摘 要： 為了提高鐵路機(jī)車中移頻鍵控信號(hào)的測(cè)量精度，給出了一種利用FPGA和ARM處理器測(cè)量頻率的方法。該方法在FPGA中利用量化時(shí)鐘實(shí)時(shí)測(cè)量一組FSK信號(hào)周期長(zhǎng)度，并將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)的雙口RAM中。FPGA通過(guò)設(shè)計(jì)的串口模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)送給ARM處理器，ARM處理器對(duì)產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因進(jìn)行分析，并對(duì)上、下邊頻切換時(shí)產(chǎn)生的畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出了時(shí)間間隔測(cè)量誤差的分析和補(bǔ)償方法。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有較好的抗擾動(dòng)能力，能夠滿足一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試速率和精度的要求。
關(guān)鍵詞： 移頻鍵控信號(hào)；載波頻率；調(diào)制頻率；畸變

　在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，利用軌道電路移頻鍵控信號(hào)(FSK)判斷運(yùn)輸狀態(tài)，傳輸控制信號(hào)，不同的調(diào)制信號(hào)下的載波信號(hào)代表不同的控制指令，所以實(shí)時(shí)、精確地檢測(cè)軌道電路移頻信號(hào)對(duì)保證鐵路安全、快捷運(yùn)輸十分重要。采用頻譜分析法確定FSK信號(hào)參數(shù)時(shí)，F(xiàn)FT變換需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行整周期采樣，而FSK信號(hào)既具有數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)，又具有非線性調(diào)制的特點(diǎn)，因此對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行整周期采樣具有一定的難度[1]。采用高頻量化脈沖測(cè)量信號(hào)周期方法可以避免這一問(wèn)題，只要量化時(shí)鐘和處理速度滿足要求，就可以獲得滿意效果。
　本文在FPGA中利用高頻時(shí)鐘對(duì)FSK信號(hào)進(jìn)行采樣，用ARM處理器對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到軌道電路FSK信號(hào)高頻載波及低頻調(diào)制信號(hào)測(cè)量參數(shù)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　FSK信號(hào)是一種利用低頻信號(hào)調(diào)制載波信號(hào)后產(chǎn)生的正弦交流信號(hào)[2]，該信號(hào)主要由高頻載波f0和頻偏信號(hào)Δf形成的上邊頻fh、下邊頻fL組成，兩種載波頻率在每個(gè)調(diào)制信號(hào)fm周期內(nèi)呈交替變化。
若FSK信號(hào)可用周期信號(hào)S(t)表示，則FSK信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式[3-4]為：
　　
　其中，f0為FSK信號(hào)的中心頻率，?駐f為信號(hào)頻偏，T=1/fm為低頻調(diào)制信號(hào)周期。FSK信號(hào)如圖1所示，其中虛線為低頻調(diào)制信號(hào)，實(shí)線為載頻信號(hào)段，中部為上邊頻段，兩端為下邊頻段。

　FSK信號(hào)測(cè)量的主要參數(shù)包括載頻和頻偏形成的上邊頻、下邊頻信號(hào)和調(diào)制頻率三種物理量。在對(duì)FSK信號(hào)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量時(shí)，首先將FSK信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，利用高速開(kāi)關(guān)管電路將正弦交流信號(hào)變換成方波信號(hào)；然后利用FPGA測(cè)量方波信號(hào)周期，并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口發(fā)送給ARM處理器；ARM處理器接收到測(cè)量數(shù)據(jù)后，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況計(jì)算載波和調(diào)制信號(hào)頻率。在FSK信號(hào)幅值測(cè)量時(shí)，經(jīng)過(guò)線性變換和限幅等處理，由高速16 bit A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ARM處理器獲取FSK信號(hào)頻率和幅值參量后，將計(jì)算結(jié)果送往LCD顯示。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2所示。