DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：基于對我國鐵路主要制式信號(hào)的典型參數(shù)特征的分析和研究，通過MATLAB仿真軟件建立我國主要制式信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，在重點(diǎn)解決邊頻精度、相位連續(xù)、差分放大等關(guān)鍵問題的前提下，提出采用DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)生成我國鐵路專用2FSK(二進(jìn)制頻移鍵控)調(diào)制信號(hào)的新方法，并給出相關(guān)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鐵路信號(hào)；直接數(shù)字頻率合成；頻移鍵控

　　2008年5月12日收到本文。郜洪民：助理研究員，從事鐵路列車自動(dòng)控制研究。

引言

　　隨著我國鐵路客運(yùn)專線、高速鐵路建設(shè)步伐的加快，研究開發(fā)以一體化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化為典型技術(shù)特征的新型列車信號(hào)控制系統(tǒng)成為必然趨勢。通過研究DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)生成鐵路專用2FSK(二進(jìn)制頻移鍵控)調(diào)制信號(hào)的新方法，論證了新型列車信號(hào)控制系統(tǒng)的信息發(fā)送單元數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的可行性，并完成了相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用結(jié)果均表明，該設(shè)計(jì)的精確度和穩(wěn)定度完全可以滿足鐵路現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

我國鐵路2FSK信號(hào)的理論分析和數(shù)學(xué)建模

　　當(dāng)前我國鐵路信號(hào)系統(tǒng)的主要信號(hào)制式包括3種，不同系統(tǒng)信號(hào)特征的異同點(diǎn)如表1所示。

　　2FSK信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為[1]：

　　其中S(t) 是2FSK信號(hào)的基本表達(dá)式，g(t) 是相位變化量子式，AS為2FSK信號(hào)時(shí)域幅度，f0為2FSK信號(hào)中心頻率，f(t)為低頻調(diào)制信號(hào)，Kf為最大載頻偏移量。

　　從公式(1)及(2)中可以總結(jié)出，2FSK信號(hào)數(shù)學(xué)基本原理簡單來說就是利用數(shù)字基帶信號(hào)f(t)引起的相位變化量g(t)去調(diào)制載頻信號(hào)f0，控制上邊頻fh和下邊頻fl的切換，實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信息的傳輸。根據(jù)對邊頻切換時(shí)機(jī)的不同，2FSK調(diào)制又分為相位連續(xù)方式和相位不連續(xù)方式。

　　在這些不同信號(hào)制式中，除了所采用的調(diào)制方式相同外，它們還具有鐵路信號(hào)所特有的共性：即低頻調(diào)制信號(hào)f(t)為方波方式，依靠方波頻率的變化，實(shí)現(xiàn)列車不同速度等級(jí)的編碼。由于鐵路2FSK調(diào)制信號(hào)的通頻帶、低頻調(diào)制信號(hào)有著極其嚴(yán)格的限定，有別于民用通信領(lǐng)域常規(guī)信號(hào)。在認(rèn)真分析我國鐵路主要信號(hào)制式的典型參數(shù)特征的基礎(chǔ)上，利用MATLAB仿真軟件在計(jì)算機(jī)上可以建立我國主要信號(hào)制式傳輸信號(hào)的數(shù)學(xué)模型[2]，其典型時(shí)域波形的仿真圖形如圖1所示。

圖1  我國鐵路2FSK信號(hào)仿真波形

　　通過公式(1)和(2)，可以抽取出我國鐵路專用2FSK信號(hào)的典型參數(shù)特征，即：數(shù)字基帶信號(hào)f(t)、上邊頻fh、下邊頻fl。

　　圖1顯示了三個(gè)典型參數(shù)之間的特定依存關(guān)系：即一個(gè)完整周期的數(shù)字基帶信號(hào)f(t)包含了持續(xù)時(shí)間分別為1/2周期的上邊頻fh和下邊頻fl信號(hào)，并且兩者在切換的瞬間保持了相位連續(xù)的特征，如圖中圓圈中所示。在MATLAB仿真環(huán)境下，通過動(dòng)態(tài)改變?nèi)叩奶卣髦?，可以模擬實(shí)現(xiàn)我國鐵路主要信號(hào)制式的全部信號(hào)模式。

DDS技術(shù)方案

　　基于對DDS技術(shù)深入研究，DDS技術(shù)應(yīng)用在新型列車信號(hào)控制系統(tǒng)是完全可行的，技術(shù)方案可以簡要?dú)w納如下：

