杨　进，杨　城

(1.南京铁道职业技术学院通信信号学院，南京210035; 2.南京地铁运营有限责任公司通号中心，南京210012)



基于DDS Ramped FSK技术的机车信号测试系统设计

杨进1*，杨城2

(1.南京铁道职业技术学院通信信号学院，南京210035; 2.南京地铁运营有限责任公司通号中心，南京210012)

摘要:为了解决目前通用机车信号环线发送器系统复杂、价格贵，便携式机车信号发送器精度和可靠性低等问题，采用DDS Ramped FSK技术设计了一种机车信号测试系统，该系统可模拟18信息、UM71和ZPW2000移频轨道电路的信号，通过上位机控制该系统输出不同的载频和低频编码Ramped FSK信号，减小了对邻近信号设备的干扰，便于车载设备解调。该系统结构简单，输出信号稳定可靠。

关键词:机车信号;过渡频移键控(Ramped FSK);直接数字同步(DDS);移频轨道电路

近年来随着国家铁路大提速，机车信号已成为主体信号，铁路行车安全被提到了前所未有的高度。机车信号设备能准确无误地接收到移频轨道电路的信号是安全行车的前提条件，因而机车信号设备在出库前必须进行检查。目前所使用的通用机车信号环线发送器系统电路结构复杂，大部分设备输出是非正交FSK信号，容易干扰其他设备;便携式发码器一般是用单片机设计，锂电池供电，其连续工作时间短，精度低，可靠性不高，且输出同样是非正交FSK信号。一种基于DDS Ramped FSK技术(直接数字同步过渡频移键控技术)的机车信号测试系统被提出，系统可产生正交FSK信号，输出的FSK信号频率稳定、精度高，对外界电磁干扰小。

1　总体设计

该测试系统主要由上位机专家系统，移频发送器，双面八显示机车信号灯系统，测试环线，电源模块组成。系统结构图如图1所示。上位机含一套VC++ 6.0开发的小型专家测试系统软件，根据TB/T3060—2002关于机车信号信息定义及分配标准，可模拟18信息移频轨道电路、UM71轨道电路及ZPW2000轨道电路发送器，为机车信号设备模拟出列车在不同区间连续运行过程中轨道电路所发出的不同的载频和低频信息。其中低频为信号频率从10.3 Hz～29 Hz，以1.1 Hz递增，误差小于±0.02 Hz。载频为550 Hz、650 Hz、750 Hz、850 Hz或1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz或1 701.4 Hz、1 698.7 Hz、2 001.4 Hz、1 998.7 Hz、2 301.4 Hz、2 298.7 Hz、2 601.4 Hz、2 598.7 Hz。18信息移频轨道电路频偏±55 Hz，其余两种频偏±11 Hz。可实现模拟半自动区段，三显示/四显示闭塞区段，特殊区段多种移频信息，实现机外停车，正线接车，侧线接车，侧线发车，引导接车，进路越场接车，区间停车，区间信号点灯等指令功能。

图1　机车信号测试系统框图

用户在HMI触摸显示屏上设置所模拟的轨道电路类型以及载频和低频参数。

上位机主机(PC)为系统核心，用于接收来自HMI显示屏设置的编码信息参数，并控制移频发送器和点灯控制板。移频发送器由Ramped FSK信号发生器和FSK功率放大器两部分组成。Ramped FSK信号发生器中的单片机通过RS232接收上位机发来的载频和低频编码信息，然后控制DDS芯片产生Ramped FSK信号。经过电压跟随器匹配前后级阻抗后，再经D类集成功放芯片放大输出到设置在两根钢轨轨腰处的测试环线上，环线线径为1 mm左右的多股铜线。

同时，上位机主机(PC)通过RS232向点灯控制板发送点灯控制信号，点灯控制板通过安全与门继电器输出电路控制双面八显示机车信号灯的灯位显示状态，电路可实现故障导向安全，信号灯能可靠显示。

电源模块则采用TOP224Y开关电源芯片将220 V交流电转换成一路5 V/0.5 A直流电和两路24 V/2 A直流电。5 V电源再经AMS1117转变成3.3 V分别供给Ramped FSK信号发生器，一路24 V提供给FSK功率放大器，还有一路24 V直流电提供给双面八显示机车信号灯显示。

下面就系统最核心的部分－移频发送器的原理及实现方法进行详细论述。

2　移频发送器硬件设计与实现

2.1Ramped FSK信号发生器

目前，产生轨道电路移频FSK的方法主要有4种，第1种是单片机产生方波后通过有源滤波器滤出正弦波，第2种是单片机控制DAC产生不同频率的正弦波，第3种是FPGA芯片加外部DAC产生FSK信号，再通过功放输出，第4种是单片机控制DDS芯片产生FSK信号。所产生的FSK信号既有不连续FSK，也有正交FSK。前者相位和频率发生突变，后者相位连续，可用扫频技术实现频率渐变。不连续FSK频带利用率低且频谱衰减过慢，正交FSK可使频带利用率提高一倍，且提高系统EMC能力，也便于机车信号系统DSP芯片对FSK信号进行解调。

