一种基于软件数字处理的400KHz信道机的制作方法

本发明涉及铁路通信技术领域，具体地说，涉及一种基于软件数字处理的400KHz信道机。

背景技术：

400KHz无线列调通信采用感应式通信方式，在铁路通信系统应用中，利用铁路接触网导线做波导线，通过无线－有线－无线的转接方式，实现机车协调操作同步运行通信，在铁路通信系统中发挥着重要的作用，是保障行车安全的重要通信方式，对铁路运输与安全起着重要作用。特别是在山区复杂地形条件下，电气化铁路信号覆盖质量差，通过采用400KHz无线通信技术，投入少、维护简便、通信质量好，是实现新时期铁路安全、高效、重载发展要求的重要保障。

传统的400KHz信道机采用的是模拟分立元件设计，存在着生产调试复杂、设备批量一致性差、性能指标差、可靠性低等问题。目前的数字电台，基本采用基带数字化和中频数字化方案，因此需要对射频信号进行模拟的上下变频，一样存在性能指标不稳定的问题。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于软件数字处理的400KHz信道机，以克服现有技术中的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于软件数字处理的400KHz信道机，所述400KHz信道机包括二次开发接口、主控单元、FPGA射频调制解调单元、射频信号收发单元、发射功率控制检测单元、温度检测单元和电源单元；其中，二次开发接口与主控单元连接，二次开发接口用于对所述400KHz信道机进行操作；主控单元通过UART接口与FPGA射频调制解调单元连接，FPGA射频调制解调单元与射频信号收发单元连接，射频信号收发单元与发射功率控制检测单元和天线接口连接，发射功率控制检测单元通过IIC接口与主控单元连接；主控单元通过UART接口与温度检测单元连接，温度检测单元用于对所述400KHz信道机机内温度的监测；电源单元通过电源接口外接DC13.8V电源，用于将DC13.8V电源转换成DC 3.3V电源为所述400KHz信道机提供工作电压。

作为对本发明所述的400KHz信道机的进一步说明，优选地，FPGA射频调制解调单元包括调制模块和解调模块，所述调制模块和解调模块通过数字振荡器调制或解调音频数字信号、亚音频数字信号和MSK数据数字信号。

作为对本发明所述的400KHz信道机的进一步说明，优选地，所述调制模块包括具有一路输入和一路输出的差分编码器、具有一路输入和两路输出串并转换芯片、第一数控振荡器、第二数控振荡器、四个具有两路输入和一路输出的与门以及一个具有两路输入和一路输出的异或门；其中，差分编码器的一路输出与串并转换芯片连接，串并转换芯片的两路输出分别连接在第一与门和第二与门的一路输入上，第一与门和第二与门的另一路输入与第一数控振荡器连接，第一与门的输出与第三与门的一路输入连接，第二与门的输出与第四与门的一路输入连接，第三与门和第四与门的另一路输入与第二数控振荡器连接，第三与门和第四与门的一路输出与第一异或门连接，以实现音频、亚音频、MSK数据数字信号调制到数字400KHz载频信号上。

作为对本发明所述的400KHz信道机的进一步说明，优选地，所述解调模块包括第三数控振荡器、第四数控振荡器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、环路滤波器、第一积分判决电路、第二积分判决电路、第一延迟电路、五个具有两路输入和一路输出的与门以及一个具有两路输入和一路输出的异或门；其中，第三数控振荡器分别与第五与门和第六与门的一路输入连接，第五与门的输出与第一低通滤波器连接，第一低通滤波器与第七与门的一路输入连接，第六与门的输出与第二低通滤波器连接，第二低通滤波器与第八与门的一路输入连接，第七与门和第八与门的另一路输入与第四数控振荡器连接，第七与门的输出通过第一积分判决电路与第二异或门连接，第八与门的输出通过第二积分判决电路和第一延迟电路与第二异或门连接，以实现数字400KHz载频信号下变频解调出音频、亚音频、MSK数据数字信号；第七与门和第八与门的输出还连接到第九与门上，第九与门的输出通过环路滤波器与第三数控振荡器、第四数控振荡器连接，以实现载波同步。

作为对本发明所述的400KHz信道机的进一步说明，优选地，射频信号收发单元包括射频信号生成模块和射频信号解调模块，所述射频信号生成模块和射频信号解调模块通过数字振荡器生成或解调射频信号。