　　· 對2FSK信號(hào)典型參數(shù)：上邊頻fh、下邊頻fl、調(diào)制低頻方波f(t)的精確生成；

　　· 在精度允許范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低頻調(diào)制方波對上、下邊頻信號(hào)的相位連續(xù)調(diào)制。

　　DDS的數(shù)學(xué)模型

　　根據(jù)傅立葉變換理論，任何周期信號(hào)都可以分解為一系列正弦或余弦信號(hào)之和，對于一個(gè)頻率f固定的周期性模擬或數(shù)字信號(hào)而言，無論其幅度如何變化，在每一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，信號(hào)相位角按照固定角頻率w線性變化。如圖2 MATLAB仿真波形所示。

圖2  信號(hào)幅度與相位變化的對應(yīng)關(guān)系

　　在一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)，正弦信號(hào)相位的變化由下式?jīng)Q定：
(3)

　　假定時(shí)間間隔dt以系統(tǒng)時(shí)鐘周期1/fclock(可以看作為采樣周期)來代替，可得：
(4)

　　式中Dphase：采樣時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)相位的增量。

　　從公式(4)中顯而易見，控制Dphase的變化，就可以控制不同的頻率信號(hào)的輸出。把0~2的連續(xù)相位量化為0~2N位數(shù)字相位，則Dphase可以表示為：
 (5)

　　式中N為DDS相位寄存器位數(shù)(通常為24~32)；M為DDS相位寄存器的步長。

　　根據(jù)公式(5)和公式(4)，推算出：
(6)

　　公式(6)表明在系統(tǒng)時(shí)鐘(DDS的參考頻率源)保持恒定的條件下，通過改變預(yù)置的頻率控制字(相位累加器的步長M)，就可以精確控制輸出信號(hào)的頻率變化。

　　DDS硬件架構(gòu)

　　圖3顯示DDS硬件架構(gòu)主要由相位累加器、正弦查找表、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及低通平滑濾波器等部分構(gòu)成[3]。

圖3  DDS硬件架構(gòu)框圖

　　相位累加器在DDS功能實(shí)現(xiàn)上發(fā)揮著核心作用，把0~2的連續(xù)相位轉(zhuǎn)換為32位的數(shù)字相位(假定相位累加器的位數(shù)N=32)，在時(shí)鐘脈沖的控制下，輸入到頻率寄存器的控制字在相位累加器中定期累加轉(zhuǎn)變成為輸出信號(hào)的數(shù)字相位信息。

　　正弦查找表是一個(gè)存儲(chǔ)了特定數(shù)據(jù)的只讀存儲(chǔ)器。正弦查找表中固化了對一個(gè)滿周期標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)以系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)為2N(N：相位累加器位數(shù))的波形取樣值(二進(jìn)制編碼)。

　　DDS中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于把正弦查找表輸出的正弦信號(hào)數(shù)字幅值轉(zhuǎn)換為模擬幅值。

　　低通平滑濾波器可以濾除DDS系統(tǒng)時(shí)鐘引入的高頻干擾以及由于DDS內(nèi)部相位累加器輸出相位需要截?cái)喙逃刑匦詫?dǎo)致的加性相位噪聲。

　　硬件設(shè)計(jì)

圖4  系統(tǒng)硬件

　　· 主控CPU
　　選用ATMEL 精簡指令集AVR MEGA128芯片。主要完成與上位中央邏輯控制單元的雙向高速安全串行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)列控信息的差錯(cuò)控制和數(shù)據(jù)幀打包成型；基于對列控?cái)?shù)據(jù)軟件判斷處理，以基帶調(diào)制信號(hào)周期為間隔，動(dòng)態(tài)刷新DDS芯片控制寄存器，直接實(shí)現(xiàn)正弦形式的鐵路2FSK信號(hào)正/反向雙路輸出，供給后級(jí)差分放大器使用。完成輸出信號(hào)的狀態(tài)回采、閉環(huán)檢查，以校核輸出2FSK信號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)。

　　· 安全串行通信接口
　　通信接口主要由Philips SJA1000及外圍電路構(gòu)成。主要完成上位邏輯控制單元與主控CPU之間安全數(shù)據(jù)交換，接口協(xié)議靈活。實(shí)際應(yīng)用中采用了雙重冗余的CAN總線方式，確保數(shù)據(jù)交換安全可靠。

