移頻鍵控信號測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，利用軌道電路移頻鍵控信號(FSK)判斷運(yùn)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(shí)時(shí)、精確地檢測軌道電路移頻信號對保證鐵路安全、快捷運(yùn)輸十分重要。采用頻譜分析法確定FSK信號參數(shù)時(shí)，F(xiàn)FT變換需要對信號進(jìn)行整周期采樣，而FSK信號既具有數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)，又具有非線性調(diào)制的特點(diǎn)，因此對所有信號進(jìn)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(shí)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(shí)鐘對FSK信號進(jìn)行采樣，用ARM處理器對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)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(jì)
　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(gè)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(shí)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(jìn)行參數(shù)測量時(shí)，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(jì)情況計(jì)算載波和調(diào)制信號頻率。在FSK信號幅值測量時(shí)，經(jīng)過線性變換和限幅等處理，由高速16 bit A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ARM處理器獲取FSK信號頻率和幅值參量后，將計(jì)算結(jié)果送往LCD顯示。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　移頻鍵控信號測量時(shí)，通過測量一段時(shí)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(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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495～2 611 Hz之間。
系統(tǒng)包括FPGA和ARM處理器兩個(gè)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(jì)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25 MHz的時(shí)鐘信號，經(jīng)過FPGA中鎖相環(huán)后獲得30 MHz的時(shí)鐘，利用該時(shí)鐘對FSK信號的脈沖寬度進(jìn)行量化，并將測量結(jié)果存儲在16 bit字長的雙口RAM中，利用FPGA中設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)
　FSK信號測量的準(zhǔn)確性與量化時(shí)鐘的選擇有一定關(guān)系，而量化時(shí)鐘的大小決定測量值的數(shù)據(jù)寬度[5-7]，量化時(shí)鐘選擇越大，且存儲測量結(jié)果的組數(shù)越多，則計(jì)算結(jié)果越精確，但在數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理時(shí)會影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。根據(jù)測量的FSK信號特征，在下邊頻為fL=495 Hz時(shí)，計(jì)數(shù)結(jié)果獲得最大值。設(shè)量化時(shí)鐘的頻率為f，則必須滿足f/fL=216，即量化時(shí)鐘f32 440 320 Hz。利用鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生30 MHz量化時(shí)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(jì)數(shù)值的存儲單位的數(shù)值寬度為16 bit。為獲取有效的測量低頻調(diào)制頻率，應(yīng)至少測量3個(gè)低頻調(diào)制頻率周期內(nèi)部的方波計(jì)數(shù)值。由軌道移頻信號的特征可知，當(dāng)上邊頻fh=2 611 Hz、低頻調(diào)制信號fm=10.3 Hz時(shí)，一個(gè)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3×2541 0245×254。因此選擇測量FSK信號的數(shù)據(jù)深度為1 024組。