专利名称:实现快速傅立叶变换的装置的制作方法
本发明涉及到为完成离散付立叶变换特别是快速付立叶变换的装置。具体地说，本发明是关于一种装置的改进，该装置接收编码信号，在其实时连续采样的基础上完成快速付立叶变换，分析所得到的频谱以确定存在于原信号中的那些频率。
付立叶变换的运算是众所周知的，贝尔格兰德(Bergland)提出的离散付立叶变换算法和由库勒(Cooley)与托克(Tukey)提出的快速付立叶变换算法都已在其它文献中作过详细的讨论。以库勒和托克的算法为基础的用来完成快速付立叶变换的装置在已公告的英国专利申请号2114342中已作了讨论。但是，为了本发明的叙述，只要知道为完成快速付立叶变换的装置包含有处理器，随机存储器，存储在只读存储器中的程序，存储器寻址装置和公用数据总线就足够了。在只读存储器中，保存了为完成快速付立叶变换所必须的全部处理器的操作指令。
离散付立叶变换和由它派生出的快速付立叶变换(FFT)予示了在频域和实域内，一个连续波形可以用多项复数级数的和来表示，在两个领域内都含有一组付立叶系数。该变换过程的特点是在每次变换时必须完成对所有频率分量(从零频率向上)的计算。此处连续波信号的基频分量必然是相当大的，许多初始项，即付立叶级数的低次项其系数值为零。因此，许多宝贵的运算时间浪费在多余的或无用的计算中。在基带内对被接收信号进行外差处理消除了这些无用的计算步骤，因此节省了大量的时间。但是，下变频外差步骤又引起了自身的一些问题，尤其是干扰的存在和在基带内产生的拍频使得外差的结果减弱，而拍频是由于外差频率和被接收到的信号的分量之间的和频和差频相互作用的结果。
本发明的目的之一是为了消除可能产生的任何拍频的影响。本发明还具有其它一些优点和可能性，在下面的叙述中在需要用到他们时予以提出。
根据本发明，在此提供了采用计算机处理单元或类似的装置以对接收信号的实时连续采样进行快速付立叶变换。该装置含有复数外差装置，用于对上述信号进行复数外差处理，从而得出具有正交相位关系的两个差频信号。第一个数字采样装置用以获得一个外差信号在时间上连续的数字采样值，并将此采样值装入到一个实数列中去以进行付立叶变换处理。第二个数字采样装置用以获得另一个外差信号在时间上连续的数字采样值并将此采样值装入到一个虚数列中去以进行付立叶变换处理。
现参考附图，仅用实例的方法来说明本发明及其如何被实施，其中图1示出了在铁路车辆安全装置系统中编码检测组件的功能方框图。
安全装置系统是用于铁路车辆的自动火车保护系统的一部分，其主要作用是防止火车行驶速度超过所设计的最高速度，在所述的特定系统中，编码信号经由运行的铁轨传输到火车上，安装在火车前部的天线检测到这些信号，对接收到的信号进行处理，把与目标(target)速度及与火车行驶的最大安全速度有关的编码信息信号提取出来，与表征火车被测速度的信号相比较。后者是从安装在轮轴上的测速电机导引出来的，但本文不涉及这些特殊装置并且也可以采用其它类似的装置。
在司机的驾驶室中装有一个模式选择开关，该开关与安全装置系统相连，并允许在四个可交替的操作模式自动火车编码手控有限手控和非模式中选择一种操作模式。当选择自动火车或编码手控模式时，把所测得的火车速度和所设计的最大安全速度进行比较，产生出一个恰当的火车速度控制信号。当选择有限手控操作模式时，为了在指定的时间里进行手控操作，把所测得的火车速度和最大的火车速度进行比较。当选择上述三种模式中的任何一种工作模式时，若火车超过了最大的安全速度，则火车的紧急刹车继电器将松开，使得全部刹车被紧急使用。选择非模式操作也会使得紧急刹车继电器松开和紧急使用全部刹车。而且在安全装置系统中，任何检测的失误(可能导致不安全的操作)也会使紧急刹车继电器松开。
