文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)10-0025-04
鐵路信號的主要任務是保證行車安全,，提高運輸效率,。隨著鐵路運輸向重載、高速,、高密度方向發(fā)展,，對直接指揮和控制列車運行的鐵路信號提出了更高的要求。各國鐵路,，特別是發(fā)達國家鐵路積極引進和采用新技術,，加大研發(fā)力度，推動高速鐵路信號的發(fā)展[1],。
我國目前運用的軌道信號主要是交流計數(shù)信號(解調時間大于4 s，且抗干擾性能很弱)﹑移頻信號(頻點設置不合理,，不滿足正交條件,，占用頻帶寬，抗干擾能力弱,，大部分頻率解調難度大,，解調時間長，存在倍頻信號的隱患),、UM71信號,、ZPW2000A信號(頻點不滿足正交條件，16.9 Hz以下的調制頻率的調制系數(shù)大,，對上下邊頻的漂移敏感,，存在倍頻的隱患)、數(shù)字編碼信號(設備復雜昂貴,，解調時間2.5 s-3.0 s),。但這些軌道信號存在的缺點,，導致其完全不能適應當前國內高速鐵路的需要，因此急需研制新型國產軌道信號系統(tǒng),。新型軌道信號必須適應列車提高運行速度和運行密度的需要,，適應重載運輸?shù)男枰m應電氣化鐵路發(fā)展的需要,。同時還不能脫離現(xiàn)有的基礎,，要盡量利用現(xiàn)有的軌道電路信道，即在現(xiàn)有軌道電路的基礎上設計新型軌道信號,。為此本文討論了自主開發(fā)的適應于高速鐵路的改進型數(shù)字編碼信號和正交化FSK信號,，并研究了一套能夠模擬以上兩種高速鐵路信號發(fā)送和解調過程的硬件平臺。
1 系統(tǒng)分析
通過對原有的鐵路軌道信號進行國產化改進,，提出了適合中國高速鐵路的改進型數(shù)字編碼和正交化FSK信號,，并開發(fā)了以TMS320C6722浮點DSP為數(shù)據處理核心的高速鐵路信號的發(fā)送與接收模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)為通用型系統(tǒng),，不但可以實現(xiàn)改進型數(shù)字編碼和正交化FSK信號的發(fā)送和解調,，而且預留了更多的擴展接口，可以應用于研究創(chuàng)新實驗,。
本系統(tǒng)按其主要功能分為信號發(fā)送和信號解調兩部分,，系統(tǒng)的整體結構圖如圖1所示。
1.1 信號發(fā)送單元
信號發(fā)送單元主要實現(xiàn)信號的產生和發(fā)送,，同時還可在信號中混入噪聲,，進行實際軌道信號的模擬。信號發(fā)送由上位機控制,，上位機選擇發(fā)送信號的幅度,、載頻、調制頻率等參數(shù),，并選擇是否添加噪聲,，然后通過USB傳輸?shù)接布到y(tǒng)控制DDS發(fā)碼單元發(fā)送相關制式鐵路信號。在發(fā)送過程中,，上位機界面可以實時顯示信號的發(fā)送參數(shù)和相應波形,。
1.2 信號解調單元
信號解調單元負責接收信號，對其進行時域和頻域分析,。通過對載頻信息的檢測完成對各種制式的確定,，然后按照不同制式的解調算法進行解調。信號解調過程首先由A/D采集DDS發(fā)送的軌道信號,，然后采集數(shù)據送入DSP處理器,，DSP判斷信號制式進行相應解調，解調后的數(shù)據通過雙口RAM送入ARM協(xié)處理器，ARM控制液晶顯示信號制式,、載頻,、調制頻率等，并通過USB傳輸解調信息到上位機實時顯示,。
2 系統(tǒng)硬件分析
系統(tǒng)的硬件整體框架圖如圖2所示[2],。
2.1 雙CPU單元
采用TI公司的浮點DSP處理器TMS320C6722作為整個系統(tǒng)的核心，應用其出色的運算能力和數(shù)據處理速度快,、精度高等優(yōu)點,，完成系統(tǒng)的數(shù)據處理任務?？刂茊卧捎肅ORTEX-M3為內核的ARM芯片STM32F103ZET6作為核心,，其強大的控制能力，滿足了整個系統(tǒng)的控制要求,；其豐富的外設配置,，為系統(tǒng)的擴展和升級提供了很大的空間[3，4],。
2.2 主要外圍電路單元
DDS發(fā)送單元以AD9831為核心,，配合相應算法及程序發(fā)送正交化FSK信號和數(shù)字編碼信號。由于AD9831頻率寄存器切換選擇線（FSELECT）需由定時器的輸出脈沖控制,，以實現(xiàn)多頻之間切換,，而DSP芯片定時器未設置定時器的外部引腳，故DDS的控制由協(xié)處理器STM32F103ZET完成,。
