基于DSP的轨道电路移频信号测试仪设计

何 林，彭莉峻

(1.西安建筑科技大学理学院，陕西西安 710055;2.西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安 710055)



基于DSP的轨道电路移频信号测试仪设计

何 林1，彭莉峻2

(1.西安建筑科技大学理学院，陕西西安 710055;2.西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安 710055)

随着铁路技术的快速发展和列车运行速度的不断提高，准确快速地检测列车自动控制系统中轨道电路移频信号参数成为了列车安全运行的重要保证。针对现有轨道电路移频信号检测算法在检测精度和检测时间上的局限以及传统移频信号测试仪智能化的不足，采用了基于FFT的汉宁窗频谱重心校正算法，以DSP为核心进行了轨道电路移频信号测试仪的软硬件设计，并进行了测试实验，实验结果表明，该测试仪能够快速准确的自动检测出移频信号的各项主要参数。

轨道电路；移频信号；数字信号处理器；快速傅里叶变换；频谱校正；信号解调

0 引言

轨道电路移频信号已经成为我国提速铁路、城际铁路、客运专线和高速铁路自动闭塞的主要制式，也是机车信号、列车运行监控记录器(LKJ)和动态监测系统(DMS)的基础地面信号。同时，轨道电路移频信号对车载设备存储负荷、车-地间无线传输安全和带宽要求以及传输时延的影响也越来越大[1]。因此，及时了解轨道电路移频信号的状态对列车的安全运行有着极其重要的意义。传统移频信号测试仪对移频信号参数进行检测时，都采用的是选频测量，即测量前需要知道所测移频信号的制式及标称载频，手动设置后才能进行各参数的测量，其操作简便性和智能化亟待提高。为了解决上述问题，基于DSP进行了移频信号参数测试仪的软硬件设计以及相应算法的移植，并进行了实测验证。

1 移频信号的定义

移频信号是相位连续的移频键控信号，是键控角度调制信号的一种。其时域表达式为

S(t)=A0cosθ(t)=A0cos[ω0t+g(t)]

式中:g(t)=∫kf(t)dt是一个周期为T的三角周期函数;A0为移频信号的振幅;θ(t)为移频信号的瞬时相位;ω0为载频的角频率;f(t)表示低频调制方波信号;k为系数，代表移频器的灵敏度，单位是Hz/V。

其波形如图1所示。

图1 相位连续的移频信号波形

2 解调算法选取

移频信号的测量最核心的问题是测量其载频、频偏和低频调制频率(上边频和下边频可由载频和频偏简单计算得到)。现有的移频信号参数解调算法有很多，如Zoom-FFT(频谱细化)分析法、CZT(线性调频Z变换)分析法、HHT(希尔伯特-黄变换)分析法以及频谱校正法等。Zoom-FFT分析法[2-3]从根本上并没有提高频率分辨率，只是降低了计算的复杂度，其提高频率分辨率的同时增加了采样时间，不能满足测试仪表实时性要求；CZT算法[4-5]虽然能够提高频率分辨率和缩短采样时间，但增大了系统内存和计算复杂度；HHT算法[6]较为新颖，在理论上是一种可行的移频信号解调方法，但是因算法复杂度关系，其硬件实现及测试时间还有待进一步研究和验证。频谱校正法则是利用校正的思想在较短的采样时间内提高移频信号参数的检测精度，较前几种算法能较好的解决移频信号测试仪在实时性和检测精度上的矛盾。

移频信号参数的计算与其频谱中的频率和相应幅值都有关系，在校正时，需要对频率和幅值都进行校正，因此考虑使用频谱重心校正法。基于FFT的频谱重心校正算法在运算量及计算精度上都要优于基于CZT的频谱重心校正算法[7]。频谱重心校正公式与窗函数有关，矩形窗具有最窄的主瓣，但是其旁瓣最大，衰减速度也最慢。汉宁窗和海明窗的主瓣稍宽，但有较小的旁瓣和较大的衰减速度，海明窗的旁瓣衰减速度比汉宁窗慢，根据移频信号频谱特点选择汉宁窗来截取移频信号。综上，采用基于FFT的汉宁窗频谱重心校正算法对移频信号的参数进行解算，算法的具体步骤及可行性分析见文献[8]。

