基于DSP的軌道電路移頻信號測試儀設(shè)計分析

摘 要：本文首先簡要分析了移頻信號的基本定義，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測試儀的設(shè)計思路，望能為此領(lǐng)域設(shè)計研究提供些許借鑒。

關(guān)鍵詞：測試儀;DSP;軌道電路;移頻信號

當前，伴隨社會經(jīng)濟的持續(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;而無論是城際鐵路、提速鐵路，還是高速鐵路、客運專線，軌道電路移頻信號都已成為其自動閉塞的典型制式，同時還是動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DMS）、列車運行監(jiān)控記錄器（LKJ）等的基礎(chǔ)地面信號。與此同時，針對軌道電路移頻信號來講，其對車-地間無線傳輸安全、傳輸時延及車載設(shè)備存儲負荷所帶來的影響也日漸增大。所以，全面、及時且準確的獲取軌道電路移頻信號的當前狀態(tài)，對于保障列車的安全、高效運行，意義重大。當采用常規(guī)移頻信號測試儀檢測移頻信號參數(shù)時，均采取的是傳統(tǒng)的選頻測量，也就是在測量開始前，需要先獲取所測移頻信號的標稱載頻、制式，在完成手動設(shè)置操作后，方能測量各類參數(shù)，操作繁瑣且機械。為了能夠?qū)⒋藛栴}有效解決掉，本文以DSP為基礎(chǔ)，對軌道電路移頻信號測試儀展開設(shè)計與分析。

1.移頻信號的基本定義

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

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

2.解調(diào)算法的選取分析

在測量移頻信號時，最基礎(chǔ)性問題即為測量其頻偏、載頻及低頻調(diào)制頻率。當前已經(jīng)出現(xiàn)較多處于實用狀態(tài)的移頻信號參數(shù)解調(diào)算法，比如頻譜細化分析法（Zoom-FFT）及線性調(diào)頻Z變換分析法（CZT）等。針對Zoom-FFT法而言，其并未提升頻率分辨率，僅使整個計算的難度降低，其在提升頻率分辨率的情況下，采樣時間也隨之增加，因而難以滿足測試儀表的實時性要求;而對于CZT法而言，其盡管可以縮短采樣時間，并提升頻率分辨率，但會隨系統(tǒng)內(nèi)存增大，并且還會增加計算的復(fù)雜度。計算移頻信號參數(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)，在進行校正時，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，在比較短的時間內(nèi)，提升移頻信號參數(shù)的實際檢測精度，因而可以解決上述方法的不足。

3.軌道電路移頻信號測試儀設(shè)計思路分析

3.1硬件設(shè)計

3.1.1硬件電路的結(jié)構(gòu)分析

在選擇微處理芯片時，因解調(diào)算法的FFT運算需2048點，有著比較大的數(shù)據(jù)量，而且整個計算過程比較復(fù)雜，因此，這無論是對處理器的內(nèi)存，還是對其運算速度，均提出了嚴格要求;此外，由于所用儀器為便攜式儀器，這對處理器功耗也有比較高要求。本設(shè)計將TMS320VC5509A（16位定點DSP芯片）當作微處理芯片（測試儀），并且在芯片的內(nèi)部還專設(shè)有RAM（256KB），最低功耗0.04mW/MIPS，而最高時鐘頻率是200MHz。針對外圍電路來講，其主要囊括信號采集、信號調(diào)理、自動量程切換等部分。移頻信號測試儀的工作過程為：借助鍵盤將測量啟動。在實際測量時，移頻信號分別經(jīng)前置信號調(diào)理電路、自動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，對調(diào)理后的信號實施模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終便可獲得移頻信號所對應(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、載頻及頻偏等給計算出來。

3.1.2采集電路設(shè)計

在整個測試儀當中，采集電路為其基礎(chǔ)組成，其功能即為把處于模擬狀態(tài)的移頻信號向數(shù)字量轉(zhuǎn)換，后向TMS320VC5509A傳送，由其計算與處理;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）;而對于其模擬輸入來講，所用方式為差分輸入，能夠充分銜接于TMS320VC5509A。還需強調(diào)的是，測試儀僅需1片TLC320AC02，便能實現(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，為了能夠消除噪聲，TLC320AC02選用的是差分模擬信號輸入方式，而移頻信號選擇的是單端信號，因此，在采集移頻信號時，需首先把移頻信號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

針對國產(chǎn)18信息型移頻信號來分析，其采樣頻率通常設(shè)定為2550Hz，而針對ZPW-2000型號的移頻信號來講，如果載頻分別為1700、2300、2600Hz時，那么在設(shè)定采樣頻率時，可選2048Hz，如果載頻處于200Hz狀態(tài)時，那么采樣頻率可選擇2550Hz。與此同時，因ZPW-2000型移頻信號與國產(chǎn)18信息型移頻信號之間有著不同的頻譜特點，那么其解調(diào)程序同樣會存在不同，所以，在對移頻信號進行實際處理時，為了能夠?qū)d頻類型進行準確區(qū)分，需要設(shè)置與之相匹配的采樣頻率，并設(shè)定滿足運行需要的解調(diào)程序;另外，在整個算法流程當中，需連續(xù)進行2次的FFT計算。而在初始化后，首先需要少點數(shù)的采樣信號，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間予以縮短，因為首次采樣的主要目的就是對所采移頻信號載頻的范圍給予明確，無需比較高或較準確的頻率分辨率。而將移頻信號所對應(yīng)的載頻范圍予以明確后，便能選擇與之相對應(yīng)的采樣頻率，開展第2次采樣，并進行FFT運算，后開展解調(diào)處理。當將各頻率參數(shù)都結(jié)算出來后，便可輸出參數(shù)計算結(jié)果，并將其顯示出來，如此一來，便能夠全自動化的測量移頻信號參數(shù)。不需要在操作開始前以手動方式對移頻信號的制式進行設(shè)置，也無需手動設(shè)定載頻的類型，測試儀在開機后能夠把待測選項自動設(shè)定為移頻信號，僅需按下確認鍵，便能夠自動進行測量。

4.結(jié)語

綜上，本文借助以FFT為基礎(chǔ)的頻譜校正算法，將其當作解調(diào)移頻信號的基本算法，并以TMS320VC5509A為基礎(chǔ)，開展了軌道電路移頻信號測試儀軟、硬件的設(shè)計，從中得知，無論是ZPW-2000型移頻信號，還是國產(chǎn)18信息型，其參數(shù)都可以在比較短的采集時間內(nèi)，進行準確檢測，更為高效與實用，能夠滿足相關(guān)需要。

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作者簡介：

洪瑋（1996.06.22），男，漢，安徽省安慶市.