信號采集單元以MAX1322為核心,，通過并行數(shù)據線與TMS320C6722相連，AD_EOC#連接C6722的外部中斷引腳,，讀寫及片選由CPLD邏輯譯碼產生,。
2.3 通信單元
系統(tǒng)中DSP和ARM之間采用雙口RAM(IDT70V24)通信。該芯片配有兩套完全獨立的數(shù)據線,、地址線,、讀/寫控制線，允許主從控制器對雙端口存儲器的同一單元進行同時存取,。兩套完全獨立的中斷邏輯用來實現(xiàn)兩個CPU之間的握手控制信號,；兩套獨立的“忙”邏輯,，保證兩個CPU同時對同一單元讀/寫操作的正確性,；讀/寫時序與普通單端口存儲器完全一樣，存取速度完全適合高速,、實時的通信系統(tǒng),。
PC和ARM之間采用USB或RS-232串口通信。
2.4 CPLD模塊
采用ATMEL公司的CPLD 芯片ATF1508AS完成對整個系統(tǒng)的時序控制和硬件接口邏輯,。它可以把DSP芯片進一步解放出來集中完成數(shù)據處理工作,，提高DSP芯片的使用效率,；它還實現(xiàn)復位控制、輸出時鐘的功能,。
3 軌道信號的改進方案
如果以目前的軌道電路為基礎對現(xiàn)有鐵路軌道信號進行改進，將大大降低改造成本,，而且改造容易,，可以迅速普及,。以下提出的方案基于目前的軌道電路[5]。
3.1 正交化高速高可靠軌道信號
FSK信號是用數(shù)字調制信號的正負來控制載波的頻率,，即頻移鍵控信號。目前國內使用的UM71軌道信號,，雖然有占用頻帶窄,、不容易受到干擾、解調相對容易,、反應時間快等優(yōu)點,，但是其調制頻率的設置仍不滿足正交條件，16.9 Hz以下調制頻率的調制系數(shù)偏大,，對上下邊頻的漂移敏感,，也存在倍頻信號的隱患，UM71頻譜集中在中心載頻附近,，當調制頻率較低時,，調制系數(shù)偏大，尤其是10.3 Hz時,，其能量分布除了在中心載頻處有最大值外,，它的次高譜線、次次高譜線處的能量也較大,，不利于解調的可靠性,。針對這些缺點，對其進行正交化改造。
根據最佳接收系統(tǒng)的條件,，如果移頻鍵控信號FSK的兩個頻率f1和f2滿足相互正交,，則該信號系統(tǒng)的接收檢測可以達到最佳，進而保證系統(tǒng)的可靠接收,，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。通過推導可證明FSK信號的正交條件為兩頻率之差是其調制頻率的整數(shù)倍。由FSK信號的頻譜可知,，其譜結構是以載頻為中心,、以調制頻率為間隔的離散譜。因此調制頻率越小,，譜線越集中,，信號頻帶越窄。正交化軌道信號采用調制系數(shù)0.5,，不僅可以得到較窄的帶寬,，還有很好的功率譜結構，方便可靠解調,。改造方案大體如下：
(1)采用原ZPW2000A信道,，載頻設置上行2 000 Hz、2 600 Hz,，下行1 700 Hz,、2 300 Hz。這樣可以利用原軌道電路,。
(2)調制頻率設置滿足正交性,，且正交系數(shù)為1，調制系數(shù)0.5,。
(3)不同的調制頻率對應不同的頻偏,，形成自適應頻偏體系。
(4)特征譜一次邊頻分量的相對幅度為1/3,。
(5)避開了50 Hz的諧波干擾,。頻帶控制在正負40 Hz以內。
(6)調制頻率的選擇避免倍頻的可能,。
(7)解調速度提高到0.4 s～0.6 s,。
所以將調制頻率設計為從16.4 Hz～31.6 Hz，間隔為0.8 Hz遞增,，避開了倍頻的可能,，從而可以增加到20個調制信號。
3.2 新型數(shù)字編碼信號
TVM430數(shù)字編碼信號有27個信息位,，信息量遠高于國內原有軌道信號,。但是其最大缺陷在于信號解調周期長，信號可靠確定時間長,，大大超過國產移頻信號和UM71信號,。此外該軌道信號系統(tǒng)運行成本昂貴，性價比低,，且應用中信息位存在冗余,，理論上若信息位降低，解調周期必定會減少,。針對以上問題,，對TVM430信號進行國產化技術改造，在保證信息量的同時降低信息位,，使之成為一種具有較高信息傳送能力,、解調周期短、適合中國國情的數(shù)字軌道信號系統(tǒng),。
經過對鐵路現(xiàn)場的調研和分析,，提出了改進方案。改進的TVM430數(shù)字編碼信號被命名為新型數(shù)字編碼信號,。新型數(shù)字編碼信號在滿足我國鐵路的實際情況的前提下,，相比于原信號減少了低于4.08 Hz的低頻信息，從而提高了信號的抗干擾能力和解調速度,。新型數(shù)字編碼信號去掉了路網碼,，信息位共20 bit，其中坡度碼3 bit,、閉塞分區(qū)長度碼4 bit,、速度碼5 bit、循環(huán)冗余校驗碼6 bit,、奇偶監(jiān)督碼1 bit,、占用碼1 bit。1 bit奇偶監(jiān)督碼專門用于速度碼的檢測,。為了提高解調速度,，在不同的信息碼之間添加0碼，即不同信息碼連接處的頻率間隔為1.28 Hz,。載頻沿用TVM430信號的1 700 Hz,、2 000 Hz、2 300 Hz,、2 600 Hz四個載頻,。
