基于DSP的轨道移频信号解调实现

摘要  提出了以双路TMS320F2812为核心，接收解调ZPW-2000A的FSK信号。前端通过信号调理，利用DSP内部的AD对FSK信号采样。经过FFT变换解调出栽频频率、Z—FFT解调低频频率，以及通过DSP的SPI口。对两路解调出的信号进行比较，若一致，则输出。该设计采用双机热备，使系统的工作可靠性更强。结果证明，系统有较高的频率分辨率和实时性。
关键词  DSP；FSK；ZPW-2000A

    随着轨道交通的发展，列车运行速度逐年提高，列车在行车区间的通过能力和安全运行，对整个铁路网的高效和正常运行起着重要作用。轨道电路中发码设备向机车提供行车指令信息，因此，接收系统解调的正确性与实时性，就成为保障机车安全行驶的重要因素。
    国内铁路机车行车指令主要采用移频信号传输，即频移键控信号(FSK)，该信号具有相位连续和非线性调制等特点，实现实时高精度的检测具有较大困难。传统FSK信号解调采用检周期的时域处理法，此方法主要存在频率分辨率低、实时性差等问题，很难达到要求的解调精度。随着数字频率解调技术的发展和DSP的应用，为FSK信号的精确解调提供有效而可靠的途径。
    文中采用了单片DSP器件TMS32F2812，通过对轨道移频信号解调算法的研究，使设计系统具有集成度高、实时性好、抗干扰能力强和可靠性高等优点。

1 系统的整体设计
    系统采用了TMS32F2812处理芯片，主频高达150 MHz，时钟周期为6．67 ns。2×8的ADC转换通道。SPI串口。两个1 kb×16 SARAM等模块，这些模块易于实现ADC的采样、主从控制芯片的数据交换和FFT变换所需要的大容量SARAM空间。
    本系统总体设计如图1所示。采用双机热备，两路同时对调理后的FSK信号采样和解调，比较一致输出，这样可提高系统的可靠性。

2 主要技术实现
2．1 信号调理
    信号调理主要用低通滤波器，低通滤波器的设计使用的是MicroChip滤波器设计的软件FilterLab，该软件只需输入通带频率和滤波器的阶数，就可以生成相应的电路图，省去了滤波器设计中复杂的运算。图2所示是FilterLab软件生成的Butterworth低通滤波器，阶数为4，通带频率为4 000 Hz，图中给出了滤波器电容电阻的建议取值。

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2．2 信号采样设计
    由于使用了TMS320F2812的内部A／D，在实际运用中，发现内部的A／D采样误差较大，最大可达9％，这样远达不到采样精度要求，需要通过软件校正。首先选用ADC的任意两个通道作为参考输入通道，并分别输入已知的直流参考电压，通过读取相应的结果寄存器获取转换值，利用两组输出值便可求得ADC模块得校正增益和校正偏置，然后利用这两个值对其他通道转换数据进行补偿。具体的补偿公式如式(3)～式(6)所示
  

2．3 信号处理模块设计
    信号处理模块主要由欠采样、FFT变换和Rife频率休整等部分组成，信号处理模块的流程如图3所示，其中搬移、滤波、抽取、FFT组成了Z—EFT。

    在FFT变换中使用的是TI的FFT函数库，FFT程序模块化，易于大数量FFT变换的修改，且运算速度快，执行效率高。FFT变换主要由模块初始化和FFT计算等组成。
    进过FFT变换后，频率主瓣中存在两个采样点，中心频率必定介于这两点之间，使用Rife频率估计法进行频谱分析可得到精确的频率估计值。Rife频率估计法，就是用频谱的绝对值的最大值G(k)进行比较，在k=[0，(N-1)／2]中求得最大值的|G(k)|，比较|G(k-1)|和|G(k+1)|大小，若|G(k-1)|<|G(k+1)|，则α=-1，否则α=1，颛谱估计值如式(9)所示，其中，fs为采样频率
   

3 实验数据分析
    ZPW-2000A的低频和载频测量数据如表1所示。

    从测量数据看，载频频率误差在0．2 Hz以内，低频频率误差在0．02 Hz以内，精度高于铁道部的相关规定。

4 结束语
    对ZPW-2000A的移频键控信号解调，对载频直接进行FFT变换，测出载频频率；然后进行搬移、滤波、FFT变换和Rife频率休整，解调出低频频率，这样解调出来的频率很高，且FFT算法用的TI的算法库，运行效率较高，实时性较强。本系统采用了双机热备，提高了设备的可靠性。