基于Zoom-FFT技术的铁路移频信号检测系统设计

李永岩

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 甘肃勘察院，兰州 730030)

0 引言

在轨道移频信号检测方法方面，传统MATLAB系统主要采取时域法处理手段，包含多周期同步测量、数据周期测定、脉冲数计数等多种实施方案。在固定时间周期内，可同时确定信号脉冲个数与待测脉冲频率，并建立二者之间的模态通用函数。在实际测量过程中，信号移频精度始终与信号脉冲数量保持反比关系，但却可与检测阂值时间建立正比干扰模型，当铁路输入信号量不断变大时，所检测出的特征参数量数值也随之增大[1-2]。这种方法依靠轨道移频信号内部时钟参量与外部频率基数作比的方式，降低特征参数值实际检测误差，从而实现对列车通信数据的实时稳定传输。但此方法在低频、高频轨道信号并存的情况下，所获移频信息的特征参数值始终不能达到理想化水平。

基于上述问题，引入Zoom-FFT技术手段，设计新型铁路移频信号检测系统。所谓Zoom-FFT技术也叫选带快速傅立叶变换或细化的快速傅立叶变换，可针对固定节点处的信号参量实施局部细化放大处理，从而使高、低频轨道移频信号获取不同的频段分辨率。与传统MATLAB系统相比，新型系统借助WIFI通信、移频滤波等多种软件主程序，连接各级硬件执行结构，再通过计算瞬时信号输出频率的方式，建立必要的模态移频函数，实现对铁路移频信号频率的分析与处理。在Zoom-FFT技术的支持下，新型系统能够在多次检测过程中得出更为精准的轨道移频信号特征参数值，缓解列车通信数据在实时稳定传输方面所受的限制。

1 铁路移频信号检测系统的硬件结构设计

铁路移频信号检测系统的硬件执行环境包含AD转换电路、DSP移频芯片、信号传感单元等多个设备元件，具体搭建方法如下。

1.1 AD转换电路

AD转换电路是铁路移频信号检测系统中的核心电子输出装置，负责DSP芯片、LCD显示器等硬件结构之间的电量促导，可在完整保留低频、高频轨道信号移频形式的同时，将电流、电压及其它电子应用指标一并从信号输入端运送至信号输出端。VEE信号捕获器与铁路移频电子信号输入端相连，只针对既定频段内的信号参量实施筛选处理，左侧与一移频处理器相接，在长导线传输作用下，直接实施对上级捕获信号的反调处理，同时将各类汇总指标参量反馈至DIGTTAL元件之中。DIGTTAL元件在功能上等同于一个A/D电路转换器，负载于铁路移频电子信号输入端左侧，同时承载多个检测电阻R两端的移频电压，可根据信号特征参量的实际数值水平，协调低频、高频电量间的检测度量关系，具备较强的数据信号统筹能力[3]。移频互感端口同属于AD转换电路下侧，在INH信号采集设备的作用下，使检测电阻R内部的传输电流逐渐趋于统一，当互感输出端累积的移频信号量达到既定数值水平后，POL、CLK、DC、GND端口同时开启与下级硬件设备间的应用连接，从而实现对铁路移频信号数据的检测传输。

图1 AD转换电路结构图

1.2 DSP移频芯片

DSP移频芯片与其它硬件检测设备不同，在AD转换电路的作用下，该原件具备独立的算法编程能力，可在不借助软件主程序的情况下，直接实施对铁路移频信号数据的应用与调度，从而使得列车通信数据的实时传输稳定性大大提升[4]。Jtag接口、SPI接口、Boot接口同位于DSP移频芯片左下部，可按照数据信息的实际调度需求，建立与其它设备元件间的应用连接。在信号复位按钮保持正向偏转的情况下，Ecan接口长期空余，AD转换电路直接作用于开关设备，并以此维持电源接口内铁路移频信号的连续接入状态。移频测试电位器位于DSP芯片上部，具有独特的哈佛结构，在分流铁路移频信号时，要么访问数据，要么访问程序，最大程度上保持了输入信号特征参数值的检测精准性，使得系统实时检测效率得到了提高[5]。串口组织辅助EEPROM设备执行移频信号的取址与译码，在一个系统检测周期内，具备多次与信号传感单元连接的机会，是DSP移频芯片内的核心应用设备。

1.3 信号传感单元

铁路移频信号检测系统的传感单元设备具备一阶差分、一阶滤波、一阶单转三类基本连接形式，分别对应待检轨道信号的不同输出状态。

1)一阶差分传感：一阶差分传感可实现由高频输入信号到高频输出信号的平级转换，在R0信号电阻的作用下，铁路移频信号始终保持较强的横向传输能力，在按照R1、R2电阻间的实际阻值比例，分配暂存于系统内的信号数据参量， 再联合DSP移频芯片，实现信息结构体的实时显示[6]。