作为对本发明所述的400KHz信道机的进一步说明，优选地，所述射频信号生成模块包括第五数控振荡器、FM数字调制和相位累加器；其中，调频输入信号输入至FM数字调制，用于实现载频数字信号的频率预置与调节；FM数字调制输出至相位累加器，以使输入信号与静态频率控制字相加，其中一路输出至波形存储器生成相应的波形数据，一路输出至第五数控振荡器，用于采用CORDIC算法生成两路正交的数字载波信号，实现400KHz射频信号的生成。

作为对本发明所述的400KHz信道机的进一步说明，优选地，所述射频信号解调模块包括第六数控振荡器、第一抽取滤波器、第二抽取滤波器、第三抽取滤波器、第四抽取滤波器、第一信道滤波器、第二信道滤波器、第二延迟电路、第三延迟电路、输出滤波器、四个具有两路输入和一路输出的与门以及一个具有两路输入和一路输出的异或门；其中，第六数控振荡器分别与第十一与门和第十二与门的一路输入连接，第十一与门的一路输出依次经过第一抽取滤波器、第三抽取滤波器、第一信道滤波器，第一信道滤波器的一路输入分别与第十三与门和第二延迟电路连接，第二延迟电路与第十四与门连接；第十二与门的一路输出依次经过第二抽取滤波器、第四抽取滤波器、第二信道滤波器，第二信道滤波器的一路输入分别与第十四与门和第三延迟电路连接，第三延迟电路与第十三与门连接；第十三与门和第十四与门与第三异或门连接，第三异或门与输出滤波器连接，以实现400KHz射频信号解调。

本发明基于射频信号软件调制解调技术，采用高速的FPGA芯片和数字振荡器，实现信道机射频信号数字化处理，以及亚音频信号和MSK信号的解码功能。

附图说明

图1为本发明的400KHz信道机的原理结构框图；

图2为本发明的音频、亚音频、MSK数据数字信号调制到数字400KHz载频信号上原理框图；

图3为本发明的数字400KHz载频信号下变频解调出音频、亚音频、MSK数据数字信号原理框图；

图4为本发明的400KHz射频信号生成原理框图；

图5为本发明的400KHz射频信号解调原理框图。

具体实施方式

为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。

如图1所示，图1为本发明的400KHz信道机的原理结构框图；所述400KHz信道机包括二次开发接口1、主控单元2、FPGA射频调制解调单元3、射频信号收发单元4、发射功率控制检测单元5、温度检测单元6和电源单元7；其中，二次开发接口1与主控单元2连接，二次开发接口1用于对所述400KHz信道机进行操作；主控单元2通过UART接口与FPGA射频调制解调单元3连接，FPGA射频调制解调单元3与射频信号收发单元4连接，射频信号收发单元4与发射功率控制检测单元5和天线接口连接，发射功率控制检测单元5通过IIC接口与主控单元2连接；主控单元2通过UART接口与温度检测单元6连接，温度检测单元6用于对所述400KHz信道机机内温度的监测；电源单元7通过电源接口外接DC13.8V电源，用于将DC13.8V电源转换成DC 3.3V电源为所述400KHz信道机提供工作电压。

主控单元是信道机的中心枢纽，负责连接设备的各个组成单元，根据规定的协议接口与各个组成单元进行通信；分析与处理通信链路传输的语音、数据信息，按设定功能进行转发；对二次开发接口获取的控制指令进行响应等。

主控单元基于ARM Cortex-M4内核微处理器进行构建，具备1.25DMIPS/MHz的效能，配有3级管线、多个32位总线接口、时钟速率可高达200MHz，具有特别针对处理DSP算法而优化的饱和运算和SIMD指令，具备丰富的扩展功能，是一款高速、低功耗的嵌入式微处理器，特别适合嵌入式开发应用环境。

主控单元的主要功能有：

1)基于UART接口，实现与机车电台主控板的串口数据通信，实现MSK数据的收发、参数查询与设置等功能；实现与输频软件的串口数据通信，实现信道机参数查询与设置，实现信道机软件升级等功能。

2)基于GPIO接口，实现与机车电台主控板的通信，实现机车电台主控板控制信道机发射、控制信道机生成亚音频；实现信道机接收到载频、亚音频通知机车电台主控板的功能。

3)基于DSP音频模数数模处理技术，实现接收机车电台主控板的模拟语音转化为数字语音信号发送至FPGA射频调制解调单元的功能，实现FPGA射频调制解调单元解调的数字语音信号转化为模拟语音信号，发送至机车电台主控板的功能。

