（信号与信息处理专业论文）基于可编程asicdsp的高精度频谱分析研究.pdf

摘要 随着铁道建设的迅猛发展，特别是铁路运输实施五次提速后，现代智能铁 路交通管理成为亟待解决的课题。传统的人工信号灯已不能满足列车提速的需 求，因而采用不同区段设置不同信号频率的方式来控制列车。列车在行进中不 断识别信号频率从而获取相关的控制信息，以确定对机车的控制。机车通过对 频率的识别，获取自身位置、铁路状况等实时信息，并对其进行处理，指挥机 车正常行驶，避免交通事故发生。为此，本文就这方面问题铁路交通管理 中的信息识别技术进行了初步的研究，并取得了一定的成果。 本文提出一种基于可编程a s i c d s p 的高精度频谱分析方法，并从以下三 个方面进行了研究工作：第一，对f f t 方法进行了深入的研究，提出了满足频 率识别精度所需的f f t 运算点数和基于d s p 器件的具体实现方法，即通过 4 0 9 6 点f f t 可将频谱分辨率提高到0 1 h z 的精度要求。第二，设计了实现完 成此高精度频率检测器的硬件电路开发平台，该平台包涵了可编程a s i c 芯片 开发电路，用以提供各种逻辑控制，m c u 用以提供辅助功能，d s p 用以完成 f f t 运算。第三，通过c c s 开发软件，用汇编语言编写了f f t 频谱分析应用 程序，并通过了c c s 环境下的运行仿真，达到了准确识别各频率的高精度要 求。 本研究成果完成了铁路交通管理系统中对信息识别系统的设计，对铁路控 制系统中信息处理技术的发展、应用及更深入的研究具有较高的应用价值。 关键词：研发平台d s pf f t 频谱分析 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f r a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，e s p e c i a l l y , a f t e r i m p l e m e n t i n gs p e e d r a i s i n g f i v et i m e si n r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，t h et r a f f i c m a n a g e m e n to f m o d e mi n t e l l e c t u a lr a i l w a yb e c o m e sas u b j e c tt ob es o l v e du r g e n t l y t h et r a d i t i o n a la r t i f i c i a ls i g n a ll a m p sa l r e a d yc a n 。tm e e tt h ed e m a n do ft h et r a i n s p e e d - r a i s i n g ，t h e r e f o r ew en e e dt oc o n t r o lt h et r a i n si nt h ew a yo fs e t t i n gu p d i f f e r e n ts i g n a lf r e q u e n c yi nd i f f e r e n ts e c t o r s i no r d e rt om a k es u r et h ec o n t r o l t o w a r dt h el o c o m o t i v e s ，t h et r a i n si nt h ew o r kc o n s t a n t l yi d e n t i f ys i g n a lf r e q u e n c y t oo b t a i nr e l e v a n tc o n t r o li n f o r m a t i o n t h et r a i n sd e a lw i t hr e a l t i m ei n f o r m a t i o n w h i c hi so b t a i n e df r o mi d e n t i f y i n gs i g m af r e q u e n c y , i t so w np o s i t i o n , r a i l r o a d c o n d i t i o na n ds oo n , c o m m a n dt h el o c o m o t i v et og on o r m a l l y , p r e v e n tt h et r a f f i c a c c i d e n tf r o mh a p p e n i n g f o rt h i s ，t h ea r t i c l eh a sd o n es o m ep r i m a r yr e s e a r c ho n t h ea s p e c tt h i sq u e s t i o n - - - - - t h ei n f o r m a t i o nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi nt h et r t 血c a d m i n i s t r a t i o no f r a i l w a ya n dm a d eac e r t a i na c h i e v e m e n t 。 