鐵路信號的主要任務(wù)是保證行畫安全，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機的鐵路信號提出了更高的要求,。各國鐵路，特別是發(fā)達(dá)國家鐵路積極引進和采用新技術(shù),，加大研發(fā)力度,，推動高速鐵路信號的發(fā)展。

    我國目前運用的軌道信號主要是交流計數(shù)信號（解調(diào)是境大于4s,，且抗干擾性能很弱）,、移頻信號（頻點設(shè)置不合理，不滿足正交條件,，占用頻帶寬,，且抗干擾性能很弱，大部分頻率解調(diào)難度大,，解調(diào)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,，16.9HZ以下的調(diào)制頻率的調(diào)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(shè)備復(fù)雜昂貴,，解調(diào)時間2.5s-3.0s）。但這些軌道信號存在的缺點,，導(dǎo)致其完全不能適應(yīng)當(dāng)前國內(nèi)高速鐵路的需要,，因此急需研制新型國產(chǎn)軌道信號系統(tǒng)。新型軌道信號必須適應(yīng)列車提高運行速度和運行密度的需要,，適應(yīng)重載運輸?shù)男枰?，適應(yīng)電氣化鐵路發(fā)展的需要。同時還不能脫離現(xiàn)在的基礎(chǔ),，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(chǔ)上設(shè)計新型軌道信號。為此本文討論了自主開發(fā)的適應(yīng)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(diào)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(chǎn)化改進，提出了適合中國高速鐵路和改進數(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(jù)處理核心的高速鐵路信號的發(fā)送和接收模擬系統(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(diào),，而且預(yù)留了更多的擴展接口,，可以應(yīng)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(diào)兩部分,，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

圖1信號發(fā)送和解調(diào)整體結(jié)構(gòu)圖

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(chǎn)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(diào)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(guān)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(yīng)波形,。

1．2信號解調(diào)單元

    信號解調(diào)單元負(fù)責(zé)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(diào)算法進行解調(diào),。信號解調(diào)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(jù)送人DSP處理器，DSP判斷信號制式進行相應(yīng)解調(diào),，解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過雙口RAM送人ARM協(xié)處理器,，ARM控制液晶顯示信號制式、載頻,、調(diào)制頻率等,，并通過USB傳輸解調(diào)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,。

圖2 硬件整體框架

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(yīng)用其出色的運算能力和數(shù)據(jù)處理速度快,、精度高等優(yōu)點,，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)?？刂茊卧捎肅ORTEX－M3為內(nèi)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(shè)配置,，為系統(tǒng)的擴展和升級提供了很大的空間。

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(yīng)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(shè)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(jù)線與TMS320C6722相連,，AD_E0C＃連接C6722的外部中斷引腳，讀寫及片選由CPLD邏輯譯碼產(chǎn)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(jù)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ATF1508AD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(jù)處理工作,，提高DSP芯片的使用效率；它還實現(xiàn)復(fù)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(chǔ)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,。

3．1正交化高速高可靠軌道信號

    FSK信號是用數(shù)字調(diào)制信號的正負(fù)來控制載波的頻率,，即頻移鍵控信號。目前國內(nèi)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(diào)相對容易,、反應(yīng)時間快等優(yōu)點,，但是其調(diào)制頻率的設(shè)置仍不滿足正交條件，16．9 Hz以下調(diào)制頻率的調(diào)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(dāng)調(diào)制頻率較低時,，調(diào)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(diào)的可靠性,。針對這些缺點，對其進行正交化改造,。

    根據(jù)最佳接收系統(tǒng)的條件,，如果移頻鍵控信號FSK的兩個頻率IL和｀滿足相互正交，則該信號系統(tǒng)的接收檢測可以達(dá)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(dǎo)可證明FSK信號的正交條件為兩頻率之差是其調(diào)制頻率的整數(shù)倍。由FSK信號的頻譜可知,，其譜結(jié)構(gòu)是以載頻為中心,、以調(diào)制頻率為間隔的離散譜。因此調(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)，方便可靠解調(diào),。改造方案大體如下：

（1）采用原ZPW2000A信道,，載頻設(shè)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(diào)制頻率設(shè)置滿足正交性，且正交系數(shù)為1,，調(diào)制系數(shù)0.5,。

