（电路与系统专业论文）基于tms320c6722平台的改进tvm430信号的研究与实现.pdf

中文摘要 摘要：t 哇4 3 0 是从法国引进的数字编码轨道电路信号系统，其采用多音调频方 式一次最多可以传输2 l 比特列车控制信息，具有很大的信息量，可以满足目前铁 路发展对列控系统信息传输的要求。但是r 、伦d 4 3 0 信号不但系统设备复杂昂贵， 并且解调周期较长，可靠解调信号需要2 5 至3 秒，大大超过了目前广泛使用的 z p w 2 0 0 0 信号，较长的系统响应时间限制了硎4 3 0 信号在高速铁路中的应用， 因此本文从降低信号可靠解调时间出发进行系统设计。 减少信号解调时间可以从两个方面考虑： 一、降低信号解调本身所需要的计算量，即优化信号设计和解调算法； 二、提高硬件系统性能，增加系统的计算承载量。 改进硎4 3 0 信号从我国铁路的实际状况出发，在保证足够信息量的同时减 少了不必要的冗余信息，降低了信号设计本身对系统响应时间的影响，取得了很 好的效果。t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 是新一代高性能浮点d s p ，其优化的系统架构、强大的 并行处理能力以及丰富的片上外设成为开发改进硎4 3 0 信号的理想方案。 本文的内容是基于t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 浮点d s p 平台完成改进t 弋瓜嗄4 3 0 信号的研 究和开发，主要包括发送和接收两个部分。 信号的发送采用d d s 方案实现，即首先对信息比特进行c r c 编码得到发送 码字，然后采用查表的方式得到调制信号的采样序列，最后计算调频信号瞬时频 率值写入d d s 频率寄存器，d d s 输出调频信号。 接收信号处理分三步进行，一是调频信号解调；二是调制信号频谱分析；三 是信息识别。调频信号解调采用过零检测解调法，可以有效的避免寄生调幅带来 的干扰。解调得到的低频调制信号直接进行f f t 得到频谱的频率分辨率无法满足 译码要求，本文中采用基于复调制的谱细化分析方法，即z f f t 方法对调制信号进 行谱分析，得到调制信号所在频带的细化谱，然后逐个分析各信息对应的谱线处 谱峰的存在进而得到信息编码。 关键词：改进t v m 4 3 0 ；t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 ；调频解调；z f f t ；数字编码轨道电路： 过零检测解调法 分类号：t n 9 1 1 7 a bs t r a c t a b s t r a c t 1 v m 4 3 0i sad i 百t a l d i n gt r a kc i r c u i ts i 伊a l i n gs y s t 锄，w l 矗c h i n 删) n e d 丘o mf r a n c e 删4 3 0c 雒缸锄s f 打am a ) 【i m 啪o f2 1b i t s 昀i nc o n 仃o l i i l f o n n a t i o nw i mm u l t i t o n ef m s i g n a l ，s oi tc a nw e l lm e e tm er e q u i r e m e n t0 fr a i l w a y d e v d o p m e n to nm ea m o 删1 to fc o n t r o li n f o m l a t i o n b u tm ef l a w sa r ee ( 1 u i p m e n _ t s e x p e i l s i v e 锄dl o n gd e c o d ec y c l e 2 5 - 3 sd e c o d ec y c l ei sm u c hl o n g e rt h a nz p w 2 0 0 0 l o n gs y s t 锄r e s p o n s et i m el i i i l i t sm ea p p l i c a t i o no f7 m 4 3 0i nl l i 曲一s p e e dr a i l w a y s ，s o d e c o d ec y c l ef e d u c t i o ni st h e 嘶锄t e do f 眦s y s t 锄d 商蹲i nt h i sp a p e r t w om e t h o d sc 锄b eu s o dt 0r e d u c ed e c o d et i i l 鸲f i r 瓯i m p r o v em es i 印a 1d c s i g n 锄do p t i m i z et l ed e c o d ea l g o r i l m ，b o n lo fn l e mc 勰捌u c et h ec o m p u t a t i o n s e c o n d ， i i l l p r o v et h eh a r d w a r ep e r f b m a n c e h n p r o v c dt v m 4 3 0r o d u c e st l l eu n n e c e s s a r ) rre d _ 吼d 锄ti n f 0 锄a l i o nw l l i l ee n 