t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sah i g h - a c c u r a c ys p e c t r a la n a l y t i c a lm e t h o db a s e do n p r o g r a m m a b l ea s i c d s pa n dd o e ss o m er e s e a r c hf r o m3p a r t sa sf o l l o w s ：f i r s t , r e s e a r c ho nt h em e t h o do ff f ti sd o n ed e e p l y , a n dw ep u tf o r w a r dac o n c r e t e m e t h o db a s e do nd s pa n daf f to p e r a t i o np o i n tw h i c hc a nm e e tt h en e e do ft h e f r e q u e n c yi d e n t i f i e da c c u r a c y t h a ti s ，t h er a t eo fs p e c t r a ld i s t i n g u i s h a b i l i t yc a nb e i m p r o v e dt om e e tt h ed e m a n do f0 1 h zt h r o u g h4 0 9 6 - p o i n t - f f t ；s e c o n d ，t h e d e v e l o p i n gp l a t f o r mo fh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t , i n c l u d e dp r o g r a m m a b l ea s i c c h i pd e v e l o p i n gc i r c u i t , w a sd e s i g n e dt oa c c o m p f i s hh i 【g ha c c u r a c yf r e q u e n c y d e t e c t i n g t h ec k c u i tp r o v i d e sv a r i o u sl o g i cc o n t r o l a t c up r o v i d e sa l la s s i s t a n c e f u n c t i o na n dd s pc o m p l e t e st h ef f to p e r a t i o n ；t h i r d a p p f i c a t i o np r o g r a m a n a l y z e db yf f tf r e q u e n c ys p e c t r u m , w a sc o m p l i e d 砸t 1 1a s s e m b l el a n g u a g ei nc c s d e v e l o p i n gs y s t e m ，a n dt h er e s u l eo fs i m u l a t i o nh a sr e a c h e dt h eh i g ha c c u r a c y r e q u e s to f e a c hf r e q u e n c yw h i c nc a nb ei d e n t i f i e da c c u r a t e l y t h er e s e a r c ha c h i v e m e n th a sa c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no fr e c o g n i t i o ns y s t e m o fi n f o r m a t i o ni nt h et r a f f i cm a n a g e m e n to fr a i l w a y i th a sh i g h e ra p p l i e dv a l u ei n t h ed e v e l o p m e n t 、a p p l i c a t i o na n df b r t h e rr e s e a r c ho fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g t e c h n o l o g yi nt i l ec o n t r o ls y s t e mo f t h er a i l w a y k e y w o r d s ：d e v e l o p e d p l a t f o r md s pf f t s p e c t r u ma n a l y z e - i i - 第1 章 i i 1 1 课题的目的和意义 第1 章引言 随着我国国民经济的高速发展，铁道建设进入了突飞猛进的发展时期，现 代智能铁路交通管理成为国家急需研究的重要课题，特别是在我国实施五次提 速后，列车速度越来越快，提速区段越来越多，信号处理技术亟待提高。