2FSK在鐵路信號(hào)上的應(yīng)用與分析

摘 要：隨著我國高鐵的建設(shè)和發(fā)展，列車引入了更多的自動(dòng)化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息傳輸需要依賴較多的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和相關(guān)濾波器、波形發(fā)生器等設(shè)備。目前，我國鐵道通信頻率調(diào)制信號(hào)采用的是2FSK，該信號(hào)包括調(diào)制和解調(diào)兩個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了鐵路信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，確保鐵路信息化工作的正常開展。文章分析了2FSK在鐵路信號(hào)上的應(yīng)用，提供一個(gè)現(xiàn)代化的多媒體圖像，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，便于人機(jī)交互。

關(guān)鍵詞：鐵路信號(hào)；調(diào)制解調(diào)；2FSK

隨著我國鐵路基礎(chǔ)建設(shè)的加快，鐵路運(yùn)輸已經(jīng)經(jīng)歷了3次大提速，從傳統(tǒng)的綠皮客車發(fā)展到了現(xiàn)在的子彈頭動(dòng)車，這些鐵路列車的運(yùn)輸均離不開鐵路信號(hào)自動(dòng)化技術(shù)。鐵路信號(hào)技術(shù)的發(fā)展和壯大已經(jīng)在多個(gè)部門得到了廣泛普及和使用，促進(jìn)了鐵路技術(shù)裝備的信息化、自動(dòng)化、智能化和共享化，能夠保證鐵路列車的安全可靠運(yùn)行。從技術(shù)上講，鐵路信號(hào)涉及很多方面，比如常見的區(qū)間自動(dòng)閉塞、列車自動(dòng)控制、車站連鎖和行車調(diào)度指揮等功能，其中關(guān)系最為直接的就是列車安全高速運(yùn)行技術(shù)，即列車的自動(dòng)控制技術(shù)，其可以利用載體傳輸軌道電路信息，實(shí)現(xiàn)列車的高速運(yùn)行。

1 2FSK應(yīng)用原理

數(shù)字頻率調(diào)制又被人們稱為頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK），數(shù)字頻移鍵控可以利用先進(jìn)的載波頻率發(fā)送、接收、傳輸數(shù)字信息，即所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率；二進(jìn)制頻移鍵控（2 Frequency Shift Keying，2FSK），其對(duì)應(yīng)的載波頻率可以使用符號(hào)1或0描述，符號(hào)1對(duì)應(yīng)載波頻率f1已調(diào)波形，符號(hào)0對(duì)應(yīng)載波頻率f2已調(diào)波形，f1和f2是兩個(gè)不同的載波頻率，兩個(gè)波形之間的轉(zhuǎn)變是在瞬間完成的，具體地，2FSK的形式化描述如公式（1）所示。

（1）

通過分析發(fā)現(xiàn)，2FSK信號(hào)可以看作是任意兩個(gè)不同載頻的ASK信號(hào)之間的疊加，因此可以把公式（1）改寫為公式（2）。

（2）

2FSK包括兩個(gè)過程，分別是調(diào)制和解調(diào)。調(diào)制原理就是使用任意兩個(gè)不同的頻率載波傳輸同一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字組成的序列，在實(shí)際的傳輸過程中，可以使用二進(jìn)制1對(duì)應(yīng)到載波頻率w1，使用0對(duì)應(yīng)到載波頻率w2，在這個(gè)調(diào)制過程中，可以使用矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對(duì)任意兩個(gè)不同的獨(dú)立源數(shù)據(jù)頭w1和w2進(jìn)行選擇通過，2FSK調(diào)制原理如圖1所示。

2FSK解調(diào)過程包括兩種方式，分別是相干解調(diào)方式和非相干解調(diào)方式。由于鐵路信號(hào)采用2FSK進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸多采用相干解調(diào)方式，因此本文重點(diǎn)闡述該模式。發(fā)送鐵路信號(hào)時(shí)，已調(diào)信號(hào)包括兩個(gè)載波頻率，這兩個(gè)載波頻率分別是w1和w2，相干解調(diào)可以采用任意兩個(gè)帶通濾波器進(jìn)行有效濾波，將其分離出來，獲取兩個(gè)載波w1和w2，然后針對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的濾波操作，再分別將濾波后的信號(hào)與載波相乘進(jìn)行相干解調(diào)，然后將乘積操作獲取的載波采用低通濾波器、抽樣判決器進(jìn)行采樣，輸出原理如圖2所示。

