基于OMAPLI1X的軌道移頻信號測試系統的軟件設計

楊明極，李世宇

（哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

基于OMAPLI1X的軌道移頻信號測試系統的軟件設計

楊明極，李世宇

（哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

在軌道信號檢測中，如何高精度的檢測出當前的軌道移頻信號一直是保證列車安全運行的重要課題。根據我國軌道移頻信號的特點，在采用OMAP L137芯片為主的硬件平臺下，采用欠采樣和ZFFT的方法對移頻信號進行檢測，并闡述將算法在硬件平臺下實現的流程，為便攜式測試儀的設計提供基礎。該系統實時性高，穩定性好，可擴展性強。

移頻信號；欠采樣；ZFFT；OMAP

鐵路信號設備是鐵路運輸的基礎設施，也是保證行車安全，提高運輸效率和改善勞動條件的重要設備。我國的軌道電路從80年代相繼使用從法國引進的UM71無絕緣軌道電路和國產18信息無絕緣移頻軌道電路[1]。在我國的鐵路軌道電路中采用的是相位連續的移頻鍵控（FSK）信號[2]。在本文中主要論述基于UM71無絕緣軌道電路的移頻信號的檢測。在鐵路系統中針對鐵路行車安全對檢測精度的要求，如何準確的檢測出軌道信號的各個參數，既：信號的低頻和載頻，是現今鐵路安全高效運行的重要課題之一。筆者以研制國內集成度高，實時性好，抗干擾能力強的智能化便攜式鐵路移頻信號參數測試儀為背景，基于OMAP芯片的軌道移頻信號測試儀的軟件設計。在符合我國鐵路對檢測精度的要求下，研究一種檢測軌道信號特征頻率的算法，并在硬件條件下實現。

1 移頻信號特征

1.1 軌道移頻信號

當前我國的移頻信號主要有兩種：

1）國產18信息軌道移頻信號：載頻頻率f0為上行線650Hz及 850 Hz，下行線 550 Hz 及 750 Hz[1]；頻率偏移為±55 Hz；低頻頻率 7～26 Hz。

2）UM71無絕緣軌道信號：載頻頻率f0為上行線2 000 Hz及 2 600 Hz，下行線 1 700 Hz及 2 300 Hz；頻率偏移為±11 Hz；低頻頻率 10.3～29 Hz。

1.2 軌道移頻信號的頻譜特點

圖 1 的（a）中信號載頻f0=1 700 Hz，（b）中的載頻f0=550 Hz。各頻率分量幅度與信號幅度A0之比值稱為相對幅度H，其分布如下：

圖1 移頻信號頻譜圖Fig.1 Frequency-shift signal spectrum diagram

根據式（2）、（3）、（4）可以得出：

1）在確定頻率下，n的取值接近于m，則可以使相對幅度Ho或He為最大；

2）對于UM71軌道移頻信號，m小于且接近于1，所以當n=1時Ho最大，因此只需確定一次邊頻分量，就能確定低頻調制信號頻率[2]；

3）對于國產18信息軌道移頻信號，m大于1，所以要確定m2-n2最小時對應的兩個最大的邊頻分量。

2 移頻量的確定

對于軌道移頻信號主要有3個測試參數：信號的載頻，信號的低頻以及信號的上下邊頻。

1）載頻的確定：對于UM-71只是的移頻信號，頻譜為單峰，他的譜線幅度最大處的值既是信號的載頻。

2）低頻的確定：無論是UM-71，還是國產18信息，其兩相鄰邊頻之間的差值即為低頻。

3）頻偏的確定：由公式Δ f=f1×m可確定信號的頻偏。

3 軌道移頻信號參數檢測算法的比較

傳統的信號檢測方法是采用時域分析方法，這種方法的缺點是：分辨率不高，抗干擾能力不強，隨著數字信號處理以及信號處理器（DSP）的快速發展，越來越多的采用頻域檢測方法。

