【導(dǎo)讀】的安全可靠運行就顯得尤為重要。隨著我國鐵路系統(tǒng)的不斷發(fā)展，而列車的區(qū)間信號可靠準確傳輸是列車能否穩(wěn)定運行的。非常重要的條件之一。介紹了軌道移頻信號的構(gòu)成，以及其調(diào)制方式。然后著重對軌道移。利用數(shù)字芯片進行檢測則必須引入離散型傅里葉變換，欠采用技術(shù)，減少采樣點數(shù)，增加DSP工作效率。頻軌道信號檢測系統(tǒng)。并給出詳細電路。

　　

【正文】 證信號的頻譜在頻域分析是不發(fā)生頻譜混疊并能無失 真還原，要求信號的采樣頻率必須滿足如下條件 [11]： 其中 為信號的最高頻率，當采樣頻率低于最高頻率的兩倍時，采樣信號的頻譜可能發(fā)生混疊現(xiàn)象，從而造成采樣信號頻率與原信號頻率不同，即頻譜發(fā)生畸變或頻率混亂。 根據(jù)離散型傅里葉變換的性質(zhì)，信號頻譜的頻率分辨率是采樣頻率 與 FFT 長度 的比值，即： 從上式我們可知，為了保證所測量的頻域分析信號能達到足夠的精度需要使 減小，所以我們可以增大 或者減小 ，增大 會使得在處理數(shù)據(jù)時處理器所占有的數(shù)據(jù)空間變大，使 處理數(shù)據(jù)量變大，從而降低數(shù)據(jù)處理的效率；但是如果過度降低 ，根據(jù) Nyquist 采樣28 定理會降低采樣信號的真實性，可能會發(fā)生混疊，嚴重時會使設(shè)備根本無法正常識別分析信號。所以一般來講 是極限，但是仔細分析軌道移頻信號會發(fā)現(xiàn)，軌道移頻信號相對比較規(guī)律，最關(guān)鍵一點是其帶寬非常窄，國產(chǎn)的軌道移頻信號頻偏 為 55Hz，所以帶寬也僅有 110Hz， 如果仍按式（ 415）那樣去采樣的，信號的頻譜中將會存在一段頻譜的空余但是也不能利用，這樣做會引起帶寬的浪費。通常對于窄帶寬的信號在采樣方面會有一些性質(zhì)，設(shè)帶通信號的帶寬為 ， ， 為上邊頻， 為下邊頻，并且 ，只要采樣頻率 的某些值，就能確保采樣后信號的頻譜不會重疊，所以欠采樣技術(shù)就是利用了軌道移頻信號的窄帶寬特點來進行無失真采樣處理數(shù)據(jù)的。 采樣信號 傅里葉變換形式如下式： 上式中， 為欠采樣所得信號的頻譜函數(shù)， 為采樣周期，為采樣的角頻率。由式（ 417）可知信號的采樣過程其實是原始信號的頻譜沿著頻率軸所搬移的過程，所以為了確保信號的不失真，即要求信號采樣頻率 必須滿足 以下 的關(guān)系： 29 即 欠采樣后的中心頻率 與實際中心頻率 之間存在著如下關(guān)系： 其中 為頻率偏移常 數(shù)， 為欠采樣后得到的中心頻 率， 為理論頻譜中心頻率。這樣就可保證原信號頻譜中的上下截止頻率都不與上邊帶重疊，即采樣信號的頻譜無混疊現(xiàn)象 [ 12 ]。 軌道移頻信號欠采樣頻率的確定 根據(jù)以上的一系列分析可知軌道移頻信號是可以利用欠采樣技術(shù)來進行無混疊采樣來確定頻率。這樣可以在相當大的程度上增加所采樣信號的分辨率，在相同的 FFT 變換中，至少可以將分辨率提高 K 倍。我國 18 信息移頻自動閉塞系統(tǒng)， FSK 共有 4 種載頻，分別是 550、 650、 750、 850Hz。其頻率 偏移為 ，下面以載頻為例進行分析： 當 時 信號的上邊頻為 信號的下邊頻為 30 根據(jù)公式（ 415）可得，當 K=1 時 同理也可求出當 K=2,3,4 時對應(yīng)的欠采樣頻率，分別為 綜上當 時， 31 同理可以求得 由以上采樣頻率的數(shù)據(jù)可得：為了使得采樣過程簡單應(yīng)該將信號的采樣頻率盡量保持統(tǒng)一。 如上式所示 ，四種 載頻不存在重疊部分，但是可以發(fā)現(xiàn)在信號的載頻為 550Hz 到 750Hz 時，欠采樣頻率32 存在重疊的部分 而在載頻為 650Hz 和 850Hz 上，采樣頻率也存在重疊部分 。由于系統(tǒng)采樣 DSP 的采樣頻率是 8000Hz，所以采用對樣本數(shù)據(jù)進行抽取的方法實現(xiàn) 待分析數(shù)據(jù) 的 欠 采 樣 。 對 下 行 數(shù) 據(jù) 以 18 倍 整 數(shù) 抽 取 得 到 欠 采 樣 頻 率 為，對上行數(shù)據(jù)以 21 倍整數(shù)抽取得欠采樣頻率為 。 