2 2FSK在鐵路信號(hào)中的應(yīng)用分析

隨著我國鐵路運(yùn)輸信息化的普及和發(fā)展，鐵路信號(hào)采用了先進(jìn)的頻移軌道電路，由于鐵路信號(hào)傳輸設(shè)備較多、波形制式也多，因此在保持邊頻精確度、相位連續(xù)、波形轉(zhuǎn)換的前提下，采用2FSK調(diào)制信號(hào)，提高了鐵路信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。鐵路2FSK信號(hào)采用的調(diào)制模式是相位連續(xù)，相位連續(xù)的優(yōu)勢(shì)是低頻調(diào)制信號(hào)，能夠有效地控制上下邊頻切換，同時(shí)保持波形連續(xù)過渡，這種調(diào)制模式也是2FSK調(diào)制應(yīng)用最多的一種，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，頻譜干擾成分較少。本文信號(hào)調(diào)制時(shí)采用82C54可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，該芯片是一個(gè)波形發(fā)生器，可以根據(jù)鐵路信號(hào)的傳輸需求改變方波頻率，動(dòng)態(tài)刷新內(nèi)部控制寄存器，并且可以從下一個(gè)波形輸出計(jì)數(shù)，保持波形的連續(xù)性和完整性，從而完成相位連續(xù)調(diào)制。

由于鐵路2FSK信號(hào)的時(shí)域波形圖屬于正弦波，實(shí)際運(yùn)行中可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的變頻信號(hào)屬于方波形式，因此需要在保持精確度不變的情況下轉(zhuǎn)換波形，鐵路信號(hào)2FSK波形轉(zhuǎn)換是采用集成電路低通濾波器完成，利用先進(jìn)的傅里葉變換理論，可以從時(shí)域映射到頻域，過濾掉高次諧波的頻譜分量，在保持頻率不變和精確度不降低的情況下，將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)。鐵路2FSK信號(hào)的變頻可以限制在音頻范圍內(nèi)，由于距離較近，中心頻率二次諧波的頻率遠(yuǎn)高于基波頻率，因此需要選擇一個(gè)低通濾波器，讓通過濾波器的頻帶處于上邊界和二次諧波頻率之間的合理范圍，并且能夠?qū)崿F(xiàn)上下變頻的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)良好的波形轉(zhuǎn)換。鐵路信號(hào)調(diào)制2FSK時(shí)采用美國馬克西姆公司研制的集成低通開關(guān)電容濾波器，把MOS電容、運(yùn)算放大器和電子開關(guān)集成在一起，通過電容的儲(chǔ)能、開關(guān)倒換、運(yùn)放隔離和放大作用，傳遞和處理鐵路信號(hào)。

3 結(jié)語

列車自動(dòng)化控制系統(tǒng)很多，鐵路信號(hào)設(shè)備也非常多，因此引入了2FSK，可以大大減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)工作量，擴(kuò)容和完善系統(tǒng)的邏輯業(yè)務(wù)功能，提供一個(gè)現(xiàn)代化的多媒體圖像，便于人機(jī)交互。另外，2FSK性能價(jià)格比高，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)的自診斷和故障定位，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

作者簡介：楊帆（1995— ），男，江蘇儀征，本科；研究方向：軌道交通信號(hào)控制。

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Abstract： With the construction and development of high-speed railway in our country， the train has introduced more automation systems， and the data transmission between these systems needs to rely on more digital， network technology， related filters， waveform generators and other equipment. At present， railway communication frequency modulation signal is used 2 frequency shift keying in our country， the signal includes modulation and demodulation of the two steps to achieve a stable transmission of railway signal， to ensure the normal development of railway information work. This paper analyzes the application of 2FSK in railway signal， and provides a modern multimedia image， which realizes remote control function and facilitates human-computer interaction.

Key words： railway signal； modulation and demodulation； 2 frequency shift keying