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1、1基于DSP的移频机车信号参数测试仪的设计摘 要：基于32位定点运算精度的TMS320F2812 DSP芯片,设计了一种移频机车信号参数测试仪,提出了一种以欠采样的FFT检测方法为前提的新的解调算法，并进行了仿真验证。同时给出了软硬件的结构框图和实现方法。该方案切实可行，经过测试，各方面都能达到指标要求。关键词：TMS320F2812；移频机车信号；欠采样；仿真Design of Detector for Locomotive Signal Based on DSPAbstract:Based on the 32bit fixed-point TMS320F2812 DSP , the det
2、ector for locomotive signal is designed, a new demodulation arithmetic based on undersampling technic and FFT detection method is put forward , and simulation analysis is presented.The hardware and software construction and the realization method are also presented at the end.The scheme is feasible
3、and the scheduled targets are all achieved through testing.Key words: TMS320F2812;locomotive signal;undersampling; simulation0 引 言铁路信号系统中，机车信号是一个重要组成部分。而在众多的机车信号制式中，移频机车信号应用最为广泛，它代表了一定的速度信息，直接指挥列车的运行速度。随着列车的不断提速，移频机车信号在行车安全和故障分析方面的作用显得更加重要。京广沿线的机车信号采用的就是载频在5001000Hz 的 4 信息和 8 信息移频自动闭塞，载频为15003000Hz
4、的法国 UM71 和国产 18 信息移频自动闭塞制式下产生的移频机车信号。笔者根据实际情况，采用 TI 公司的新一代 32 位定点数字信号处理器 TMS320F2812，利用一种新的解调算法，开发设计了适合京广沿线使用的移频机车信号参数测试仪。1 系统功能及硬件组成移频机车信号参数测试仪具备如下功能：频率测量功能：可以测量并数字显示移频信号的上边频、下边频、中心频率、调制频率；通信功能：实现仪器与上位机的数据交换；数据库功能：根据选择对数据进行存储，方便离线分析。系统电路由以下几部分组成，其结构框图如图1所示：(1) 电源部分：由四节1.25V可充电镍氢或镍镉电池供电产生所需电源。(2) 隔离
5、部分：由电压互感器对信号进行隔离，以避免检测设备故障影响信号设备正常工作。(3) 信号预处理部分:主要对原始信号衰减或放大和自动量程切换，确保信号在进入A/D之前不越限，保护后级电路，并且进行带通滤波以2消除各种干扰的影响。(4) 数据采集部分：对滤波后的信号按照一定的采样速率进行模数转换。(5) CPU部分：以美国TI公司生产的高速DSP器件TMSF3202812 DSP1芯片为核心， 30MHz晶振，扩展了64KB RAM 作为数据存储器，主要负责信号参数的检测算法的实现。由于2812工作的最高时钟可达150M,单周期指令执行时间6.67ns,因而可以在更短的时间里进行FFT和频谱分析等运
6、算，故完全能够达到我们实时解调处理信号的要求。(6) 显示、键盘部分：主要负责信息的显示和各种设定的选择。(7) 通讯部分：与上位机实现通信，将测量结果导入计算机备份以便更详细的分析。 电 源 产 生信 号输 入 信 号 预 处 理 A/D转 换 TMS320F81LCD显 示键 盘RAM+5V-+1.9V3 通 讯存 储隔 离电 池图1 系统结构框图2 频率解调算法研究在移频机车信号的解调过程中，可采用既可以提高信号检测分辨率，又可以降低AD采样速率的欠采样技术进行采样，进行FFT运算后，再按照采样前后频谱的对应关系计算出中心频率，然后通过计算频偏的手段得到上、下边频的值。2.1 移频信机车
7、信号频谱分析铁路系统的机车信号是列车机感线圈从铁轨感应得到的。国产18信息移频信号的频偏=55Hz,低频调制频率范围为 7.026.0Hz,法国fUM71移频信号的频偏 ，低频调制频率Hzf1范围为10.329 Hz，不同的载频和频偏 及调制频率代表不f同的控制信息，信号的频谱表达式为 2：10()()sincosin222(1sinco()01AmStmt(1)式中： 为移频信号的振幅； = 为0A0f2信号的中心频率；移频指数 1mf(2)为频偏； 为调制频率；f1f2,0,nL从频谱中可以得到的参数有：1. 信号的中心频率。国产 18 信息移频信号的中心频率为两峰值频率和的平均值，法国
8、UM71移频信号的中心频率为峰值处的频率。2. 信号的低频调制频率。各个谐波之间的间隔即为信号的调制频率。2.2 采样频率 的确定及频谱恢复sf由(1)式可看出，移频信号实际上是以载频为中心，两边对称分布有低频信号及其各次谐0f波的带通信号，根据带通信号的采样定理 3，要从采样信号中恢复原信号，其采样频率 只需满sf足以下关系式：（3） 21hlsffK0,12KbL3其中 , K为折叠次数，/2lbfB0hf为下边频， 为上边频， 为中心频率lfh根据(3)式，对于国产18信息移频自动闭塞，可以取上行线（载频为650Hz和850Hz）采样频率为500Hz,下行线（ 550Hz和750Hz）采
9、样频率为445Hz。对于法国 UM71移频自动闭塞，可选择采样频率为600Hz 。采样之后需要选择合适点数的 FFT 运算。采样点数增加固然可以提高信号的分辨率，但相应的采集一祯数据的时间也会增加，故选择能够同时满足分辨率和采样时间要求的 2048 点进行 FFT运算。通过分析可以发现经过欠采样 FFT 运算后所得到的信号频谱是原始信号频谱搬移到低频部分的结果，信号的幅度并不会发生变化。设采样后的频率值为 ,实际频率值为 ，搬移次数为 K，bfbf采样前后频谱之间满足下面的关系：2()sbssffKK为 偶 数为 奇 数（4）因为采样频率已经确定，通过(3)式可以确定K的值。设欠采样后的中心频
10、率为 ，根据(4)式可0f推算出不同中心频率下得到实际中心频率值的具体公式，如下表： 表 1 国内 18 信息移频信号欠采样后实际频率信号载频（Hz）550 650 750 850实际频率 02sf0sf042f0sf（Hz）表 2 UM71 型移频信号欠采样后实际频率信号载频（Hz）1700 2000 2300 2600实际频率（Hz）062sf62sf08f82sf2.3 频偏 的确定f对于国产 18 信息移频信号来说，频谱的峰值处不对应信号的中心频率，也不对应信号的上、下边频，而是它的 n 次边频，故频率的上、下边频需通过 的确定而得到。同时对于法国 UM71f移频信号，也可通过此方法确
11、定上、下边频的值。设中心频率分量的相对幅度值为 0A(5)02sin()mA偶次边频分量的相对幅度值为 n(6)2si()()n(7) 02sinnmA由中心频率分量的相对幅度值与偶次边频分量的相对幅度值的比值(7)式可得：（8）10nAf再通过 ， 可得到上、下0hff0lf边频的值。4因为欠采样后不会改变原信号的幅度，故采样后可以使用上面的公式计算上、下边频。实际应用中还可以利用多个偶次边频的值分别计算 ，f然后加权求平均值，这样可以更有效的减少误差。2.4 仿真分析当信号载频 =2000Hz；调制频率 =11Hz；0f1f频偏 =11.0Hz，使用欠采样所确定的采样频率f=600Hz采样
12、，然后进行 2048点FFT 仿真运算后s得到的数据如表3，频谱图如图2。其中 和21f为两个二次边频， 为欠采样后的中心频率。f 0f表 3 载频为 2000Hz 的移频信号欠采样后数据 0f21f2f频率 (Hz) 200.29 222.29 178.30幅度 537.42 192.54 162.64为了减少误差，调制频率可由两个二次边频分别计算，再相加求平均值来减少误差。因为取二次边频，故 。n2n调制频率 =(222.29-200.29)/2+(200.29-178.3)/2/21f=10.9975 Hz将数据代入(9)式再加权求平均值可得 1220.9753.4537.41196f
13、=10.95 Hz中心频率 = =200.29+6600/2=2000.29 0f62sfHz上边频 =2000.29+10.95=2011.24 Hz0hff下边频 =2000.29-10.95=1989.34 Hzl图 2 载频为 2000Hz 的移频信号欠采样后的频谱图当频偏设定不同值时，通过仿真可得到其相对误差值如表 4 所示：表 4 载频为 2000Hz 的移频信号上、下边频测量的相对误差频偏设置值（Hz）11.0 11.1 11.2 11.3 11.4测量值（Hz）10.95 11.06 11.16 10.77 10.86上下边频相对误差（）0.02 0.03 0.04 0.03
14、0.03由上面的仿真可以看出，中心频率、上下边频的误差都小于 0.5Hz，调制频率误差为0.003Hz。上、下边频测量的相对误差平均值仅为0.03%。而由(3) 式确定的不同载频下信号的最大采样频率为 600Hz，进行 2048 点 FFT 运算后的最大频率分辨率为 ,完60.2930.48sfN全可以达到对信号载频的分辨率至少为 0.3Hz 的要求。与近年来提出的过零计数检测 4和小波变换 5等方法相比，此方法不仅精确度高，简单合理，而且能够大大减少运算量和计算时间。3 软件设计软件部分采用模块化设计方法，C 语言编程，5其主程序流程如图3所示。主程序由一个循环体构成，在循环中等待按键中断，
15、当有按键中断产生时，系统先进入按键处理程序，主要是对按键软件“消抖”处理和按键的识别，然后根据键值调用相应的处理子程序。其子程序包括硬件初始化子程序、按键处理子程序、显示处理子程序、数据采集处理子程序、数据存储子程序、通讯子程序、延时子程序等。图3 软件流程图在实际检测过程当中，数据采集处理是通过两次采样完成的。当检测到有频率测量的按键按下时，使用大于或等于信号最高频率的两倍的采样频率进行一次采样，然后通过FFT算法解调出不精确的中心频率值，接着根据中心频率的值选择调用不同中心频率下对应的带通滤波器的带宽和欠采样频率进行二次采样，再用计算原始频谱和频偏的方法解调出精确的中心频率值和上下边频。这样可同时完成选频和测量两种功能。FFT算法可以通过调用TI公司为其DSP器件做出的FFT 模板库来完成，如图4。RFT32ipcbtrwinptrmagsize=2048tfpr peakmgpeakfrg图4 FFT软件模板库4 结束语本文从理论分析和具体实现两个角度，采用一种新的基于欠采样的检测方法，以TMS320F2812 DSP芯片为核心设计了一种移频机车信号参数测试仪。该系统结构简单，精度高，稳定性好，经过测试，各项技术指标均能够达到设计要求，具有很高的实用价值。参考文献：1 TMS