3 硬件设计

3.1 仪器硬件电路总体结构

微处理芯片的选择上，由于解调算法需要进行2048点的FFT运算，数据量大的同时计算复杂度也很大，所以对处理器的内存和运算速度有较高要求，同时仪器是便携式仪器，对处理器的功耗也有较严格的要求。本设计采用16位定点DSP芯片TMS320VC5509A作为测试仪的微处理芯片，其片内有256 KB的RAM，最高时钟频率为200 MHz，最低功耗为0.05 mW/MIPS。

外围电路主要有：电源转换部分；自动量程切换部分；信号调理部分；信号采集部分；人机交互部分及外接存储器部分等。测试仪硬件设计框图如图2所示。

图2 硬件设计总体框图

移频信号测试仪的工作流程如下：通过键盘操作启动测量。测量过程中，移频信号经过自动增益控制电路及前置信号调理电路处理后，接入A/D转换电路，对调理后的信号按照一定的采样速率进行模数转换，得到移频信号的离散值，通过McBSP将转换结果传送给TMS320VC5509A计算出载频、低频调制频率、频偏和电压/电流有效值。最后将处理的结果送给LCD显示。

3.2 采集电路设计

采集电路是测试仪的核心部分，主要实现的功能是将模拟的移频信号转换成数字量，然后传送给TMS320VC5509A进行处理和计算，考虑到A/D与TMS320VC5509A的接口问题及移频信号的频率特征，采用14位、最高可提供43.2 kHz的A/D采样率、内含开关电容式带通抗混叠输入滤波器和低通重构输出滤波器的模拟接口电路(AIC)—TLC320AC02作为采集电路的核心芯片，其模拟输入采用差分输入方式，并且可以与TMS320VC5509A无缝连接。另外，它还有一个优点是单电源供电。

测试仪只需要一片TLC320AC02即可完成所需要的采集功能，所以在配置TLC320AC02的工作模式时，将其配置为单机模式，即将M/S引脚连接高电平。通信接口与对应的TMS320VC5509A的McBSP2接口相连，通过同步串口实现数据的交换。TLC320AC02的外围电路包括电源电路、时钟电路和去耦电路等，接口电路如图3所示。

图3 TLC320AC02与TMS320VC5509A的硬件连接图

为避免输入引入噪声，TLC320AC02的模拟信号输入方式采用差分输入方式，而移频信号是单端信号，所以对移频信号进行采集时需要先将移频信号由单端输入方式转换为差分输入方式，其实现电路如图4所示。

图4 单端转差分输入电路

4 软件设计

对于国产18信息型移频信号，采样频率选为2 560 Hz，而对于ZPW-2000型移频信号，当载频为1 700 Hz、2 300 Hz和2 600 Hz时采样频率选为2 048 Hz，载频为2 000 Hz时选为2 560 Hz(采用了带通采样处理[9])。同时，由于国产18信息型移频信号和ZPW-2000型移频信号的频谱特点不同，其相应的解调程序也有所区别。因此，在处理移频信号时，为了区分载频的类型和设置对应的采样频率及运行相应的解调程序，整个算法流程中需要两次FFT计算。如图5所示。

图5 算法流程图

初始化以后，先对信号进行第一次较少点数的采样，且采样频率较高，这样做的目的主要是为了缩短采样时间，因为第一次采样是为了确定所采移频信号载频的大概范围，并不需要较高的频率分辨率。确定了移频信号的载频范围以后，就可以选择相应的采样频率，进行第二次2 048点的采样和FFT运算，然后进行相应的解调处理(即参数计算和校正处理)。解算出各个频率参数以后，将参数计算结果输出送显示，这样便完成了移频信号参数的全自动测量。无需在测量前先手动设置移频信号的制式以及载频的类型，测试仪开机后直接将待测选项选为移频信号(其他待测选项设计为在线阻抗、补偿电容等轨道电路的相关待测量)按确认键即可开始测量。测试仪软件流程如图6所示。

