基于Zoom-FFT技術的鐵路移頻信號檢測系統設計

李永巖

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司 甘肅勘察院，蘭州 730030)

0 引言

在軌道移頻信號檢測方法方面，傳統MATLAB系統主要采取時域法處理手段，包含多周期同步測量、數據周期測定、脈沖數計數等多種實施方案。在固定時間周期內，可同時確定信號脈沖個數與待測脈沖頻率，并建立二者之間的模態通用函數。在實際測量過程中，信號移頻精度始終與信號脈沖數量保持反比關系，但卻可與檢測閡值時間建立正比干擾模型，當鐵路輸入信號量不斷變大時，所檢測出的特征參數量數值也隨之增大[1-2]。這種方法依靠軌道移頻信號內部時鐘參量與外部頻率基數作比的方式，降低特征參數值實際檢測誤差，從而實現對列車通信數據的實時穩定傳輸。但此方法在低頻、高頻軌道信號并存的情況下，所獲移頻信息的特征參數值始終不能達到理想化水平。

基于上述問題，引入Zoom-FFT技術手段，設計新型鐵路移頻信號檢測系統。所謂Zoom-FFT技術也叫選帶快速傅立葉變換或細化的快速傅立葉變換，可針對固定節點處的信號參量實施局部細化放大處理，從而使高、低頻軌道移頻信號獲取不同的頻段分辨率。與傳統MATLAB系統相比，新型系統借助WIFI通信、移頻濾波等多種軟件主程序，連接各級硬件執行結構，再通過計算瞬時信號輸出頻率的方式，建立必要的模態移頻函數，實現對鐵路移頻信號頻率的分析與處理。在Zoom-FFT技術的支持下，新型系統能夠在多次檢測過程中得出更為精準的軌道移頻信號特征參數值，緩解列車通信數據在實時穩定傳輸方面所受的限制。

1 鐵路移頻信號檢測系統的硬件結構設計

鐵路移頻信號檢測系統的硬件執行環境包含AD轉換電路、DSP移頻芯片、信號傳感單元等多個設備元件，具體搭建方法如下。

1.1 AD轉換電路

AD轉換電路是鐵路移頻信號檢測系統中的核心電子輸出裝置，負責DSP芯片、LCD顯示器等硬件結構之間的電量促導，可在完整保留低頻、高頻軌道信號移頻形式的同時，將電流、電壓及其它電子應用指標一并從信號輸入端運送至信號輸出端。VEE信號捕獲器與鐵路移頻電子信號輸入端相連，只針對既定頻段內的信號參量實施篩選處理，左側與一移頻處理器相接，在長導線傳輸作用下，直接實施對上級捕獲信號的反調處理，同時將各類匯總指標參量反饋至DIGTTAL元件之中。DIGTTAL元件在功能上等同于一個A/D電路轉換器，負載于鐵路移頻電子信號輸入端左側，同時承載多個檢測電阻R兩端的移頻電壓，可根據信號特征參量的實際數值水平，協調低頻、高頻電量間的檢測度量關系，具備較強的數據信號統籌能力[3]。移頻互感端口同屬于AD轉換電路下側，在INH信號采集設備的作用下，使檢測電阻R內部的傳輸電流逐漸趨于統一，當互感輸出端累積的移頻信號量達到既定數值水平后，POL、CLK、DC、GND端口同時開啟與下級硬件設備間的應用連接，從而實現對鐵路移頻信號數據的檢測傳輸。