嘶n g m ei 1 1 f o m a t i o no fc l l i n a sr a i l w a yr c q u i 硼t m s 3 2 0 c 6 7 2 2i san e w g e n e m t i o no f t i s h i 咖p e r f 0 1 m 锄c ef l o a t i n g p o i n td s pc h i p ，讹c ht 煅o p 恤：i l i z c ds y s t e ma r c h i t e 咖r e ， p o w e 删p a r a l l e lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s 狮di u c h0 n 枷pp 耐p h e r a l 刖lo ft l l e s e 矗斌l l r e sm a l 【ei tap e 彘c ts o l u t i o no fi i i l p r o v c d1 v m 4 3 0 m s p a p e ri sb a s e d o nm et m s 3 2 0 c 6 7 2 2 n o a t i n g - p o i n td s pp l a t f o n nt 0r e s e a r c h 褫dd “e 1 0 p 吐l ei n l p r o v e dt v m 4 3 0 i n c l u d i n g 柳op a r t s ：t xa i l dr x d d ss o l u t i o ni su s e dt 0i m p l 锄e n ts i 印a l 缸a n s i i l i s s i o n n ep r o c e s so ft xi n c l u d e 吐l r e es t 印s f i r 瓯c r ce n c o d et 0g e tc o d ew 0 r d ；s e c o n dg 烈m o 出d a t i o ns i 萨a ls 锄p l 试g s e q u c n c ei l lm em 锄0 do fl o o k - u pt a b l e ；眦r d ，c a l c u l a t et l l ei n s t a i l t a i l e o u s 舶q u c n c yo f i n u l t i t o n ef m ，l e 董l 、撕t e 廿l e 舶q u 锄c yc 0 i l 仃o lw o r dt o 舶q u e i l c yr e 百s t e r so fd d s r xc 锄b ed i v 试e dt o 衄优呶翟st 0a c 札e v e f i r 瓯妇n o d u l a t e 吐l ef ms i 盟a lg e t m o d u l a t c ds i 鳃a 1 w eu s ea c r o s s z e r 0d e t e 嘶o nm e t h o di nt h i sp a p e rt 0d of m d 锄o d u i a t i o 玛w h i c hc a l le f r e c t i v e l ya v o i dm ei r l t 铡衙c ec a u s e db y 坩p a r a s i t i c a m p l i t u d en 1 0 d l l l a t i o n t h e n ，a n a l y z em es p e c t m mo f m o d u l a t o ds i g n a l t 坞s p e c 钒瑚 o fm o d u l a t c ds i 印a lb yd i r e c t l yf 兀c a n n o tm e e tt l l e 舒e q u c l l c yr e s o l u t i o no fs i 班a 1 a n a l y s i s s oz f f ti su s e dt oe n l a r g e 吐l e 丘o q u e i l c yr c s o l u t i o n f i n a l l y g e tc 0 d ew o r do f t xb ya i l a l y z ei s 血ep e 呔e x i s ti nm el o w - f 呐u e n c yc 0 玎e s p o n d i n gm ei n f o n n a t i o nb i t k e y w o r d s ：h n p r 0 v e dt v m 4 3 0 ；t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 ；f md 锄o d u l a t i o n ；z f f t d i 西t a l c o d i n g 扛a c kc i r c u i t ；a c r o s s z e r od e t e c t i o n c l a s s n o ：t n 9 1 1 7 致谢 本论文的工作是在我的导师邵小桃副教授的悉心指导下完成的，邵小桃副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年半来邵小桃副教授对我的关心和指导。此外，还要尤其感谢杜普选副教授对我 的照顾和教导。 