机车 信号是机车安全高效行驶的重要组成部分，机车信号设备是用于机车驾驶室 内，自动反映地面信号条件，指示机车运行状态，提高运输效率的重要技术设 备之一。通过对机车信号的识别，列车在行驶过程中不断获取自身位置、铁路 状况等实时信息，并对其进行处理，指挥机车正常行驶，避免交通事故的发生。 由于列车提速，难以用传统的人工信号灯指挥列车，因而采用在不同轨道区段 设置不同频率的信号发生器，火车在行进中不断识别这种频率从而获取相关的 控制信息，以此确定前进或停止等对机车的控制。在车站和邻近车站的范围内， 机车信号由接收轨道电路的信息转化而来，轨道电路上的信息是利用车站有关 信号控制条件和状态传输而来的，由此可以看出机车信号在整个机车控制系统 中的重要性，机车信号与机车的正常运行紧密联系，一旦发生错误，将严重威 胁铁路运输安全，为了保障机车行驶的安全控制，机车信号的正确识别更是不 容忽视。 嬲 雾 缓 钐 j l勿 ， i 冀f lj i 2 ； f忒 雾 j 1 漓 i 蕊 j 图1 1 轨道电路示意图 鳓撩接头 缆 l 蓁 枕 f i缓 辘遴 如图1 1 所示，轨道电路是以两根钢轨作为导体，两端的钢轨绝缘( 或 电气绝缘) 为分界，并用导线连接信号源和接收设备构成的电路。基于列车的 运行速度和轨道电路信息传输的特点，为了传送信号的需要，轨道电路通常选 用四个较高载频，即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 信号，传输的信息共 成都理工大学硕士学位论文 有从1 0 3 h z 开始按1 i h z 等差递增至2 9 h z 的1 8 种频率信号。因此，信号处 理单元必须识别出1 8 种低频信息，机车控制系统据此判断、执行相应的操作， 从而保证机车安全、高效的行驶。 从轨道电路系统数字信号处理单元入手，采用高效算法与高性能的处理控 制单元，对轨道电路信息进行高精度频谱分析。傅立时变换是一种将信号从对 域变换到频域的变换形式，由傅立叶变换可得一个时域信号的若干频率成分， 如果将傅立叶变换后的信息输出即可实现频谱分析。依据课题要求，需要采用 高点傅立叶变换，系统要完成大量的运算，其快速算法( f f t ) 使其运算量大大 减少，运算速度提高，但运算量依然庞大，要高速处理器才能实现。数字信号 处理器( d s p ) 就是一种专用的高速处理器，是一种能够提供特殊的d s p 指令， 快速实现各种数字信号处理的算法，比通用c p u 有更强大的寻址和计算能力 的微处理器。d s p 一般都采用特殊的软硬件结构，具有接口简单、编程方便、 高精度、高速度、高集成度等优点，可以快速地实现数字信号处理运算，它的 出现使f f t 变得非常方便。 基于以上讨论，为了满足铁路交通管理系统对信息识别技术的特殊要求， 系统采用可编程a s i c + d s p 作为信号处理单元，其中d s p 作为算法的核心处理 单元，而外围的复杂逻辑控制由可编程a s i c 实现。信号处理单元的硬件电路 在可编程a s i c d s p 研发平台的基础之上实现架构，采用快速傅立叶变换( f f t ) 算法，分析机车信号并正确识别轨道电路上传输的频率信息，达到对信号高精 度频谱分析的要求。 1 2 国内外研究现状 国外列车运行控制( 简称列控) 系统应用比较普遍，各种速度的铁路都有 应用，但在高速铁路上的应用更显示出其高水平和具有代表性。目前，高速铁 路正在欧洲和亚洲快速发展，其列控系统各不相同，主要有法国t v i d 3 0 0 和 t v i d 4 3 0 、日本a t c 和数字a t c 、德国l z b 8 0 、欧洲e t c s 等系统。 法国高速铁路t g v 区段的列控系统，车载信号设备采用t v m 3 0 0 或t v m 4 3 0 ， 地对车的信息传输以无绝缘轨道电路i j m 7 1 为基础，该列控系统简称u t 系统。 日本于1 9 6 4 年开通了世界上第一条高速铁路一东海道新干线，从1 9 9 1 年 日本铁路方面开始试验数字式a t c ，亦称i 咄t c 。 根据欧洲e t c s 计划，为了实现欧洲铁路互联互通，车载设备采用e t c s 总 线，可以灵活地支持与各种传统设备及e t c s 车载设备的通信。e r t m s 系统是 为了适应欧洲铁路互联互通的目的，符合兼容性要求而开发的，它集联锁、列 摔和运行管理于一体。 