Z-FFT变换在站内轨道信号解调中的应用

摘要 提出了基于Z-FFT变换解调站内ZPW-2000A轨道电路信号，实现站内闭环电码化机车信号的实时检测。该设计以双路TMS320F2812的DSP为硬件核心，双路DSP同时经过Z-FFT变换解调出低频和栽频信号，通过DSI的SPI口实时对解调出的信息进行比较，提高了系统的可靠性。
关键词 DSP；Z-FFT；机车信号

    2004年以前实施的站内电码化，由于采用技术叠加，存在两层皮的问题，系统发出的机车信号信息仅在轨道电路上，并不能有效地检测是否正确发送到轨面上。随着列车运行速度的进一步提高现有的车站闭环电码化并不能满足列车在站内的安全运行。解决这一方法，就是要对站内电码化电路信息实现闭环检测。

1 系统的整体工作原理
    车站闭环电码化系统由电码化发送设备、传输通道、电码化检测设备和道旁单元等构成，如图1所示。发送设备将叠加的ZPW-2000A轨道电路信号和25 Hz相敏轨道电路信号通过传输通道发送到轨面，控制列车安全运行。检测设备通过传输通道，采集轨面的叠加信号，并与解调前的ZPW-2000A轨道电路低频和载频信号进行比较，并把检测后的信息传给联锁设备和维护终端，若不一致，给出报警信息。

2 车站闭环电码化检测设备的实现
    车站闭环电码化检测设备的主要功能是轨道电路信号解调。下面介绍解调的硬件和软件实现。
2．1 硬件实现
    硬件实现总体框图如图2所示。采用了TI的TMS32F2812处理芯片，主频达150 MHz，时钟周期为6．67 ns，SPI串口；两个16 kbit SARAM模块。由于Z-FFT变换中存储的数据量比较大，内部SRAM不能满足要求，外扩了两块 SRAM(CY7C1901 AV3．3)，CYTC1901Av3．3是一款16Mbit的高速静态RAM，工作电压位3．3 V与DSP的端口工作电压一致，最大访问时间10 ns。同时由于内部A／D采样误差较大，为提高系统频率的分辨率用外部A／D进行信号采样。AD7865是一款快速、低功耗、4通道、14位同时采样模数转换器，输入电压范围为±10 V、±5 V或±2．5 V，且输入有过压保护。硬件电路采用双路DSP解调站内轨道电路信号，提高系统的可靠性。

2．2 算法实现
    由于FSK信号是带通信号，为了提高系统的分辨率用欠采样技术和Z-FFT变换实现信号的解调。
2．2．1 欠采样分析
    根据Nyquist带通信号采样定律，欠采样的频率满足式(1)和式(2)。
   
    其中，K为频率偏移常数，频带B=(fh-fl)／2；fh为带通信号的上边频；fl为带通信号下变频。
    根据上述分析可得出ZPW-2000A轨道电路载频频率和采样频率对应如表1所示。

2．2．2 Z-FFT分析
    图3为Z-FFT工作原理框图。

    Z-FFT就是把感兴趣的频谱进行细化，具体的工作步骤为：
    (1)将感兴趣的的信号频谱进行搬移，将fl搬移到零点，fh搬移到fh-fl。
    (2)根据感兴趣的信号频谱带宽设计一个低通数字滤波器，低通数字滤波器的截止频率应大约fh-fl，小于重载采样频率的1／2。
    (3)对已经缩小范围的信号，进行重新采样，每隔K(K<d)点取—点，则信号的分辨率较原来的提高了K倍。
    (4)FFT变换。
    图4和图5是站内闭环ZPW-2000A轨道电路信息频率细化前后的频谱图，载频为1700Hz，低频为10.3Hz。

3 软件流程图实现
    由于Z-FFT算法中FFF变换的长度为4 096，要对TI提供的1024点的FFT算法库作修改，改成4 096点的FFT变换。

4 数据分析
    站内闭环电码化ZPW-2000轨道电路信号检测解调数据如表2所示。

    从表2的数据可以看出，载频的分频分辨率<0．3 Hz，低频的频率分辨率<0．15 Hz，均满足相关规定。

5 结束语
    本设计是对站内闭环电码化ZPW-2000A轨道电路信号检测解调，实现站内轨道电路的闭环检测，保证列车在站内安全运行。同时在设计中采用了双机热备，满足铁道部规定的故障导向安全的要求。