杜老师和邵老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上 都给予了我很大的关心和帮助，在此向他们两位表示衷心的谢意。两位老师在工 作上治学严谨、要求严格、具有丰富的教学和工程经验，生活中他们乐观、积极， 他们对学生毫无保留的传授专业知识和做人做事的道理，这使我不仅在专业能力 而且在其他更多更有意义的方面都得到了很大的提高，他们对我的教诲将使我受 益终生，在此再次表示感谢。 同时在就读期间，闻跃老师、养雪琴老师以及马庆龙老师也都给予了悉心的 指导和关怀。他们丰富的知识和积极的学习生活态度都给我提供了很多帮助，在 此，向他们表示真挚的敬意和感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张西峰、魏翊、敖乃翔、韩赛、董威、贾松 松、李红等同学对我论文中的多项研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢我的父母和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1引言 随着我国经济的快速增长，高速铁路建设驶入了快车道。沪杭城际高速铁路、 武广客运专线、京津城际高速铁路的相继开通，不断刷新世界铁路运营试验的最 高时速，也使我国高速客运铁路的发展走到了世界的前列。 过去中国经济发展主要以大城市为核心，但是近年来区域经济发展很快，“城 市群”作为一个整体逐渐浮出水面，如长三角、珠三角、环渤海、山东半岛城市群 等。“城市群”的崛起以及城市群之间的交通需求，意味着以短途运输为主的公路已 不能完全满足需求，运载量小的航空运输也难以完成使命，完善的高铁网络成为 最佳解决方案，因此国家加大了高速铁路资金投入力度。2 0 0 3 年以来，铁路建设 项目批复投资总规模超过4 万亿元，已完成1 5 万亿元，计划今年完成基本建设投 资规模7 0 0 0 亿元。预计“十一五 期间，铁路建设规划目标全部完成，全国铁路 投产新建铁路1 6 万公里，2 0 1 0 年底铁路运营里程达到9 万公里。 我国高速铁路领先世界，2 0 0 8 年8 月1 日，中国第一条具有世界先进水平， 运营时速3 5 0 公里的京津城际铁路的正式开通运营。2 0 0 9 年1 2 月1 6 日，世界上 里程最长，运营时速3 5 0 公里的武广高速铁路开通运营，成为中国高速铁路发展 的又一里程碑。2 0 1 0 年2 月6 日，世界上首条修建在大面积湿陷性黄土地区的郑 西高速铁路开通运营，中国西部结束了没有高速铁路的历史。2 0 l o 年7 月1 日， 世界上标准最高、里程最长、运营速度最快的城际铁路一一沪宁城际高铁开通运 营。目前，我国高速铁路投入运营里程7 0 5 5 公里，其中既有线提速达到时速2 0 0 2 5 0 公里的线路有2 8 7 6 公里。另外还有1 万多公里高速铁路正在建设。京沪高速 铁路是世界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路，也是我国建国以来一次 投资规模最大的建设项目。京沪高速铁路目前正在实施全线铺轨，2 0 1 2 年前将通 车。目前，我国已成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、 运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。 1 1铁路信号系统发展现状 铁路信号通过轨道电路传输，轨道电路的性能是行车安全和运输效率的重要 影响因素。轨道电路是利用钢轨线路和钢轨绝缘构成的电路，它用来监督线路的 占用情况，实现列车运行与信号显示的关联，即通过轨道电路向列车传递行车信 息，实现列车的超速防护和自动控制。 铁路信号的主要任务是提供列车的控制信息，保证列车行车安全，提高运输 效率。车地间大信息量传输是现代高速铁路对列控系统的基本要求，因此必须要 提高车载接收机的信号处理能力。基于模拟轨道电路的传统的列车自动控制系统 已经远远无法满足高铁列车对行车安全的控制需求，以阶梯控制模式为主的列车 运行模式已经逐步发展成为“速度距离”一次制动曲线控制模式，因此要求地面 设备向机车传输更多的控制信息，这些信息利用数字编码轨道电路以数据报文格 式传送到车载控制子系统，该数据帧包括速度信息，轨道参数，目标距离等信息。 数字轨道信号必然取代模拟轨道信号，在轨道交通中广泛使用。在这种需求的推 动下，很多铁路发达国家，如日本、德国、法国等相继推出了数字化列车自动控 制系统，并成功应用到高铁和城市轨道交通中。 1 法国u t 系统 硎系列列车控制系统由法国c s e e 公司研制。t 、，m 3 0 0 型或t v m 4 3 0 型是 带速度监督的机车信号，被法国高速铁路( t g v ) 广泛采用。其采用u m 系列无 绝缘轨道电路实现地对车信息传输。法国东南干线列车时速最高2 7 0 虹忱，大西洋 新干线上列车行车间隔为4 分钟，时速3 0 0 l ( i 】 1 h 。硎4 3 0 的车载信号计算机可以 产生连续的速度变化曲线，提供给司机更实际的速度变化信息，从而大大提高行 车的安全性。 2 日本a t c 系统 a t c 系统是日本新干线采用的列车控制系统，数据采用最小移频键控调制方 式，通过数字编码轨道电路传输。