由常规的跟踪电路发射器将编码信号传给运行的铁轨，该信号由八个可交替的载频信号之一所组成，在所述的系统中它们是4080Hz，4320Hz，4560Hz，4800Hz，5040Hz，5280Hz，5520Hz，6000Hz，按照在其它地分描述过的予定的顺序排列，但在本发明中这种顺序是不重要的。这八个载频频率是由14个调制频率中的一个频率来进行移频键控(FSK)调制的。这14个调制频率以4Hz的间隔从28Hz增加到80Hz。键控移频的载频频率间隔为±40Hz，它们按予先确定的频率在跟踪电路间改变，而调制频率是按传输给火车的编码信号来选择的。
安装在运行铁轨上方火车导轮前面的两个朝前的天线IL和IR接收了FSK的编码信号，这些天线串接成相反的相位以使得在运行铁轨上出现的任何共模干扰信号(基本上具有相似的幅度和相位)将因此而在天线回路中抵消。由运行铁轨传输的信号通常安排成具有相反的相位，以便在天线回路中相加。
在火车的尾部也安装了一对反方向的天线，以便在火车反方向运行时使用，并通过开关2来选择使用向前的天线还是使用向后的天线。
信号载频和调制频率的检测是用编码检测组件来实现的，该组件是图1的主要部分。组件的功能是在二级中完成的而这两级都应用了相同的快速付立叶变换。在第一级，它识别出存在于所接收信号中的载频频率，然后根据被检测出的载频信号选择一个中间频率，在第二级的运算中把接收到的信号外差下降到基带的频率，完成第二次快速付立叶变换并分析所得到的频谱以确定存在的调制频率，由此确定所设计的最大安全速度。
天线信号可由前置放大电路(图中未画出，但用Ap来表示)进行前置放大，并经向前/向后开关2通过宽带噪声衰减滤波器3连接到门限电路4上。门限电路4对低电平信号进行放大，并对所有超过予定阈值的信号电平进行限制。位于门限电路4前面的宽带噪声衰减滤波器3防止带外噪声干扰淹没门限电路并确保任何被接收到的信号能够和编码检测组件的动态范围相适应。
门限电路4的输出信号经一防混(anti-alias)滤波器5连接到模/数转换器(AD)6的输入端，该AD转换器工作于予定的15360Hz采样速率fs。从AD转换器6中将数字化采样值读出到数据总线7上并存储在数据存储器中，在图中该存储器包含在标有“128点复数FFT”字样的方块8中。
方块8是完成快速付立叶变换的装置，如前所述，它含有用以存储数据的随机存储器，用以存储程序的只读存储器，寻址装置，处理单元和必要的时序电路等。该装置已为人所知和了解，一种合理设计的更详细的说明可以从已公告的英国专利申请号2114342中得到。就本文的目的而言，仅用框图来表示整个装置就足够了以致不必用复杂的附图。
上文提到的数据存储器含有一些数据阵列，这些为快速付立叶变换而存入输入数据的数据阵列称为实数列和虚数列，在这个实例中，只有单一的一组数据点，该数据就装入一个列中，而另一列置0。
基于在方块8中完成的128点的变换，产生出一个输出信号，该信号含有所接收到的信号的频谱，在对应于八个可交替的载频频率的八个频率分量或带(bin)中，至少有一个分量将具有足够高的输出电平能明确地表明相应的载频所对应的信号的存在，其中之一被选择出来作进一步处理。
为了将存在于所接收到的信号中的一个载频信号选择出来，使程控振荡器9产生一个其频率等于外差频率二倍的输出信号，而该外差频率是在基带内产生调制频率和移频键控外差分量所需要的。该外差频率等于所选择的载频。
程控振荡器是一种电路，在该电路中由外电路提供的二进制数连接到输入端上并用来控制源频率振荡器和分频计数器的分配。该器件实际上是一个自激多谐振荡器，其频率由输入的二进制数决定。
程控振荡器9的输出信号加到完成复数外差处理的平衡解调器10上，防混滤波器5的输出端连接到在解调器10中的两个并行混频器11和12的输入端上，这两个混频器11和12的外差信号输入端分别经二分频电路13和14连接到程控振荡器9的输出端上，(电路13通过一个反相电路15连接到振荡器9上)。这两个二分频电路13和14由各自输入信号的前沿来触发，因此，电路13的触发实际上来自于振荡器9的输出信号的后沿0结果，产生了加在混频器11和12上的两个外差频率，其相位分别与振荡器9的输出信号同相和成正交关系，其频率为振荡器9的输出频率的一半。