第1 章引言 德国l z b 系统是基于轨道电缆传输的列控系统，是世界上首次实现连续速 度控制模式的列控系统，技术上是成熟的。 u m 7 1 无绝缘轨道电路作为一种先进的列车控制系统，于2 0 世纪6 0 年代 在法国研制成功，由于其具有突出的优点，被多个国家相继采用。自上个世纪 八十年代末我国引进该技术后，已经得到了很好的应用与发展，相继出现了 1 2 , 1 7 1 、w g 一2 1 a 、z p w 一2 0 0 0 a 等列控系统，并广泛应用于铁路建设中。 1 3 课题的主要研究内容 基于上面的讨论，已经知道轨道电路传输的信息共有从1 0 3 h z 开始按1 1 h z 等差递增至2 9 h z 的1 8 种频率信号，为了保证机车控制系统的正常工作， 信号处理单元必须能够识别出1 8 种不同的频率信息，并从中正确的提取出当 前传输的频率信息，能够排除工作环境造成的影响，区别出系统传输的信息与 干扰信息成份，又由于轨道电路传输的1 8 种频率信息非常接近，必须要求信 号处理单元具有高度的分辨率，因此，本文提出一种基于可编程a s i c d s p 的 高精度频谱分析方法，通过可编程a s i c 与d s p 芯片实现4 0 9 6 点f f t ，从而利 用f f t 的结果完成系统对高精度频谱分析的要求。 本文的主要研究工作就是针对轨道电路信息传输的特点，通过d s p 实现对 机车信号的正确识别，而外围复杂的逻辑控制工作则由可编程a s i c 来完成， 从总体上实现对轨道电路传输的不同频率成份的识别，因而，课题设计主要在 可编程a s i c d s p 研发平台上验证实现，包括系统软、硬件设计、总体调试与 分析。 论文各章的具体内容如下： 第l 章主要介绍了本课题的目的，阐明了国内外列控( 列车控制系统) 的 研究现状概括了本课题主要内容与成果，指出该课题的研究成果具有现实性 价值。 第2 章内容为本课题的理论基础，系统为了实现对不同频率输入信号的识 别与提取，其主要理论依据就是该章的内容，因此在第2 章中，主要介绍了离 散傅立叶变换( d f t ) 、f f t 算法的导出与基2 时选f f t 运算的基本原理与规律， 并详细介绍了频谱与频谱分析。 第3 章主要对研发平台的硬件设计做了说明，本课题的硬件电路就是在可 编程a s i c d s p 研发平台的基础上架构的，系统的调试与结果也要通过在该平 台上完成，因此，该章属于为了满足课题要求，实现频谱分析而采用的具体工 具的制作过程章节。在本章中，对研发平台的特点、主要功能电路的设计都做 了较详细的介绍，最后阐述了各功能模块电路的p c b 电路板制作。 成都理工人学硕士学位论文 第4 章主要阐明了i ) s p 实现实数f f t 变换及频谱分析的方法，在本章中， 研究了如何用t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片实现快速傅立叶变换尤其是实数f f t ，并对信 号功率运算的方法及利用f f u r 实现频谱分析做了研究。 第5 章是本课题调试与结果分析的内容，在现有资源的基础上，分别对系 统的软、硬件进行了测试，并对结果做了详实的记录，对调试过程中遇到的问 题一一分析、解决。在本章中，首先对硬件总体及各部分的调试评估结果进 行分析，并与设计要求进行比较，不断完善硬件电路系统，然后通过研发平台 对4 0 9 6 点f f t 与频谱分析结果进行测试，并与m a t l a b 环境产生的结果进行比 较，证明该课题满足铁路交通管理系统对信息识别技术的要求，课题成果可以 应用到实际的轨道电路的控制系统中。 1 4 课题取得的主要成果 通过对本课题的研究取得了以下的成果： ( 1 ) 对可编程a s i c 与d s p 技术进行了深入研究，尤其是d s p 如何实现实数 f f t 的方法，并用汇编语言完成了d s p 实现4 0 9 6 点实数轩t 的程序代码。 ( 2 ) 深入研究了d s p 实现高精度频谱分析的方法，并把该技术应用到铁路交通 管理系统中，实现了机车信号豹识别。 ( 3 ) 设计了一套可编程a s i c d s p 研发平台，在满足课题设计的同时，也为今 后更深入的研究提供了条件。 ( 4 ) 设计了铁路交通管理中检测1 8 个频率信号的识别系统，该系统可以应用于 便携式测试仪表设计中，具有体积小巧、精度高、速度快等优点。 ( 5 ) 通过对系统的软、硬件的调试与结果分析，综合系统参数，为进一步的研 究指明了方向。 第2 章快速傅立叶变换( f f t ) 与频谱分析 第2 章快速傅立叶变换( f f t ) 与频谱分析 为了实现输入信号的频谱分析，采用的是d f t 这一有效的工具，而f f t 作 为d f t 的一种高效的快速算法，被广泛的应用于实际的信息处理中，本文将在 下面对它们进行详细的介绍。 2 1 离散傅立叶变换 在各种信号序列中，有限长序列信号处理占有很重要地位，对有限长序列， 可以使用离散傅立叶变换( d f t ) 。