2 5 b p s 的传输速率完全可以保证信息传输量的要 求，a t c 系统的列控信息包括闭塞分区的编号、列车间隔、出站股道编号和到站 股道编号等。数字式a t c 采用目标距离一次制动模式曲线方式，这种方式缩短了 制动距离，并可根据不同的列车性能提供不同的模式曲线。 3 德国l z b 系统 德国高铁采用基于感应式的l z b 列控系统，列车间隔控制采用轨间感应电缆 高频传递。l z b 系统由区段控制中心、控制设备、线路电缆组成的地面设备和控 制主机、接口设备组成的机车设备构成。l z b 系统地对车信息传递采用f s k 调制 方式，载频3 6 k h z ，传输速率1 2 0 0 b p s ，共8 3 比特，传输各种运行控制信息，包 括线路坡度、目标速度、目标距离、减速区段的列车位置、列车地址等。该列控 系统以地面控制中心为主计算制动曲线，车载信号设备智能化不足，与其他列车 控制系统兼容性差。 相比国外，我国列控系统的发展起步较晚，与国外先进技术存在不小的差距。 但随着近年来我国在高速铁路的迅速发展，这种差距迅速缩小，并实现赶超。2 0 l o 年1 2 月3 日，在京沪高铁枣庄至蚌埠问的先导段联调联试和综合实验中，国产“和 谐号”c r h 3 8 0 a 新一代高速动车组最高运行时速达到了4 8 6 1 公里，再次刷新了 2 世界铁路运营试验最高速。多条时速超过3 0 0 公里的高铁线路的成功运营，说明 我国的列车控制系统已经达到了世界先进水平。我国以前运用的轨道电路与自动 闭塞主要是交流计数电码自动闭塞、极性频率脉冲信号自动闭塞( 简称极频) 、 国产移频信号自动闭塞三种。交流计数电码自动闭塞是2 0 世纪5 0 年代后期从前 苏联引进的，极频、国产移频信号自动闭塞是我国6 0 年代自行研制的。它们的共 同缺点是可靠性不够高，信息量太少，抗干扰能力不够强，不能满足现代铁路发 展的需要。 早期为了加快我国铁路自动闭塞系统的发展进程，从法国引进了u m 7 l 和 1 、仃v 1 3 0 0 ，也称u t 信号，u 指地面u m 7 1 无绝缘轨道电路，用于地对车的信息传 输，t 指车载t v m 3 0 0 信号设备。引进后进行了二次开发，以适应我国铁路客货 混运，股道没有保护区段等特点，通过消化吸收迅速实现国产化。w g 2 l a 型无 绝缘轨道电路移频自动闭塞就是完全国产化的创新产品，它不仅保留了u m 7 1 设 备的优点，而且频率精度抗干扰能力等指标还优于国外设备。z p w 二2 0 0 0 a 型自 动闭塞更有新的突破，解决了关键技术问题，性能高于u m 7 l ，它也是目前我国主 要的自动闭塞系统，广泛应用于各大主干道上乜3 1 。 1 2改进t v m 4 3 0 信号简述 为进一步发展机车信号和列车超速防护系统，借鉴国外先进经验，我国引进 了在法国高速铁路上使用的u m 2 0 0 0 无绝缘轨道电路和，r 、仆似3 0 超速防护系统。 n 厂m 4 3 0 超速防护系统用数字和模拟两种方式联系显示由轨面信息决定的列 车允许速度和经测速传感器测出的列车实际运行速度。一旦列车实际运行速度超 过了系统的允许速度，系统将自动发出命令，向司机发出自动报警，对列车实施 常用制动或紧急制动。n 强厦4 3 0 超速防护系统在轨面基础数据作用下，可自动生 成连续式列车速度控制曲线，连续显示和监督列车速度，任何时候系统均保证实 际走行速度低于列车的限制速度，其控制方式为以人为主，机控为辅h 5 j 。 删4 3 0 超速防护系统运用于我国第一条双线双向电气化客运专线秦沈铁路 上，秦沈铁路设计速度为2 0 0 h 沈( 部分地段预留2 5 0 h 沛) ，取消了地面通过信 号机。虽然设置了进站和出站信号机，但平时在调度自动集中控制下进、出站信 号机均为灭灯状态，因此，在秦沈铁路，列车以硎4 3 0 超速防护系统显示的车 载速度为行车凭证。这不仅提高了列车速度值，同时也最大限度的保证了行车安 全，促进了我国列车超速防护系统的发展。 硎4 3 0 系统由两个子系统组成：地面信号发送系统和车载信号接收系统。 删4 3 0 系统中，控制信息编码有2 7 位，每一位对应一个相应频率、幅值和相位 3 的正弦波，对应关系如表1 1 所示。调制信号由对应控制信息编码的正弦信号叠加 而成，得到的调制信号对载波进行调制得到多音调频信号在轨道电路上传输旧，载 波频率有四种：1 7 0 0 h z ，2 0 0 0 h z ，2 3 0 0 h z 和2 6 0 0 h z ，在上下行线路中交替使用。 表1 1 删4 3 0 信息编码表 t a b l e l lh l f o r m a t i o nc o d i n gt a b 哇eo f t v m 4 3 0 b i t 频率( h z )幅值( v )相位( 弧度)含义 0o 8 81 4 6 1 2 8 l1 5 2 1 4 61 9 4 22 1 61 4 6 4 0 7 32 8 01 4 6 4 2 2 差错控制码 43 4 41 4 63 2 4 54 0 81 4 63 0 4 64 7 21 4 61 4 7 75 3 61 4 61 1 5 坡度码 86 0 01 4 61 1 3 96 6 41 6 6o 9 7 1 07 2 81 8 54 2 9 l l7 9 21 9 53 0 9 1 28 5 62 1 52 8 