一种用于无线列调信令软件解码的算法

吕宗武

一种用于无线列调信令软件解码的算法

吕宗武

摘 要：介绍了一种对无线列调信令解码的独特算法。通过分析传统的信号处理方法，找到了一种简便、快速而又实用的方法，取名“三点法”，并用数字信号处理器DSP加以实现，在实际应用中得到很好验证。

关键词：无线列调;三点法;数字信号处理器

在2000年左右，铁路列调产品上使用的亚音频信号 (300Hz以下)及音频信号 (300～3400Hz)，其检测是通过硬件芯片来完成的。近年来随着使用标准要求的提高，该检测方法已难以适应。比如：①要求被检测信号要在1%(或可变)范围内才有效;②要求解码混在一起的多种信号。这样原来的硬件解码就存在稳定性差、可靠性不高，适应性差，无法应对多种需求等不足。就需考虑一种好的软件解码算法，依靠数字信号处理器DSP芯片强大的运算能力，完成信号解码。

1 一般的亚音频信号软件解码算法

亚音频信号软件解码算法很多，大体上可分为2类：一类是时域的，一类是频域的。但不一定能满足某些特别要求。

1.1 时域处理方法

对于干净的单一信号，时域的处理方法可以对低频信号测周期，对高频信号测频率，还能保证精度。但如果信号里混有各种噪声，且噪声比信号还大，时域的处理方法就有问题了，虽说可以滤波，但效果并不理想。特别要检测混在一起的几种信号，就不大可能了。

1.2 频域处理方法

频域的处理方法可以用离散傅里叶变换DFT。图1是186.2 Hz的信号，以1200 Hz频率采样，分别用DFT计算采样点数N为200(上图)和1200(下图)的频谱。

图1 186.2Hz信号频谱图

很明显，计算的采样点越多，分辨率越高。如果用DFT计算200个采样点，分辨率为1200/200=6 Hz;如果计算1200个采样点，分辨率为1200/1200=1 Hz。如果要求能准确检测1%的信号，则分辨率要能达到0.2%以下才能正常应用。比如对186.2 Hz的信令，分辨率需要在0.4 Hz以下，才能在1%的范围内准确判断有无一个极大值点。如果用 DFT计算频谱，采样频率为 fS=1200 Hz，那么至少需要采1200/0.4=3000点，采样持续时间要2 s多，且所需要乘法运算量至少超过3000×3000=9×106的量级，总的反应太慢。即使用FFT能减少一些计算量，但要达到要求的指标，仍需2 s多的采样时间，没有质的变化。

2 三点法解码信令

2.1 计算单一频率的信号强度

假设信号里含有某一频率Acos(ω0t+φ)的信号，则只需用一相同频率的信号cos(ω0t)就可将其提取出来：

2.2 三点法

要完成亚音频信令的解码，实际就是要准确地检测某一信令在允许的范围内是否存在一个信号强度的极大值点。用DFT需要那么多的采样点就是为了在某种分辨率下找到相应的极大值点，从而判定其解码或非解码。这里有一种方法很巧妙地解决了这一问题。

如果要在1%范围内解码186.2 Hz的信令，设想如果算出186.2Hz及186.2(1+2%) =189.924 Hz和186.2(1－2%) =182.476 Hz 3个频点的信号强度值，且186.2 Hz的信号强度比其两边点的信号强度都强，并达到一定的幅度，则可断定在1%范围内有极大值点，也就是有满足要求的信号，信令可解码，否则非解码，这就是“三点法”。用这种方法对频率分辨率的要求大为降低，采样点数要求也少了，原来要3000点，现在只需200点。这样完成单一频率的解码只需3×200=600次乘法，而用DFT要600万次。三点法运算量仅为DFT的万分之一。并且精度可以随意指定，如要在0.5%范围内解码186.2 Hz的信号，只需将计算的 3点改为186.2 Hz，186.2(1+1%) =188.062 Hz和186.2(1－1%) =184.338 Hz 3个频点即可，非常简单、方便。

2.3 完整的解码算法

现在将信令的解码算法作一归纳。

1．如果要解码的信号频率为f0，允许偏差为±δ%，那么需要计算3个频点的信号强度：f0，f0(1+2δ%)，f0(1 － 2δ%) 。

2．每个频点的信号强度计算如下：生成2个与该频点频率一样的本地余弦函数，且二者刚好相位差90°。用这2个信号分别与原始信号作乘累加，采样点数作适当选取，最后将2个累加值平方后相加。亚音频信号200个采样点足够，音频信号可用300个采样点。

3．有无检测到该信号的判定规则为：如果f0的信号强度达到一定幅度要求 (这可以成为一个门限，太小信号不理睬)，且f0的信号强度比旁边2个点的信号强度都大，则认为在f0±δ%f0范围内检测到该信号，否则认为没有。

3 实际应用

在实际应用中，要对亚音频信号解码，采样频率可取1200Hz，用三点法只需200个采样点，采样时长200/1200约160 ms，运算量600次乘法运算。如果要对音频信号解码也很简单，采样频率可取12000 Hz，用三点法只需300个采样点，采样时长300/12000约25 ms，运算量900次乘法运算。

在铁路无线列调车台和站台上，运用三点法取得了很好的效果。解码非常稳定，随温度变化也小，而且这种算法运算量少，一个TI 2000系列的DSP芯片都能很轻松完成几十个频率的亚音频、音频的单一及混合解码。

本算法对信令解码有独到之处，信令的允许频率偏差和幅度要求都可以用软件精确设定门限，优于硬件检测，有广阔的应用前景。

Abstract:A special algorithm to decode command signal on radio train dispatching by software is introduced in this paper．After analyzing various traditional algorithm，we found a simple，fast and useful algorithm ，called Three-Point Algorithm．It was realized on DSP，and verified in many applications．

Key words:Radio Train Dispatching;Three-Point Algorithm;DSP

吕宗武：深圳科安达电子科技股份有限公司研究所 助理工程师518034 深圳

2012-03-12

(责任编辑：温志红)