33 第 5 章 軌道移頻信號 系統(tǒng)的 設(shè)計 軌道移頻信號硬件整體 設(shè)計 概括 通過以上幾章我們 已經(jīng)對軌道電路信號的性質(zhì)進行了比較詳細的分析，本論文最終的目的是要將具有處理檢測軌道移頻信號的設(shè)備設(shè)計出來，所以這章將主要根據(jù)移頻信號檢測方法的具體實現(xiàn)設(shè)計整個體系的硬件部分。 檢測設(shè)備的硬件電路是實現(xiàn)檢測功能的平臺，也是 整個 檢測設(shè)備的主要部分之一，硬件設(shè)計部分的好壞將直接影響軌道移頻信號的傳輸質(zhì)量，檢測信號信息的精準性，要很好的實現(xiàn)檢測功能，必須設(shè)計出 可靠 、穩(wěn)定且與檢測算法 相 匹 配的電路。 對于移頻信號檢測設(shè)備而言，由于分析信號要用到 FFT，所以處理數(shù)字信號的快慢將嚴重影響著設(shè)備的性能 ，而 DSP 芯片的誕生使 得 短時間內(nèi)進行大量數(shù)字信號處理成為了可能。 下面我們將給出整個電路的結(jié)構(gòu)框圖并加以說明 。 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2內(nèi) 置A D信 號 預(yù) 處理電 源 產(chǎn)生 電 路L C D 接 口通 信 接 口鍵 盤存 儲 器信 號 燈 信 號發(fā) 送 圖 51 軌道移頻信號檢測硬件框圖 34 由以上框圖可以看出，整個系統(tǒng)硬件總體上分為 6 大部分，即信號預(yù)處理部分、 A/D 部分、鍵盤部分、 DSP 最小系統(tǒng)部分、 LCD顯示部分以及電源部分，下面將對各部分功能進行介紹。 （ 1） 信號預(yù)處理部分 主要是將信號處理成 A/D 轉(zhuǎn)換器能接受的信號范圍，需要對信號的幅值以及所涉及的電壓范圍進行處理，一般使用加法電路和放大電路組成。 （ 2） A/D 轉(zhuǎn)換部分主要是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字處理器能處理的數(shù)字信號，因為本次采用的處理器具有內(nèi)置 A/D，所以此 A/D 部分主要是指內(nèi)置 A/D。 （ 3）鍵盤部分主要是對整個設(shè)備進行開關(guān)、測試以及參數(shù)設(shè)置等人機對話功能。 （ 4） DSP 最小系統(tǒng)部分主要是指 DSP 芯片以及 DSP 運行所需要的最小的外圍電路部分，一般包括時鐘電路，通信接口等部分，最主要的進行 FFT 運算并將運算結(jié)果顯示在 LCD 以及信號燈的驅(qū)動電路上。 （ 5） LCD 顯示部分主要是顯示當前 DSP 的工作狀態(tài)，以及進行人機對話的顯示部分以及相關(guān)的操作界面。 （ 6）電源部分 的主要功能是提供 DSP 工作的電壓和本論文所用的 A/D 基準電壓以及外圍芯片所用的電壓。 DSP 芯片的選擇 芯片的介紹 首先 DSP 是哈佛結(jié)構(gòu)，它具有獨立的數(shù)據(jù)總線和程序總線，可同時訪問指令以及數(shù)據(jù)空間，而且數(shù)據(jù)可以在程序的存儲器與數(shù)據(jù)35 的存儲器內(nèi)進行傳輸，與早期處理器采用的馮諾依曼結(jié)構(gòu)相比具有更高的指令執(zhí)行速度和數(shù)據(jù)處理能力。而且 DSP 具有流水線操作，在 DSP 處理器內(nèi)，對于每條指令操作具體分為取指、譯碼、執(zhí)行等幾個階段，每個階段為一級流水。流水的處理具體是指某一個時刻同時要對若干條的指令 而進行不同的階段處理。其次， DSP 有專用的硬件乘法器，在本項目的實際應(yīng)用中，需要進行大量的乘法和累加操作 (如數(shù)字濾波、卷積、快速傅里葉變換等 )，此時可利用 DSP片內(nèi)的硬件資源來完成。這樣就能在同一時鐘周期內(nèi)完成一次乘加操作，極大的提高數(shù)據(jù)的處理速度。再次，獨立的 DMA 總線和控制器，即有一組或多組 (直接存儲器訪問 )總線，與 CPU 的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作，在基本不影響 CP U 工作的情況下，可以進行高速并行數(shù)據(jù)傳輸。還有特殊的 DSP 指令集，它是一套專門為數(shù)字信號處理而設(shè)計的指令系統(tǒng)。使用這些指令，能夠簡便、高效和快 速的進行數(shù)字信號處理 [ 13]。 