图2 信号传感单元结构图(一阶差分形式)

2)一阶滤波传感：一阶滤波传感可实现由低频输入信号到低频输出信号的平级转换，R1、R2电阻同时具备感知铁路移频信号的能力，但由于下级传感单元中只包含一个R3电阻设备，故该原件的阻值计算量应等于R1、R2阻值之和。

图3 信号传感单元结构图(一阶滤波形式)

3)一阶单转传感：一阶单转传感可实现由高频输入信号到低频输出信号的越级转换，信号源经过R0电阻的移频调试后，直接进入R3电阻中，再分多次传输至LCD信号显示器及微处理接收元件中，从而为数据采集、移频滤波、WIFI通信三类软件主程序提供必要依存条件。

图4 信号传感单元结构图(一阶单转形式)

1.4 LCD信号显示器

LCD信号显示器在核心板件上设置TPS73HD318型应用设备，为突出铁路移频信号的协调统一性，元件结构外平均分布28个功能不同的连接惯脚，一方面可大大增加显示器主体与下级微处理接收元件间的连接紧密性，另一方面也可根据轨道移频信号的特征参数实值，生成即时性数据显示文件，从而满足列车通信数据间的的稳定性传输关系。TPS73HD318应用设备左侧连接惯脚上、下两端各预留两个空白传输位置，而中间剩余的12个连接惯脚则保持兼性连接关系，在经过多次转承处理后，直接与移频信号的反馈终端组织相连。第28号惯脚接入系统LCD移频信号输入端，可通过同步获取信号数据与应用电子的方式，实现对轨道移频信号特征参数值的精准检测[7-8]。整个显示器单元中分别设置3个屏状设备元件，同一信号输入形势下，位于同侧的显示屏幕不能同时亮起、但可同时熄灭，这也是新型检测系统能够暂存移频信号特征参数值指标的主要原因。

图5 LCD信号显示器结构图

1.5 微处理接收元件

移频信号检测系统的微处理接收元件由上、下部单元结构共同组成，其中上部结构中包含C6748、TMS320C6748、C6523三类应用芯片，下部结构中则包含4个完全相同的信号数据显示接入端节点。C6748芯片负责铁路移频信号数据的提取与调用，属于与DSP芯片同级的递归处理元件，可有效统计系统空余节点内信号数据的实际数量级水平，再截取部分信号参量传输至下级设备元件中[9]。TMS320C6748芯片直属于LCD信号显示器，负责维持铁路移频信号的检测输入形式，不具备独立的并行处理能力。C6523芯片与信号传感单元设备同级，具备多阶连接形式同时转换的能力，可同时调度位于下部元件结构中的节点端口[10]。显示接入端节点是铁路移频信号输入微处理接收元件的物理通道，4个接口组织必须时刻保持相同的连通或闭合形式，以保证列车通信数据的实时稳定传输。

2 检测软件及应用主程序

2.1 基于Zoom-FFT技术的铁路移频信号频率分析

在各项硬件基础结构的支持下，分别计算与铁路信号参量相关的瞬时输出频率与模态移频函数，完成基于Zoom-FFT技术的信息检测频率分析。

2.1.1 瞬时输出频率

(1)

式中，λ代表基于Zoom-FFT技术的移频信号检测处理权限，y代表系统差分检测滤波作用系数，i0代表铁路移频信号的最小输出基本量数值，i1代表铁路移频信号的最大输出基本量数值，χ代表传输信号数据的既定移频系数，q代表单位时间内的移频信号检测总量，e代表移频传输数据的额定承载极限条件。

2.1.2 模态移频函数

在Zoom-FFT变换规律的支持下，模态移频函数可直观表述铁路信号瞬时输出频率在固定内享检测状态下的单一频率成分，可在为单分量信号赋予被检实值参量的同时，区分数据信息主体中的必要与非必要传输成分，从而实现对列车通信数据的实时稳定传输[12-13]。基于上述定义，模态移频函数内的铁路信号输入数据虽具备一定的波动能力，但却始终不会产生模态混叠的变动形式。设β1代表铁路移频信号的极值点输入个数，β2代表铁路移频信号的过零点输入个数，联立式(1)，可将信号检测系统的模态移频函数定义为：

(2)

2.2 检测软件及应用主程序

联合铁路移频信号频率分析原则，按照信号数据采集、信号移频滤波、WIFI通信的主程序设计流程，完成新型信号检测系统的软件应用环境搭建。

2.2.1 信号数据采集程序

信号数据采集程序作用于信号传感单元与DSP移频芯片间的信息应用连接，在检测系统外部晶振频率保持为24 MHz的情况下，该项执行程序可将信号寄存器调节为Ox- O1C11100的执行状态，再借助外部模态移频函数，更改已寄存的铁路移频信号参量，通常情况下，以倍频数等于19最为适宜，此时与AD转换电路相连检测处理器的信号主频数可达24×19=456 MHz[14]。在LCD显示接口与DSP移频接口保持并列连接的情况下，信号数据采集程序只允许宽度为16位的信号数据参量同列通过，直至最大寻址空间达到512 Mbit，才完全释放已存储的信号参量指标。具体的程序引脚与信号数据采集对应关系如表1所示。