这一变换不但可以很好的反映序列的频谱特 性，而且易于用快速算法在处理器上实现，因而在各种数字信号处理的算法中 起着核心作用。 课题希望d s p 实现信号的高精度频谱分析，那么对信号的要求是：在时域 和频域都应是离散的，且都应是有限长。为了更好的理解有限长序列d f t 的概 念，先讨论周期序列的傅立叶级数( d f s ) 。 2 1 1 离散傅立叶级数( d f s ) 设x ( n ) 是周期为n 的一个周期序列，即 x ( n ) = x ( n + 椰 r 为任意整数( 2 1 ) 周期序列不是绝对可和的，所以不能用z 变换表示，但和连续时间周期信 号一样，周期序列可用离散傅立叶级数来表示，也就是用周期为n 的复指数序 列( 代表正弦型序列) 来表示，把连续周期信号与离散周期序列的复指数用以 下表格( 表2 一1 ) 来加以对比。 表2 1 ：连续周期信号与离散周期信号比较 基频序列 周期基频 k 次谐波序列 连续周期 g 脚：t 争 t 口 o 。：姿 业孥) 一 j 0 e 1 0 2 f r p p t 离散周期 沙。：p 晦) ” n 2 万 所以周期为n 的复指数序列的基频序列为 岛( ) ：e 。秒 ( 2 2 ) 其k 次谐波序列 ek(m=e百m(2-3) 虽然表现形式上和连续周期函数是相同的，但是离散傅立叶级数的谐波成 成都理工大学硕士学位论文 分只有n 个是独立成份，这是和连续傅立叶级数不同之处( 后者有无穷多个谐 波成份) 。原因是 p - 等( “r 如：p ，鲁h r 为任意整数( 2 4 ) 也就是 e k r e ( n ) = e k ( n ) ( 2 - - 5 ) 因而对离散傅立叶级数，只能取k = 0 到n - 1 的n 个独立谐波分量，不然就 会产生二义性。因而王( n ) 可展成如下的离散傅立叶级数，即 ；( 订) = 丙1 吉n - l 夏( i k 等h ( 2 - - 6 ) 这里的l n 是一个常用的常数，选取它是为了下面的叉( k ) 表达式成立的需 要，叉是k 次谐波的系数。下面来求解系数爻( k ) 。利用以下性质，即 土芝。专m ：丢【1 + 。专7 + 。，等”+ + 。专2 ( _ i ，】 n 怠 。 1l ，和 i 【万。吲 _ 1 1 - e j 2 t r r l 一。，等， 1 1r = 0 ，2 。1 0r 为其他( 分子= 0 ，分母o ) 将( 2 6 ) 式两边乘以e 1 百“，然后从n = o 到n - 1 的一个周期内求和，则 得到 z “1 。x ( n ) e 。2 l r _ ：吉艺芝夏( j i ) 。，争b 咖 n = 0y ；0k - - 0 ：= 篓碧c 七，寺篓e 等( t r ) 4 1 c z s ， ：牙( 七) _ i = ， 【0 七r 由( 2 - - 7 ) 复指数序列的周期性，上式括号中的和式只有k = r 一项不为零， 由此可得 j ( 1 j ) ：n - 1 x ( 玎k ) 争( 2 - 9 ) j ( 1 j ) = 乞x ( 哪p 育” 又因为 第2 章快速傅立叶变换( f f t ) 与频谱分析 夏( 七+ ：芝确。每“夏( 七+ = ；( ”) p 1 百”“” = i ( 女) 所以叉( k ) 也是周期为n 的周期序列。因此可知，时域离散的周期序列，其 频域也是周期离散的序列。主( n ) 与殳( k ) 是时域与频域相互表示的一对傅立叶 级数关系，记为 i ( 幻：n - l 王( 哟p ：d f s 【；( 开) 】 “(2-11) 聃专篓确e 务= i d f s x ( 纠 式中，d f s i ( n ) 】表示傅立叶级数变换；i d f s x ( k ) 表示傅立叶级数反变 换。 且x ( n ) = x ( n + r n n ) ，x ( 1 沪x 时n 0 2 f 令砜= p 一，式( 2 - - 1 1 ) 又可表示为 i 趸( 七) = d f s x ( n ) = 衲时 ”：- 】 ( 2 1 2 ) i 虱帕= i d f s x ( k ) = 专膏( 后) h 石“ lm 0 从上面的讨论可知，周期序列虽然是无限长序列，但只有一个周期的信息 是独立的，因此周期序列与有限长序列有本质的联系。一般将o n 一1 的区间称 周期序列的主值区。 2 ，1 2 离散傅立叶变换( d f t ) 离散傅立叶级数运算可用于离散周期序列分析，但在实际应用中，信号通 常是非周期的有限长序列，即信号是有限时宽序列。下面将讨论周期序列和有 限长序列的关系，从而有离散傅立叶级数导出离散傅立叶变换( d f t ，d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ) 。 因为周期序列与有限长序列有本质的联系，先从有限长序列的周期展开与 周期序列的截短开始。设x ( n ) 是时宽为n 1 的有限长序列，以n 为周期将x ( n ) 展开为无重叠的周期序列，可表示为 m一 删 堕 雌雌 h “ 一珂 m 成都理工大学硕士学位论文 ；( 竹) = x ( n + r n ) ( 2 1 3 ) 式中n n 1 。 