圖1 AD轉換電路結構圖

1.2 DSP移頻芯片

DSP移頻芯片與其它硬件檢測設備不同，在AD轉換電路的作用下，該原件具備獨立的算法編程能力，可在不借助軟件主程序的情況下，直接實施對鐵路移頻信號數據的應用與調度，從而使得列車通信數據的實時傳輸穩定性大大提升[4]。Jtag接口、SPI接口、Boot接口同位于DSP移頻芯片左下部，可按照數據信息的實際調度需求，建立與其它設備元件間的應用連接。在信號復位按鈕保持正向偏轉的情況下，Ecan接口長期空余，AD轉換電路直接作用于開關設備，并以此維持電源接口內鐵路移頻信號的連續接入狀態。移頻測試電位器位于DSP芯片上部，具有獨特的哈佛結構，在分流鐵路移頻信號時，要么訪問數據，要么訪問程序，最大程度上保持了輸入信號特征參數值的檢測精準性，使得系統實時檢測效率得到了提高[5]。串口組織輔助EEPROM設備執行移頻信號的取址與譯碼，在一個系統檢測周期內，具備多次與信號傳感單元連接的機會，是DSP移頻芯片內的核心應用設備。

1.3 信號傳感單元

鐵路移頻信號檢測系統的傳感單元設備具備一階差分、一階濾波、一階單轉三類基本連接形式，分別對應待檢軌道信號的不同輸出狀態。

1)一階差分傳感：一階差分傳感可實現由高頻輸入信號到高頻輸出信號的平級轉換，在R0信號電阻的作用下，鐵路移頻信號始終保持較強的橫向傳輸能力，在按照R1、R2電阻間的實際阻值比例，分配暫存于系統內的信號數據參量， 再聯合DSP移頻芯片，實現信息結構體的實時顯示[6]。

圖2 信號傳感單元結構圖(一階差分形式)

2)一階濾波傳感：一階濾波傳感可實現由低頻輸入信號到低頻輸出信號的平級轉換，R1、R2電阻同時具備感知鐵路移頻信號的能力，但由于下級傳感單元中只包含一個R3電阻設備，故該原件的阻值計算量應等于R1、R2阻值之和。

圖3 信號傳感單元結構圖(一階濾波形式)

3)一階單轉傳感：一階單轉傳感可實現由高頻輸入信號到低頻輸出信號的越級轉換，信號源經過R0電阻的移頻調試后，直接進入R3電阻中，再分多次傳輸至LCD信號顯示器及微處理接收元件中，從而為數據采集、移頻濾波、WIFI通信三類軟件主程序提供必要依存條件。

圖4 信號傳感單元結構圖(一階單轉形式)

1.4 LCD信號顯示器

LCD信號顯示器在核心板件上設置TPS73HD318型應用設備，為突出鐵路移頻信號的協調統一性，元件結構外平均分布28個功能不同的連接慣腳，一方面可大大增加顯示器主體與下級微處理接收元件間的連接緊密性，另一方面也可根據軌道移頻信號的特征參數實值，生成即時性數據顯示文件，從而滿足列車通信數據間的的穩定性傳輸關系。TPS73HD318應用設備左側連接慣腳上、下兩端各預留兩個空白傳輸位置，而中間剩余的12個連接慣腳則保持兼性連接關系，在經過多次轉承處理后，直接與移頻信號的反饋終端組織相連。第28號慣腳接入系統LCD移頻信號輸入端，可通過同步獲取信號數據與應用電子的方式，實現對軌道移頻信號特征參數值的精準檢測[7-8]。整個顯示器單元中分別設置3個屏狀設備元件，同一信號輸入形勢下，位于同側的顯示屏幕不能同時亮起、但可同時熄滅，這也是新型檢測系統能夠暫存移頻信號特征參數值指標的主要原因。

圖5 LCD信號顯示器結構圖

1.5 微處理接收元件

移頻信號檢測系統的微處理接收元件由上、下部單元結構共同組成，其中上部結構中包含C6748、TMS320C6748、C6523三類應用芯片，下部結構中則包含4個完全相同的信號數據顯示接入端節點。C6748芯片負責鐵路移頻信號數據的提取與調用，屬于與DSP芯片同級的遞歸處理元件，可有效統計系統空余節點內信號數據的實際數量級水平，再截取部分信號參量傳輸至下級設備元件中[9]。TMS320C6748芯片直屬于LCD信號顯示器，負責維持鐵路移頻信號的檢測輸入形式，不具備獨立的并行處理能力。C6523芯片與信號傳感單元設備同級，具備多階連接形式同時轉換的能力，可同時調度位于下部元件結構中的節點端口[10]。顯示接入端節點是鐵路移頻信號輸入微處理接收元件的物理通道，4個接口組織必須時刻保持相同的連通或閉合形式，以保證列車通信數據的實時穩定傳輸。

