基于FPGA車地通信解調的設計與實現

閆 琦

(北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073)

基于FPGA車地通信解調的設計與實現

閆 琦

(北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073)

TWC系統是信息傳輸的媒介，在整個系統中起著承上啟下的作用，是滿足車載ATC設備對信息傳輸和精確停車要求的關鍵系統。隨著ATC的發展，既有TWC已經逐漸不能滿足需求，需要對其通信速率進行升級。針對既有TWC存在的問題，探討TWC的改進方案與實現方式，提升列車停車精確度，減小芯片停產造成的系統停用風險。

TWC系統；FPGA；車載ATP設備

1 概述

FZL300型ATC系統采用H10型車地通信環線（TWC）實現車地通信，可以把聯鎖的屏蔽門信息和ATS的ATO控車信息（包括站停時間、系統時鐘、運行等級等信息）發送給車載ATC設備，同時把車載ATC設備的狀態信息和停穩停準信息發送給聯鎖和ATS[1]。

TWC系統在ATC系統中起著信息傳遞的作用，TWC系統把車載停穩停準等信息發送給聯鎖和ATS，同時把聯鎖發出的屏蔽門信息和ATS發出的信息傳遞給列車。當列車進站時，TWC系統從同步載頻中提取出過交叉點信息，發送給車載ATP和ATO，用于精確停車。

TWC是利用電磁感應原理實現軌旁環線和車載環線之間的信號傳輸，利用FSK（頻移鍵控）實現數字信號的模擬傳輸。

TWC目前使用的有FZL.H10型TWC和FZL.H20型TWC；隨著通信需求的增大，已有的TWC存在通信速率低的問題，目前還面臨解碼芯片停產等問題，因此需要對TWC進行改進升級。

2 TWC的改進

為解決通信速率低、解碼芯片供應量不穩定的問題，本文探討使用FPGA替代既有解碼芯片實現信號的調制解調，從根本上對TWC系統進行優化，改進后TWC系統框如圖1所示。

軌旁TWC室內設備由編解碼板、功放濾波解調板和電源板組成。編解碼板通過CAN或者以太網接收聯鎖或者ATS的信息，并將此信息通過串口傳送至功放板中，功放板經過FSK編碼，將比特流中1調制為頻率為110 k的正弦信號，0調制為頻率為100 k的正弦信號；經過放大器將輸出信號輸出至軌旁TWC室外設備即短環線。濾波解調板通過短環線接收車載天線傳送的信號，經過解調得到數據幀，通過串口發送到編解碼板中，編解碼板將數據幀返回到聯鎖或ATS中。

圖1 改進后TWC系統框圖

車載TWC設備與軌旁類似，通過發送接收天線與地面短環線進行數據傳輸，編解碼板與車載ATP和ATO進行通信，同時，向功放板傳輸數據，通過解調發送至發送天線，濾波解調板對接收天線接收到的信號進行解調，得到數據幀，通過串口發送至編解碼板。

3 TWC改進方案的實現

濾波解調板將接收的信號經過100 k的濾波器，再經過AD電路采集接收到的信號，在FPGA中對該信號進行處理，得到最終的數據幀，通過串口發送到編解碼板，如圖2所示。

圖2 濾波解調板結構圖

FPGA中，首先產生頻率為90 k的正弦信號，將采集到的信號經過混頻得到低頻的10 k和20 k信號。利用FPGA自帶的IP核可產生所需的正弦信號。混頻后需通過一個低通濾波器濾去產生的高頻信號。

低通濾波器一般采用FIR濾波器實現，但是FPGA資源有限，FIR濾波器需要大量的乘法器，且采用頻率高，濾波器需要工作在很高的頻率，造成的功耗也比較大。因此采用CIC濾波濾去高頻[2]。CIC濾波主要參考采樣頻率、降采樣率、阻帶衰減等來確定參數，可以通過Matlab仿真來獲取參數。CIC抽取濾波器結構如圖3所示。