有限长序列x ( n ) 也可以由对周期序列的主值区域截短得到，可以表示为 删= 巍州。1 ( 2 - - 1 4 ) 由( 2 - - 1 3 ) 、( 2 - - 1 4 ) 式表示x ( n ) 与；( h ) 的关系为：；( 玎) 是x ( n ) 的周期延 拓；x ( n ) 是x ( 竹) 的“主值序列”。 由于( 2 - - 1 3 ) 、( 2 - - 1 4 ) 两个表示式不方便，可改写为 j x ( 玎) 2 x ( h 【m o d 】) 2 x ( ( ”) ) w( 2 1 5 ) i x ( n ) = x ( 叻r n ( 玎) 式中( ( n ) ) 。为模n 运算，是求出n 对n 的余数；( 行) 为序列的符号函数满 足 甩：1，v i 以- 1 ( 2 - - 1 6 ) 氐( ”) 2 1 0：其他 同理，对频域的周期序列牙( t ) 也可以看成是对有限长序列z ( 七) 周期延拓， 而有限长序列z ( _ j ) 看成周期序列署( 七) 的主值序列，即 x ( k ) = z ( ( 女) ) ( 2 - - 1 7 ) x ( k ) = j ( j i ) ( 的( 2 - - 1 8 ) 从( 2 - - 1 2 ) 式的d f s 及i d f s 的表达式看出，求和是只限定在n = 0 到n - 1 及k = 0 到n - 1 的主值区间进行，故完全适用于主值序列x ( n ) 与x ( k ) ，因而可 以得到新的定义，即有限长序列的离散傅立叶变换定义 i x ( 七) = o f t x ( ，1 ) 】= x ( 一) 时 ，o k - n 一1 ”：_ i ( 2 1 9 ) 旧2 i d f t x ( k ) 】2 专荟坝”“, 0 - 2 f ( 为信号的最高频率) 。但采样频率z 高，在单位时间内采样点数 多，要存储的数据量大，计算景就大。频率分辨率由频率采样间隔f 决定，显 然，f 越小，x ( k ) 就越接近x o ( 皿) 。因此，正、n 、f 、t p 这几个参数的选取 要综合考虑。当已知信号的最高频率，如保持n 不变，要提高频率分辨率， 只有降低采样频率友，而疋的降低会使频谱分析范围减少。如果疋不变，可 以用加零( 增加n ) 的方法提高频率分辨率，代价是计算量的增加。 最后，根据上面的讨论，可以给出d f t 作频谱分析时，参数选择的一般原 则：已知信号的最高频率五，确定取样频率z ( 工3 厶6 厶) ；根据频率分 f ， 辨率的需要确定频率采样间隔f ；再由f 确定n = 7 磊，为了使用基2 f f t ，一 般取n = 2 ”；数据长度f 。= n t = 。 成都理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章内容作为本课题的主要理论基础，这一章详细的介绍了离散傅立叶变 换( d f t ) 及其快速算法( f f t ) ，通过对其各自需要的运算量的分析与比较， 可以看出快速算法的计算量较d f t 减少许多，尤其是在n 比较大的情况下，如 果直接计算，花费的时问是利用快速算法所花费时间的许多倍 ( 2 ( n 2 ) l 0 9 2 ：4 ) 。 快速傅立叶变换( e f t ) 并不是一种新的变换，而是离散傅立叶变换( d f t ) 的一种快速算法，是一种高速有效的运算方法，使d f t 的计算大大简化，运算 时间大大缩短，从而在实际中得到了广泛的应用。 本课题中，轨道电路传输的信息共有从1 0 3 h z 开始按1 i1 hz 等差递增至 2 9 h z 的1 8 种频率信息，因而，要求信号处理单元能够识别1 8 种频率信息。 本课题通过傅立时变换实现输入信号的频谱分析，把时域的输入信号变换为频 域的输出，从而依据得到的频谱解出输入信号的主频。又由于系统对分辨率的 要求比较高，频域采样点数n 比较大，需要的运算量庞大，而对处理实时性的 要求比较高，为此，本课题选用快速傅立叶变换( f f t ) 实现高精度的频谱分 析，从而达到铁路交通管理系统对于信息识别技术的要求。 第3 章研投平台的硬件设计 第3 章研发平台的硬件设计 为实现高精度频谱分析的研究，本课题设计了一套可编程a s i c d s p m c u 实 验、研发平台，在满足课题需要的同时，也可以满足在校学生对于可编程a s i c 、 d s p 及单片机( m c u ) 这三门课程学习的需要，也为今后更深入的研究、开发提 供了便利条件。 3 1 研发平台的特点 可编程a s i c + d s p 研发平台作为系统的主要数据处理单元，其中d s p 作为算 法实现的核心单元，而外围的复杂逻辑控制则由可编程a s i c 模块实现。研发平 台采用模块化设计。便于信号处理单元在可编程a s i c d s p 研发平台的基础之上 实现硬件架构。如图3 一l 研发平台的总体框图所示，研发平台主要由电源、主 板、a s i c 模块、d s p 模块及下载电缆电路几部分组成。