鐵路信號的主要任務是保證行車安全，提高運輸效率。隨著鐵路運輸向重載、高速、高密度方向發展，對直接指揮和控制列車運行的鐵路信號提出了更高的要求。各國鐵路，特別是發達國家鐵路積極引進和采用新技術，加大研發力度，推動高速鐵路信號的發展[1]。
    我國目前運用的軌道信號主要是交流計數信號(解調時間大于4 s，且抗干擾性能很弱)﹑移頻信號(頻點設置不合理，不滿足正交條件，占用頻帶寬，抗干擾能力弱，大部分頻率解調難度大，解調時間長，存在倍頻信號的隱患)、UM71信號、ZPW2000A信號(頻點不滿足正交條件，16.9 Hz以下的調制頻率的調制系數大，對上下邊頻的漂移敏感，存在倍頻的隱患)、數字編碼信號(設備復雜昂貴，解調時間2.5 s-3.0 s)。但這些軌道信號存在的缺點，導致其完全不能適應當前國內高速鐵路的需要，因此急需研制新型國產軌道信號系統。新型軌道信號必須適應列車提高運行速度和運行密度的需要，適應重載運輸的需要，適應電氣化鐵路發展的需要。同時還不能脫離現有的基礎，要盡量利用現有的軌道電路信道，即在現有軌道電路的基礎上設計新型軌道信號。為此本文討論了自主開發的適應于高速鐵路的改進型數字編碼信號和正交化FSK信號，并研究了一套能夠模擬以上兩種高速鐵路信號發送和解調過程的硬件平臺。
1 系統分析
    通過對原有的鐵路軌道信號進行國產化改進，提出了適合中國高速鐵路的改進型數字編碼和正交化FSK信號，并開發了以TMS320C6722浮點DSP為數據處理核心的高速鐵路信號的發送與接收模擬系統。該系統為通用型系統，不但可以實現改進型數字編碼和正交化FSK信號的發送和解調，而且預留了更多的擴展接口，可以應用于研究創新實驗。
    本系統按其主要功能分為信號發送和信號解調兩部分，系統的整體結構圖如圖1所示。

1.1 信號發送單元
    信號發送單元主要實現信號的產生和發送，同時還可在信號中混入噪聲，進行實際軌道信號的模擬。信號發送由上位機控制，上位機選擇發送信號的幅度、載頻、調制頻率等參數，并選擇是否添加噪聲，然后通過USB傳輸到硬件系統控制DDS發碼單元發送相關制式鐵路信號。在發送過程中，上位機界面可以實時顯示信號的發送參數和相應波形。
1.2 信號解調單元
    信號解調單元負責接收信號，對其進行時域和頻域分析。通過對載頻信息的檢測完成對各種制式的確定，然后按照不同制式的解調算法進行解調。信號解調過程首先由A/D采集DDS發送的軌道信號，然后采集數據送入DSP處理器，DSP判斷信號制式進行相應解調，解調后的數據通過雙口RAM送入ARM協處理器，ARM控制液晶顯示信號制式、載頻、調制頻率等，并通過USB傳輸解調信息到上位機實時顯示。
2 系統硬件分析
    系統的硬件整體框架圖如圖2所示[2]。

2.1 雙CPU單元
    采用TI公司的浮點DSP處理器TMS320C6722作為整個系統的核心，應用其出色的運算能力和數據處理速度快、精度高等優點，完成系統的數據處理任務。控制單元采用CORTEX-M3為內核的ARM芯片STM32F103ZET6作為核心，其強大的控制能力，滿足了整個系統的控制要求；其豐富的外設配置，為系統的擴展和升級提供了很大的空間[3，4]。
2.2 主要外圍電路單元
    DDS發送單元以AD9831為核心，配合相應算法及程序發送正交化FSK信號和數字編碼信號。由于AD9831頻率寄存器切換選擇線（FSELECT）需由定時器的輸出脈沖控制，以實現多頻之間切換，而DSP芯片定時器未設置定時器的外部引腳，故DDS的控制由協處理器STM32F103ZET完成。
    信號采集單元以MAX1322為核心，通過并行數據線與TMS320C6722相連，AD_EOC#連接C6722的外部中斷引腳，讀寫及片選由CPLD邏輯譯碼產生。
2.3 通信單元
    系統中DSP和ARM之間采用雙口RAM(IDT70V24)通信。該芯片配有兩套完全獨立的數據線、地址線、讀/寫控制線，允許主從控制器對雙端口存儲器的同一單元進行同時存取。兩套完全獨立的中斷邏輯用來實現兩個CPU之間的握手控制信號；兩套獨立的“忙”邏輯，保證兩個CPU同時對同一單元讀/寫操作的正確性；讀/寫時序與普通單端口存儲器完全一樣，存取速度完全適合高速、實時的通信系統。