混频器11和12的输出端分别经低通滤波器16和17连接到模/数转换器和采样电路18和19上，采样电路受采样时钟(图中未画出)的控制工作于512Hz的采样频率fs下。A/D转换器18和19的数字输出端也连接在数据总线7上，因此实际上和A/D转换器6并行。
为了构成接收信号基带的完整频谱，来自A/D转换器18和19的数据可以有选择地读入FFT处理器20的共轭数据阵列中，以便连续完成128个点的快速付立叶变换。变换处理的结果包含了整个信号频谱的每一个频率分量或频率带的总功率的数值计算，处理器20的输出耦合到分析功能块21。本文没有必要叙述功能块21的结构和工作原理，只要说明功能块21从被接收信号的频谱中检测出频率分量并予先确定安全标准，实现一定的安全功能就足够了。
功能块21的输出经锁存器加到通讯总线〔C-bus〕上，锁存器受在“读通讯”线(READ COM)上的输入信号控制，“读通讯”线也是处理器的复位线和C-BUS对于功能块21的请求线。
权利要求
1.采用计算机处理单元的这类装置或类似装置用来对接收信号的实时连续采样进行快速付立叶变换，其特征在于含有复数外差装置以完成对上述信号的复数外差处理，从而产生出具有正交相位关系的两个外差信号；第一数字采样装置用来获得一个外差信号的时间连续的数字采样值并把所述采样值装入到实数列中以进行快速付立叶变换处理；第二数字采样装置用来获及另一个外差信号的时间连续的数字采样值并将该采样值装入到虚数列中以进行快速付立叶变换处理。
2.根据权利要求
1所述的装置，其中复数外差装置含有本振频率发生器，它适于提供具有相同频率和正交相位关系的两个本振外差信号，他们各自连到两个外差混频电路中的每个电路上，而混频器的输出各自连到第一和第二数字采样装置上。
3.根据权利要求
2所述的装置，其中本振频率发生器包含有一个信号源，它能按予定频率产生信号，以及连到那里的装置以提供相位正交的两个本振频率。
4.根据权利要求
3所述的装置，其中信号源有效地提供按所接收到的信号的载频所确定的频率信号。
5.根据权利要求
4所述的装置，其中信号源的频率受控制信号的控制，而控制信号是按所检测到的载频信号的频率来产生的。
6.根据权利要求
5所述的装置，其中信号源为了确定所产生信号的频率而响应于输出信号，该输出频率表示了所检测到的载频，载频是由处理器产生，以完成基于所接收信号的实时连续采样的快速付立叶变换。
7.根据权利要求
3到6中的任何一条所述的装置，其中信号源能够在若干个予定的可交替的频率中仅选择一个频率来提供信号。
8.根据权利要求
3到6中的任何一条所述的装置，其中信号源提供一个信号，其频率两倍于所接收到的信号的载频频率，并且该装置用来提供两个相位正交的信号，这两个信号的频率是信号源频率的一半。
9.根据权利要求
7所述的装置，其中信号源含有一个方波信号发生器，为了提供两个相位正交的信号，该装置交替地由方波的前沿触发以提供第一个信号，紧接着用后沿触发以提供另一个信号。
10.根据上述权利要求
中任何一条所述的装置，该装置用于车辆安全装置系统中，在该系统中编码载频信号发送给车辆，为了车辆连续运行，必须准确地接收这些信号并进行译码，其中该装置具有一个接收信号输入端，它与接收编码载频信号的装置相连，而安全装置与变换处理器相连，并响应于因此而产生的结果。
专利摘要
在铁路安全系统中，频率调制信号把用载波调制频率表征的最大安全速度传给车辆。本装置采用快速傅立叶变换处理分析接收信号以识别载频和调制频率，根据识别出的载频所选择的本振信号与接收信号相外差，并分析基带分量来识别调制频率。第一级变换识别载波信号和选择本振信号频率，以便在第二级变换进行复数外差处理，在该级中，相位正交的本振信号与接收信号混频，对结果采样从而为变换处理提供实数和虚数阵列。
文档编号G06F17/14GK86103321SQ86103321
公开日1986年12月3日 申请日期1986年5月14日
发明者戴维·威廉·考恩 申请人:西屋制动及信号装置公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan