楊明極，李世宇

（哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

基于OMAPLI1X的軌道移頻信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

楊明極，李世宇

（哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

在軌道信號(hào)檢測(cè)中，如何高精度的檢測(cè)出當(dāng)前的軌道移頻信號(hào)一直是保證列車(chē)安全運(yùn)行的重要課題。根據(jù)我國(guó)軌道移頻信號(hào)的特點(diǎn)，在采用OMAP L137芯片為主的硬件平臺(tái)下，采用欠采樣和ZFFT的方法對(duì)移頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并闡述將算法在硬件平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)的流程，為便攜式測(cè)試儀的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高，穩(wěn)定性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

移頻信號(hào)；欠采樣；ZFFT；OMAP

鐵路信號(hào)設(shè)備是鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，也是保證行車(chē)安全，提高運(yùn)輸效率和改善勞動(dòng)條件的重要設(shè)備。我國(guó)的軌道電路從80年代相繼使用從法國(guó)引進(jìn)的UM71無(wú)絕緣軌道電路和國(guó)產(chǎn)18信息無(wú)絕緣移頻軌道電路[1]。在我國(guó)的鐵路軌道電路中采用的是相位連續(xù)的移頻鍵控（FSK）信號(hào)[2]。在本文中主要論述基于UM71無(wú)絕緣軌道電路的移頻信號(hào)的檢測(cè)。在鐵路系統(tǒng)中針對(duì)鐵路行車(chē)安全對(duì)檢測(cè)精度的要求，如何準(zhǔn)確的檢測(cè)出軌道信號(hào)的各個(gè)參數(shù)，既：信號(hào)的低頻和載頻，是現(xiàn)今鐵路安全高效運(yùn)行的重要課題之一。筆者以研制國(guó)內(nèi)集成度高，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)的智能化便攜式鐵路移頻信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀為背景，基于OMAP芯片的軌道移頻信號(hào)測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)。在符合我國(guó)鐵路對(duì)檢測(cè)精度的要求下，研究一種檢測(cè)軌道信號(hào)特征頻率的算法，并在硬件條件下實(shí)現(xiàn)。

1 移頻信號(hào)特征

1.1 軌道移頻信號(hào)

當(dāng)前我國(guó)的移頻信號(hào)主要有兩種：

1）國(guó)產(chǎn)18信息軌道移頻信號(hào)：載頻頻率f0為上行線650Hz及 850 Hz，下行線 550 Hz 及 750 Hz[1]；頻率偏移為±55 Hz；低頻頻率 7～26 Hz。

2）UM71無(wú)絕緣軌道信號(hào)：載頻頻率f0為上行線2 000 Hz及 2 600 Hz，下行線 1 700 Hz及 2 300 Hz；頻率偏移為±11 Hz；低頻頻率 10.3～29 Hz。

1.2 軌道移頻信號(hào)的頻譜特點(diǎn)

圖 1 的（a）中信號(hào)載頻f0=1 700 Hz，（b）中的載頻f0=550 Hz。各頻率分量幅度與信號(hào)幅度A0之比值稱(chēng)為相對(duì)幅度H，其分布如下：

圖1 移頻信號(hào)頻譜圖Fig.1 Frequency-shift signal spectrum diagram

根據(jù)式（2）、（3）、（4）可以得出：

1）在確定頻率下，n的取值接近于m，則可以使相對(duì)幅度Ho或He為最大；

2）對(duì)于UM71軌道移頻信號(hào)，m小于且接近于1，所以當(dāng)n=1時(shí)Ho最大，因此只需確定一次邊頻分量，就能確定低頻調(diào)制信號(hào)頻率[2]；

3）對(duì)于國(guó)產(chǎn)18信息軌道移頻信號(hào)，m大于1，所以要確定m2-n2最小時(shí)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)最大的邊頻分量。

2 移頻量的確定

對(duì)于軌道移頻信號(hào)主要有3個(gè)測(cè)試參數(shù)：信號(hào)的載頻，信號(hào)的低頻以及信號(hào)的上下邊頻。

1）載頻的確定：對(duì)于UM-71只是的移頻信號(hào)，頻譜為單峰，他的譜線幅度最大處的值既是信號(hào)的載頻。

2）低頻的確定：無(wú)論是UM-71，還是國(guó)產(chǎn)18信息，其兩相鄰邊頻之間的差值即為低頻。

3）頻偏的確定：由公式Δ f=f1×m可確定信號(hào)的頻偏。

3 軌道移頻信號(hào)參數(shù)檢測(cè)算法的比較

傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)方法是采用時(shí)域分析方法，這種方法的缺點(diǎn)是：分辨率不高，抗干擾能力不強(qiáng)，隨著數(shù)字信號(hào)處理以及信號(hào)處理器（DSP）的快速發(fā)展，越來(lái)越多的采用頻域檢測(cè)方法。

3.1 脈沖計(jì)數(shù)法

脈沖技術(shù)法[4]主要應(yīng)用于UM71軌道移頻信號(hào)的載頻和低頻的測(cè)量。

3.1.1 載頻的測(cè)量

對(duì)于UM71軌道信號(hào)它的載頻信號(hào)有4種，而且這4種頻率在數(shù)值上間隔比較大，因UM71軌道電路自身傳送的載頻信號(hào)有4種，且4種頻率數(shù)值間隔較大，因此對(duì)鐵軌傳來(lái)移頻信號(hào)作過(guò)零的比較，即可得到與載波信號(hào)相同頻率的脈沖波形，將波形傳送進(jìn)單片機(jī)計(jì)數(shù)單元，利用單片機(jī)的測(cè)頻率法，就可以得到移頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率值。又由于移頻信號(hào)的頻偏遠(yuǎn)小于相鄰載波信號(hào)的差值，適當(dāng)進(jìn)行標(biāo)定，即可得到載波頻率值。

3.1.2 低頻的測(cè)量

對(duì)鐵軌傳來(lái)的移頻信號(hào)作過(guò)零比較，得到與載波信號(hào)同頻率的脈沖波形，然后送單片機(jī)計(jì)數(shù)單元，利用單片機(jī)測(cè)頻率法，即可得到移頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率值。又因移頻信號(hào)的頻偏遠(yuǎn)小于相鄰載波信號(hào)的差值，適當(dāng)進(jìn)行標(biāo)定，即可得到載波頻率值。

圖2 脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻原理圖Fig.2 Pulse-counting-type frequency discriminator schematic

脈沖計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，硬件可采用低功耗單片機(jī)，但隨著鐵路信號(hào)的發(fā)展，這種方法的檢測(cè)精度已經(jīng)達(dá)不到我國(guó)特路信號(hào)檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 過(guò)零檢測(cè)法

設(shè) u（t）為正弦量[5]，即：

u（t）的波形如圖 3 所示，t1，t3為 u（t）過(guò)零點(diǎn)，信號(hào)的頻率f可由 t1，t3確定：

圖3 正弦電壓連續(xù)波形Fig.3 Continuous sinusoidal voltage waveform

設(shè) u（t）采樣值為 u（k），其中：k=1、2、3…u（k）的波形如圖4所示。

先判斷前后的兩點(diǎn)電壓的采樣值符號(hào)是否相反，若兩點(diǎn)符號(hào)相反，如m-1、m點(diǎn)，表明在m-l到m這一時(shí)間段內(nèi)某一時(shí)刻，電壓穿過(guò)零點(diǎn)，兩點(diǎn)的符號(hào)發(fā)生了改變。則要求出過(guò)零點(diǎn)t1的值。可以采用線性插值方法求t1。設(shè)Δt為采樣間隔，采樣點(diǎn) m-1處電壓值是 u（m-1），m 點(diǎn)的電壓值是 u（m），由此在 m-1，m 點(diǎn)之間 t1，t3的值為:

圖4 正弦電壓采樣波形Fig.4 Sinusoidal voltage waveform sampling

將 t1，t3代入式（6），則可得 t1到 t3時(shí)段內(nèi)平均系統(tǒng)頻率f，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的實(shí)時(shí)估算。

3.3 運(yùn)用FFT算法

FFT的基本思想[6]就是通過(guò)蝶形運(yùn)算的方法來(lái)減少算法所需的運(yùn)算量，每一級(jí)運(yùn)算都只需要N/2次復(fù)數(shù)乘和N次復(fù)數(shù)加。它在頻域內(nèi)具有完全的局部化特性，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行N個(gè)采樣點(diǎn)的頻率采樣，就可以計(jì)算出各個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值特征，從計(jì)算結(jié)果我們可以很容易的看出信號(hào)的頻譜特性。因此通過(guò)對(duì)FFT計(jì)算結(jié)果的分析，可以得到信號(hào)的頻率特征，包括上、下邊頻，中心頻率，帶寬和低頻頻率。

4 高精度軌道信號(hào)檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)

文中采用欠采樣和ZFFT的算法實(shí)現(xiàn)軌道信號(hào)的檢測(cè)。

4.1 欠采樣與ZFFT算法的原理

4.1.1 欠采樣定理

由于移頻信號(hào)是窄帶信號(hào)，若根據(jù)奈奎斯特采樣定理，那么就會(huì)使0～fL一大段頻譜空隙得不到利用，其中fL為下限頻率，fH為上限頻率。欠采樣定理指出，當(dāng)帶寬為B=fH-fL時(shí)，只要最小抽樣頻率fs滿(mǎn)足：

4.1.2 ZFFT算法

ZFFT算法是利用傅里葉變換移頻性質(zhì)，將關(guān)心的高頻段的頻率移至頻率軸原點(diǎn)，之后降低采樣頻率再重新采樣以獲得較高的頻率分辨率。圖5為ZFFT的原理圖。其中L為移頻量，N為FFT點(diǎn)數(shù)。

圖5 ZFFT原理圖Fig.5 Fundamental diagram of ZFFT

ZFFT的算法具體實(shí)現(xiàn)有3個(gè)步驟：

首先將感興趣的信號(hào)頻譜的中心頻率搬移到較頻率軸零點(diǎn)附近，為低通濾波做準(zhǔn)備。第二步進(jìn)行低通濾波，提取濾掉不需要的頻率。然后進(jìn)行重采樣，進(jìn)一步降低信號(hào)采樣頻率，抽樣間隔為M，最后進(jìn)行FFT運(yùn)算，這時(shí)信號(hào)分辨率將提高到:

4.2 算法的實(shí)現(xiàn)

4.2.1 硬件介紹

根據(jù)以上提出的算法，選擇了OMAP L137芯片，它有高速的處理速度、但同時(shí)功耗低。它是一款雙核芯片，其內(nèi)含TMS320C674x的DSP內(nèi)核和ARM926EJ-S的ARM內(nèi)核。其DSP內(nèi)核指令運(yùn)算周期為0.274 ns，并具有每秒2 736百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算的能力，滿(mǎn)足算法實(shí)現(xiàn)的要求。文中主要應(yīng)用DSP部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。

4.2.2 算法的實(shí)現(xiàn)流程

對(duì)于UM71軌道信號(hào)，將它的4種載頻分別代入式（9），可得出欠采樣頻率的取值范圍[5]。

為了簡(jiǎn)化程序，我們采用同一個(gè)采樣頻率，通過(guò)計(jì)算fs=600 Hz的欠采樣頻率，同時(shí)，由欠采樣性質(zhì)：采樣后，各區(qū)的頻譜是完全相同的，通過(guò)計(jì)算，得出欠采樣前后頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 欠采樣前后載頻對(duì)照表Tab.1 Around the carrier frequency due to the sampling table

1）載頻檢測(cè)的模塊

對(duì)于載頻的檢測(cè)是采用欠采樣和FFT同時(shí)對(duì)照表1計(jì)算得出。算法的流程如圖6所示。

圖6 載頻檢測(cè)的流程Fig.6 Flow chart of the carrier frequency detection

2）低頻的檢測(cè)

低頻檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)是依據(jù)前文提到的ZFFT的算法。主要包括：頻譜搬移，低通濾波，抽取和FFT。具體流程圖如圖7所示。

圖7 低頻信號(hào)檢測(cè)流程Fig.7 Flow chart of the low-frequency signal detection

5 結(jié) 論

文中研究了軌道移頻信號(hào)特征頻率的檢測(cè)算法，用欠采樣的方法較低采樣頻率同時(shí)又保證頻率分辨率，又用ZFFT

實(shí)現(xiàn)頻譜細(xì)化進(jìn)一步提高低頻信號(hào)的頻率分辨率。并在高速雙架構(gòu)芯片OMAPL137上實(shí)現(xiàn)軌道移頻信號(hào)的檢測(cè)，給出算法的流程圖。經(jīng)驗(yàn)證，可以達(dá)到我國(guó)對(duì)軌道信號(hào)檢測(cè)精度的要求：載頻頻率誤差≤0.3 Hz，低頻調(diào)制頻率誤差≤0.3 Hz，頻率分辨率≤0.1 Hz，為設(shè)計(jì)高精度，低功耗的軌道移頻測(cè)試儀提供基礎(chǔ)。

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Soft design of the railway frequency-shift signal testing system based on OMAPLI1X

YANG Ming-ji，LI Shi-yu
（College of Measure-control Technology and Communication Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin150080，China）

In the railway signal detection，how to detect the present railway frequency shift signal precisely has been always a hot issue on ensuring the train working safely.According to the characteristic of the railway frequency shift signal of our country， based on the hardware platform primarily on OMAPL137 chip， we use under the method of sampling and ZFFT to detect the frequency shift signal，and we also state how the algorithm realize on the hardware platform，which is the foundation of the design of the portable tester.This system is quite real-time，and it has a high stability and a strong extensibility.W

frequency shift signal； under sampling； ZFFT； OMAP

TP302

A

1674－6236（2012）05-0051-04

2011-12-29稿件編號(hào)：201112159

楊明極（1971—），男，遼寧開(kāi)原人，博士，教授。研究方向：語(yǔ)音信號(hào)處理，嵌入式系統(tǒng)。