圖3 CIC抽取濾波器結構圖

經過CIC濾波得到10 k和20 k固定頻率的信號，可以通過相干解調實現信號的解調。相干解調也叫同步檢波，它適用于所有線性調制信號的解調。實現相干解調的關鍵是接收端要恢復出一個與調制載波嚴格同步的相干載波。恢復載波性能的好壞，直接關系到接收機解調性能的優劣，因此需要對載波進行同步。設置傳輸的同步碼為0101，對CIC濾波后的信號與0101的波形進行調制，檢測得到同步的位置，從而實現對一幀數據的解調。在FPGA中存儲10 k和20 k的0、45°、90°、135°相位的波形，與CIC之后信號進行調制，通過對比即可得到該位的比特流。CIC濾波器Matlab仿真如圖4所示。

4 改進后的結果

使用Modelsim進行仿真，給定輸入為頻率100 k和110 k的FSK信號，數據碼率為10 kbit，數據開始發送同步碼0101。AD采集精度為12位，采樣率為2 M。利用DDS產生90 k的正弦信號，與輸入信號進行混頻，利用CIC濾波器濾掉高頻信號，得到10 k和20 k的低頻信號。再將低頻信號與FPGA中存儲的0101信號（預存8個相位的信號）進行卷積，當卷積結果超過閾值時即視為同步有效。同步點后，對10 k的信號分別與預存的10 k和20 k信號（相位與同步得到的一致）分別進行卷積，得到的較大結果即為對應的比特位，從而實現最終的解調。CIC濾波Modelsim仿真如圖5所示。

仿真可以看到，混頻之后能夠得到低頻信號，但是仍然有較大的高頻混疊。經過CIC濾波和CIC補償之后，可以得到較好的低頻波。

信號調制后，通過與預存的0101信號進行卷積，最終得到同步點，如圖6所示。

圖4 CIC濾波器Matlab仿真

圖5 CIC濾波Modelsim仿真

圖6 同步點計算Modelsim仿真

在同步點后對信號進行相干解調，通過仿真可以看到，對于每一個比特，其與頻率相同的波形進行調制能夠得到較大的值；相反，與另一個頻率的波形進行調制結果則比較小，即基本滿足正交得到的效果。通過兩個波形調制后得到結果即可判斷當前比特為0還是1，從而實現對數據的解調。通過串并轉換可解析到當前幀的數據。通過仿真可以看出，改進后TWC的解調可以得到很好的效果，通信速率可由1.2 kbit/s提升至10 kbit/s。由于AD采集精度較高，實際測試時在較小幅度下的波形仍然可以解析到，基本可以滿足現場的使用。相關解調Modelsim仿真如圖7所示。

圖7 相干解調Modelsim仿真

5 結論

本文研究的TWC系統采用FPGA代替解碼芯片，不僅將TWC系統的通信速率提升將近10倍，而且規避了解碼芯片停產可能造成的成本提升或停產風險。FPGA為可編程邏輯器件，兼容性較強的FPGA可由其他FPGA完美代替，無需變更系統設計。且FPGA具備編程的靈活性，便于日后進一步升級。

[1]孫吉良.中低速磁浮交通運行控制系統車地雙向通信設備的研究[J].鐵路通信信號工程技術，2013，10（5）：52-57.

[2]蓋鵬翱，趙笛.CIC濾波器的原理及FPGA實現[J].無線通信技術，2005（4）：52-55.

As the transmission medium, TWС system transmits information among different equipment, and it is a key system for meeting requirements of onboard ATС equipment for information transmission and train stop accuracy. With the development of ATС, the existing TWС system cannot meet the requirements of ATС, so it is necessary to improve the communication rate of the TWС system. This paper discusses the improvement solution of the TWС system and implementation methods in view of the problems of the existing TWС system, in order to improve train stop accuracy and reduce risks of the system due to suspend production of chips.

TWС system; FPGA; on-board ATP equipment

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.013

2014-05-16）