摘要：為了提高鐵路機車中移頻鍵控信號的測量精度，給出了一種利用FPGA和ARM處理器測量頻率的方法。該方法在FPGA中利用量化時鐘實時測量一組FSK信號周期長度，并將測量數(shù)據(jù)存儲在FPGA內(nèi)部設(shè)計的雙口RAM中。FPGA通過設(shè)計的串口模塊將測量數(shù)據(jù)送給ARM處理器，ARM處理器對產(chǎn)生測量誤差的主要原因進行分析，并對上、下邊頻切換時產(chǎn)生的畸變數(shù)據(jù)進行處理，給出了時間間隔測量誤差的分析和補償方法。實驗表明，該系統(tǒng)具有較好的抗擾動能力，能夠滿足一般工業(yè)現(xiàn)場測試速率和精度的要求。
在鐵路運輸系統(tǒng)中，利用軌道電路移頻鍵控信號(FSK)判斷運輸狀態(tài)，傳輸控制信號，不同的調(diào)制信號下的載波信號代表不同的控制指令，所以實時、精確地檢測軌道電路移頻信號對保證鐵路安全、快捷運輸十分重要。采用頻譜分析法確定FSK信號參數(shù)時，F(xiàn)FT變換需要對信號進行整周期采樣，而FSK信號既具有數(shù)字通信的優(yōu)點，又具有非線性調(diào)制的特點，因此對所有信號進行整周期采樣具有一定的難度[1]。采用高頻量化脈沖測量信號周期方法可以避免這一問題，只要量化時鐘和處理速度滿足要求，就可以獲得滿意效果。
本文在FPGA中利用高頻時鐘對FSK信號進行采樣，用ARM處理器對獲取的數(shù)據(jù)進行分析，并對畸變數(shù)據(jù)進行補償，從而得到軌道電路FSK信號高頻載波及低頻調(diào)制信號測量參數(shù)。
1 系統(tǒng)設(shè)計
FSK信號是一種利用低頻信號調(diào)制載波信號后產(chǎn)生的正弦交流信號[2]，該信號主要由高頻載波f0和頻偏信號Δf形成的上邊頻fh、下邊頻fL組成，兩種載波頻率在每個調(diào)制信號fm周期內(nèi)呈交替變化。
若FSK信號可用周期信號S(t)表示，則FSK信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式[3-4]為：
其中，f0為FSK信號的中心頻率，?駐f為信號頻偏，T=1/fm為低頻調(diào)制信號周期。FSK信號如圖1所示，其中虛線為低頻調(diào)制信號，實線為載頻信號段，中部為上邊頻段，兩端為下邊頻段。
FSK信號測量的主要參數(shù)包括載頻和頻偏形成的上邊頻、下邊頻信號和調(diào)制頻率三種物理量。在對FSK信號進行參數(shù)測量時，首先將FSK信號經(jīng)過信號調(diào)理電路，利用高速開關(guān)管電路將正弦交流信號變換成方波信號；然后利用FPGA測量方波信號周期，并將測量數(shù)據(jù)通過串行接口發(fā)送給ARM處理器；ARM處理器接收到測量數(shù)據(jù)后，根據(jù)測量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況計算載波和調(diào)制信號頻率。在FSK信號幅值測量時，經(jīng)過線性變換和限幅等處理，由高速16bit A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。ARM處理器獲取FSK信號頻率和幅值參量后，將計算結(jié)果送往LCD顯示。具體系統(tǒng)設(shè)計原理如圖2所示。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
移頻鍵控信號測量時，通過測量一段時間內(nèi)載波信號的脈沖寬度確定上邊頻和下邊頻，并根據(jù)載波信號切換點數(shù)據(jù)統(tǒng)計值確定調(diào)制信號頻率。因此，根據(jù)載頻信號的測量數(shù)據(jù)即可確定FSK信號參數(shù)。測量的移頻信號主要為國產(chǎn)18信息和法國UM71移頻信號兩種制式，F(xiàn)SK信號的載頻信號測量范圍為495～2611 Hz之間。
系統(tǒng)包括FPGA和ARM處理器兩個核心模塊，F(xiàn)PGA完成FSK參數(shù)測量，ARM處理器完成參數(shù)計算，如圖3所示。根據(jù)FSK信號測量性能要求，選擇Altera公司的Cyclone II系列FPGA作為測量核心模塊。系統(tǒng)輸入為25MHz的時鐘信號，經(jīng)過FPGA中鎖相環(huán)后獲得30MHz的時鐘，利用該時鐘對FSK信號的脈沖寬度進行量化，并將測量結(jié)果存儲在16bit字長的雙口RAM中，利用FPGA中設(shè)計一個串口控制器，將FSK信號的測量值發(fā)送ARM處理模塊。