2 檢測軟件及應用主程序

2.1 基于Zoom-FFT技術的鐵路移頻信號頻率分析

在各項硬件基礎結構的支持下，分別計算與鐵路信號參量相關的瞬時輸出頻率與模態移頻函數，完成基于Zoom-FFT技術的信息檢測頻率分析。

2.1.1 瞬時輸出頻率

(1)

式中，λ代表基于Zoom-FFT技術的移頻信號檢測處理權限，y代表系統差分檢測濾波作用系數，i0代表鐵路移頻信號的最小輸出基本量數值，i1代表鐵路移頻信號的最大輸出基本量數值，χ代表傳輸信號數據的既定移頻系數，q代表單位時間內的移頻信號檢測總量，e代表移頻傳輸數據的額定承載極限條件。

2.1.2 模態移頻函數

在Zoom-FFT變換規律的支持下，模態移頻函數可直觀表述鐵路信號瞬時輸出頻率在固定內享檢測狀態下的單一頻率成分，可在為單分量信號賦予被檢實值參量的同時，區分數據信息主體中的必要與非必要傳輸成分，從而實現對列車通信數據的實時穩定傳輸[12-13]?；谏鲜龆x，模態移頻函數內的鐵路信號輸入數據雖具備一定的波動能力，但卻始終不會產生模態混疊的變動形式。設β1代表鐵路移頻信號的極值點輸入個數，β2代表鐵路移頻信號的過零點輸入個數，聯立式(1)，可將信號檢測系統的模態移頻函數定義為：

(2)

2.2 檢測軟件及應用主程序

聯合鐵路移頻信號頻率分析原則，按照信號數據采集、信號移頻濾波、WIFI通信的主程序設計流程，完成新型信號檢測系統的軟件應用環境搭建。

2.2.1 信號數據采集程序

信號數據采集程序作用于信號傳感單元與DSP移頻芯片間的信息應用連接，在檢測系統外部晶振頻率保持為24 MHz的情況下，該項執行程序可將信號寄存器調節為Ox- O1C11100的執行狀態，再借助外部模態移頻函數，更改已寄存的鐵路移頻信號參量，通常情況下，以倍頻數等于19最為適宜，此時與AD轉換電路相連檢測處理器的信號主頻數可達24×19=456 MHz[14]。在LCD顯示接口與DSP移頻接口保持并列連接的情況下，信號數據采集程序只允許寬度為16位的信號數據參量同列通過，直至最大尋址空間達到512 Mbit，才完全釋放已存儲的信號參量指標。具體的程序引腳與信號數據采集對應關系如表1所示。

表1 信號數據采集程序編碼原理

2.2.2 信號移頻濾波算法

信號移頻濾波算法只為濾除LCD顯示器中的非必要數據參量，可聯合信號數據采集程序，定義檢測系統內的信息傳輸頻率條件。一個完整的移頻濾波算法應當具有相同數量級水平的極值點和過零點個數，且在系統檢測周期內，顯示器輸入信號數據的調頻與調幅都應與標準正弦形式完全一致。在任意時刻，鐵路移頻信號的局部極大值點數量都不得高于過零點數量，而局部極小值點數量卻必須低于極值點的數量平均值，即移頻信號的上行、下行傳輸形式基本保持局部對稱狀態[15-16]。在編寫過程中，移頻濾波節點不得占用過量的信號頻段區間，且必須時刻與Zoom-FFT模態函數保持相同的應用變化趨勢。