（3）不同的調(diào)制頻率對應(yīng)不同的頻偏，形成自適應(yīng)頻偏體系,。

（4）特征譜一次邊頻分量的相對幅度為l／3,。

（5）避開了50 Hz的諧波干擾。頻帶控制在正負(fù)40 Hz以內(nèi),。

（6）調(diào)制頻率的選擇避免倍頻的可能,。

（7）解調(diào)速度提高到0．4 s～0．6 s。

    所以將調(diào)制頻率設(shè)計為從1* 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(diào)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(yuǎn)高于國內(nèi)原有軌道信號。但是其最大缺陷在于信號解調(diào)周期長,，信號可靠確定時間長,，大大超過國產(chǎn)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(yīng)用中信息位存在冗余,，理論上若信息位降低，解調(diào)周期必定會減少,。針對以上問題,，對TVM430信號進行國產(chǎn)化技術(shù)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(diào)周期短、適合中國國情的數(shù)字軌道信號系統(tǒng),。

    經(jīng)過對鐵路現(xiàn)場的調(diào)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(diào)速度,。新型數(shù)字編碼信號去掉了路網(wǎng)碼,，信息位共20 bit，其中坡度碼3bit,、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(diào)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,。

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4.系統(tǒng)主要軟件設(shè)計

     本系統(tǒng)軟件設(shè)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(diào),、數(shù)字編碼信號的發(fā)送和解調(diào),。鐵路軌道信號發(fā)送和解調(diào)過程主流程圖如圖3、圖4所示,。

圖3 DSP主程序流程圖


圖4 ARM主流程圖

4.1正交化FSK信號發(fā)送與解調(diào)

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(diào)制頻率,、頻偏等,，通過USB傳輸信號信息發(fā)送到ARM，ARM根據(jù)信號信息設(shè)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(diào)

    正交化FSK信號的解調(diào)過程中,，采用了頻域解調(diào)方法,。頻譜識別法能準(zhǔn)確直觀地找到特征功率譜，從而得出載頻和調(diào)制頻率,。在正交化FSK信號中,，調(diào)制頻率和頻偏存在倍數(shù)關(guān)系，可通過載頻和調(diào)頻計算出上下邊頻,，即上下邊頻＝載頻＋調(diào)頻／2,。

4．2新型數(shù)字編碼信號發(fā)送與解調(diào)

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(diào)制信號,，信號頻譜中有很多的交叉調(diào)制項,，通過DDS發(fā)送時，采用調(diào)相的方式實現(xiàn),。首先根據(jù)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(shè)置ARM定時器的中斷頻率為16 384 Hz,。當(dāng)每次中斷發(fā)生時查表將相位表中的一個值寫人AD9831的相位偏移寄存器,，重復(fù)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(diào)

    解調(diào)方法采用脈沖解調(diào)原理,。根據(jù)數(shù)字編碼信號的特點，其頻譜以載頻為對稱軸,，載頻兩側(cè)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(jù)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(yīng)規(guī)則判斷載頻是否存在,。如果存在則繼續(xù)解調(diào),，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(diào)制信號。對調(diào)制信號加Hammlng窗截斷后進行FFT變換,，就得到了調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu),。新型數(shù)字編碼信號的調(diào)制頻率的間隔為0．64 Hz,。為了能準(zhǔn)確地識別出不同的調(diào)制頻率，采用了ZFFT技術(shù)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(quán)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(jié)束。

4．3 USB通信設(shè)i十

    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(biāo)準(zhǔn)進行批量數(shù)據(jù)傳輸,。STM32F103ZET自帶 USB2，0全速設(shè)備外設(shè)固件接口,，即USB固件庫,。可以用此庫進行USB宏單元簡化開發(fā),。通過USB的高,、低優(yōu)先權(quán)中斷處理函數(shù)USB_HPI（）與 USB_LPI（），響應(yīng)相關(guān)的批量傳輸中斷,。

4．4上位機軟件設(shè)計

    由于所發(fā)送信號參數(shù)復(fù)雜,，如果用硬件實現(xiàn)信號的發(fā)送控制，必將造成面板設(shè)計復(fù)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(guān)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(diào)過程c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(jīng)過測試，性能穩(wěn)定,，解調(diào)結(jié)果正確,，各項指標(biāo)符合鐵道部要求，達(dá)到了預(yù)期的要求,。該系統(tǒng)可為國內(nèi)高速鐵路信號系統(tǒng)提供可行的解決方案,，也可為教學(xué)和實驗提供演示，具有很好的應(yīng)用前景。