4 系統(tǒng)主要軟件設計
本系統(tǒng)軟件設計主要包括：系統(tǒng)的整體控制、正交化FSK信號的發(fā)送和解調,、數(shù)字編碼信號的發(fā)送和解調,。鐵路軌道信號發(fā)送和解調過程主流程圖如圖3,、圖4所示。
4.1 正交化FSK信號發(fā)送與解調
4.1.1 信號的發(fā)送
上位機控制界面選擇要發(fā)送信號的各項參數(shù),，包括制式,、載頻、調制頻率,、頻偏等,，通過USB傳輸信號信息發(fā)送到ARM，ARM根據信號信息設置定時器參數(shù),，發(fā)送DDS頻率參數(shù),，完成FSK信號的發(fā)送。
4.1.2 信號的解調
正交化FSK信號的解調過程中,，采用了頻域解調方法,。頻譜識別法能準確直觀地找到特征功率譜，從而得出載頻和調制頻率,。在正交化FSK信號中,，調制頻率和頻偏存在倍數(shù)關系，可通過載頻和調頻計算出上下邊頻,，即上下邊頻=載頻+調頻/2,。
4.2 新型數(shù)字編碼信號發(fā)送與解調
4.2.1 信號的發(fā)送
新型數(shù)字編碼信號碼字共19 bit，該信號是由多個低頻信號疊加形成的多音頻調制信號,，信號頻譜中有很多的交叉調制項,，通過DDS發(fā)送時，采用調相的方式實現(xiàn),。首先根據數(shù)字編碼信號的特點建立相位表,，然后初始化ARM的定時器，設置ARM定時器的中斷頻率為16 384 Hz,。當每次中斷發(fā)生時查表將相位表中的一個值寫入AD9831的相位偏移寄存器,，重復發(fā)送相位表的值即可完成信號的發(fā)送。
4.2.2 信號的解調
解調方法采用脈沖解調原理,。根據數(shù)字編碼信號的特點,，其頻譜以載頻為對稱軸，載頻兩側有兩條占用碼形成的對稱的譜線,，這三條譜線在頻譜中幅值較大,。根據這一特征，對采樣信號求功率譜,，找出其中的五條幅值較大的譜線按頻率排序,，然后按照相應規(guī)則判斷載頻是否存在。如果存在則繼續(xù)解調,，否則重新采樣,。原信號通過高通濾波器后量化處理,，在幅值正過零處形成脈沖序列，低通濾波后得到調制信號,。對調制信號加Hamming窗截斷后進行FFT變換,，就得到了調制信號的頻譜結構。新型數(shù)字編碼信號的調制頻率的間隔為0.64 Hz,。為了能準確地識別出不同的調制頻率，采用了ZFFT技術得到0.031 25 Hz的頻譜觀察分辨率,。得到的低頻信息還需進行CRC校驗以檢測解碼的正確性,。CRC校驗的優(yōu)先權高于奇偶校驗，若CRC校驗不通過,，再對速度碼進行奇偶校驗,，如果速度碼正確，則對信息碼循環(huán)糾錯,，直到通過CRC校驗,，解碼結束[6]。
4.3 USB通信設計
本系統(tǒng)的USB通信部分實現(xiàn)ARM和上位機之間的通信,。系統(tǒng)采用全速USB2.0標準進行批量數(shù)據傳輸,。STM32F103ZET自帶USB2.0全速設備外設固件接口，即USB固件庫,?？梢杂么藥爝M行USB宏單元簡化開發(fā)。通過USB的高,、低優(yōu)先權中斷處理函數(shù)USB_HPI()與USB_
LPI(),，響應相關的批量傳輸中斷。
4.4 上位機軟件設計
由于所發(fā)送信號參數(shù)復雜,，如果用硬件實現(xiàn)信號的發(fā)送控制,，必將造成面板設計復雜，而且顯示的信息量也不多,，因此采用PC機作為主控制端,，在PC上用Borland C++ Builder 6開發(fā)相關發(fā)送、接收界面,。
基于TMS320C6722 DSP浮點處理器的軌道信號模擬系統(tǒng),，能夠模擬高速鐵路信號的發(fā)送和解調過程。該系統(tǒng)在實現(xiàn)軌道信號的實時發(fā)送過程中,，能夠隨時添加單頻干擾或雙頻干擾,。本系統(tǒng)經過測試，性能穩(wěn)定,，解調結果正確,，各項指標符合鐵道部要求,，達到了預期的要求。該系統(tǒng)可為國內高速鐵路信號系統(tǒng)提供可行的解決方案,，也可為教學和實驗提供演示,，具有很好的應用前景。
參考文獻
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