Z-FFT變換在站內(nèi)軌道信號解調(diào)中的應(yīng)用

摘要 提出了基于Z-FFT變換解調(diào)站內(nèi)ZPW-2000A軌道電路信號，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)閉環(huán)電碼化機(jī)車信號的實(shí)時(shí)檢測。該設(shè)計(jì)以雙路TMS320F2812的DSP為硬件核心，雙路DSP同時(shí)經(jīng)過Z-FFT變換解調(diào)出低頻和栽頻信號，通過DSI的SPI口實(shí)時(shí)對解調(diào)出的信息進(jìn)行比較，提高了系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)鍵詞 DSP；Z-FFT；機(jī)車信號

    2004年以前實(shí)施的站內(nèi)電碼化，由于采用技術(shù)疊加，存在兩層皮的問題，系統(tǒng)發(fā)出的機(jī)車信號信息僅在軌道電路上，并不能有效地檢測是否正確發(fā)送到軌面上。隨著列車運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高現(xiàn)有的車站閉環(huán)電碼化并不能滿足列車在站內(nèi)的安全運(yùn)行。解決這一方法，就是要對站內(nèi)電碼化電路信息實(shí)現(xiàn)閉環(huán)檢測。

1 系統(tǒng)的整體工作原理
    車站閉環(huán)電碼化系統(tǒng)由電碼化發(fā)送設(shè)備、傳輸通道、電碼化檢測設(shè)備和道旁單元等構(gòu)成，如圖1所示。發(fā)送設(shè)備將疊加的ZPW-2000A軌道電路信號和25 Hz相敏軌道電路信號通過傳輸通道發(fā)送到軌面，控制列車安全運(yùn)行。檢測設(shè)備通過傳輸通道，采集軌面的疊加信號，并與解調(diào)前的ZPW-2000A軌道電路低頻和載頻信號進(jìn)行比較，并把檢測后的信息傳給聯(lián)鎖設(shè)備和維護(hù)終端，若不一致，給出報(bào)警信息。

2 車站閉環(huán)電碼化檢測設(shè)備的實(shí)現(xiàn)
    車站閉環(huán)電碼化檢測設(shè)備的主要功能是軌道電路信號解調(diào)。下面介紹解調(diào)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。
2．1 硬件實(shí)現(xiàn)
    硬件實(shí)現(xiàn)總體框圖如圖2所示。采用了TI的TMS32F2812處理芯片，主頻達(dá)150 MHz，時(shí)鐘周期為6．67 ns，SPI串口；兩個(gè)16 kbit SARAM模塊。由于Z-FFT變換中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量比較大，內(nèi)部SRAM不能滿足要求，外擴(kuò)了兩塊 SRAM(CY7C1901 AV3．3)，CYTC1901Av3．3是一款16Mbit的高速靜態(tài)RAM，工作電壓位3．3 V與DSP的端口工作電壓一致，最大訪問時(shí)間10 ns。同時(shí)由于內(nèi)部A／D采樣誤差較大，為提高系統(tǒng)頻率的分辨率用外部A／D進(jìn)行信號采樣。AD7865是一款快速、低功耗、4通道、14位同時(shí)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為±10 V、±5 V或±2．5 V，且輸入有過壓保護(hù)。硬件電路采用雙路DSP解調(diào)站內(nèi)軌道電路信號，提高系統(tǒng)的可靠性。

2．2 算法實(shí)現(xiàn)
    由于FSK信號是帶通信號，為了提高系統(tǒng)的分辨率用欠采樣技術(shù)和Z-FFT變換實(shí)現(xiàn)信號的解調(diào)。
2．2．1 欠采樣分析
    根據(jù)Nyquist帶通信號采樣定律，欠采樣的頻率滿足式(1)和式(2)。
   
    其中，K為頻率偏移常數(shù)，頻帶B=(fh-fl)／2；fh為帶通信號的上邊頻；fl為帶通信號下變頻。
    根據(jù)上述分析可得出ZPW-2000A軌道電路載頻頻率和采樣頻率對應(yīng)如表1所示。

2．2．2 Z-FFT分析
    圖3為Z-FFT工作原理框圖。

    Z-FFT就是把感興趣的頻譜進(jìn)行細(xì)化，具體的工作步驟為：
    (1)將感興趣的的信號頻譜進(jìn)行搬移，將fl搬移到零點(diǎn)，fh搬移到fh-fl。
    (2)根據(jù)感興趣的信號頻譜帶寬設(shè)計(jì)一個(gè)低通數(shù)字濾波器，低通數(shù)字濾波器的截止頻率應(yīng)大約fh-fl，小于重載采樣頻率的1／2。
    (3)對已經(jīng)縮小范圍的信號，進(jìn)行重新采樣，每隔K(K<d)點(diǎn)取—點(diǎn)，則信號的分辨率較原來的提高了K倍。
    (4)FFT變換。
    圖4和圖5是站內(nèi)閉環(huán)ZPW-2000A軌道電路信息頻率細(xì)化前后的頻譜圖，載頻為1700Hz，低頻為10.3Hz。

3 軟件流程圖實(shí)現(xiàn)
    由于Z-FFT算法中FFF變換的長度為4 096，要對TI提供的1024點(diǎn)的FFT算法庫作修改，改成4 096點(diǎn)的FFT變換。

4 數(shù)據(jù)分析
    站內(nèi)閉環(huán)電碼化ZPW-2000軌道電路信號檢測解調(diào)數(shù)據(jù)如表2所示。

    從表2的數(shù)據(jù)可以看出，載頻的分頻分辨率<0．3 Hz，低頻的頻率分辨率<0．15 Hz，均滿足相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié)束語
    本設(shè)計(jì)是對站內(nèi)閉環(huán)電碼化ZPW-2000A軌道電路信號檢測解調(diào)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)軌道電路的閉環(huán)檢測，保證列車在站內(nèi)安全運(yùn)行。同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用了雙機(jī)熱備，滿足鐵道部規(guī)定的故障導(dǎo)向安全的要求。