移频键控信号测量系统设计[图]

摘要：为了提高铁路机车中移频键控信号的测量精度，给出了一种利用FPGA和ARM处理器测量频率的方法。该方法在FPGA中利用量化时钟实时测量一组FSK信号周期长度，并将测量数据存储在FPGA内部设计的双口RAM中。FPGA通过设计的串口模块将测量数据送给ARM处理器，ARM处理器对产生测量误差的主要原因进行分析，并对上、下边频切换时产生的畸变数据进行处理，给出了时间间隔测量误差的分析和补偿方法。实验表明，该系统具有较好的抗扰动能力，能够满足一般工业现场测试速率和精度的要求。

在铁路运输系统中，利用轨道电路移频键控信号(FSK)判断运输状态，传输控制信号，不同的调制信号下的载波信号代表不同的控制指令，所以实时、精确地检测轨道电路移频信号对保证铁路安全、快捷运输十分重要。采用频谱分析法确定FSK信号参数时，FFT变换需要对信号进行整周期采样，而FSK信号既具有数字通信的优点，又具有非线性调制的特点，因此对所有信号进行整周期采样具有一定的难度[1]。采用高频量化脉冲测量信号周期方法可以避免这一问题，只要量化时钟和处理速度满足要求，就可以获得满意效果。

本文在FPGA中利用高频时钟对FSK信号进行采样，用ARM处理器对获取的数据进行分析，并对畸变数据进行补偿，从而得到轨道电路FSK信号高频载波及低频调制信号测量参数。

1 系统设计

FSK信号是一种利用低频信号调制载波信号后产生的正弦交流信号[2]，该信号主要由高频载波f0和频偏信号Δf形成的上边频fh、下边频fL组成，两种载波频率在每个调制信号fm周期内呈交替变化。

若FSK信号可用周期信号S(t)表示，则FSK信号的数学表达式[3-4]为：

其中，f0为FSK信号的中心频率，?驻f为信号频偏，T=1/fm为低频调制信号周期。FSK信号如图1所示，其中虚线为低频调制信号，实线为载频信号段，中部为上边频段，两端为下边频段。

FSK信号测量的主要参数包括载频和频偏形成的上边频、下边频信号和调制频率三种物理量。在对FSK信号进行参数测量时，首先将FSK信号经过信号调理电路，利用高速开关管电路将正弦交流信号变换成方波信号；然后利用FPGA测量方波信号周期，并将测量数据通过串行接口发送给ARM处理器；ARM处理器接收到测量数据后，根据测量数据及数据统计情况计算载波和调制信号频率。在FSK信号幅值测量时，经过线性变换和限幅等处理，由高速16bit A/D转换器进行转换。ARM处理器获取FSK信号频率和幅值参量后，将计算结果送往LCD显示。具体系统设计原理如图2所示。

2 系统实现

移频键控信号测量时，通过测量一段时间内载波信号的脉冲宽度确定上边频和下边频，并根据载波信号切换点数据统计值确定调制信号频率。因此，根据载频信号的测量数据即可确定FSK信号参数。测量的移频信号主要为国产18信息和法国UM71移频信号两种制式，FSK信号的载频信号测量范围为495～2611 Hz之间。

系统包括FPGA和ARM处理器两个核心模块，FPGA完成FSK参数测量，ARM处理器完成参数计算，如图3所示。根据FSK信号测量性能要求，选择Altera公司的Cyclone II系列FPGA作为测量核心模块。系统输入为25MHz的时钟信号，经过FPGA中锁相环后获得30MHz的时钟，利用该时钟对FSK信号的脉冲宽度进行量化，并将测量结果存储在16bit字长的双口RAM中，利用FPGA中设计一个串口控制器，将FSK信号的测量值发送ARM处理模块。

2.1 FPGA测量模块程序设计

FSK信号测量的准确性与量化时钟的选择有一定关系，而量化时钟的大小决定测量值的数据宽度[5-7]，量化时钟选择越大，且存储测量结果的组数越多，则计算结果越精确，但在数据通信和数据处理时会影响系统的实时性。根据测量的FSK信号特征，在下边频为fL=495Hz时，计数结果获得最大值。设量化时钟的频率为f，则必须满足f/fL=216，即量化时钟f<32440320Hz。利用锁相环PLL产生30MHz量化时钟信号，为了保证FSK信号测量精确度及测量结果不能溢出(超出预定的数据宽度)，选择计数值的存储单位的数值宽度为16bit。为获取有效的测量低频调制频率，应至少测量3个低频调制频率周期内部的方波计数值。由轨道移频信号的特征可知，当上边频fh=2611Hz、低频调制信号fm=10.3Hz时，一个半周期内的调制频率内部最大的载波信号周期数n≤254，而3×254<1024<5×254。因此选择测量FSK信号的数据深度为1024组。

2.2 ARM数据处理模块程序设计

ARM处理器主要用来接收FPGA送来的FSK信号计数值，对计数值进行统计后得到载波信号频率、频偏和调制频率，并通过SPI接口将数据在LCD上进行显示。