2 1 39 2 02 3 43 2 6 闭塞分区长度码 1 49 8 42 4 43 9 3 1 5 1 0 4 82 6 31 6 4 1 6 1 1 1 22 7 60 9 1 1 71 1 7 62 9 31 7 9 1 81 2 4 03 1 21 4 7 1 91 3 0 43 2 2 4 8 3 2 0 1 3 6 83 4 2 2 1 3速度码 2 11 4 3 23 6 l 4 0 0 2 21 4 9 63 7 12 2 5 2 31 5 6 03 9 l5 3 0 2 41 6 2 44 1 05 2 5 2 51 6 8 84 2 03 0 6 路网码 2 61 7 5 24 3 94 6 9 2 7 2 5 6 81 3 9 6 3 8 0 占用码 由上表可以看出，t 、伦d 4 3 0 信号包含丰富的信息，2 8 位信息可以分为占用码、 路网码、速度码、闭塞分区长度码、坡度码、差错控制码等几个部分。该信号较 大的信息量很适合在高速铁路中应用，但是它也存在严重的不足，2 5 3 s 的信号解 调时间使其应用受到了很大的限制，系统应变时间长，无法高速铁路对实时性的 要求，另外该系统设备昂贵，性价比较低，因此很有必要进行国产化改进口，。 改进t 讯厦4 3 0 信号主要从减少信号解调周期着手。从我国铁路的实际情况和 对原有t v m 4 3 0 信号的分析中不难发现，原有的信息存在冗余，如果减少冗余信 息，理论上就可以降低解调难度，减少解调时间。文献盯1 便是根据这种思路对 t 、厂m 4 3 0 信号进行了改造，使其满足信息传送量的前提下尽可能的减少了解调时 间，设计了一种适合我国国情的轨道信号系统，这里称为改进t v m 4 3 0 信号系统。 下面就这种改进信号系统进行详细阐述。 4 改进硎4 3 0 信号基于如下分析减少了信息比特： 1 去掉了路网码。路网码的作用是决定微机对速度码的理解，中国分配得到 的1 、伽4 3 0 信号路网码为l l l ，不存在一种信号制式多种速度的理解，因此可以取 消路网码。 2 减少坡度分级。坡度信息可以提供更为精准的控制要求，帮助产生更为精 确的控制曲线。由表1 1 可知，原t 、厂m 4 3 0 信号坡度码有4 位，可以表示1 6 种坡 度信息，坡度范围是4 0 一+ 4 0 。而我国铁路的实际情况是拟建高速铁路的最 大坡度一般不超过1 2 ，困难条件下，经牵引计算检验，可采用不大于2 0 的坡 度，因此坡度码只需要3 比特，坡度分为8 个等级就可以达到原信号相同精度。 改进t v m 4 3 0 信号坡度信息表如表1 2 所示。 表1 2 改进t v m 4 3 0 信号坡度信息表 坡度范围传输坡度值坡度码 + 2 0 一十1 2 + 1 2 u pg r a d i e l l t 0 0 0 + 1 2 一+ 4 + 4u p 固r a d i e n t o o l + 4 一2 2 u p 訇a d i 锄t 0 1 0 2 一8 - 8u p 霉_ a d i e n t0 1 1 8 一1 2 一1 2u pg r a d i e n t1 0 0 1 2 一1 6 一1 6u p 粤m d i e i l t1 0 l 1 6 一2 0 - 2 0 u pg r a d i e n t 1 1 0 3 减少闭塞分区等级。闭塞分区长度码传输闭塞分区的长度信息，闭塞分区 长度即轨道电路入口到闭塞分区末端标志之间的距离。不同的环境中闭塞分区长 度是不同的，闭塞分区越短，控制越精细，铁路利用率越高，灵活性越强。但是 闭塞分区长度也不能无限制的缩短，一般应满足：2 三厶，其中表示闭塞分区 的长度，厶表示列车的长度。考虑我国铁路的现实情况，选择最小4 0 0 m 的比赛 分区长度即可满足要求。因此选择闭塞分区长度码占用4 比特，可以表示1 6 种闭 塞分区长度。改进t 、仆厦4 3 0 信号闭塞分区长度定义如表1 3 所示。 表1 3 改进1 v m 4 3 0 闭塞区间长度信息 t a b l e l 一3b l o c ks e c t i o ni n f 0 锄a t i o no f i i 印r o v e dn m 4 3 0 间隔1 0 0 i m 间隔2 0 0 l i n间隔3 0 0 l i n 4 0 0 l1 0 02 4 0 0 5 0 01 3 0 02 7 0 0 6 0 0 1 5 0 03 0 0 0 7 0 01 7 0 0 8 0 01 9 0 0 9 0 02 1 0 0 4 减少速度等级。n 伽4 3 0 信号速度码是8 位，可以传输2 5 6 种不同速度消 息。每条消息包含3 个信息，地面设备按照3 个l 组的方式发送给车载设备。这 三个消息是： 机车信号显示速度； 5 本闭塞分区的入口速度； 下一闭塞分区的声明速度。 由上面这组信息，机车设备就可以推算出： 1 ) 要显示的信息，包括目标速度，到闭塞分区末端的距离等。 2 ) 产生速度控制曲线的数据，包括闭塞分区开始处的控制速度、闭塞分区末 端的控制速度、计算速度曲线用的加速度，速度控制缓解的速度值。 实际情况下，对于每一闭塞分区只需知道本分区的入口速度、最高速度和末 端速度就可以得到其速度控制曲线。而对于下一闭塞分区的速度曲线，只需知道 其末端目标速度即可，如果需要精确的速度曲线，还要知道下一分区的坡度和分 区长度等信息。 