DDS直接數字頻率合成技術在鐵路信號系統中的應用

摘要：基于對我國鐵路主要制式信號的典型參數特征的分析和研究，通過MATLAB仿真軟件建立我國主要制式信號的數學模型，在重點解決邊頻精度、相位連續、差分放大等關鍵問題的前提下，提出采用DDS直接數字頻率合成技術生成我國鐵路專用2FSK(二進制頻移鍵控)調制信號的新方法，并給出相關的硬件、軟件設計。

關鍵詞：鐵路信號；直接數字頻率合成；頻移鍵控

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

引言

　　隨著我國鐵路客運專線、高速鐵路建設步伐的加快，研究開發以一體化、網絡化、數字化為典型技術特征的新型列車信號控制系統成為必然趨勢。通過研究DDS直接數字頻率合成技術生成鐵路專用2FSK(二進制頻移鍵控)調制信號的新方法，論證了新型列車信號控制系統的信息發送單元數字化實現的可行性，并完成了相應的軟、硬件設計。實驗和工程應用結果均表明，該設計的精確度和穩定度完全可以滿足鐵路現場應用的要求。

我國鐵路2FSK信號的理論分析和數學建模

　　當前我國鐵路信號系統的主要信號制式包括3種，不同系統信號特征的異同點如表1所示。

　　2FSK信號數學表達式為[1]：

　　其中S(t) 是2FSK信號的基本表達式，g(t) 是相位變化量子式，AS為2FSK信號時域幅度，f0為2FSK信號中心頻率，f(t)為低頻調制信號，Kf為最大載頻偏移量。

　　從公式(1)及(2)中可以總結出，2FSK信號數學基本原理簡單來說就是利用數字基帶信號f(t)引起的相位變化量g(t)去調制載頻信號f0，控制上邊頻fh和下邊頻fl的切換，實現數字基帶信息的傳輸。根據對邊頻切換時機的不同，2FSK調制又分為相位連續方式和相位不連續方式。

　　在這些不同信號制式中，除了所采用的調制方式相同外，它們還具有鐵路信號所特有的共性：即低頻調制信號f(t)為方波方式，依靠方波頻率的變化，實現列車不同速度等級的編碼。由于鐵路2FSK調制信號的通頻帶、低頻調制信號有著極其嚴格的限定，有別于民用通信領域常規信號。在認真分析我國鐵路主要信號制式的典型參數特征的基礎上，利用MATLAB仿真軟件在計算機上可以建立我國主要信號制式傳輸信號的數學模型[2]，其典型時域波形的仿真圖形如圖1所示。

圖1  我國鐵路2FSK信號仿真波形

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

　　圖1顯示了三個典型參數之間的特定依存關系：即一個完整周期的數字基帶信號f(t)包含了持續時間分別為1/2周期的上邊頻fh和下邊頻fl信號，并且兩者在切換的瞬間保持了相位連續的特征，如圖中圓圈中所示。在MATLAB仿真環境下，通過動態改變三者的特征值，可以模擬實現我國鐵路主要信號制式的全部信號模式。

DDS技術方案

　　基于對DDS技術深入研究，DDS技術應用在新型列車信號控制系統是完全可行的，技術方案可以簡要歸納如下：

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

　　· 在精度允許范圍內實現低頻調制方波對上、下邊頻信號的相位連續調制。

　　DDS的數學模型

　　根據傅立葉變換理論，任何周期信號都可以分解為一系列正弦或余弦信號之和，對于一個頻率f固定的周期性模擬或數字信號而言，無論其幅度如何變化，在每一個時間周期內，信號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  信號幅度與相位變化的對應關系

　　在一個系統時鐘周期內，正弦信號相位的變化由下式決定：
(3)

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

　　式中Dphase：采樣時間間隔內信號相位的增量。

　　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的輸出。把0~2的連續相位量化為0~2N位數字相位，則Dphase可以表示為：
 (5)

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

　　根據公式(5)和公式(4)，推算出：
(6)

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

　　DDS硬件架構

　　圖3顯示DDS硬件架構主要由相位累加器、正弦查找表、模數轉換器以及低通平滑濾波器等部分構成[3]。

圖3  DDS硬件架構框圖

　　相位累加器在DDS功能實現上發揮著核心作用，把0~2的連續相位轉換為32位的數字相位(假定相位累加器的位數N=32)，在時鐘脈沖的控制下，輸入到頻率寄存器的控制字在相位累加器中定期累加轉變成為輸出信號的數字相位信息。

