基于dsPIC的移频信号测试系统的设计应用

1  引  言

铁路信号的主要功能是保障行车安全和提高运输能力。为确保行车安全， 首先要确定接收信号的正确性、准确性和实时性， 因此须对相关的铁路信号进行检测与维护。当前我国的铁路干线上， 轨道移频信号主要有两种制式: 国产18信息自动闭塞电路信号和UM - 71无绝缘轨道电路信号。国产18信息自动闭塞电路信号， 上行线采用的中心频率是650H z和850H z两种载频频率交替配置， 下行线采用的中心频率是550H z和750H z两种载频频率交替配置， 其频偏为55H z; UM- 71无绝缘移频轨道电路， 上行线载频的中心频率是2000H z和2600H z， 下行线采用的中心频率是1700H z和2300Hz两种载频频率， 频偏为11Hz。移频发送设备发送信号的可靠性与准确性是安全行车的重要保障， 在监测系统中实时地对频率发送情况进行监测成为新的技术要求。利用dsPIC 制作硬件平台， 采用时域及频域同时分析的方法， 对移频测试系统进行设计。

2  测试系统构成

本文测试的硬件平台框图如图1所示， 处理器使用m icrochip的16位dsPIC33FJ256GP710， 信号发送盒发出的移频信号， 电压在33~ 176V。信号要经过处理才能作为输入进入处理器自带的逐次逼近的12位A /D， 电压幅度降为0~ 3. 3V。处理器对数据进行分析处理后， 分析的结果通过LCD显示。测量系统构成如图1所示。

将移频信号的一路信号经过施密特触发器接入处理器的捕捉模块引脚， 另一路原始信号经过低通滤波器后接入A /D 引脚。利用捕捉模块从时域中可以得到频率， 经过校正之后， 便可以得到边频及载频; 经过A /D转换得到信号的离散值， 再经过快速傅立叶变换将时域信号转换到频域中， 利用移频信号特性从频域可以得到低频调制频率。

3  移频信号及测量原理

我国铁路中， 国产18信息移频自动闭塞系统和UM - 71无绝缘轨道电路均采用的是相位连续的移频键控信号， 其时域表达式为:

其中: Ao为移频信号的幅度，ω0 为载频的中心角频率。

△ω为移频信号的角频偏。

经傅立叶变换后得到移频信号的频域表达式为 :

其中: n 为整数，ω1 为低频调制角频率，m 为移频指数: m = △ω/ω1 =△ f/f1。

进一步可得到: 中心载频分量ω0 (ω0= 2!f0，n= 0)的相对幅度为:

奇次边频分量的相对幅度为:

偶次边频分量的相对幅度为:

国产18信息及UM - 71 轨道电路的理论频谱图的大致图形如图2所示。

(其中: 横轴为边频数， 纵轴为相对幅值)

故从信号的频谱图中可以得到的参数有:

( 1)信号的载频频率。在国产18信息移频轨道电路中， 信号的载频频率为两峰值频率和的平均值， 而对于UM - 71移频轨道电路而言， 信号的载频频率即为频谱图中峰值处的频率。

( 2)信号的低频调制频率。在频谱图中， 其谐波之间的间隔即为信号的调制频率。

图2  国产18信息及UM - 71的理论频谱图

4  测试算法及实现

主程序流程图如图3所示。

图3  主程序流程图

4. 1  载频的确定

由于经过FFT 后的频谱中谱线幅值在实际测量中受干扰的影响与理论值的差别较大， 所以直接利用幅值来计算频偏， 再结合载频求上下边频的方法在实际测量中会产生较大的误差。所以本文所述方法避开了利用幅值求取频偏再得到上下边频的方法， 而是直接从时域中获得上下边频， 再求载频的方法， 最后求频偏， 这样精度高， 速度快。

具体方法: 将信号经过施密特触发器后接到处理器的捕捉模块引脚IC2， 每5个下降沿产生一次中断， 计算一次对应的频率， 实时测量频率。由于移频信号是调频信号， 所以实时测量频率会出现两个正确的频率和频率交接处的频率， 因此在程序中加入了统计频率出现概率的功能， 该功能的作用是在测量一段时间后， 出现概率最大的两个频率值认为是最后确定的上下边频的值。得到的上下边频的值与真实频率有一定偏差， 要经过校准才可得到正确的上下边频。得到的频率经过校准之后便可得到上下边频， 两者的平均值即为载频。上下边频与载频的差值即为频偏。经过校准后边频的误差在±0. 11H z之内。

下面给出不同频段上的校准参数:

UM - 71系列移频信号边频测试校准数据如表1所示。

表1  UM - 71系列移频信号边频测试校准数据(单位: H z)

从表1中可以计算得出UM- 71的频率校准参数如表2所示。

表2  UM - 71的频率校准参数表(单位: H z)

国产18信息移频信号边频测试校准数据如表3所示。

表3  国产18信息移频信号边频测试校准数据(单位: H z)

从表3中可以计算得出国产18信息的频率校准参数如表4所示。

表4  国产18信息的频率校准参数表(单位: H z)

4. 2  调制频率的确定

4. 2. 1  欠采样的应用

为了提高频率分辨率， 调制频率采用欠采样的方法得到。欠采样技术就是指以低于奈奎斯特采样频率B 倍的采样频率进行无失真的采样过程。欠采样就是通过降低采样频率的方法来提高频率分辨率。