3.1 脈沖計數法

脈沖技術法[4]主要應用于UM71軌道移頻信號的載頻和低頻的測量。

3.1.1 載頻的測量

對于UM71軌道信號它的載頻信號有4種，而且這4種頻率在數值上間隔比較大，因UM71軌道電路自身傳送的載頻信號有4種，且4種頻率數值間隔較大，因此對鐵軌傳來移頻信號作過零的比較，即可得到與載波信號相同頻率的脈沖波形，將波形傳送進單片機計數單元，利用單片機的測頻率法，就可以得到移頻信號的瞬時頻率值。又由于移頻信號的頻偏遠小于相鄰載波信號的差值，適當進行標定，即可得到載波頻率值。

3.1.2 低頻的測量

對鐵軌傳來的移頻信號作過零比較，得到與載波信號同頻率的脈沖波形，然后送單片機計數單元，利用單片機測頻率法，即可得到移頻信號的瞬時頻率值。又因移頻信號的頻偏遠小于相鄰載波信號的差值，適當進行標定，即可得到載波頻率值。

圖2 脈沖計數式鑒頻原理圖Fig.2 Pulse-counting-type frequency discriminator schematic

脈沖計數法實現簡單，硬件可采用低功耗單片機，但隨著鐵路信號的發展，這種方法的檢測精度已經達不到我國特路信號檢測的標準。

3.2 過零檢測法

設 u（t）為正弦量[5]，即：

u（t）的波形如圖 3 所示，t1，t3為 u（t）過零點，信號的頻率f可由 t1，t3確定：

圖3 正弦電壓連續波形Fig.3 Continuous sinusoidal voltage waveform

設 u（t）采樣值為 u（k），其中：k=1、2、3…u（k）的波形如圖4所示。

先判斷前后的兩點電壓的采樣值符號是否相反，若兩點符號相反，如m-1、m點，表明在m-l到m這一時間段內某一時刻，電壓穿過零點，兩點的符號發生了改變。則要求出過零點t1的值?？梢圆捎镁€性插值方法求t1。設Δt為采樣間隔，采樣點 m-1處電壓值是 u（m-1），m 點的電壓值是 u（m），由此在 m-1，m 點之間 t1，t3的值為:

圖4 正弦電壓采樣波形Fig.4 Sinusoidal voltage waveform sampling

將 t1，t3代入式（6），則可得 t1到 t3時段內平均系統頻率f，實現對頻率的實時估算。

3.3 運用FFT算法

FFT的基本思想[6]就是通過蝶形運算的方法來減少算法所需的運算量，每一級運算都只需要N/2次復數乘和N次復數加。它在頻域內具有完全的局部化特性，通過對信號進行N個采樣點的頻率采樣，就可以計算出各個頻率點對應的信號幅值特征，從計算結果我們可以很容易的看出信號的頻譜特性。因此通過對FFT計算結果的分析，可以得到信號的頻率特征，包括上、下邊頻，中心頻率，帶寬和低頻頻率。

4 高精度軌道信號檢測算法的實現

文中采用欠采樣和ZFFT的算法實現軌道信號的檢測。

4.1 欠采樣與ZFFT算法的原理

4.1.1 欠采樣定理

由于移頻信號是窄帶信號，若根據奈奎斯特采樣定理，那么就會使0～fL一大段頻譜空隙得不到利用，其中fL為下限頻率，fH為上限頻率。欠采樣定理指出，當帶寬為B=fH-fL時，只要最小抽樣頻率fs滿足：

4.1.2 ZFFT算法

ZFFT算法是利用傅里葉變換移頻性質，將關心的高頻段的頻率移至頻率軸原點，之后降低采樣頻率再重新采樣以獲得較高的頻率分辨率。圖5為ZFFT的原理圖。其中L為移頻量，N為FFT點數。

圖5 ZFFT原理圖Fig.5 Fundamental diagram of ZFFT

ZFFT的算法具體實現有3個步驟：

首先將感興趣的信號頻譜的中心頻率搬移到較頻率軸零點附近，為低通濾波做準備。第二步進行低通濾波，提取濾掉不需要的頻率。然后進行重采樣，進一步降低信號采樣頻率，抽樣間隔為M，最后進行FFT運算，這時信號分辨率將提高到:

4.2 算法的實現

4.2.1 硬件介紹

根據以上提出的算法，選擇了OMAP L137芯片，它有高速的處理速度、但同時功耗低。它是一款雙核芯片，其內含TMS320C674x的DSP內核和ARM926EJ-S的ARM內核。其DSP內核指令運算周期為0.274 ns，并具有每秒2 736百萬次浮點運算的能力，滿足算法實現的要求。文中主要應用DSP部分實現信號的檢測。

4.2.2 算法的實現流程

對于UM71軌道信號，將它的4種載頻分別代入式（9），可得出欠采樣頻率的取值范圍[5]。

為了簡化程序，我們采用同一個采樣頻率，通過計算fs=600 Hz的欠采樣頻率，同時，由欠采樣性質：采樣后，各區的頻譜是完全相同的，通過計算，得出欠采樣前后頻率對應關系見表1。

表1 欠采樣前后載頻對照表Tab.1 Around the carrier frequency due to the sampling table

1）載頻檢測的模塊

對于載頻的檢測是采用欠采樣和FFT同時對照表1計算得出。算法的流程如圖6所示。

圖6 載頻檢測的流程Fig.6 Flow chart of the carrier frequency detection

2）低頻的檢測

低頻檢測的軟件設計是依據前文提到的ZFFT的算法。主要包括：頻譜搬移，低通濾波，抽取和FFT。具體流程圖如圖7所示。

圖7 低頻信號檢測流程Fig.7 Flow chart of the low-frequency signal detection

5 結 論

文中研究了軌道移頻信號特征頻率的檢測算法，用欠采樣的方法較低采樣頻率同時又保證頻率分辨率，又用ZFFT

實現頻譜細化進一步提高低頻信號的頻率分辨率。并在高速雙架構芯片OMAPL137上實現軌道移頻信號的檢測，給出算法的流程圖。經驗證，可以達到我國對軌道信號檢測精度的要求：載頻頻率誤差≤0.3 Hz，低頻調制頻率誤差≤0.3 Hz，頻率分辨率≤0.1 Hz，為設計高精度，低功耗的軌道移頻測試儀提供基礎。

[1]湯長春.軌道信號特征頻率提取[D].武漢：武漢科技大學，2007.

[2]Vitetta G M，Mengali U，Taylor D P.Error probability of FSK incoherentdiversity reception with fastrice fading[J].Wireless Information Networks，1999，6（2）:107-118.

[3]焦偉琪.軌道移頻信號檢測技術的研究[D].長沙：中南大學，2009.

[4]高振天，張燕麗，王永剛.UM71軌道電路移頻信號測試系統的實現[J].艦船科學技術，2009（29）:109-110.

GAO Zhen-tian，ZHANG Yan-li，WANG Yong-gang.UM71 track circuit shift frequency signal testing system is realized[J].Ships to Science and Technology，2009（29）:109-110.

[5]錢時祥，江煒寧，周增建，等.一種基于DSP的高精度頻率測量方法[J].電測與儀表，2009（4）:17-20.

QIAN Shi-xiang，JIANG Wei-ning，ZHOU Zeng-jian，et al.A high frequency measurement based on DSP methods[J].Electric Measurement and Instrumentation，2009（4）:17-20.

[6]金玨，楊旭光.高精度軌道移頻信號參數檢測儀的設計[J].中國鐵路，2009（7）:45-50.

JIN Jue，YANG Xu-guang.High precision orbitalshift frequency signal parameters detector design[J].China Railway，2009（7）:45-50.

Soft design of the railway frequency-shift signal testing system based on OMAPLI1X

YANG Ming-ji，LI Shi-yu
（College of Measure-control Technology and Communication Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin150080，China）

In the railway signal detection，how to detect the present railway frequency shift signal precisely has been always a hot issue on ensuring the train working safely.According to the characteristic of the railway frequency shift signal of our country， based on the hardware platform primarily on OMAPL137 chip， we use under the method of sampling and ZFFT to detect the frequency shift signal，and we also state how the algorithm realize on the hardware platform，which is the foundation of the design of the portable tester.This system is quite real-time，and it has a high stability and a strong extensibility.W

frequency shift signal； under sampling； ZFFT； OMAP

TP302

A

1674－6236（2012）05-0051-04

2011-12-29稿件編號：201112159

楊明極（1971—），男，遼寧開原人，博士，教授。研究方向：語音信號處理，嵌入式系統。