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摘要：提出了以雙路TMS320F2812為核心，接收解調(diào)ZPW-2000A的FSK信號(hào)。前端通過信號(hào)調(diào)理，利用DSP內(nèi)部的AD對(duì)FSK信號(hào)采樣。經(jīng)過FFT變換解調(diào)出栽頻頻率、Z—FFT解調(diào)低頻頻率，以及通過DSP的SPI口。對(duì)兩路解調(diào)出的信號(hào)進(jìn)行比較，若一致，則輸出。該設(shè)計(jì)采用雙機(jī)熱備，使系統(tǒng)的工作可靠性更強(qiáng)。結(jié)果證明，系統(tǒng)有較高的頻率分辨率和實(shí)時(shí)性。
隨著軌道交通的發(fā)展，列車運(yùn)行速度逐年提高，列車在行車區(qū)間的通過能力和安全運(yùn)行，對(duì)整個(gè)鐵路網(wǎng)的高效和正常運(yùn)行起著重要作用。軌道電路中發(fā)碼設(shè)備向機(jī)車提供行車指令信息，因此，接收系統(tǒng)解調(diào)的正確性與實(shí)時(shí)性，就成為保障機(jī)車安全行駛的重要因素。
國(guó)內(nèi)鐵路機(jī)車行車指令主要采用移頻信號(hào)傳輸，即頻移鍵控信號(hào)(FSK)，該信號(hào)具有相位連續(xù)和非線性調(diào)制等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度的檢測(cè)具有較大困難。傳統(tǒng)FSK信號(hào)解調(diào)采用檢周期的時(shí)域處理法，此方法主要存在頻率分辨率低、實(shí)時(shí)性差等問題，很難達(dá)到要求的解調(diào)精度。隨著數(shù)字頻率解調(diào)技術(shù)的發(fā)展和DSP的應(yīng)用，為FSK信號(hào)的精確解調(diào)提供有效而可靠的途徑。
文中采用了單片DSP器件TMS32F2812，通過對(duì)軌道移頻信號(hào)解調(diào)算法的研究，使設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有集成度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用了TMS32F2812處理芯片，主頻高達(dá)150MHz，時(shí)鐘周期為6.67ns。2×8的ADC轉(zhuǎn)換通道。SPI串口。兩個(gè)1kb×16 SARAM等模塊，這些模塊易于實(shí)現(xiàn)ADC的采樣、主從控制芯片的數(shù)據(jù)交換和FFT變換所需要的大容量SARAM空間。
本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。采用雙機(jī)熱備，兩路同時(shí)對(duì)調(diào)理后的FSK信號(hào)采樣和解調(diào)，比較一致輸出，這樣可提高系統(tǒng)的可靠性。
2 主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)
2.1 信號(hào)調(diào)理
信號(hào)調(diào)理主要用低通濾波器，低通濾波器的設(shè)計(jì)使用的是MicroChip濾波器設(shè)計(jì)的軟件FilterLab，該軟件只需輸入通帶頻率和濾波器的階數(shù)，就可以生成相應(yīng)的電路圖，省去了濾波器設(shè)計(jì)中復(fù)雜的運(yùn)算。圖2所示是FilterLab軟件生成的Butterworth低通濾波器，階數(shù)為4，通帶頻率為4000Hz，圖中給出了濾波器電容電阻的建議取值。
2.2 信號(hào)采樣設(shè)計(jì)
由于使用了TMS320F2812的內(nèi)部A/D，在實(shí)際運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的A/D采樣誤差較大，最大可達(dá)9%，這樣遠(yuǎn)達(dá)不到采樣精度要求，需要通過軟件校正。首先選用ADC的任意兩個(gè)通道作為參考輸入通道，并分別輸入已知的直流參考電壓，通過讀取相應(yīng)的結(jié)果寄存器獲取轉(zhuǎn)換值，利用兩組輸出值便可求得ADC模塊得校正增益和校正偏置，然后利用這兩個(gè)值對(duì)其他通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。具體的補(bǔ)償公式如式(3)～式(6)所示
2.3 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)
信號(hào)處理模塊主要由欠采樣、FFT變換和Rife頻率休整等部分組成，信號(hào)處理模塊的流程如圖3所示，其中搬移、濾波、抽取、FFT組成了Z—EFT。
在FFT變換中使用的是TI的FFT函數(shù)庫(kù)，F(xiàn)FT程序模塊化，易于大數(shù)量FFT變換的修改，且運(yùn)算速度快，執(zhí)行效率高。FFT變換主要由模塊初始化和FFT計(jì)算等組成。
進(jìn)過FFT變換后，頻率主瓣中存在兩個(gè)采樣點(diǎn)，中心頻率必定介于這兩點(diǎn)之間，使用Rife頻率估計(jì)法進(jìn)行頻譜分析可得到精確的頻率估計(jì)值。Rife頻率估計(jì)法，就是用頻譜的絕對(duì)值的最大值G(k)進(jìn)行比較，在k=[0，(N-1)/2]中求得最大值的|G(k)|，比較|G(k-1)|和|G(k+1)|大小，若|G(k-1)|<|G(k+1)|，則α=-1，否則α=1，顓譜估計(jì)值如式(9)所示，其中，fs為采樣頻率
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
ZPW-2000A的低頻和載頻測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。
從測(cè)量數(shù)據(jù)看，載頻頻率誤差在0.2Hz以內(nèi)，低頻頻率誤差在0.02Hz以內(nèi)，精度高于鐵道部的相關(guān)規(guī)定。
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)ZPW-2000A的移頻鍵控信號(hào)解調(diào)，對(duì)載頻直接進(jìn)行FFT變換，測(cè)出載頻頻率；然后進(jìn)行搬移、濾波、FFT變換和Rife頻率休整，解調(diào)出低頻頻率，這樣解調(diào)出來的頻率很高，且FFT算法用的TI的算法庫(kù)，運(yùn)行效率較高，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。本系統(tǒng)采用了雙機(jī)熱備，提高了設(shè)備的可靠性。
作者：苗成偉 陳光武 高建國(guó) 王麗萍 蘭州交通大學(xué) 來源：《電子科技》2011年03期
