铁路轨道信号检测仿真及硬件系统设计

2019-08-06金鑫

中小企业管理与科技 2019年18期

金鑫

（西安全路通号器材研究有限公司，西安710043）

1 引言

ZPW2000移频轨道电路是我国目前应用最为广泛的信号制式，具有抗干扰性强，频带较窄，性能稳定等优点。该调制信号是把低频信号搬移到高频信号上，从而形成一个幅度不变，频率随低频信号不断变换的移频键控信号。

移频信号的检测主要分为时域法和频域法。时域法抗干扰能力差，信号特性检测不直观。时域法抗干扰能力强，需要通过大量的采样点计算得到移频信号的分析数据，所以频域分析的实时性低，但所得的频域图能直观地反映出信号状态。因此，本文采用频域分析法，通过欠采样，快速傅里叶变换[1]（FFT），实现对ZPW2000移频信号的实时准确检测。

2 移频信号

ZPW2000的中心频率有四个，分别为：1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz。频偏为±11Hz。低频调制信号在10.3Hz到29Hz之间，共18个，低频信号间隔为1.1Hz。其时域表达式为：

其中f（t）是方波信号，k是移频器的灵敏度因子为常数。

将以上表达式，通过傅里叶级数展开，经过一系列的数学变换后可以导出：

式中：A0为移频信号振幅，f0为移频信号载波频率，m=Δf/f0为信号移频指数，Δf为信号频偏，载波上边频fh=f0+Δf，载波下边频fl=f0+Δf，n为相对于中心频率的频线位置。通过傅里叶级数展开表达式可以看出，移频信号的频谱是以载波频率为中心，以低频信息为间隔向两边对称分布的带通信号。

3 采样频率及采样点的确定

ZPW2000移频信号的最大载波频率为2611Hz，根据奈奎斯特定理，采样频率必须大于该频率的2倍。为保证采样结果的高精度，频率的分辨率必须得到保证，但频率分辨率受限于采样频率和采样点，即：

由公式可见，要想得到更高的分辨率，则需要更多的采样点，可是对大量的数据进行FFT运算，就会给硬件带来压力。因此，可以通过欠采样技术[2]，在不增加采样点的情况下，降低采样频率，保证频率分辨率。欠采样技术同样遵守奈奎斯特定理，即当带通信号带宽为B=fh-fl时，只要fs≥2B，就可以保证采样后的信号频谱不重叠、无失真，采样频率fs需要满足如下关系式：

我们将ZPW2000的四种载波频率带入公式（4），确定采样频率，通过计算和筛选可以发现，fs=600Hz时满足ZPW2000移频信号的四种载频的采样需求。

表1 ZPW2000移频轨道电路实际频率对应表

根据技术要求，低频调制分辨率为0.15Hz，带入公式（3），可以求得采样点需要大于4000个。由于本文使用STM32进行FFT运算，要求采样点必须为4n个，因此规定采样点N=4096个。

4 仿真验证

本文通过MATLAB仿真结果，如下图1所示，图中载频为f0=1700Hz，调制频率为29Hz，频偏 Δf=11Hz。采样率fs=600Hz，采样点数为4096个。仿真求得的欠采样后，频率=99.99，将结果对照表1可知f0=1700.01Hz，1次谐波的频率为=70.98，由此可知，低频调制频率为29.01Hz。通过仿真结果验证了算法的可行性。

图1 ZPW2000移频电路欠采样频谱图

5 系统设计方案

本文采用ST公司的CORTEX-M4系列STM32F407ZET6为处理器，该处理器具有自适应实时加速器（ART），提升了程序执行的效率，同时具备单周期DSP指令和FPU（浮点单元），提升了计算能力。处理器执行速度为210DMIPS/168MHz，并具有三路12位ADC。由于处理器具有以上的硬件特性，保证了系统响应和数据处理的实时性。

本系统通过键盘触发，由单片机对采样数据并进行FFT变换，得到所需测试结果，并通过显示器显示。具体工作流程由下图2所示，系统上电初始化，加载中心频率配置表，随后等待按键触发，若触发便启动定时器，进行高采集频率低采集点的模拟量采集，初步计算出待测FSK的频率，从而确定欠采样对应的中心频率公式，再次启动定时器进行欠采样，将采样结果进行加窗数据处理，对处理后的数据FFT，得出频域数据，算出中心频率和低频调制频率。并将所得结果显示在显示器上。