基于以上的分析，改进硎4 3 0 信号只保留了本闭塞分区最高安全速度和本 闭塞分区末端的目标速度。采用t 、琢嗄4 3 0 大西洋线典型值：3 0 02 7 0 2 2 01 6 0 8 0o ( h 加) ，速度码减少为5 比特。5 比特可传输3 2 种速度信息，改进刑4 3 0 信号只有1 4 种信息，因此编码存在冗余。在解调时，编码中多个连续的“l ”会 在调制信号的频谱中形成包络，增加信息识别难度，降低解调速度，所以码型的 选择要尽量避免多个“1 ”连续出现。下面分析一下码型的选择问题。 5 比特编码中，出现0 个“l ”的情况只有1 种；出现1 个“l ”的情况有5 种； 出现2 个“1 ”的情况有1 0 种，其中两个“l ”不连续的6 种，连续的4 种。因此 编码中只需不超过2 个“l 便可完成1 4 种信息编码。改进t 1 沁3 0 信号为了提 高解调速度增加了速度码奇偶校验码，可以采用奇校验或偶校验。经过分析后可 以得出结论：选择0 0 0 0 0 、0 0 0 0 1 、0 0 0 l o 、0 0 1 0 0 、0 0 l o l 、0 0 1 1 0 、0 1 0 0 0 、0 l 0 0 1 、 0 1 0 1 0 、0 l l o o 、l 0 0 0 0 、1 0 0 0 1 、l o o l 0 、1 0 1 0 0 作为1 4 种信息的编码，采用奇校验 方式。改进1 v m 4 3 0 速度信息定义如表1 - 4 。 表1 _ 4 改进t v m 4 3 0 速度信息 t a b l el _ 4s p e e di 墙n i i a t i o no fi n l p r o v e dn ，m 4 3 0 本闭塞分区最高安全速度本闭塞分区末端的目标速度速度码 3 0 0 k m ，i i2 7 0 龇0 0 0 0 0 2 7 0 l ( 1 n m2 2 0k m l l0 0 0 0 l 2 2 0 l ( 1 n i l 1 6 0 l ( 1 n 1 1 0 0 0 1 0 1 6 0 k m l l8 0 鼬 0 0 1 0 0 8 0 枞0 0 0 l o l 3 0 0 k m l i3 0 0 l ( 1 n l l0 0 l l o 2 7 0 枞2 7 0k m l l 0 l 0 0 0 2 2 0 k m m2 2 0 k m 1 10 l o o l 1 6 0 l 【i i 儿1 6 0 龇 0 l o l 0 8 0 呲8 0 枞 0 1 1 0 0 3 0 0 a “h2 2 0 k m i i 1 0 0 0 0 2 7 0 l c l n m1 6 0 k m l l 1 0 0 0 l 6 i 2 2 0 鼬8 0 枞 l o o l o l1 6 0 龇o 枞 1 0 1 0 0 5 改善差错控制码的设计。t 、仆傅3 0 信号0 5 位是差错控制码，差错控制采 用6 比特循环冗余校验编码，即c r c 6 编码。c r c 校验码是一种常用的具有较强 检纠错能力的差错控制方式。n 强d 4 3 0 信号采用的c r c 生成多项式是 g ( 工) = ( 1 + 力( + ，+ 1 ) ，不含因子工，含有因子( 1 + 曲及另一项五次多项式，因此 它具有如下检测能力： 1 0 0 的单错； 1 0 0 的双错( 假设双错是连续的或分散的) ； 1 0 0 的奇数错； 1 0 0 的小于或等于6 位突发错； l 一2 呻的7 位突发错； l 一2 呻的多于7 位突发错( 此处假设各种突发错的模式是等概率的) ； 1 0 0 长度各小于等于2 的两个突发错误。 改进”瓜似3 0 信号采用与原信号相同的循环冗余校验码。接收到信号处理的 最后一步是c r c 校验，译码得到的信息编码需要通过c r c 校验才认为是正确解 调，否则解调失败，重新采样解调。但是以钢轨作为传输介质的信号在传输过程 中很容易受到各种干扰的影响，幅值越小频率越低的信号受到干扰的影响越大， 相反，幅值较大频率较高的调制信号受到干扰较小。干扰越大检测难度越大，需 要的译码时间越长，严重影响信号的检测速度，所以才导致删3 0 应变时间很 长。长时间不能得到控制信息对于机车行车安全将构成很大的威胁。所以改进 1 、仆d 4 3 0 信号增加了1 位奇偶校验位，专门用来负责速度码的差错控制。这样能 保证解调正确性的同时提高了信号的解调速度。 基于以上的分析，改进t v m 4 3 0 信号如表1 5 所示。改进t 4 3 0 信号的载频 仍然采用1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h 2 、2 6 0 0 h z 四种，上下行线路中交替使用。调 制频率在各控制码间加了间隔，即相邻控制码问频率间隔为1 2 8 h z ，如差错控制 码最后l 位频率为7 2 8 h z ，坡度码第1 位频率为8 5 6 h z ，这种设计避免了相邻控 制码连接处出现两个“l ”形成包络，增加解调难度。改进后的信号信息码1 2 位， 6 位循环冗余校验位，l 位速度码奇偶校验位，一位占用码。这种设计在发送解调 难度、抗干扰性、解调速度、解调可靠性等方面与原信号相比都有所改善或相当， 总体优于原信号。 