图6 测试仪软件流程图

5 测试结果

利用HP33120A型号的信号发生器产生两种制式标称频点(共144点)的移频信号，通过采集芯片TLC320AC02采集并传送给TMS320VC5509A进行运算，利用点阵液晶TJDM12864M显示参数测试结果。部分测试结果如表1所示。

由表1实测结果可以看出，载频、频偏、低频调制频率的检测误差均满足指标(载频最大误差0.3 Hz，频偏最大误差0.3 Hz，低频调制频率最大误差0.03 Hz)要求。

实验过程中，在程序里插入对某I/O引脚电平变化的控制，通过示波器来观察测试时间，测得检测时间约为1.6 s或1.8 s，其中采样时间为0.8 s(采样频率为2 560 Hz时)或1 s

表1 实测结果 Hz

(采样频率为2 048 Hz时)，与FFT运算相关的算法程序运行时间约为0.6 s，与解调相关的算法程序运行时间约为0.2 s。满足测试的实时性要求。

6 结束语

本文采用基于FFT的汉宁窗频谱校正算法作为移频信号的解调算法，基于TMS320VC5509A进行了轨道电路移频信号测试仪的硬件和软件设计并进行了测试试验，测试结果表明，国产18信息型和ZPW-2000型两种移频信号的参数均能够在较短的采样时间内准确的检测出来，并且测试前无需手动设置移频信号制式和标称载频，使移频信号参数的检测更加智能化。

[1] 黄成周.基于压缩感知的轨道移频信号压缩加密技术研究:[学位论文].成都：西南交通大学，2014.

[2] 吕剑飞，卢迪.ZOOMFFT算法在车载FSK信号高精度检测中的应用.自动化技术与应用，2007，26(1)：63-64.

[3] 袁薇，孙景峰，樊文侠.欠采样与ZFFT在移频信号检测中的应用.电子科技，2010，23(3)：65-67，80.

[4] 王安，熊信民，吴阳.轨道电路移频信号参数检测算法研究.计算机仿真，2011，28(11)：302-305.

[5] 丁康，潘成灏，李巍华.ZFFT与Chirp-Z变换细化选带的频谱分析对比.振动与冲击，2006，25(6)：9-10.

[6] 吴进，吉维平.HHT算法在移频信号解调中的应用研究.计算机测量与控制，2013，21(4)：1054-1056.

[7] 王安，焦美鹏，张小东.国内18信息移频信号检测频谱校正算法的研究.计算机测量与控制，2012，20(2)：414-417.

[8] 王安，何林，魏程程.轨道电路移频信号参数高精度快速检测算法的研究.计算机测量与控制，2013，21(2)：308-311.

[9] LYONS R G.数字信号处理.2版.朱光明，程建远，刘保童，等，译.北京:机械工业出版社，2006.

Design of Track Circuit Frequency-shift Signal Tester Based on DSP

HE Lin1，PENG Li-jun2

(1.College of Science,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China;2.Mechanical and Electrical Engineering College,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

With the rapid development of railway technology and the constant improvement of train running speed,accurately and quickly detecting the track circuit frequency-shift signal parameters in train automatic control system becomes the important guarantee of train safe running.Aiming at the limitations on detection precision and times of current track circuit frequency-shift signal detection algorithms and the shortcomings on intelligence of traditional frequency-shift signal testers,the Hanning window spectrum orthocenter correction algorithm based on FFT was used.With DSP as the core of the software and hardware design of track circuit frequency-shift signal tester,the test experiments were carried out.The test results show that the mainly parameters of frequency-shift signal can be automatically demodulated quickly and accurately by the tester.

track circuit;frequency-shift signal;DSP;FFT;spectrum correction;signal demodulation

2015-01-11 收修改稿日期：2015-03-24

TP216

A

1002-1841(2015)08-0054-03

何林(1986—)，助教，硕士，主要从事现代检测技术与智能仪器仪表方向的研究。E-mail:419255602@qq.com 彭莉峻(1986—)，助理工程师，硕士，主要从事设备多源信息诊断与融合技术及嵌入式设计方向的研究。 E-mail:271483869@qq.com