4)基于UART接口，实现与FPGA射频调制解调单元通信，实现语音、亚音频和MSK数据等数字信号的调制解调功能。

基于高速的ARM数据处理技术，主控单元生成的语音、亚音频、MSK数据等数字信号发送至FPGA射频调制解调单元进行调制，并进行无线发送。

基于DSP音频数字处理技术，经过FPGA射频调制解调单元解调的音频数字信号经过模数转化后，经二次开发接口发送至机车电台主控单元进行处理，实现机车电台与机车电台、机车电台与车站电台等无线终端设备之间的通话功能。

基于Goretzel算法，经过FPGA射频调制解调单元解调的亚音频数字信号，发送至主控单元进行亚音频识别，实现高效、快速的亚音频信号软件解码功能，满足较高的亚音频解码带宽精度要求，降低了设备的制造成本，提高了亚音频通信的可靠性，满足机车电台之间、机车电台与车站电台等无线终端设备之间的信令呼叫的需求。

基于1Bit差分MSK信号软件解码技术，实现精确的MSK信号解码功能。主控单元解码的MSK数据，经过二次开发接口的UART串行接口，发送至机车电台主控板进行处理。MSK数据通信，满足了铁路列车尾部安全防护装置通信需求。

5)基于IIC接口，实现与发射功率控制检测单元的通信，实现信道机发射功率调整和实时发射功率检测的功能，实现当信道机发射功率异常时，停止发射的自我保护功能。

6)基于UART接口，实现与温度检测单元的通信，实现对信道机机内温度的监测，实现温度过高时，停止发射的自我保护功能。

FPGA射频调制解调单元3包括调制模块和解调模块，所述调制模块和解调模块通过数字振荡器调制或解调音频数字信号、亚音频数字信号和MSK数据数字信号。射频信号收发单元4包括射频信号生成模块和射频信号解调模块，所述射频信号生成模块和射频信号解调模块通过数字振荡器生成或解调射频信号。

请参看图2，图2为本发明的音频、亚音频、MSK数据数字信号调制到数字400KHz载频信号上原理框图；所述调制模块包括具有一路输入和一路输出的差分编码器31、具有一路输入和两路输出串并转换芯片32、第一数控振荡器33、第二数控振荡器34、四个具有两路输入和一路输出的与门以及一个具有两路输入和一路输出的异或门；其中，差分编码器31的一路输出与串并转换芯片32连接，串并转换芯片32的两路输出分别连接在第一与门和第二与门的一路输入上，第一与门和第二与门的另一路输入与第一数控振荡器33连接，第一与门的输出与第三与门的一路输入连接，第二与门的输出与第四与门的一路输入连接，第三与门和第四与门的另一路输入与第二数控振荡器34连接，第三与门和第四与门的一路输出与第一异或门连接，以实现音频、亚音频、MSK数据数字信号调制到数字400KHz载频信号上。

音频、亚音频、MSK数据等数字信号采用差分编码进行数字信号压缩编码，以提高数字信号的传输效率。差分编码方法为采用当前数据位与其前一个数据位的差进行重新编码，即输入bk,输出ak,前一个数据位输出ak-1,ak-1经过一个采样周期Ts延时后与当前输入bk进行异或得到当前输出ak，即ak＝ak-1⊕bk。

串并转换实现每一个采样Ts周期对I和Q两个通道进行交替赋值，即分别将音频、亚音频、MSK数据等数字信号分为两路信号，分别与两路正交载频信号进行调制。I即in-phase(同相),Q即quadrature(正交)。

