列控系统多音调频信号的全数字解调方法.doc

列控系统多音调频信号的全数字解调方法张泽，吴嗣亮，王旭（北京理工大学电子工程系，北京 100081）摘要:针对列控系统传输的多音调频信号，提出了全数字解调方法，使用MATLAB软件进行了仿真，仿真结果验证了算法的有效性。关键词: 多音调频波解调、数字解调方法、MATLAB仿真FM Wave Demodulation for Train Control System Using Digital MethodZHANG Ze，WU Si-liang，WANG Xu(Department of Electronic Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)Abstract: A full digital method is introduced in this paper to show the demodulation of FM wave used in train control system. Computer simulation based on MATLAB is also provided and the results prove the effectiveness of the digital method. Key words : FM wave demodulation、digital demodulation method、MATLAB simulation1 引言应用于铁路上的数字轨道列控系统，是通过钢轨传输一些由数字编码构成的控制信息，从而对行驶列车实现控制。目前，国内基于轨道传输列控信息的数字编译码技术主要使用频率编码方式，其特点是数字编码信息并行发送。该系统总体原理框图如图1所示：图1 数字轨道列控系统总体原理框图给出图内容的说明列控信息的发送过程为：列控系统的信息处理机将产生的列控编码信息发送到轨道电路的发送单元，发送器采用频率编码方式，每个数字编码用一个低频信号表示，该码字的“1”和“0”对应于该低频信号的“有”和“无”，信号发生器通过码字，产生相应的低频信号，将这些低频信号进行叠加后，对载频信号进行调制、放大，并通过电缆传输到钢轨上。 信号接收器从钢轨上接收到调频信号，对其进行解调，恢复出低频信号，然后对该低频信号进行后续处理，得到数字编码信息。轨道信号接收器的一个重要工作就是从调频波中解调出低频调制信号，传统的方法使用模拟鉴频电路来实现低频调制信号的提取，本文提出一种全数字解调方法，相对于传统的模拟设备，数字设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小等突出优点，这些都是模拟设备所无法比拟的。2 数字解调算法2.1 列控系统调频波表达式列控系统中载频，图最好采用直接paste的形式，这样比较清楚低频调制信号频率表达式为： （1）调频信号瞬时频率为： （2）其中取值为0或1对应于该低频分量的有或无，为低频调制信号的初相位。 调频信号的表达式为： （3）2.2 模拟解调原理调频波的解调称为频率检波，简称鉴频。鉴频电路的功能是从输入调频波中检出反映在频率变换上的调制信号，即完成频率电压的变换作用。先将等幅调频波的瞬时频率变化规律不失真的变换为调频波的振幅包络变化，即变换成AM-FM波，然后用包络检波器提取出所需的调制信号。这种方法简称为斜率鉴频。当输入调频信号为： （4）时，频率解调器的输出信号应为： 原来符号用错了吧，给你改过来了 （5）那么，理想的频率解调器可以看成由一个时域微分器和包络检波器级连，而时域微分器起频幅变换作用。因为其输出： （6）已经是一个调频调幅信号，如果只取包络信息，则幅度检波后的输出信号为： （7）2.3 全数字解调系统根据上述解调原理，我们设计了全数字多音调频波解调系统，该系统原理框图如图2所示：图2 全数字多音调频波解调系统原理框图 1） 限幅模块限幅模块由A/D转换器和数字比较器构成，将输入调频波进行A/D采样，然后经过数字比较器进行限幅，限幅的目的是使本系统的输出信号幅度与输入信号幅度无关。2） 鉴频模块鉴频模块完成频率-电压变换，实现该功能的关键是保证鉴频模块通带内的频率和幅度响应之间为线性关系，本系统使用数字方法实现斜率鉴频，这样可以得到十分理想的鉴频特性曲线，图3是使用MATLAB软件设计的数字斜率鉴频器，该数字鉴频器中心频率为，采样频率为，带宽为。可以看出，数字鉴频器在通带内具有近似理想的鉴频特性曲线，这是传统模拟鉴频器很难做到的。 图3 数字鉴频器鉴频特性曲线。图4是该数字鉴频器的幅度谱和相位谱图4 数字鉴频器幅度谱和相位谱可以看出，数字鉴频器在通带内具有线性相位，这正是很多应用领域所希望的。3） 包络检波模块包络检波模块首先将数字鉴频器的输出取绝对值，将信号幅度的变化反应到包络上，然后经过降采样低通滤波器得到低频调制信号。降采样滤波器输入输出关系如下： （8） 其中N为滤波器阶数，为采样率降低的倍数，即该滤波器输出的采样率降低为输入的，为该滤波器的冲击响应，用以滤除低频调制信号以外的频率分量。降采样滤波器除了完成低通滤波任务，还降低了低频调制信号的采样率，从而降低了对后续模块工作速度的要求，提高了系统的稳定性。包络检波模块的输出即是我们需要的低频调制信号。Sure？3MATLAB仿真根据上述全数字多音调频信号解调系统的原理，我们使用MATLAB软件设计了仿真系统，进行了计算机仿真。仿真系统输入信号载频为，低频调制信号全部存在，低频调制信号频率为： （9）噪声为白噪声和工频干扰，信噪比14dB，仿真系统的信噪比设置为实际应用中的最坏情况， 图5是包络检波后幅度归一化的结果：图5 包络检波结果波形图解调结果与原始低频调制信号波形的放大对比如图6所示，图中实线为原始低频调制信号，虚线为仿真系统的输出，可以看出，解调结果基本真实再现了原始低频调制信号。 图6 解调结果与原始低频调制信号波形的放大对比解调信号幅度谱如图7所示：图7 解调结果幅度谱图从频域也可以看出，本系统正确恢复了原始低频调制信号。3结束语针对铁路列控系统中传输的多音调频信号，本文所设计的全数字系统能够很好的完成解调任务。相对于传统的模拟解调系统，本数字系统具有精度高、灵活性高、抗干扰能力强等特点；相对于现代自适应系统，本数字系统结构简单。根据本算法所设计的硬件原理样机已经调试成功。参考文献【1】 王世一. 数字信号处理. 北京理工大学出版社，1997.【2】 罗伟雄，韩力，原东昌等. 通信原理与电路. 北京理工大学出版社，1998.【3】 曹志刚，钱亚生. 现代通信原理. 清华大学出版社，1992.【4】 楼顺天， 李博菡. 基于MATLAB的系统分析与设计信号处理. 西安电子科技大学出版社，1999.作者简介：张泽（1978 ），男，内蒙古人，硕士研究生，主要研究方向为