特征也存在差異，如果選用14位，那么最高能提供的A/D采樣率為43.1kHz，另外，在其內(nèi)部還設(shè)置有模擬接口電路（AIC）與帶通抗混疊輸入濾波器（開關(guān)電容式）;而對(duì)于其模擬輸入來(lái)講，所用方式為差分輸入，能夠充分銜接于TMS320VC5509A。還需強(qiáng)調(diào)的是，測(cè)試儀僅需1片TLC320AC02，便能實(shí)現(xiàn)采集功能，因此，在調(diào)節(jié)或設(shè)定TLC320AC02的工作模式過程中，把其設(shè)為單機(jī)模式，也就是把M/S引腳與高電平相連接。而將通信接口連接于McBSP2接口（TMS320VC5509A），借助同步串口便能夠完成數(shù)據(jù)交換。

在輸入時(shí)，為了能夠消除噪聲，TLC320AC02選用的是差分模擬信號(hào)輸入方式，而移頻信號(hào)選擇的是單端信號(hào)，因此，在采集移頻信號(hào)時(shí)，需首先把移頻信號(hào)從之前的單端輸入方式向差分輸入方式轉(zhuǎn)換。

3.2軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)國(guó)產(chǎn)18信息型移頻信號(hào)來(lái)分析，其采樣頻率通常設(shè)定為2550Hz，而針對(duì)ZPW-2000型號(hào)的移頻信號(hào)來(lái)講，如果載頻分別為1700、2300、2600Hz時(shí)，那么在設(shè)定采樣頻率時(shí)，可選2048Hz，如果載頻處于200Hz狀態(tài)時(shí)，那么采樣頻率可選擇2550Hz。與此同時(shí)，因ZPW-2000型移頻信號(hào)與國(guó)產(chǎn)18信息型移頻信號(hào)之間有著不同的頻譜特點(diǎn)，那么其解調(diào)程序同樣會(huì)存在不同，所以，在對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)際處理時(shí)，為了能夠?qū)d頻類型進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分，需要設(shè)置與之相匹配的采樣頻率，并設(shè)定滿足運(yùn)行需要的解調(diào)程序;另外，在整個(gè)算法流程當(dāng)中，需連續(xù)進(jìn)行2次的FFT計(jì)算。而在初始化后，首先需要少點(diǎn)數(shù)的采樣信號(hào)，并且有比較高的采樣頻率，之所以要這樣做，主要目的就是將采樣時(shí)間予以縮短，因?yàn)槭状尾蓸拥闹饕康木褪菍?duì)所采移頻信號(hào)載頻的范圍給予明確，無(wú)需比較高或較準(zhǔn)確的頻率分辨率。而將移頻信號(hào)所對(duì)應(yīng)的載頻范圍予以明確后，便能選擇與之相對(duì)應(yīng)的采樣頻率，開展第2次采樣，并進(jìn)行FFT運(yùn)算，后開展解調(diào)處理。當(dāng)將各頻率參數(shù)都結(jié)算出來(lái)后，便可輸出參數(shù)計(jì)算結(jié)果，并將其顯示出來(lái)，如此一來(lái)，便能夠全自動(dòng)化的測(cè)量移頻信號(hào)參數(shù)。不需要在操作開始前以手動(dòng)方式對(duì)移頻信號(hào)的制式進(jìn)行設(shè)置，也無(wú)需手動(dòng)設(shè)定載頻的類型，測(cè)試儀在開機(jī)后能夠把待測(cè)選項(xiàng)自動(dòng)設(shè)定為移頻信號(hào)，僅需按下確認(rèn)鍵，便能夠自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上，本文借助以FFT為基礎(chǔ)的頻譜校正算法，將其當(dāng)作解調(diào)移頻信號(hào)的基本算法，并以TMS320VC5509A為基礎(chǔ)，開展了軌道電路移頻信號(hào)測(cè)試儀軟、硬件的設(shè)計(jì)，從中得知，無(wú)論是ZPW-2000型移頻信號(hào)，還是國(guó)產(chǎn)18信息型，其參數(shù)都可以在比較短的采集時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，更為高效與實(shí)用，能夠滿足相關(guān)需要。

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作者簡(jiǎn)介：

洪瑋（1996.06.22），男，漢，安徽省安慶市.