基于CORDIC算法，NCO电路生成两路正交的正余弦载频数字信号。两路音频、亚音频、MSK数据数字信号分别两次与两路正交载频信号进行调制。

最后I、Q两路信号经过异或等逻辑电路，合为一路送至射频收发单元进行无线发送，从而提高了通信的可靠性。

请参看图3，图3为本发明的数字400KHz载频信号下变频解调出音频、亚音频、MSK数据数字信号原理框图；所述解调模块包括第三数控振荡器35、第四数控振荡器36、第一低通滤波器37、第二低通滤波器38、环路滤波器39、第一积分判决电路310、第二积分判决电路311、第一延迟电路312、和五个具有两路输入和一路输出的与门以及一个具有两路输入和一路输出的异或门；其中，第三数控振荡器35分别与第五与门和第六与门的一路输入连接，第五与门的输出与第一低通滤波器37连接，第一低通滤波器37与第七与门的一路输入连接，第六与门的输出与第二低通滤波器38连接，第二低通滤波器38与第八与门的一路输入连接，第七与门和第八与门的另一路输入与第四数控振荡器36连接，第七与门的输出通过第一积分判决电路310与第二异或门连接，第八与门的输出通过第二积分判决电路311和第一延迟电路312与第二异或门连接，以实现数字400KHz载频信号下变频解调出音频、亚音频、MSK数据数字信号；第七与门和第八与门的输出还连接到第九与门上，第九与门的输出通过环路滤波器39与第三数控振荡器35、第四数控振荡器36连接，以实现载波同步。

由射频信号收发单元接收的载频信号，经ADC电路进行模拟信号转换为数字信号后，生成数字调频输入信号。

数字调频输入信号两次分别与两路正交的载频数字信号进行解调。两次载频数字信号之间，采用Equiripple(等纹波)数字FIR低通滤波器进行滤波，实现去除数字调频输入信号中的高频干扰信号，经过两次载频解调，实现数字调频输入信号的下变频解调，从而得到音频、亚音频、MSK数据等数字信号的采样信号。

积分判决分为积分器和判决器，积分器实现将每个数据位进行完整的采样周期积分，得到一位完整的数据位信号。判决器采用过零判断方式，实现每一位数字信号1或0的判断。Q路数字信号经过一个采样周期的延时，与I路数字信号进行异或合为一路输出，实现音频、亚音频、MSK数据等数字信号的解调输出。

采用环路滤波器，通过对载频数控振荡器的输出端信号进行高频误差分量衰减，实现解调环路的动态平衡，实现稳定、可靠的400KHz载波同步输出。

请参看图4，图4为本发明的400KHz射频信号生成原理框图；所述射频信号生成模块包括第五数控振荡器41、FM数字调制42和相位累加器43；其中，调频输入信号输入至FM数字调制42，FM数字调制的调制指数为k＝1.67，实现载频数字信号的频率预置与调节。FM数字调制42输出至相位累加器43，相位累加器在系统时钟控制下，采用输入信号与静态频率控制字相加，所得信号一方面反馈至累加器输入，一方面输出至波形存储器生成相应的波形数据，相位累加器所得信号输出至第五数控振荡器41，第五数控振荡器采用CORDIC算法，生成两路正交的数字载波信号，实现400KHz射频信号的生成。

400KHz数字信道机采用FM数字调制方式，实现提高通信容量，减少天线尺寸，提高信号抗干扰能力的功能。

FPGA生成调频输入信号采样频率为Fs＝48KHz。调频输入信号送至FM调制进行调频数字处理，调频指数k＝Δfm/F＝1.67，即最大频偏Δfm与调制信号频率F的比值为1.67。

信号进行FM调制后，送至相位累加器，相位累加器在系统时钟的控制下，将初始相位和频率控制字相加，把相加后的结果送至相位累加器的输入端，相位累加器一方面将在上一时钟周期作用后产生的新的相位数据反馈到自身的输入端，在下一个时钟的作用下继续与频率控制字相加，另一方面将这个值作为取样地址送入波形存储器，波形存储器根据这个地址输出相应的波形数据。波形数据送至基于CORDIC算法的数字波形发生器，生成两路正交的正余弦输出数据序列，即两路正交的载频数字信号。

FPGA生成的载频数字信号采样频率为fs＝1536KHz，经过射频信号收发单元的DAC电路，实现由数字信号转化为模拟400KHz信号进行无线发送。

请参看图5，图5为本发明的400KHz射频信号解调原理框图；所述射频信号解调模块包括第六数控振荡器44、第一抽取滤波器45、第二抽取滤波器46、第三抽取滤波器47、第四抽取滤波器48、第一信道滤波器49、第二信道滤波器410、第二延迟电路411、第三延迟电路412、输出滤波器413、四个具有两路输入和一路输出的与门以及一个具有两路输入和一路输出的异或门；其中，第六数控振荡器44分别与第十一与门和第十二与门的一路输入连接，第十一与门的一路输出依次经过第一抽取滤波器45、第三抽取滤波器47、第一信道滤波器49，第一信道滤波器49的一路输入分别与第十三与门和第二延迟电路411连接，第二延迟电路411与第十四与门连接；第十二与门的一路输出依次经过第二抽取滤波器46、第四抽取滤波器48、第二信道滤波器410，第二信道滤波器410的一路输入分别与第十四与门和第三延迟电路412连接，第三延迟电路412与第十三与门连接；第十三与门和第十四与门与第三异或门连接，第三异或门与输出滤波器413连接，以实现400KHz射频信号解调。