    PC和ARM之間采用USB或RS-232串口通信。
2.4 CPLD模塊
    采用ATMEL公司的CPLD 芯片ATF1508AS完成對整個系統的時序控制和硬件接口邏輯。它可以把DSP芯片進一步解放出來集中完成數據處理工作，提高DSP芯片的使用效率；它還實現復位控制、輸出時鐘的功能。
3 軌道信號的改進方案
    如果以目前的軌道電路為基礎對現有鐵路軌道信號進行改進，將大大降低改造成本，而且改造容易，可以迅速普及。以下提出的方案基于目前的軌道電路[5]。
3.1 正交化高速高可靠軌道信號
    FSK信號是用數字調制信號的正負來控制載波的頻率，即頻移鍵控信號。目前國內使用的UM71軌道信號，雖然有占用頻帶窄、不容易受到干擾、解調相對容易、反應時間快等優點，但是其調制頻率的設置仍不滿足正交條件，16.9 Hz以下調制頻率的調制系數偏大，對上下邊頻的漂移敏感，也存在倍頻信號的隱患，UM71頻譜集中在中心載頻附近，當調制頻率較低時，調制系數偏大，尤其是10.3 Hz時，其能量分布除了在中心載頻處有最大值外，它的次高譜線、次次高譜線處的能量也較大，不利于解調的可靠性。針對這些缺點，對其進行正交化改造。
    根據最佳接收系統的條件，如果移頻鍵控信號FSK的兩個頻率f1和f2滿足相互正交，則該信號系統的接收檢測可以達到最佳，進而保證系統的可靠接收，提高系統的穩定性。通過推導可證明FSK信號的正交條件為兩頻率之差是其調制頻率的整數倍。由FSK信號的頻譜可知，其譜結構是以載頻為中心、以調制頻率為間隔的離散譜。因此調制頻率越小，譜線越集中，信號頻帶越窄。正交化軌道信號采用調制系數0.5，不僅可以得到較窄的帶寬，還有很好的功率譜結構，方便可靠解調。改造方案大體如下：
    (1)采用原ZPW2000A信道，載頻設置上行2 000 Hz、2 600 Hz，下行1 700 Hz、2 300 Hz。這樣可以利用原軌道電路。
    (2)調制頻率設置滿足正交性，且正交系數為1，調制系數0.5。
    (3)不同的調制頻率對應不同的頻偏，形成自適應頻偏體系。
    (4)特征譜一次邊頻分量的相對幅度為1/3。
    (5)避開了50 Hz的諧波干擾。頻帶控制在正負40 Hz以內。
    (6)調制頻率的選擇避免倍頻的可能。
    (7)解調速度提高到0.4 s～0.6 s。
    所以將調制頻率設計為從16.4 Hz～31.6 Hz，間隔為0.8 Hz遞增，避開了倍頻的可能，從而可以增加到20個調制信號。
3.2 新型數字編碼信號
    TVM430數字編碼信號有27個信息位，信息量遠高于國內原有軌道信號。但是其最大缺陷在于信號解調周期長，信號可靠確定時間長，大大超過國產移頻信號和UM71信號。此外該軌道信號系統運行成本昂貴，性價比低，且應用中信息位存在冗余，理論上若信息位降低，解調周期必定會減少。針對以上問題，對TVM430信號進行國產化技術改造，在保證信息量的同時降低信息位，使之成為一種具有較高信息傳送能力、解調周期短、適合中國國情的數字軌道信號系統。
    經過對鐵路現場的調研和分析，提出了改進方案。改進的TVM430數字編碼信號被命名為新型數字編碼信號。新型數字編碼信號在滿足我國鐵路的實際情況的前提下，相比于原信號減少了低于4.08 Hz的低頻信息，從而提高了信號的抗干擾能力和解調速度。新型數字編碼信號去掉了路網碼，信息位共20 bit，其中坡度碼3 bit、閉塞分區長度碼4 bit、速度碼5 bit、循環冗余校驗碼6 bit、奇偶監督碼1 bit、占用碼1 bit。1 bit奇偶監督碼專門用于速度碼的檢測。為了提高解調速度，在不同的信息碼之間添加0碼，即不同信息碼連接處的頻率間隔為1.28 Hz。載頻沿用TVM430信號的1 700 Hz、2 000 Hz、2 300 Hz、2 600 Hz四個載頻。
4 系統主要軟件設計
    本系統軟件設計主要包括：系統的整體控制、正交化FSK信號的發送和解調、數字編碼信號的發送和解調。鐵路軌道信號發送和解調過程主流程圖如圖3、圖4所示。

