DDS直接数字频率合成技术在铁路信号系统中的应用

摘要：基于对我国铁路主要制式信号的典型参数特征的分析和研究，通过MATLAB仿真软件建立我国主要制式信号的数学模型，在重点解决边频精度、相位连续、差分放大等关键问题的前提下，提出采用DDS直接数字频率合成技术生成我国铁路专用2FSK(二进制频移键控)调制信号的新方法，并给出相关的硬件、软件设计。

关键词：铁路信号；直接数字频率合成；频移键控

2008年5月12日收到本文。郜洪民：助理研究员，从事铁路列车自动控制研究。

引言

随着我国铁路客运专线、高速铁路建设步伐的加快，研究开发以一体化、网络化、数字化为典型技术特征的新型列车信号控制系统成为必然趋势。通过研究DDS直接数字频率合成技术生成铁路专用2FSK(二进制频移键控)调制信号的新方法，论证了新型列车信号控制系统的信息发送单元数字化实现的可行性，并完成了相应的软、硬件设计。实验和工程应用结果均表明，该设计的精确度和稳定度完全可以满足铁路现场应用的要求。

我国铁路2FSK信号的理论分析和数学建模

当前我国铁路信号系统的主要信号制式包括3种，不同系统信号特征的异同点如表1所示。

2FSK信号数学表达式为[1]：

其中S(t) 是2FSK信号的基本表达式，g(t) 是相位变化量子式，AS为2FSK信号时域幅度，f0为2FSK信号中心频率，f(t)为低频调制信号，Kf为最大载频偏移量。

从公式(1)及(2)中可以总结出，2FSK信号数学基本原理简单来说就是利用数字基带信号f(t)引起的相位变化量g(t)去调制载频信号f0，控制上边频fh和下边频fl的切换，实现数字基带信息的传输。根据对边频切换时机的不同，2FSK调制又分为相位连续方式和相位不连续方式。

在这些不同信号制式中，除了所采用的调制方式相同外，它们还具有铁路信号所特有的共性：即低频调制信号f(t)为方波方式，依靠方波频率的变化，实现列车不同速度等级的编码。由于铁路2FSK调制信号的通频带、低频调制信号有着极其严格的限定，有别于民用通信领域常规信号。在认真分析我国铁路主要信号制式的典型参数特征的基础上，利用MATLAB仿真软件在计算机上可以建立我国主要信号制式传输信号的数学模型[2]，其典型时域波形的仿真图形如图1所示。

图1  我国铁路2FSK信号仿真波形

通过公式(1)和(2)，可以抽取出我国铁路专用2FSK信号的典型参数特征，即：数字基带信号f(t)、上边频fh、下边频fl。

图1显示了三个典型参数之间的特定依存关系：即一个完整周期的数字基带信号f(t)包含了持续时间分别为1/2周期的上边频fh和下边频fl信号，并且两者在切换的瞬间保持了相位连续的特征，如图中圆圈中所示。在MATLAB仿真环境下，通过动态改变三者的特征值，可以模拟实现我国铁路主要信号制式的全部信号模式。

DDS技术方案

基于对DDS技术深入研究，DDS技术应用在新型列车信号控制系统是完全可行的，技术方案可以简要归纳如下：

· 对2FSK信号典型参数：上边频fh、下边频fl、调制低频方波f(t)的精确生成；

· 在精度允许范围内实现低频调制方波对上、下边频信号的相位连续调制。

　　DDS的数学模型

根据傅立叶变换理论，任何周期信号都可以分解为一系列正弦或余弦信号之和，对于一个频率f固定的周期性模拟或数字信号而言，无论其幅度如何变化，在每一个时间周期内，信号相位角按照固定角频率w线性变化。如图2 MATLAB仿真波形所示。

图2  信号幅度与相位变化的对应关系

在一个系统时钟周期内，正弦信号相位的变化由下式决定：
(3)

假定时间间隔dt以系统时钟周期1/fclock(可以看作为采样周期)来代替，可得：
(4)

式中Dphase：采样时间间隔内信号相位的增量。

从公式(4)中显而易见，控制Dphase的变化，就可以控制不同的频率信号的输出。把0~2的连续相位量化为0~2N位数字相位，则Dphase可以表示为：
 (5)

式中N为DDS相位寄存器位数(通常为24~32)；M为DDS相位寄存器的步长。

根据公式(5)和公式(4)，推算出：
(6)

公式(6)表明在系统时钟(DDS的参考频率源)保持恒定的条件下，通过改变预置的频率控制字(相位累加器的步长M)，就可以精确控制输出信号的频率变化。

　　DDS硬件架构

图3显示DDS硬件架构主要由相位累加器、正弦查找表、模数转换器以及低通平滑滤波器等部分构成[3]。

图3  DDS硬件架构框图

相位累加器在DDS功能实现上发挥着核心作用，把0~2的连续相位转换为32位的数字相位(假定相位累加器的位数N=32)，在时钟脉冲的控制下，输入到频率寄存器的控制字在相位累加器中定期累加转变成为输出信号的数字相位信息。

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