表1 5 改进t 、，l 4 3 0 信号编码表 t a b l e l 5k f 0 1 舱a t i o nc o d i n gt a b l eo fi m p r o v e d 硎4 3 0 l b i t i 频率( h z ) l 幅值( v ) i 相位( 弧度) l 含义 l 7 l4 7 21 4 65 9 4 25 3 61 4 61 1 5 差错控制码 36 0 01 4 65 1 4 46 6 41 6 62 7 0 57 2 81 8 53 1 3 68 5 6 2 1 5 6 2 7 9 2 02 3 44 3 坡度码 89 8 4 2 4 4 1 8 3 91 1 1 22 7 64 7 l 1 01 1 7 62 9 3o 0 1 闭塞分区长度码 l l1 2 4 03 1 21 4 9 1 21 3 0 43 2 26 1 6 1 31 4 3 23 6 15 9 3 1 41 4 9 63 7 l4 2 9 1 51 5 6 03 9 l5 7 7 1 61 6 2 44 1 0o 9 6 1 71 6 8 84 2 02 4 5速度码 1 81 7 5 24 3 90 7 9 1 92 5 6 81 3 9 6o 占用码 改进删4 3 0 是多音调频信号，调制信号是由发送编码确定的若干个正弦信 号叠加而成。调制信号的时域表达式为： 工o ) = 4 暝s i n 【2 万z f + 谚】 ( 1 - 1 ) f = o 其中蘸= o 或1 。 调制信号对载波进行调制，得调频信号，其时域表达式为： s ( f ) = 彳s i i l 【2 万z f + 2 万一上颤f ) 西】 ( 1 - 2 ) 其中彳为载波振幅，以为载波频率，后，为调频常数。 1 3 论文内容安排 本文主要在改进1 l 、，】4 3 0 基础上，在t m s 3 2 0 c 6 7 2 2d s p 平台上对信号的发 送和接收进行研究。发送拟采用d d s 实现，解调部分包括f m 解调方式、频谱细 化方法研究与实现。 全文分为五章，各章内容安排如下： 第一章首先介绍了国内外铁路信号系统的发展现状，找出了我国铁路信号在 高速铁路发展中存在的不足，提出了要研究的问题。然后从我国铁路的实际情况 出发，结合现有的铁路信号，详细介绍了文献n 1 对删4 3 0 改进的成果。为接下 来具体的研究内容作陈述和铺垫。 第二章对本文所使用的硬件系统平台做了详细的介绍。d s p 是进行数字信号 的处理的有效工具，本文所研究的铁路信号对实时性有较高的要求，因此处理能 力强大的芯片才能满足要求。本章从d s p 技术、1 m s 3 2 0 c 6 7 2 2 芯片以及整个浮点 8 d s p 系统三个方面对硬件平台进行了详细的介绍。 第三章主要是发送部分的系统设计。主要包括发送原理的分析，影响频谱结 构的调频常数的确定，d d s 实现方案的具体方式和发送软件实现等几部分进行讲 述。 第四章是接收部分的系统设计。接收到的信号处理包括f m 解调、频谱分析 和信息识别等几个过程。本章首先分析了f m 解调，研究了改进的正交解调法和 过零检测解调法两种方式在改进”n d 4 3 0 信号中的应用；然后对解调得到的调制 信号进行了频谱分析，由文献髓钔的研究结论，可以得出非参数谱估计方法才是改 进硎4 3 0 信号的有效估计方式。由于改进硎4 3 0 的低频信号的频谱间隔最小 为0 6 4 h z ，为了提高频率分辨率，因此本文选择了z f f t 和c l l i r p z 变换两种基于 非参数的频谱细化方法进行频谱分析；最后详细讲述了接收部分的软件设计。 第五章对论文内容进行了总结，总结论文所做的工作，并提出论文中存在的 不足和未来的改进方向。 9 2 d s p 平台简介 2 1 d s p 技术简介 d s p 是数字信号处理的简称，也可认为数字信号处理器的缩写。数字信号处 理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，处理内容包括采集、变换、滤 波、估值、增强、压缩、识别等。 数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如， 在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基 本工具。它与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断也密切相关。 近年来新兴的一些交叉学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都是以数字 信号处理为研究手段的。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自 己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。 数字信号处理技术和设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、 速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。 数字信号处理的实现有如下4 种方法： 1 ) 在通用计算机上使用软件来实现实时性要求不高的处理； 2 ) 利用m c u ( 如a = r 8 9 c 5 1 ) 来实现简单的数字信号处理； 3 ) 利用专用d s p 芯片实现某种特定的应用( 如f f t 、f i r 等) ； 4 ) 利用通用d s p 芯片实现快速的数字信号处理算法。 