4.1 正交化FSK信號發送與解調
4.1.1 信號的發送
    上位機控制界面選擇要發送信號的各項參數，包括制式、載頻、調制頻率、頻偏等，通過USB傳輸信號信息發送到ARM，ARM根據信號信息設置定時器參數，發送DDS頻率參數，完成FSK信號的發送。
4.1.2 信號的解調
    正交化FSK信號的解調過程中，采用了頻域解調方法。頻譜識別法能準確直觀地找到特征功率譜，從而得出載頻和調制頻率。在正交化FSK信號中，調制頻率和頻偏存在倍數關系，可通過載頻和調頻計算出上下邊頻，即上下邊頻=載頻+調頻/2。
4.2 新型數字編碼信號發送與解調
4.2.1 信號的發送
    新型數字編碼信號碼字共19 bit，該信號是由多個低頻信號疊加形成的多音頻調制信號，信號頻譜中有很多的交叉調制項，通過DDS發送時，采用調相的方式實現。首先根據數字編碼信號的特點建立相位表，然后初始化ARM的定時器，設置ARM定時器的中斷頻率為16 384 Hz。當每次中斷發生時查表將相位表中的一個值寫入AD9831的相位偏移寄存器，重復發送相位表的值即可完成信號的發送。
4.2.2 信號的解調
    解調方法采用脈沖解調原理。根據數字編碼信號的特點，其頻譜以載頻為對稱軸，載頻兩側有兩條占用碼形成的對稱的譜線，這三條譜線在頻譜中幅值較大。根據這一特征，對采樣信號求功率譜，找出其中的五條幅值較大的譜線按頻率排序，然后按照相應規則判斷載頻是否存在。如果存在則繼續解調，否則重新采樣。原信號通過高通濾波器后量化處理，在幅值正過零處形成脈沖序列，低通濾波后得到調制信號。對調制信號加Hamming窗截斷后進行FFT變換，就得到了調制信號的頻譜結構。新型數字編碼信號的調制頻率的間隔為0.64 Hz。為了能準確地識別出不同的調制頻率，采用了ZFFT技術得到0.031 25 Hz的頻譜觀察分辨率。得到的低頻信息還需進行CRC校驗以檢測解碼的正確性。CRC校驗的優先權高于奇偶校驗，若CRC校驗不通過，再對速度碼進行奇偶校驗，如果速度碼正確，則對信息碼循環糾錯，直到通過CRC校驗，解碼結束[6]。
4.3 USB通信設計
    本系統的USB通信部分實現ARM和上位機之間的通信。系統采用全速USB2.0標準進行批量數據傳輸。STM32F103ZET自帶USB2.0全速設備外設固件接口，即USB固件庫。可以用此庫進行USB宏單元簡化開發。通過USB的高、低優先權中斷處理函數USB_HPI()與USB_
LPI()，響應相關的批量傳輸中斷。
4.4 上位機軟件設計
    由于所發送信號參數復雜，如果用硬件實現信號的發送控制，必將造成面板設計復雜，而且顯示的信息量也不多，因此采用PC機作為主控制端，在PC上用Borland C++ Builder 6開發相關發送、接收界面。
    基于TMS320C6722 DSP浮點處理器的軌道信號模擬系統，能夠模擬高速鐵路信號的發送和解調過程。該系統在實現軌道信號的實時發送過程中，能夠隨時添加單頻干擾或雙頻干擾。本系統經過測試，性能穩定，解調結果正確，各項指標符合鐵道部要求，達到了預期的要求。該系統可為國內高速鐵路信號系統提供可行的解決方案，也可為教學和實驗提供演示，具有很好的應用前景。
參考文獻
[1] 李開成，卜長堃，毛俊杰，等.國外鐵路通信信號新技術縱覽，第一版[M].北京：中國鐵道出版社，2005.
[2] 杜普選，馬慶龍.實時DSP技術及浮點處理器的應用[M].北京：清華大學出版社及北京交通大學出版社，2007.
[3] Texas Instruments Incorporated.TMS320C672x CPU and instruction set reference guide[EB/OL].2006.
[4] STMicro Electronics Incorporated.STM32F103x data sheet [EB/OL].2001.
[5] 杜普選.鐵路信號培訓教材[R].北京交通大學內部講義.
[6] 陳后金，薛健，胡健.數字信號處理[M].北京：高等教育出版社，2004.