从频域上分析， 信号的采样过程就是原信号频谱沿频率轴的搬移过程， 要使信号不失真， 则要求采样信号频谱在整个频域内不重叠。所以欠采样频率fs应满足如下关系：

　　其中

　　

　　为向下取整符号， fH 与fL 为信号的上、下截止频率。从而采样信号的频谱就无混叠现象出现。

　　从大量仿真实验所得的数据中， 可以归纳总结出欠采样前后中心频率所满足的关系式为：

其中: f s为采样频率， f (0 为欠采样后的中心频率。

根据欠采样频率fs所满足的关系式， 即式( 4)，对我国18信息移频自动闭塞系统进行计算分析: 载频f0 分别为550H z、650H z、750H z、850Hz， 其频率偏移为△ f = 55H z， 上边频为: fH = f0 + △f， 下边频为:fL = f 0 - f。通过计算可得， 在k相对应的取值范围内， 国产18 信息各移频轨道信号欠采样频率的区间， 见表5所示。同理可得UM - 71无绝缘轨道移频信号的欠采样频率。

通过比较可以发现， 载频为550H z和750H z(下行线)时， 欠采样频率存在重叠的部分402. 5H z≤ fs≤ 463. 3Hz， 载频为650H z和850H z(上行线)时， 欠采样频率存在重叠的部分362. 0H z≤fs≤ 396. 7H z，而上、下行线共同重叠的部分905Hz≤fs≤ 990H z。

载频为1700H z、2000H z、2300Hz和2600H z的UM -71无绝缘移频轨道电路， 在欠采样频率中存在有很多重叠部分， 如: 924. 4H z≤ fs≤ 994. 5Hz， 580. 2Hz≤fs≤647. 2Hz， 290. 1H z≤ fs≤304. 6H z等。比较两种制式的欠采样计算数据， 不难发现， 在国产18信息移频自动闭塞系统和UM - 71无绝缘轨道电路中，对其每一中心频率所调制的轨道移频信号， 欠采样频率都存在有共同的重叠部分924. 4H z≤ fs≤990H z。因此， 对这两种制式轨道电路的移频信号，可在欠采样频率共同重叠的部分选取统一的欠采样频率。在程序中欠采样频率定为950H z。

表5  国产18信息各移频轨道信号欠采样频率区间表(单位: H z)

4. 2. 2  Zoom - FFT频谱细化技术

在欠采样频率重叠部分924. 4H z≤fs≤ 990Hz，如果选择FFT 计算点数N = 2048， 那么频率分辨率0. 4514≤△f≤0. 4834。从通常的FFT分析方法中可知， 在频谱图上的有效频率分布范围是从0H z到奈奎斯特频率fs/2为止， 而谱线间隔( fs/n)决定了频率分辨能力( n 表示数据点数， fs表示采样频率)。

因此， 在采样频率与FFT 计算点数N 不变的情况下， 要获得较高的频率分辨率， 需对有用频段进行选频细化分析。

在诸多选频细化分析方法中最为常用的是复调制Zoom - FFT、相位补偿细化和级联三种方法。然而在计算效率、精度和灵活性等方面都比较理想的方法还是基于复调制的Zoom - FFT。

复调制Zoom- FFT: 输入信号为x ( n) ， 假设其频谱为|X ( f) |， 如需要对频率f附近的频谱进行细微观察， 则首先应对x ( n)进行复调制， 将感兴趣频段的下限频率移至原来的零频率位置， 从而得到移频后的信号y( n) ， 经过复调制后的信号y( n)的频谱是原来频谱的左移， 欲观察的谱线已移至零频附近。这样就可以以较低的频率对y ( n)进行重新采样， 为防止频谱混迭， 在采样前还需应用理想低通滤波器进行滤波。二次采样是为了提高频率分辨率，使采样频率降至fs/D ( fs是第一次采样的采样频率， D 为细化倍数)。经二次采样后的信号， 进行复数FFT， 便可得到细化后的频谱。

输入信号in [ ]直接来自于A /D 的转换结果。

国产18信息虽然是双峰， 但双峰是对称的， 所以只要取频谱的一半分析即可。可以根据前面所求的的载频值来判断是国产18信息还是UM - 71的信号。

程序中确定细化倍数D为16， 所以欠采样并进行频谱细化后， 频率分辨率为0. 02821≤ △f≤ 0. 03021。

频谱细化信号处理部分流程图如图4所示。

图4  频谱细化信号处理部分流程图

5  测试结果

按图1所示的结构搭建试验系统， 经过对信号发送盒的实际测试， 得到测试数据， 移频信号边频测试数据如表6所示。

表6  移频信号边频测试数据(单位: H z)

移频信号调制频率测试数据如表7所示。

表7  移频信号调制频率测试数据(单位: H z)

由以上数据可知， 测量结果移频信号边频误差≤ ± 0. 11H z， 低频调制频率误差≤  ±0. 04H z， 满足测试标准要求， 一次完整采样、数据处理及显示所用时间在2. 3s内， 满足实际测试需要， 因此证明所采用的测试方法正确可行。

6  结束语

本文在以数字信号控制器dsPIC 为核心的移频测试系统平台基础上， 采用从时域分析边频的方法，从而避开利用频谱幅值求取频偏再获得边频的方法， 进而提高了运算的速度及精度。从频域分析调制频率， 运用欠采样及频谱细化技术更加有效的提高了测量精度， 故这种基于dsPIC 的移频信号测试系统是准确、高效的测试系统。