其中，通用d s p 具有强大的处理能力和可编程性，因此应用很普遍。通用d s p 是一种特殊架构的微处理器，其内部采用程序和数据分开的哈佛总线结构，能同 时读取指令和数据；其c p u 内核具有多个平行处理功能单元，支持流水线操作， 使取指、译码、取数据和执行等操作可以重叠进行，大大加快了程序的执行速度； 它还具有专门的硬件乘法器，独特的寻址方式，可以用来快速实现各种数字信号 处理算法，如快速傅里叶变换( f f t ) 、有限脉冲冲击响应滤波( f i r ) 等。以上特 点使得通用d s p 在工业控制、仪器仪表、电信、汽车、医学和消费等领域得到了 广泛的应用哺儿别。 2 2t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 芯片介绍 t m s 3 2 0 c 6 7 2 x 系列d s p 芯片均基于、，e l o c i t i 结构，采用高性能甚长指令字 ( v l 研) ，适合于多通道和多任务的应用场合。t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 是该系列其中一款， 1 0 采用增强型c 6 7 x + c p u 内核。 t m s 3 2 0 c 6 7 2 2 的c p u 部分包括： 1 程序读入、指令译码和分配机构。包括程序取指单元、指令分配单元和指 令译码单元。程序取指单元有程序总线和片内程序存储器相连而成。 2 程序执行机构。包括2 个对称数据通道( a 通道和b 通道) 、2 个对称的通 用寄存器组、2 组对称的功能单元( 每组4 个) 、控制寄存器组和控制逻辑 以及中断逻辑等。每组数据通道由读取及存储数据总线与片内数据存储器 相连。 3 芯片测试和仿真端口及控制逻辑。 c 6 7 2 2c p u 采用哈佛总线结构，数据总线和程序总线分开，可并行读取和执 行指令。片内程序存储器保存指令代码，程序总线连接程序存储器和c p u 。程序 总线宽度为2 5 6 位，每次取8 条3 2 位的指令，成为一个指令包。执行时，每条指 令占用一个功能单元，最多可以8 个功能单元同时执行，具有很高的并行处理能 力。8 个功能分为两组相同的功能单元，分别是加载类、存储类、算术逻辑运算类 和寻址类指令单元n 们n ”。 c 6 7 2 2 有丰富的片上外设接口n 引，包括： 1 双通道数据搬移加速控制器d m a x 。 n 似用于处理内部数据存储控制器和c 6 7 2 2d s p 外围设备之间用 户编程数据的传输，也允许任何可寻址存储空间之间的数据传输，包括内 部存储器、外设和外部存储器。d 煳控制器功能： 1 ) 进行高级数据分类的三维数据传输； 2 ) 把一部分存储器作为循环缓存f i f o 存储器，并有基于读写数据 的延迟： 3 ) 同时处理两个传输请求( 假设他们的源地址和目的地址不同) 。 2 外部存储器接口e m 。 c 6 7 2 2 的e m i f 数据总线宽度1 6 位，最常见的用途是扩展外部存储器， 如f l a s h 和s d 删等。支持的s d r a m 芯片需要具有如下性能特点： 1 ) 1 6 位数据总线宽度； 2 ) l ，2 或4 个内部s d 删存储区； 3 ) s d 洲的突发访问长度为4 ； 4 ) 可编程的s d 黜m 时序参数、c a s 延迟和刷新速率； 5 ) 优化的刷新模式可降低访问延迟： 6 ) 自刷新模式可降低功耗； 7 ) 支持顺序突发访问类型，不支持交叉突发访问类型。 c 6 7 2 2 的e m i f 支持的异步器件特点如下： 1 1 访问空间达3 2 k b ，可通过g p i o 引脚进行地址扩展； 2 18 位、1 6 位数据总线宽度； 3 ) 可编程的访问时序，可设置建立、选通、保持时序； 4 ) 对于慢速器件，可编程额外的等待访问周期； 5 ) 多个8 位器件接口的写使能选通模式； 6 ) 作为主机与t id s p 主机接口连接。 3 多通道音频串行端口m c a s p 。 m c a s p 作为一个通用音频串行端口，使多通道音频应用最优化。m c a s p 对于时分复用t d m 数据流、内部集成声音1 2 s 协议以及器件间的数字音 频接口发送器d 1 1 r 都是很有用的。m c a s p 包括发送设备和接口设备两部 分，它们之间可以同步运行，也可以完全独立的使用各自的主时钟、位时 钟和帧同步信号，并且使用具有不同位流格式的不同传输模式。m c a s p 所有引脚都可以配置为通用输入输出( g p i o ) 引脚。m c a s p 的主要特点 如下： 1 ) 两个独立的发送和接收模块及独立的时钟发生模块； 2 ) 最多1 6 个独立分配的串行数据引脚； 3 ) 可以与音频d 转换器、d a 转换器、编解码器c o d e c 、数字音频 接口进行无缝连接； 4 ) 多种1 2 s 和类似的位流格式； 5 ) 支持集成数字音频接口发送器d i t ； 6 ) 增强的纠错功能。 4 s p i 接口。 c 6 7 2 2 有两个s p i 接口，可以支持3 线、4 线、5 线传输，与m c a s p 接口复用引脚。s p i 允许用软件编程做如下选择： 1 ) 主从模式选择； 2 ) s p i 时钟