2FSK在铁路信号上的应用与分析

    

    

    

    摘 要：隨着我国高铁的建设和发展，列车引入了更多的自动化系统，这些系统之间的数据信息传输需要依赖较多的数字化、网络化技术和相关滤波器、波形发生器等设备。目前，我国铁道通信频率调制信号采用的是2FSK，该信号包括调制和解调两个步骤，实现了铁路信号的稳定传输，确保铁路信息化工作的正常开展。文章分析了2FSK在铁路信号上的应用，提供一个现代化的多媒体图像，实现远程控制功能，便于人机交互。

    关键词：铁路信号；调制解调；2FSK

    随着我国铁路基础建设的加快，铁路运输已经经历了3次大提速，从传统的绿皮客车发展到了现在的子弹头动车，这些铁路列车的运输均离不开铁路信号自动化技术。铁路信号技术的发展和壮大已经在多个部门得到了广泛普及和使用，促进了铁路技术装备的信息化、自动化、智能化和共享化，能够保证铁路列车的安全可靠运行。从技术上讲，铁路信号涉及很多方面，比如常见的区间自动闭塞、列车自动控制、车站连锁和行车调度指挥等功能，其中关系最为直接的就是列车安全高速运行技术，即列车的自动控制技术，其可以利用载体传输轨道电路信息，实现列车的高速运行。

    1 2FSK应用原理

    数字频率调制又被人们称为频移键控（Frequency Shift Keying，FSK），数字频移键控可以利用先进的载波频率发送、接收、传输数字信息，即所传送的数字消息控制载波的频率；二进制频移键控（2 Frequency Shift Keying，2FSK），其对应的载波频率可以使用符号1或0描述，符号1对应载波频率f1已调波形，符号0对应载波频率f2已调波形，f1和f2是两个不同的载波频率，两个波形之间的转变是在瞬间完成的，具体地，2FSK的形式化描述如公式（1）所示。

    （1）

    通过分析发现，2FSK信号可以看作是任意两个不同载频的ASK信号之间的叠加，因此可以把公式（1）改写为公式（2）。

    （2）

    2FSK包括两个过程，分别是调制和解调。调制原理就是使用任意两个不同的频率载波传输同一个二进制数字组成的序列，在实际的传输过程中，可以使用二进制1对应到载波频率w1，使用0对应到载波频率w2，在这个调制过程中，可以使用矩形脉冲序列控制的开关电路对任意两个不同的独立源数据头w1和w2进行选择通过，2FSK调制原理如图1所示。

    2FSK解调过程包括两种方式，分别是相干解调方式和非相干解调方式。由于铁路信号采用2FSK进行数据传输多采用相干解调方式，因此本文重点阐述该模式。发送铁路信号时，已调信号包括两个载波频率，这两个载波频率分别是w1和w2，相干解调可以采用任意两个带通滤波器进行有效滤波，将其分离出来，获取两个载波w1和w2，然后针对这两个信号进行相应的滤波操作，再分别将滤波后的信号与载波相乘进行相干解调，然后将乘积操作获取的载波采用低通滤波器、抽样判决器进行采样，输出原理如图2所示。

    2 2FSK在铁路信号中的应用分析

    随着我国铁路运输信息化的普及和发展，铁路信号采用了先进的频移轨道电路，由于铁路信号传输设备较多、波形制式也多，因此在保持边频精确度、相位连续、波形转换的前提下，采用2FSK调制信号，提高了铁路信号传输的准确度。铁路2FSK信号采用的调制模式是相位连续，相位连续的优势是低频调制信号，能够有效地控制上下边频切换，同时保持波形连续过渡，这种调制模式也是2FSK调制应用最多的一种，实现起来比较容易，频谱干扰成分较少。本文信号调制时采用82C54可编程定时计数器，该芯片是一个波形发生器，可以根据铁路信号的传输需求改变方波频率，动态刷新内部控制寄存器，并且可以从下一个波形输出计数，保持波形的连续性和完整性，从而完成相位连续调制。

    由于铁路2FSK信号的时域波形图属于正弦波，实际运行中可编程定时计数器产生的变频信号属于方波形式，因此需要在保持精确度不变的情况下转换波形，铁路信号2FSK波形转换是采用集成电路低通滤波器完成，利用先进的傅里叶变换理论，可以从时域映射到频域，过滤掉高次谐波的频谱分量，在保持频率不变和精确度不降低的情况下，将方波信号转换成正弦波信号。铁路2FSK信号的变频可以限制在音频范围内，由于距离较近，中心频率二次谐波的频率远高于基波频率，因此需要选择一个低通滤波器，让通过滤波器的频带处于上边界和二次谐波频率之间的合理范围，并且能够实现上下变频的转换，实现良好的波形转换。铁路信号调制2FSK时采用美国马克西姆公司研制的集成低通开关电容滤波器，把MOS电容、运算放大器和电子开关集成在一起，通过电容的储能、开关倒换、运放隔离和放大作用，传递和处理铁路信号。

    3 结语

    列车自动化控制系统很多，铁路信号设备也非常多，因此引入了2FSK，可以大大减小系统设计和开发工作量，扩容和完善系统的逻辑业务功能，提供一个现代化的多媒体图像，便于人机交互。另外，2FSK性能价格比高，能够实现系统调制与解调的自诊断和故障定位，实现远程控制功能。

    作者简介：杨帆（1995— ），男，江苏仪征，本科；研究方向：轨道交通信号控制。

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    [4]程远增，张海龙，段修生等.一种软件实现2FSK信号产生的方法[J].四川兵工学报，2009（1）：12-14.

    Abstract： With the construction and development of high-speed railway in our country， the train has introduced more automation systems， and the data transmission between these systems needs to rely on more digital， network technology， related filters， waveform generators and other equipment. At present， railway communication frequency modulation signal is used 2 frequency shift keying in our country， the signal includes modulation and demodulation of the two steps to achieve a stable transmission of railway signal， to ensure the normal development of railway information work. This paper analyzes the application of 2FSK in railway signal， and provides a modern multimedia image， which realizes remote control function and facilitates human-computer interaction.

    Key words： railway signal； modulation and demodulation； 2 frequency shift keying