研发平台通过可拔插的方 式，使d s p 模块、a s i c 模块与主板电路配合。其中d s p 模块电路上已经集成f l a s h 芯片，可以把应用程序代码在线下载到f l a s h ，并实现程序的并行引导加载。 研发平台为满足良好的可扩展性，为系统提供了多个固定电源与3 组可调电 源，而芯片所有i o 接口全部引出( 各器件独立) ，每个引脚都预留两个插座备 用户使用，用户还可以通过短路跳线连接断开研发平台资源。研发平台设计采 用有效布局，既可以实现研发平台自身的需要，也可以把某一模块电路运用到其 他电路中，而d s p 电路尽量采用贴片设计，保证系统性能的稳定性。 图3 一 研发平台的总体框图 圈 习 成都理工大学硕十学位论文 3 2 主要功能电路的设计 3 ，2 1a s i c 模块设计 综合考虑a s i c 模块的需求与特点，决定选用x i i n x 公司x c 9 5 0 0 系列的x c 9 5 3 6 芯片与a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 s 系列的e p m 7 0 3 2 s 芯片，a s i c 模块在课题中的主 要用途是实现复杂的逻辑控制，简化系统设计与加强系统的灵活性。 x c 9 5 3 6 为性价比较高的一款c p l d 芯片，芯片内部提供3 6 个宏单元，可用 门数达8 0 0 ，拥有3 6 个寄存器单元，+ 3 3 矿与+ 5 v 可改变的i o 端口，并可以通 过j t a g 实现程序的在系统编程( i s p ) 。e p m t 0 3 2 s 为a l t e r a 公司的一款芯片， 内部提供3 2 个宏单元，可用门数为6 0 0 ，拥有2 个逻辑阵列单元及3 6 个用户端 口，该芯片具有i s p 在系统编程功能，可支持最高为1 7 5 4 1 t z 工作时钟，而且 该款芯片与e p m 7 0 6 4 s 完全通用，在系统有较高要求的情况下，可以方便的更换 芯片。满足系统要求。 由于a l t e r a 公司与x i l i n x 公司的产品几乎占领了可编程逻辑器件的所有市 场。因此选用这两款芯片，为系统今后的更新提供了良好的保障。 3 2 2d s p 模块设计 整个d s p 模块是以t m 8 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片为核心，2 9 l v l 6 0f l a s h 芯片为外部程 序存储器，具有楚体设计简单，成本低廉，实用性强的优点。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 芯片是t i 的5 0 0 0 系列产品，属于定点运算处理器，使用 范围比较广泛，较为人们熟知，具有较高的性价比，同时具有很多优点： ( 1 ) 集成度高。 ( 2 ) 结构简单。 ( 3 ) 扩展方便。 ( 4 ) 可靠性高。 ( 5 ) 处理能力强。 ( 6 ) 低功耗。 ( 7 ) 容易产品化 f l a s h 采用高性能的2 9 l v l 6 0 芯片，同d s p 相连，构成主从关系，由d s p 的 相关输出管脚控制f l a s h 的擦除和读写。f l a s h 用于存放引导程序段和用户代码， 由d s p 软件( c c s ) 在系统编程( i s p ) 完成。当系统脱机加电时，d s p 首先从外 部f l a s h 指定的引导程序段的起始位置开始执行引导加载。 针对d s p 对电源的特殊要求，d s p 模块采用t i 的t p s 7 6 7 d 3 1 8 专业电源芯片， 该芯片除了可以为d s p 芯片提供必要的核电源与i o 电源外，还具有上电管理功 第3 章研发平台的硬件设计 能及上电自动产生复位信号的功能，是t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片电源设计的首选。 另外依据d s p 芯片时钟频率可调的特点，模块上的时钟管理引脚的输入都与 跳线相接，可以通过改变跳线的位置，为系统提供不同的内部时钟，不但节省了 开支，也加大了系统的灵活性。 3 3p c b 的制作 研发平台采用灵活的布局，通过可拔插的方式完成电路的架构，共有电源、 d s p 模块、a s i c 模块等几大部分功能电路。因此，研发平台设计需要完成d s p 电 路、a s i c 电路、电源、主板、下载电缆几种不同p c b 的设计。 3 3 ，1p c b 制作简介 考虑到p c b 成本及硬件调试等诸多因素，该系统采用双面、l 6 懈电路板制 作。为保证系统的稳定性、可靠性与调试的方便性，除d s p 模块电路采用贴片元 件设计外，其他电路均采用直插分立元件组成，因此整个系统的设计难点主要集 中在d s p 模块部分。整个系统的原理图与p c b 都由p r o t e l 设计完成，图3 2 为 原理图的设计界面，图3 3 为p c b 的设计界面。 