2.2.3 WIFI通信程序

WIFI通信程序是具備數據初始化能力的信號回傳指令，僅作用于與微處理接收元件相連的數據輸入節點，支持Zoom-FFT檢測指令與移頻應用指令的同步傳輸，在系統中起到原設置返回的作用[17]。無論指令是否成功執行，在WIFI通信程序的作用下，微處理接收元件都會收到一連串的信號數據字符，對于其它系統硬件執行結構來說，可通過識別返回信息中剩余字符數組的方式，判斷已傳輸指令是否執行成功，若指令成功執行，則自動執行下一條指令；若指令未能成功執行，則重復執行上一條指令，直至最終判斷結果為“是”。至此，完成各項軟、硬件執行結構的搭建，在Zoom-FFT技術原理的支持下，實現新型鐵路移頻信號檢測系統的順利應用。

3 實驗結果與分析

為驗證基于Zoom-FFT技術鐵路移頻信號檢測系統的實際應用價值，設計如下對比實驗。在列車行駛路段中，每隔等長距離設置一個移頻信號發生裝置，選取三臺等長且型號相同的列車作為實驗對象，在車頭位置安裝相同的信號接收器，如圖6所示，其中實驗組ArbStudio主機搭載新型信號檢測系統，對照組(a)ArbStudio主機搭載傳統MATLAB系統，對照組(b)主機不搭載任何檢測系統。

圖6 列車內部信號接收器

低頻、高頻軌道移頻信號檢測精度均能反映列車通信數據的實時傳輸穩定性，通常情況下，檢測所得精度數值越大，列車的實時傳輸穩定性也就越強，反之則越弱。

3組不同的高頻軌道移頻信號檢測精度數值結果如圖7所示。

圖7 高頻軌道移頻信號檢測精度

從圖7可以看出，圖1(2)的數值波動性最小，檢測精度極大值達到70%；圖1(3)的極小值水平最低，達到38%，二者間差值為32%。單看對照組(a)的數值結果，圖1(1)的極大值水平最高、而極小值水平最低，前者達到42%、后者達到2%，二者間差值為40%。單看對照組(b)的數值結果，圖1(2)的極大值水平最高，達到32%；圖1(1)的極小值水平最低，達到2.5%，二者差值為29.5%。綜上可知，應用基于Zoom-FFT技術鐵路移頻信號檢測系統，可有效提升高頻軌道移頻信號的檢測精度數值，實現對列車通信數據的實時穩定傳輸。

表2反映了實驗組、對照組(a)、對照組(b)低頻軌道移頻信號檢測精度的實際數值結果。

表2反映了3組不同的低頻軌道移頻信號檢測精度數值結果。單看實驗組數值結果，第3組的極大值水平最高，達到31%；第1組的極小值水平最低，達到23%，二者間差值為8%。單看對照組(a)的數值結果，第3組、第1組的極大值水平最高，達到16%；第2組的極小值水平最低，達到12%，二者間差值為4%。單看對照組(b)的數值結果，第3組的極大值水平最高，達到8%；第1組、第2組、第3組內記錄結果都包含極小值4%，二者差值為4%。綜上可知，應用基于Zoom-FFT技術鐵路移頻信號檢測系統，也可有效提升低頻軌道移頻信號的檢測精度數值，促進列車通信數據實現穩定的實時傳輸。

表2 低頻軌道移頻信號檢測精度

4 結束語

與傳統MATLAB系統相比，基于Zoom-FFT技術的鐵路移頻信號檢測系統利用AD轉換電路，實現DSP芯片與信號傳感單元的實時對應連接，又在數據采集、移頻濾波等多個軟件主程序的作用下，計算得出準確的信號數據瞬時輸出頻率。從實用性角度來看，低頻、高頻軌道移頻信號檢測精度均出現不同程度的提升，可在精準獲取信號參量特征參數值的同時，實現對列車通信數據的實時穩定傳輸，具備較強的應用推廣價值。