Ramped FSK信号发生器采用单片机ATmega16控制DDS芯片AD9854的方式产生正交Ramped FSK。移频发送器核心电路原理图如图2所示。

图2中U2为单片机ATmega16，U1为数字合成器AD9854。上位机可通过串口将所需产生的载频和低频配置信息发送给ATmega16(串口部分图中未画)，AD9854即可产生所期望的信号。AD9854是一款高性能DDS芯片，可产生高稳定精度，相位，幅值可编程的正弦波，通过配置相关寄存器数据进行扫频输出，可灵活输出Ramped FSK信号，减小系统噪声。单片机的PA0～PA8与AD9854的数据口D0～D8相连接，AD9854的地址线为A0～A5，分别与单片机的PD2～PD7相连接。AD9854的FSK/BPSK/HOLD引脚是FSK模式选择脚，其功能模式由可编程寄存器选择，在FSK模式下，低电平为输出f1，高电平时输出f2。AD9854的SHAPED KEING引脚在高电平时，输出信号从0上升到满幅值;低电平时，输出信号从满幅值下降到0标度。

图2　Ramped FSK信号发生器电路原理图

AD9854的S/P SELECET引脚是串行编程模式(低电平)与并行编程模式(高电平)选择脚。AD9854 的MASTER RESET引脚是初始化串/并总线准备脚，高电平时表示单片机已经初始化AD9854的串/并口。AD9854的IO UD CLK引脚为双向I/O时钟脚，方向的选择可在控制寄存器中设置，本系统设置为输入端，时钟上升沿将I/O端口缓冲器的内容传送到可编程寄存器。AD9854的REFCLK脚为基准时钟输出端，由一个30 MHz的有源晶振提供。AD9854的REFCLKA引脚为差分时钟补偿信号端，由于本系统为单端信号输入模式，所以该脚应接地或高电平。AD9854的PLL FILTER引脚是基准时钟倍乘锁相环滤波器外部零位补偿网络连接端，串联一个1.3 kΩ和一个0.01 μF电容到地即可。AD9854的DAC BP引脚可外接0.01 μF到地，这样可以改善谐波失真和杂散性。AD9854的信号输出端为IOUT1，可外接滤波器以提高输出信号的平滑性。

2.2FSK功率放大器

移频发送器的功率放大部分由运算放大器LM358和D类功放芯片TPA3112D1组成，其原理图如图3所示。AD9854的输出信号经过LM358设计的电压跟随器处理后，送给TPA3112D1进行放大，引脚18和23输出差分正弦波信号，分别接到测试环线的两端。TPA3112D1在单电源24 V直流供电情况下，在负载为8 Ω情况下，最大输出功率25 W，效率达94%，无需型材散热器，芯片自带过热和短路保护功能。

图3　移频发送器功率放大器电路原理图

3　移频发送器软件设计

移频发送器软件部分主要包含3部分:第1部分是完成AD9854芯片初始化，实现一路频率可调Ramped FSK信号输出;第2部分是接收上位机串口数据，将所需要产生载频信息和低频信息存储到EPPROM中;第3部分是接收上位机发来的双面八显示色灯点灯信息，并继电器驱动实现色灯点灯功能。系统软件采用C语言编程，编译环境为ICCAVR 7.22。图4为AD9854芯片初始化软件流程图。

图4　AD9854芯片初始化软件流程图

4　结束语

本文研究了基于DDS Ramped FSK技术的机车信号测试系统的设计方法，该系统能模拟多种常见移频轨道电路发码，功放电路效率高，无需散热器。采用扫频技术实现的正交Ramped FSK信号，减小了对邻近信号设备的干扰。单片机软件简单，无需复杂编程。功率输出电压幅值软件可调。使用CD97－3C型机车信号测试仪对该系统进行载频和低频信号测试，其信号的频率和幅值的稳定性均达到设计指标。该系统结构简单，输出稳定可靠，成本低廉，可用于实验室设备测试或高校、铁路局电务部门教学与培训。

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杨　进(1980－)，男，汉族，江苏南京人，南京铁道职业技术学院通信信号学院讲师，从事铁道信号、远程信息控制方向的教学与研究工作，railyangjin @163.com;

杨　城(1991－)男，汉族，江苏徐州人，南京地铁运营有限责任公司通号中心信号设备维护员，从事信号设备维护与管理工作，njmetroyang@163.com。

Applications of Two-Dimensional FFT Algorithm in Radar Signal Processing of LFMCW Based on FPGA

LIU Wenbin1，ZHU Mingri1*，ZHENG Danping2，PAN Kai1，YAO Xin1
(1.School of Electronic Engineering and Automation，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China;
2.School of Computer Science and Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China)

Abstract:There is a certain degree of difficulty to detect moving targets by linear frequency modulated continuous wave(LFMCW)，two-dimensional FFT target echo signal processing techniques to extract phase information，which can effectively suppress the fixed clutter，achieve the detection of moving targets.The implementation of signal processing for Doppler velocity radar with a FPGA chip and LFMCW Doppler radar signal processing principles are introduced.The data buffer，fast algorithm for the FFT sequence of real numbers，Hilbert transform，etc，of the FPGA are described.Finally，the test results show that the two-dimensional FFT algorithm can extract the distance and speed of the target.

Key words:FPGA; FFT; LFMCW; target detection

doi:EEACC:7210G; 632010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.024

收稿日期:2014－08－23修改日期:2014－10－02

中图分类号:TP368.1

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0831－04