图3 2 原理图的设计界面 成都理工大学硕士学位论文 3 3 2p c b 关键部分的制作 图3 3 嘲的设计彝面 整个研发平台为双面板制作，d s p 电路设计又比较复杂，因此信号完整性的 设计就显得很重要。为了提高系统工作的可靠性，处理器、存储器的地址总线和 数据总线在走线的时候尽量平行走线，同时尽量保持线的长度相同。对于特别敏 感的信号，如时钟信号线，采取减少过孔、走线两边用地线屏蔽的方法进行处理。 因此，d s p 模块电路的p c b 布线全部采用手动完成，布线完成后对p c b 板的 关键信号线采取两面覆铜工艺，保证信号的完楚性。 3 3 3 完成后的p c b 与研发平台实物 图3 4 为完成后的主板p c b 板图，图3 5 为完成后的d s p 模块的p c b 板图， 图3 6 为完成后的电源电路的p c b 板图。图3 7 为完成后的a s i c ( e 删7 0 3 2 ) 模块电路的p c b 板图，图3 8 为完成后的a s i c ( x c 9 5 3 6 ) 模块电路的p c b 板图， 图3 9 为完成后的j t a g 下载电缆电路的p c b 板图，图3 一1 0 为研发平台的实 物图。 第3 章研发平台的硬件设计 图3 4 完成后的主板p c 8 板图 图3 5 完成后的d s p 模块的p c b 板图图3 6 电源电路的p c b 扳图 图3 7e p m 7 0 3 2 电路p c b 图图3 8x c 9 5 3 6 电路p c 8 图图3 9 下载电缆p c b 图 - 2 5 堕塑墨三查兰堡主堂垡堡墨一 _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3 4 本章小结 i 丽一t 0 为研发平台的实物图 本章主要讨论了研发平台硬件设计方面的内容，可编程a s i c d s p 研发平台 作为课题的硬件架构基础，是课题研究的一个重要组成部分，课题设计是否能够 满足铁路交通管理系统对于信息识别的要求，主要通过研发平台上软件调试的结 果反映。由此，本章首先从研发平台的特点谈起，然后对研发平台的主要电路部 分做了介绍，最后展示了研发平台各部分电路的p c b 板图。 第4 章t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 实现频谱分析 第4 章t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 实现频谱分析 第2 章已经讨论过，傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形 式，是一种重要的计算信号频谱的工具，它能够直接检测信息所包含的每一个 正弦频率及其相位和幅度。 f f t 是离散傅立叶变换( d f t ) 的一种快速算法，d s p 芯片的出现使f f t 的 实现变得更为方便，由于多数d s p 芯片都能在一个指令周期内完成一个乘法和 一次加法，而且提供专门的f f t 指令( 如实现f f t 所必须的比特反转等) ，使 得f f t 算法在d s p 芯片上实现的速废更快。 由于本课题采用的是可编程a s i c d s p 的架构，d s p 实现f f t 算法及频谱分 析，因此本章将主要讨论如何利用t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片实现实数f f t 算法，如何 利用f f t 算法的结果实现频谱分析。 4 1 实数f f t 运算的实现方法 一般情况下，f f t 算法都是在输入和输出均为复数序列的条件下得出的。 在实际的应用中，输入序列通常是实数序列。计算实数序列的f f t 当然可以用 复数f f t 算法，只要将虚部置零即可，但是如果能够考虑序列f f t 的对称性， 则实序列f f t 的运算量可以降低一半，同时存储量也可减少一半。 设实序列j ( 帕的f f t 输出为x ( k ) ，且x ( k ) 可以表示为 r ( 七) = r ( 1 j ) + j 1 ( k ) ( 4 - - 1 ) 且序列长度为n ，则r ( 七) 和，( 七) 满足下列等式： r ( = r ( n - k ) ，k = 1 ，以一l ，( _ | ) = 一i ( n 一 ，k = 1 ，_ 一l ( 4 - - 2 ) ，( 0 ) = m v a ) = 0 也就是说，f f t 变换的实部关于零频率是对称的，而虚部是反对称的。计 算实数f f t 之所以能够节省一半的运算量，是由于只需计算一半的f f t 值，因 此存储量也可以节省一半。 因此，当实际输入是实数时，可把原始的2 n 个点的实输入序列组合成一 个n 点的复序列，然后对复序列进行n 点的f f t 运算，最后再由n 点的复数输 出分解成2 n 点的复数序列，这2 n 点的复数序列与原始的2 n 点的实数输入序 列的d f t 输出相同。 成都理工大学硕士学位论文 4 1 。1 运算溢出及避免方法 用定点d s p 芯片实现f f t 程序时，一个比较重要的问题是需要防止中间结 果的溢出，防止中间溢出的方法