2.1 FPGA測量模塊程序設(shè)計
FSK信號測量的準(zhǔn)確性與量化時鐘的選擇有一定關(guān)系，而量化時鐘的大小決定測量值的數(shù)據(jù)寬度[5-7]，量化時鐘選擇越大，且存儲測量結(jié)果的組數(shù)越多，則計算結(jié)果越精確，但在數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理時會影響系統(tǒng)的實時性。根據(jù)測量的FSK信號特征，在下邊頻為fL=495Hz時，計數(shù)結(jié)果獲得最大值。設(shè)量化時鐘的頻率為f，則必須滿足f/fL=216，即量化時鐘f<32440320Hz。利用鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生30MHz量化時鐘信號，為了保證FSK信號測量精確度及測量結(jié)果不能溢出(超出預(yù)定的數(shù)據(jù)寬度)，選擇計數(shù)值的存儲單位的數(shù)值寬度為16bit。為獲取有效的測量低頻調(diào)制頻率，應(yīng)至少測量3個低頻調(diào)制頻率周期內(nèi)部的方波計數(shù)值。由軌道移頻信號的特征可知，當(dāng)上邊頻fh=2611Hz、低頻調(diào)制信號fm=10.3Hz時，一個半周期內(nèi)的調(diào)制頻率內(nèi)部最大的載波信號周期數(shù)n≤254，而3×254<1024<5×254。因此選擇測量FSK信號的數(shù)據(jù)深度為1024組。
2.2 ARM數(shù)據(jù)處理模塊程序設(shè)計
ARM處理器主要用來接收FPGA送來的FSK信號計數(shù)值，對計數(shù)值進行統(tǒng)計后得到載波信號頻率、頻偏和調(diào)制頻率，并通過SPI接口將數(shù)據(jù)在LCD上進行顯示。
數(shù)據(jù)處理的難度在于提高低頻調(diào)制信號的測量精度，而影響系統(tǒng)測量精度的主要原因在于：FSK信號的上下邊頻切換為非整周期切換，導(dǎo)致切換點處出現(xiàn)畸變現(xiàn)象[4]。因而對畸變數(shù)據(jù)的判別及補償?shù)暮脡某潭仁怯绊懴到y(tǒng)測量性能的主要因素。
在畸變數(shù)據(jù)判別時，首先在計數(shù)值的左側(cè)和右側(cè)分別取兩個計數(shù)值CL1、CL2和CR1、CR2，如果|CL1-CL2|≤Δ1，|CR1-CR2|≤Δ1，且|CL1+CL2-CR1-CR2|≥2·Δ2時，則認(rèn)為在計數(shù)值C處發(fā)生跳變，計數(shù)值C為畸變數(shù)據(jù)。其中，Δ1為計數(shù)允許的誤差限，Δ2為載波頻率切換判斷限。通過對三組相鄰畸變數(shù)據(jù)之間的計數(shù)結(jié)果取平均值，可以得到上邊頻和下邊頻的頻率值，然后利用FSK信號相位連續(xù)方法對畸變數(shù)據(jù)進行補償，依據(jù)下邊頻和上邊頻期間總的計數(shù)值累積獲取低頻調(diào)制頻率。數(shù)據(jù)計算流程如圖4所示。
3 實驗結(jié)果及分析
在系統(tǒng)實驗測量過程中，分別對國產(chǎn)軌道電路18信息和法國UM71信號進行逐個測試。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，只要保證FSK信號的低頻調(diào)制信號在取極值情況下獲得滿意精度，則在整個FSK測量范圍內(nèi)能夠獲得滿意的性能。圖5為通過對異常值進行剔除、對畸變值進行補償后獲取的誤差曲線。通過誤差分析可知，系統(tǒng)對FSK信號的高頻載波信號測量誤差為1×10-4，低頻調(diào)制信號的測量精度為1×10-2，能夠滿足系統(tǒng)測量誤差要求。系統(tǒng)測量更新速率為2s左右，能夠滿足系統(tǒng)變化速率要求。
通過實驗發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠在2s內(nèi)準(zhǔn)確地獲取FSK信號的高頻載波信號頻率和低頻調(diào)制信號頻率。整個系統(tǒng)具有體積小、測量精度高等優(yōu)點，滿足我國電氣化鐵路和準(zhǔn)高速鐵路的測量要求，為設(shè)計快速、準(zhǔn)確的FSK信號檢測系統(tǒng)提供了依據(jù)，具有良好的發(fā)展前景。
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