基于DSP器件實現(xiàn)高速鐵路新型軌道信號模擬系統(tǒng)的設(shè)計 - 全文

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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行國產(chǎn)化改進(jìn)，提出了適合中國高速鐵路和改進(jìn)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(jìn)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(kuò)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。

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(jìn)行實際軌道信號的模擬。信號發(fā)送由上位機(jī)控制，上位機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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。

2.1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(qiáng)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)方案。改進(jìn)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。

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。

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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)之間的通信。系統(tǒng)采用全速USB2.0標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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?？梢杂么藥爝M(jìn)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(jī)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(jī)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。

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