對于移頻信號檢測裝置來說，最核心的部分當屬 DSP 部分，因為 此 部 分 的 選 擇 對 于 整 個 系 統(tǒng) 的 性 能 起 決 定 作 用 ， 可 以 通 過 用MATLAB 進行仿真，確定采樣的參數(shù)來選擇合適的 DSP 型號。一般情況下，應(yīng)將 DSP 的特點， DSP 芯片的分類以及運算速度和精度、存儲量的大小、功耗以及價格并結(jié)合本項目的設(shè)計要求來綜合考慮。 TMS320F2812 簡介 TMS320F2812 是美國 TI 公司推出的新一代 32 位定點數(shù)字信號處理器，該芯片每秒可執(zhí)行 億次指令，具有單周期 32 bit 32 bit的乘和累加操作功能 ,片內(nèi)集成了豐富的外圍設(shè)備 ,如 16 路 A/D 轉(zhuǎn)換器、面向電機控制的事件管理器以及多種標準串口通信外設(shè)等?？梢?，其不僅具有數(shù)字信號處理器卓越的數(shù)據(jù)處理能力，又像單片機36 那樣具有適于控制的片內(nèi)外設(shè)及接口；它在數(shù)字控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在運動控制領(lǐng)域以及嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計中 ,常常成為微處理器的首選。所以本系統(tǒng)設(shè)計采用 TMS320F2812 這款芯片。 X A [ 1 8 ]158X A [ 1 7 ]156X A [ 1 6 ]152X A [ 1 5 ]148X A [ 1 4 ]144X A [ 1 3 ]141X A [ 1 2 ]138X A [ 1 1 ]132X A [ 1 0 ]130X A [ 9 ]125X A [ 8 ]121X A [ 7 ]118X A [ 6 ]111X A [ 5 ]108X A [ 4 ]103X A [ 3 ]85X A [ 2 ]80X A [ 1 ]43X A [ 0 ]18X D [ 1 5 ]147X D [ 1 4 ]139X D [ 1 3 ]97X D [ 1 2 ]96X D [ 1 1 ]74X D [ 1 0 ]73X D [ 9 ]68X D [ 8 ]65X D [ 7 ]54X D [ 6 ]39X D [ 5 ]36X D [ 4 ]33X D [ 3 ]30X D [ 2 ]27X D [ 1 ]24X D [ 0 ]21X 1 /X C L K I N77X276X R S160T R S T135T C K136T M S126T D I131T D O127E M U 0137E M U 1146ADCLO175ADCRESEXT16ADCREFP11ADCREFM10X Z C S 6 A N D 7133X W E84X R D42VSSA115VSSA2165VDDA114VDDA2166VSS1163VDD1162VDDAIO1VSSAIO176VDD23VDD37VDD56VDD75VDD100VDD112VDD128VDD143VDD154VSS19VSS32VSS38VSS52VSS58VSS70VSS78VSS86VSS99VSS105VSS113VSS120VSS129VSS142VSS153VDDIO31VDDIO64VDDIO81VDDIO114VDDIO145VDD3VFL69G P IO F 040G P IO F 141G P IO F 234G P IO F 335G P IO F 4155G P IO F 5157G P IO F 687G P IO B 045G P IO B 146G P IO B 247G P IO B 348G P IO B 449G P IO B 550G P IO B 653G P IO B 755G P IO A 092G P IO A 193G P IO A 294G P IO A 395G P IO A 498G P IO A 5101AVSSREPBG12AVDDREFBG13ADCINA0174G P IO E 0 X I N T 1149GPIOG5SCIRXDB (I)91GPIOG4SCITXDB (O)90T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 圖 52 TMS320F2812 部分管腳示意圖 外圍電路的設(shè)計 供電電源 TMS320F2812/F2811/F2 810 芯片要求雙電壓（ 或 和）來為 CPU、 閃存 、 RO M、 ADC 和 I/O 供電。為了確保所