表1 信号数据采集程序编码原理

2.2.2 信号移频滤波算法

信号移频滤波算法只为滤除LCD显示器中的非必要数据参量，可联合信号数据采集程序，定义检测系统内的信息传输频率条件。一个完整的移频滤波算法应当具有相同数量级水平的极值点和过零点个数，且在系统检测周期内，显示器输入信号数据的调频与调幅都应与标准正弦形式完全一致。在任意时刻，铁路移频信号的局部极大值点数量都不得高于过零点数量，而局部极小值点数量却必须低于极值点的数量平均值，即移频信号的上行、下行传输形式基本保持局部对称状态[15-16]。在编写过程中，移频滤波节点不得占用过量的信号频段区间，且必须时刻与Zoom-FFT模态函数保持相同的应用变化趋势。

2.2.3 WIFI通信程序

WIFI通信程序是具备数据初始化能力的信号回传指令，仅作用于与微处理接收元件相连的数据输入节点，支持Zoom-FFT检测指令与移频应用指令的同步传输，在系统中起到原设置返回的作用[17]。无论指令是否成功执行，在WIFI通信程序的作用下，微处理接收元件都会收到一连串的信号数据字符，对于其它系统硬件执行结构来说，可通过识别返回信息中剩余字符数组的方式，判断已传输指令是否执行成功，若指令成功执行，则自动执行下一条指令；若指令未能成功执行，则重复执行上一条指令，直至最终判断结果为“是”。至此，完成各项软、硬件执行结构的搭建，在Zoom-FFT技术原理的支持下，实现新型铁路移频信号检测系统的顺利应用。

3 实验结果与分析

为验证基于Zoom-FFT技术铁路移频信号检测系统的实际应用价值，设计如下对比实验。在列车行驶路段中，每隔等长距离设置一个移频信号发生装置，选取三台等长且型号相同的列车作为实验对象，在车头位置安装相同的信号接收器，如图6所示，其中实验组ArbStudio主机搭载新型信号检测系统，对照组(a)ArbStudio主机搭载传统MATLAB系统，对照组(b)主机不搭载任何检测系统。

图6 列车内部信号接收器

低频、高频轨道移频信号检测精度均能反映列车通信数据的实时传输稳定性，通常情况下，检测所得精度数值越大，列车的实时传输稳定性也就越强，反之则越弱。

3组不同的高频轨道移频信号检测精度数值结果如图7所示。

图7 高频轨道移频信号检测精度

从图7可以看出，图1(2)的数值波动性最小，检测精度极大值达到70%；图1(3)的极小值水平最低，达到38%，二者间差值为32%。单看对照组(a)的数值结果，图1(1)的极大值水平最高、而极小值水平最低，前者达到42%、后者达到2%，二者间差值为40%。单看对照组(b)的数值结果，图1(2)的极大值水平最高，达到32%；图1(1)的极小值水平最低，达到2.5%，二者差值为29.5%。综上可知，应用基于Zoom-FFT技术铁路移频信号检测系统，可有效提升高频轨道移频信号的检测精度数值，实现对列车通信数据的实时稳定传输。

表2反映了实验组、对照组(a)、对照组(b)低频轨道移频信号检测精度的实际数值结果。

表2反映了3组不同的低频轨道移频信号检测精度数值结果。单看实验组数值结果，第3组的极大值水平最高，达到31%；第1组的极小值水平最低，达到23%，二者间差值为8%。单看对照组(a)的数值结果，第3组、第1组的极大值水平最高，达到16%；第2组的极小值水平最低，达到12%，二者间差值为4%。单看对照组(b)的数值结果，第3组的极大值水平最高，达到8%；第1组、第2组、第3组内记录结果都包含极小值4%，二者差值为4%。综上可知，应用基于Zoom-FFT技术铁路移频信号检测系统，也可有效提升低频轨道移频信号的检测精度数值，促进列车通信数据实现稳定的实时传输。

表2 低频轨道移频信号检测精度

4 结束语

与传统MATLAB系统相比，基于Zoom-FFT技术的铁路移频信号检测系统利用AD转换电路，实现DSP芯片与信号传感单元的实时对应连接，又在数据采集、移频滤波等多个软件主程序的作用下，计算得出准确的信号数据瞬时输出频率。从实用性角度来看，低频、高频轨道移频信号检测精度均出现不同程度的提升，可在精准获取信号参量特征参数值的同时，实现对列车通信数据的实时稳定传输，具备较强的应用推广价值。