　　正弦查找表是一個存儲了特定數據的只讀存儲器。正弦查找表中固化了對一個滿周期標準正弦信號以系統時鐘頻率為采樣頻率，采樣點數為2N(N：相位累加器位數)的波形取樣值(二進制編碼)。

　　DDS中的數模轉換器用于把正弦查找表輸出的正弦信號數字幅值轉換為模擬幅值。

　　低通平滑濾波器可以濾除DDS系統時鐘引入的高頻干擾以及由于DDS內部相位累加器輸出相位需要截斷固有特性導致的加性相位噪聲。

　　硬件設計

圖4  系統硬件

　　· 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據通信，實現列控信息的差錯控制和數據幀打包成型；基于對列控數據軟件判斷處理，以基帶調制信號周期為間隔，動態刷新DDS芯片控制寄存器，直接實現正弦形式的鐵路2FSK信號正/反向雙路輸出，供給后級差分放大器使用。完成輸出信號的狀態回采、閉環檢查，以校核輸出2FSK信號的關鍵參數指標是否達標。

　　· 安全串行通信接口
　　通信接口主要由Philips SJA1000及外圍電路構成。主要完成上位邏輯控制單元與主控CPU之間安全數據交換，接口協議靈活。實際應用中采用了雙重冗余的CAN總線方式，確保數據交換安全可靠。

　　· 看門狗復位電路
　　外置硬件看門狗選用MAX1232芯片。主要完成程序由于干擾“跑飛”進入死循環之后，輸出復位脈沖，迫使CPU重新從程序原點恢復執行，提高系統的抗干擾能力。

　　· DDS直接數字頻率合成器
　　選用AD7008 DDS芯片及外圍元件構成。DDS芯片被設置成FSK工作模式。在FSK模式下，其輸出信號頻率是頻率控制寄存器(FCR)0、1以及FSK控制輸入引腳FSELECT狀態的函數。當FSELECT引腳為低電平時，輸出邊頻f1(FCR1控制)，當FSELECT引腳為高電平時，輸出邊頻f2(FCR2控制)，只要 嚴格遵循鐵路2FSK信號基帶調制信號與邊頻信號頻率依存關系，選擇適當的邊頻頻率，并且利用基帶調制信號控制FSELECT引腳電平狀態即可實現。根據DDS的特點，邊頻的切換是瞬時完成的(ns級)，并且新的輸出頻率相位累加起點是前一頻率的相位累加終點，因此可以保持頻率切換點的邊頻相位連續性，符合鐵路2FSK信號的技術特點。關于頻率控制寄存器設置數值，可以根據公式(6)確定。

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

　　· 緩沖放大器
　　由BUF634芯片及外圍電路構成。主要完成在保持輸出2FSK信號電平恒定不變的條件下，僅對信號的電流進行放大，增強信號對后級電路的驅動能力。

　　· 狀態回采模塊
　　由光耦、運放電路等構成。主要完成輸出2FSK信號的再采集、隔離整形與輸入，實現信號的實時閉環檢查，提高系統的安全性。

　　軟件設計

　　為了滿足可靠性、安全性和實時性的要求，系統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、關鍵數據的備份以及差錯校驗等，系統軟件流程示于圖5。

圖5  系統軟件流程

測試結果及結論

　　實驗室環境下內對該項成果進行了測試，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延等指標。結果表明：信號精度和實時性完全可以滿足現場要求，相對誤差均控制在10-5~10-6范圍內。 采用DDS技術的鐵路專用2FSK信號發送模塊，可以實現使用同一硬件平臺，完成我國鐵路包括UM71、ZPW2000A、國產移頻等不同類型列控信息輸出的功能。目前，該項成果已在工程現場得到應用，運行穩定。相對于其他方式的設計，例如FPGA、PLL頻率合成、虛擬儀表等，該方案具有明顯的優點：嵌入式設計、性能穩定、硬件緊湊、性價比高等。尤其是在研制過程中所采用的設計思路實現了通用化多變量控制的2FSK數字信號調制，對于其他數據通信應用領域也具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

　　1.  費錫康，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