基于OMAPLI1X的轨道移频信号测试系统的软件设计

杨明极，李世宇

（哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

基于OMAPLI1X的轨道移频信号测试系统的软件设计

杨明极，李世宇

（哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

在轨道信号检测中，如何高精度的检测出当前的轨道移频信号一直是保证列车安全运行的重要课题。根据我国轨道移频信号的特点，在采用OMAP L137芯片为主的硬件平台下，采用欠采样和ZFFT的方法对移频信号进行检测，并阐述将算法在硬件平台下实现的流程，为便携式测试仪的设计提供基础。该系统实时性高，稳定性好，可扩展性强。

移频信号；欠采样；ZFFT；OMAP

铁路信号设备是铁路运输的基础设施，也是保证行车安全，提高运输效率和改善劳动条件的重要设备。我国的轨道电路从80年代相继使用从法国引进的UM71无绝缘轨道电路和国产18信息无绝缘移频轨道电路[1]。在我国的铁路轨道电路中采用的是相位连续的移频键控（FSK）信号[2]。在本文中主要论述基于UM71无绝缘轨道电路的移频信号的检测。在铁路系统中针对铁路行车安全对检测精度的要求，如何准确的检测出轨道信号的各个参数，既：信号的低频和载频，是现今铁路安全高效运行的重要课题之一。笔者以研制国内集成度高，实时性好，抗干扰能力强的智能化便携式铁路移频信号参数测试仪为背景，基于OMAP芯片的轨道移频信号测试仪的软件设计。在符合我国铁路对检测精度的要求下，研究一种检测轨道信号特征频率的算法，并在硬件条件下实现。

1 移频信号特征

1.1 轨道移频信号

当前我国的移频信号主要有两种：

1）国产18信息轨道移频信号：载频频率f0为上行线650Hz及 850 Hz，下行线 550 Hz 及 750 Hz[1]；频率偏移为±55 Hz；低频频率 7～26 Hz。

2）UM71无绝缘轨道信号：载频频率f0为上行线2 000 Hz及 2 600 Hz，下行线 1 700 Hz及 2 300 Hz；频率偏移为±11 Hz；低频频率 10.3～29 Hz。

1.2 轨道移频信号的频谱特点

图 1 的（a）中信号载频f0=1 700 Hz，（b）中的载频f0=550 Hz。各频率分量幅度与信号幅度A0之比值称为相对幅度H，其分布如下：

图1 移频信号频谱图Fig.1 Frequency-shift signal spectrum diagram

根据式（2）、（3）、（4）可以得出：

1）在确定频率下，n的取值接近于m，则可以使相对幅度Ho或He为最大；

2）对于UM71轨道移频信号，m小于且接近于1，所以当n=1时Ho最大，因此只需确定一次边频分量，就能确定低频调制信号频率[2]；

3）对于国产18信息轨道移频信号，m大于1，所以要确定m2-n2最小时对应的两个最大的边频分量。

2 移频量的确定

对于轨道移频信号主要有3个测试参数：信号的载频，信号的低频以及信号的上下边频。

1）载频的确定：对于UM-71只是的移频信号，频谱为单峰，他的谱线幅度最大处的值既是信号的载频。

2）低频的确定：无论是UM-71，还是国产18信息，其两相邻边频之间的差值即为低频。

3）频偏的确定：由公式Δ f=f1×m可确定信号的频偏。

3 轨道移频信号参数检测算法的比较

传统的信号检测方法是采用时域分析方法，这种方法的缺点是：分辨率不高，抗干扰能力不强，随着数字信号处理以及信号处理器（DSP）的快速发展，越来越多的采用频域检测方法。

3.1 脉冲计数法

脉冲技术法[4]主要应用于UM71轨道移频信号的载频和低频的测量。

3.1.1 载频的测量

对于UM71轨道信号它的载频信号有4种，而且这4种频率在数值上间隔比较大，因UM71轨道电路自身传送的载频信号有4种，且4种频率数值间隔较大，因此对铁轨传来移频信号作过零的比较，即可得到与载波信号相同频率的脉冲波形，将波形传送进单片机计数单元，利用单片机的测频率法，就可以得到移频信号的瞬时频率值。又由于移频信号的频偏远小于相邻载波信号的差值，适当进行标定，即可得到载波频率值。

3.1.2 低频的测量

对铁轨传来的移频信号作过零比较，得到与载波信号同频率的脉冲波形，然后送单片机计数单元，利用单片机测频率法，即可得到移频信号的瞬时频率值。又因移频信号的频偏远小于相邻载波信号的差值，适当进行标定，即可得到载波频率值。

图2 脉冲计数式鉴频原理图Fig.2 Pulse-counting-type frequency discriminator schematic

脉冲计数法实现简单，硬件可采用低功耗单片机，但随着铁路信号的发展，这种方法的检测精度已经达不到我国特路信号检测的标准。

3.2 过零检测法

设 u（t）为正弦量[5]，即：

u（t）的波形如图 3 所示，t1，t3为 u（t）过零点，信号的频率f可由 t1，t3确定：

图3 正弦电压连续波形Fig.3 Continuous sinusoidal voltage waveform

设 u（t）采样值为 u（k），其中：k=1、2、3…u（k）的波形如图4所示。

先判断前后的两点电压的采样值符号是否相反，若两点符号相反，如m-1、m点，表明在m-l到m这一时间段内某一时刻，电压穿过零点，两点的符号发生了改变。则要求出过零点t1的值。可以采用线性插值方法求t1。设Δt为采样间隔，采样点 m-1处电压值是 u（m-1），m 点的电压值是 u（m），由此在 m-1，m 点之间 t1，t3的值为:

图4 正弦电压采样波形Fig.4 Sinusoidal voltage waveform sampling

将 t1，t3代入式（6），则可得 t1到 t3时段内平均系统频率f，实现对频率的实时估算。

3.3 运用FFT算法

FFT的基本思想[6]就是通过蝶形运算的方法来减少算法所需的运算量，每一级运算都只需要N/2次复数乘和N次复数加。它在频域内具有完全的局部化特性，通过对信号进行N个采样点的频率采样，就可以计算出各个频率点对应的信号幅值特征，从计算结果我们可以很容易的看出信号的频谱特性。因此通过对FFT计算结果的分析，可以得到信号的频率特征，包括上、下边频，中心频率，带宽和低频频率。

4 高精度轨道信号检测算法的实现

文中采用欠采样和ZFFT的算法实现轨道信号的检测。

4.1 欠采样与ZFFT算法的原理

4.1.1 欠采样定理

由于移频信号是窄带信号，若根据奈奎斯特采样定理，那么就会使0～fL一大段频谱空隙得不到利用，其中fL为下限频率，fH为上限频率。欠采样定理指出，当带宽为B=fH-fL时，只要最小抽样频率fs满足：

4.1.2 ZFFT算法

ZFFT算法是利用傅里叶变换移频性质，将关心的高频段的频率移至频率轴原点，之后降低采样频率再重新采样以获得较高的频率分辨率。图5为ZFFT的原理图。其中L为移频量，N为FFT点数。

图5 ZFFT原理图Fig.5 Fundamental diagram of ZFFT

ZFFT的算法具体实现有3个步骤：

首先将感兴趣的信号频谱的中心频率搬移到较频率轴零点附近，为低通滤波做准备。第二步进行低通滤波，提取滤掉不需要的频率。然后进行重采样，进一步降低信号采样频率，抽样间隔为M，最后进行FFT运算，这时信号分辨率将提高到:

4.2 算法的实现

4.2.1 硬件介绍

根据以上提出的算法，选择了OMAP L137芯片，它有高速的处理速度、但同时功耗低。它是一款双核芯片，其内含TMS320C674x的DSP内核和ARM926EJ-S的ARM内核。其DSP内核指令运算周期为0.274 ns，并具有每秒2 736百万次浮点运算的能力，满足算法实现的要求。文中主要应用DSP部分实现信号的检测。

4.2.2 算法的实现流程

对于UM71轨道信号，将它的4种载频分别代入式（9），可得出欠采样频率的取值范围[5]。

为了简化程序，我们采用同一个采样频率，通过计算fs=600 Hz的欠采样频率，同时，由欠采样性质：采样后，各区的频谱是完全相同的，通过计算，得出欠采样前后频率对应关系见表1。

表1 欠采样前后载频对照表Tab.1 Around the carrier frequency due to the sampling table

1）载频检测的模块

对于载频的检测是采用欠采样和FFT同时对照表1计算得出。算法的流程如图6所示。

图6 载频检测的流程Fig.6 Flow chart of the carrier frequency detection

2）低频的检测

低频检测的软件设计是依据前文提到的ZFFT的算法。主要包括：频谱搬移，低通滤波，抽取和FFT。具体流程图如图7所示。

图7 低频信号检测流程Fig.7 Flow chart of the low-frequency signal detection

5 结 论

文中研究了轨道移频信号特征频率的检测算法，用欠采样的方法较低采样频率同时又保证频率分辨率，又用ZFFT

实现频谱细化进一步提高低频信号的频率分辨率。并在高速双架构芯片OMAPL137上实现轨道移频信号的检测，给出算法的流程图。经验证，可以达到我国对轨道信号检测精度的要求：载频频率误差≤0.3 Hz，低频调制频率误差≤0.3 Hz，频率分辨率≤0.1 Hz，为设计高精度，低功耗的轨道移频测试仪提供基础。

[1]汤长春.轨道信号特征频率提取[D].武汉：武汉科技大学，2007.

[2]Vitetta G M，Mengali U，Taylor D P.Error probability of FSK incoherentdiversity reception with fastrice fading[J].Wireless Information Networks，1999，6（2）:107-118.

[3]焦伟琪.轨道移频信号检测技术的研究[D].长沙：中南大学，2009.

[4]高振天，张燕丽，王永刚.UM71轨道电路移频信号测试系统的实现[J].舰船科学技术，2009（29）:109-110.

GAO Zhen-tian，ZHANG Yan-li，WANG Yong-gang.UM71 track circuit shift frequency signal testing system is realized[J].Ships to Science and Technology，2009（29）:109-110.

[5]钱时祥，江炜宁，周增建，等.一种基于DSP的高精度频率测量方法[J].电测与仪表，2009（4）:17-20.

QIAN Shi-xiang，JIANG Wei-ning，ZHOU Zeng-jian，et al.A high frequency measurement based on DSP methods[J].Electric Measurement and Instrumentation，2009（4）:17-20.

[6]金珏，杨旭光.高精度轨道移频信号参数检测仪的设计[J].中国铁路，2009（7）:45-50.

JIN Jue，YANG Xu-guang.High precision orbitalshift frequency signal parameters detector design[J].China Railway，2009（7）:45-50.

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稿件编号：201112159

杨明极（1971—），男，辽宁开原人，博士，教授。研究方向：语音信号处理，嵌入式系统。