　　· 看門狗復(fù)位電路
　　外置硬件看門狗選用MAX1232芯片。主要完成程序由于干擾“跑飛”進(jìn)入死循環(huán)之后，輸出復(fù)位脈沖，迫使CPU重新從程序原點(diǎn)恢復(fù)執(zhí)行，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　· DDS直接數(shù)字頻率合成器
　　選用AD7008 DDS芯片及外圍元件構(gòu)成。DDS芯片被設(shè)置成FSK工作模式。在FSK模式下，其輸出信號(hào)頻率是頻率控制寄存器(FCR)0、1以及FSK控制輸入引腳FSELECT狀態(tài)的函數(shù)。當(dāng)FSELECT引腳為低電平時(shí)，輸出邊頻f1(FCR1控制)，當(dāng)FSELECT引腳為高電平時(shí)，輸出邊頻f2(FCR2控制)，只要 嚴(yán)格遵循鐵路2FSK信號(hào)基帶調(diào)制信號(hào)與邊頻信號(hào)頻率依存關(guān)系，選擇適當(dāng)?shù)倪咁l頻率，并且利用基帶調(diào)制信號(hào)控制FSELECT引腳電平狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)。根據(jù)DDS的特點(diǎn)，邊頻的切換是瞬時(shí)完成的(ns級(jí))，并且新的輸出頻率相位累加起點(diǎn)是前一頻率的相位累加終點(diǎn)，因此可以保持頻率切換點(diǎn)的邊頻相位連續(xù)性，符合鐵路2FSK信號(hào)的技術(shù)特點(diǎn)。關(guān)于頻率控制寄存器設(shè)置數(shù)值，可以根據(jù)公式(6)確定。

　　· 差分放大
　　由INA118差分放大器及外圍電路構(gòu)成。主要完成DDS輸出正/反向2FSK信號(hào)的處理，抑制2FSK信號(hào)中的共模成分，提高信號(hào)純度。同時(shí)通過調(diào)整外置的電壓增益電阻，使輸出2FSK信號(hào)的電平幅度達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求。并確保外部增益電阻在斷路故障或阻值增大條件下，差分輸出端信號(hào)幅值不增加，成衰減趨勢，從而滿足核心系統(tǒng)故障導(dǎo)向安全的功能需求。

　　· 緩沖放大器
　　由BUF634芯片及外圍電路構(gòu)成。主要完成在保持輸出2FSK信號(hào)電平恒定不變的條件下，僅對信號(hào)的電流進(jìn)行放大，增強(qiáng)信號(hào)對后級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力。

　　· 狀態(tài)回采模塊
　　由光耦、運(yùn)放電路等構(gòu)成。主要完成輸出2FSK信號(hào)的再采集、隔離整形與輸入，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)閉環(huán)檢查，提高系統(tǒng)的安全性。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　為了滿足可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性的要求，系統(tǒng)軟件采用了匯編語言編寫源代碼，并且采取了一些措施提高軟件的抗干擾能力，例如：軟件陷阱、指令冗余、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的備份以及差錯(cuò)校驗(yàn)等，系統(tǒng)軟件流程示于圖5。

圖5  系統(tǒng)軟件流程

測試結(jié)果及結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下內(nèi)對該項(xiàng)成果進(jìn)行了測試，包括載頻精度、低頻精度、低通濾波器通頻帶以及邊頻的切換時(shí)延等指標(biāo)。結(jié)果表明：信號(hào)精度和實(shí)時(shí)性完全可以滿足現(xiàn)場要求，相對誤差均控制在10-5~10-6范圍內(nèi)。 采用DDS技術(shù)的鐵路專用2FSK信號(hào)發(fā)送模塊，可以實(shí)現(xiàn)使用同一硬件平臺(tái)，完成我國鐵路包括UM71、ZPW2000A、國產(chǎn)移頻等不同類型列控信息輸出的功能。目前，該項(xiàng)成果已在工程現(xiàn)場得到應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定。相對于其他方式的設(shè)計(jì)，例如FPGA、PLL頻率合成、虛擬儀表等，該方案具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：嵌入式設(shè)計(jì)、性能穩(wěn)定、硬件緊湊、性價(jià)比高等。尤其是在研制過程中所采用的設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)了通用化多變量控制的2FSK數(shù)字信號(hào)調(diào)制，對于其他數(shù)據(jù)通信應(yīng)用領(lǐng)域也具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

　　1.  費(fèi)錫康，無絕緣軌道電路原理及分析，中國鐵道出版社，1993: 97~109
　　2.  王立寧、樂光新，MATLAB與通信仿真，人民郵電出版社，2000:340~349
　　3.  DDS Data Manual，American Analog Device International Corporation，1995: 1-16