金鑫

（西安全路通號(hào)器材研究有限公司，西安710043）

1 引言

ZPW2000移頻軌道電路是我國(guó)目前應(yīng)用最為廣泛的信號(hào)制式，具有抗干擾性強(qiáng)，頻帶較窄，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。該調(diào)制信號(hào)是把低頻信號(hào)搬移到高頻信號(hào)上，從而形成一個(gè)幅度不變，頻率隨低頻信號(hào)不斷變換的移頻鍵控信號(hào)。

移頻信號(hào)的檢測(cè)主要分為時(shí)域法和頻域法。時(shí)域法抗干擾能力差，信號(hào)特性檢測(cè)不直觀。時(shí)域法抗干擾能力強(qiáng)，需要通過大量的采樣點(diǎn)計(jì)算得到移頻信號(hào)的分析數(shù)據(jù)，所以頻域分析的實(shí)時(shí)性低，但所得的頻域圖能直觀地反映出信號(hào)狀態(tài)。因此，本文采用頻域分析法，通過欠采樣，快速傅里葉變換[1]（FFT），實(shí)現(xiàn)對(duì)ZPW2000移頻信號(hào)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)。

2 移頻信號(hào)

ZPW2000的中心頻率有四個(gè)，分別為：1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz。頻偏為±11Hz。低頻調(diào)制信號(hào)在10.3Hz到29Hz之間，共18個(gè)，低頻信號(hào)間隔為1.1Hz。其時(shí)域表達(dá)式為：

其中f（t）是方波信號(hào)，k是移頻器的靈敏度因子為常數(shù)。

將以上表達(dá)式，通過傅里葉級(jí)數(shù)展開，經(jīng)過一系列的數(shù)學(xué)變換后可以導(dǎo)出：

式中：A0為移頻信號(hào)振幅，f0為移頻信號(hào)載波頻率，m=Δf/f0為信號(hào)移頻指數(shù)，Δf為信號(hào)頻偏，載波上邊頻fh=f0+Δf，載波下邊頻fl=f0+Δf，n為相對(duì)于中心頻率的頻線位置。通過傅里葉級(jí)數(shù)展開表達(dá)式可以看出，移頻信號(hào)的頻譜是以載波頻率為中心，以低頻信息為間隔向兩邊對(duì)稱分布的帶通信號(hào)。

3 采樣頻率及采樣點(diǎn)的確定

ZPW2000移頻信號(hào)的最大載波頻率為2611Hz，根據(jù)奈奎斯特定理，采樣頻率必須大于該頻率的2倍。為保證采樣結(jié)果的高精度，頻率的分辨率必須得到保證，但頻率分辨率受限于采樣頻率和采樣點(diǎn)，即：

由公式可見，要想得到更高的分辨率，則需要更多的采樣點(diǎn)，可是對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，就會(huì)給硬件帶來壓力。因此，可以通過欠采樣技術(shù)[2]，在不增加采樣點(diǎn)的情況下，降低采樣頻率，保證頻率分辨率。欠采樣技術(shù)同樣遵守奈奎斯特定理，即當(dāng)帶通信號(hào)帶寬為B=fh-fl時(shí)，只要fs≥2B，就可以保證采樣后的信號(hào)頻譜不重疊、無失真，采樣頻率fs需要滿足如下關(guān)系式：

我們將ZPW2000的四種載波頻率帶入公式（4），確定采樣頻率，通過計(jì)算和篩選可以發(fā)現(xiàn)，fs=600Hz時(shí)滿足ZPW2000移頻信號(hào)的四種載頻的采樣需求。

表1 ZPW2000移頻軌道電路實(shí)際頻率對(duì)應(yīng)表

根據(jù)技術(shù)要求，低頻調(diào)制分辨率為0.15Hz，帶入公式（3），可以求得采樣點(diǎn)需要大于4000個(gè)。由于本文使用STM32進(jìn)行FFT運(yùn)算，要求采樣點(diǎn)必須為4n個(gè)，因此規(guī)定采樣點(diǎn)N=4096個(gè)。

4 仿真驗(yàn)證

本文通過MATLAB仿真結(jié)果，如下圖1所示，圖中載頻為f0=1700Hz，調(diào)制頻率為29Hz，頻偏 Δf=11Hz。采樣率fs=600Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為4096個(gè)。仿真求得的欠采樣后，頻率=99.99，將結(jié)果對(duì)照表1可知f0=1700.01Hz，1次諧波的頻率為=70.98，由此可知，低頻調(diào)制頻率為29.01Hz。通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的可行性。

圖1 ZPW2000移頻電路欠采樣頻譜圖

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文采用ST公司的CORTEX-M4系列STM32F407ZET6為處理器，該處理器具有自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器（ART），提升了程序執(zhí)行的效率，同時(shí)具備單周期DSP指令和FPU（浮點(diǎn)單元），提升了計(jì)算能力。處理器執(zhí)行速度為210DMIPS/168MHz，并具有三路12位ADC。由于處理器具有以上的硬件特性，保證了系統(tǒng)響應(yīng)和數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。

本系統(tǒng)通過鍵盤觸發(fā)，由單片機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行FFT變換，得到所需測(cè)試結(jié)果，并通過顯示器顯示。具體工作流程由下圖2所示，系統(tǒng)上電初始化，加載中心頻率配置表，隨后等待按鍵觸發(fā)，若觸發(fā)便啟動(dòng)定時(shí)器，進(jìn)行高采集頻率低采集點(diǎn)的模擬量采集，初步計(jì)算出待測(cè)FSK的頻率，從而確定欠采樣對(duì)應(yīng)的中心頻率公式，再次啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行欠采樣，將采樣結(jié)果進(jìn)行加窗數(shù)據(jù)處理，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)FFT，得出頻域數(shù)據(jù)，算出中心頻率和低頻調(diào)制頻率。并將所得結(jié)果顯示在顯示器上。

圖2 硬件系統(tǒng)主程序流程圖

模擬量采集電路如下圖3所示，待測(cè)信號(hào)先通過INA118差分運(yùn)放，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，再由RC濾波電路濾波，再由OPA2320構(gòu)成的跟隨電路濾波匹配。通過以上的電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，抑制了待測(cè)信號(hào)中的各種干擾因素，尤其是共模干擾，從而得到高還原的待測(cè)信號(hào)，保證了測(cè)試精度。

圖3 模擬量采集硬件設(shè)計(jì)

6 測(cè)試結(jié)果

運(yùn)用設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)通過信號(hào)發(fā)生器模擬的ZPW-2000A移頻信號(hào)中的4種中心頻率，以及18種低頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。

從測(cè)試結(jié)果可知，本系統(tǒng)測(cè)量中心頻率的誤差不超過0.2Hz，測(cè)量低頻調(diào)制信號(hào)的誤差不超過0.04Hz，滿足ZPW-2000A移頻軌道信號(hào)檢測(cè)誤差要求。

表2 測(cè)試結(jié)果

7 結(jié)論

本文基于欠采樣方式對(duì)FSK進(jìn)行采樣，對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行FFT，求出FSK信號(hào)的載頻以及低頻調(diào)制頻率，經(jīng)仿真和設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)測(cè)量，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)需求。綜上可見，通過理論仿真和實(shí)際測(cè)量結(jié)果，證明該測(cè)試方法準(zhǔn)確度高，外圍電路簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，具有較高的實(shí)用價(jià)值。