由射频信号收发单元接收的载频信号，经ADC电路进行模拟信号转换为数字信号后，生成采样周期为fs＝1536KHz的数字载频信号。

采用NCO电路实现将输入数字载频信号分为正交的两路信号进行解调。两路信号分别经两级抽取滤波器滤波抽取后，得到采样周期为Fs＝48KHz的载频信号。两级抽取滤波器抽取倍数分别为4倍和8倍。抽取滤波器采用Equiripple数字FIR滤波器，滤波器幅频响应在通带和阻带都是等波纹的，并可以分别控制通带和阻带波纹幅度，实现载频信号加权误差波纹幅度最小化，是一款性能优异的低通数字滤波器。

采用信道滤波器，滤波器通带带宽为8KHz，幅频特性为0.1db，实现滤除带外干扰信号的功能。

两路信号均采用一路载频数字信号与另一路经过一个采样周期Ts延时的载频数字信号进行与操作。两路信号通过异或操作合为一路，解调出采样频率为Fs＝48KHz的载频数字信号，再次经过输出滤波器滤波，最后实现载频数字信号的解调。

FPGA解调出载频数字信号后进行识别，并将识别结果通知主控单元CPU。

音频信号的接收和发送

二次开发接口输入的模拟音频信号，经过主控单元进行ADC采样处理，即将音频信号进行数字化后，通过FPGA射频调制解调单元的NCO调制到400KHz频点上，然后通过射频收发单元的高速DAC芯片进行DAC处理得到射频信号，射频信号输出至射频功放进行发射功率调整后，发送至400KHz天线进行无线发送。

天线接收的400KHz射频信号，经过射频收发单元进行ADC采样后，发送至FPGA射频调制解调单元进行数字下变频处理，解调后得到数字音频信号，发送至主控单元进行DAC处理后，得到模拟音频信号，模拟音频信号发送至二次开发接口进行音频输出。

亚音频信号的接收和发送

用户通过二次开发接口的UART串口数据通信，预先设置400KHz数字信道机发送和接收的亚音频频率。通过控制二次开发接口的亚音频控制发射端，400KHz数字信道机的主控单元生成亚音频数字信号，通过FPGA射频调制解调单元的NCO调制到400KHz频点上，然后通过射频收发单元的高速DAC芯片进行DAC处理得到射频信号，射频信号输出至射频功放进行发射功率调整后，发送至400KHz天线进行无线发送。

天线接收的400KHz射频信号，经过射频收发单元进行ADC采样后，发送至FPGA射频调制解调单元进行数字下变频处理，解调后得到数字亚音频信号，发送至主控单元经过Goretzel算法计算后，识别出接收的亚音频频率是否为预设的亚音频频率，如果是则通过二次开发接口的亚音频接收检测端告知用户。

MSK信号数据的接收与发送

由机车电台生成的列尾命令数据通过二次开发接口的UART串口发送至主控单元，主控单元生成相应的MSK数字信号，通过FPGA射频调制解调单元的NCO调制到400KHz频点上，然后通过射频收发单元的高速DAC进行DAC处理得到射频信号，射频信号输出至射频功放进行发射功率调整后，发送至400KHz天线进行无线发送。

天线接收的400KHz射频信号，经过射频收发单元进行ADC采样后，发送至FPGA射频调制解调单元进行数字下变频后，生成MSK数字信号，发送至主控单元进行1Bit差分MSK信号软件解码后，通过二次开发接口的UART串口将列尾应答数据发送给机车电台主控板进行处理。

综上所述，本发明基于射频信号软件调制解调技术，采用高速的FPGA芯片，实现信道机射频信号数字化处理，提高了通信抗干扰能力，提高了信道机的通信效率，特别适合重载列车在复杂环境中的通信需求；基于Goretzel算法，采用稳定、可靠的ARM芯片，实现高效、快速的亚音频信号软件解码功能。满足铁路通信中呼叫信令解码的需求。Goretzel算法同时满足较高的亚音频解码带宽精度要求，无需采用专用亚音频编解码芯片，大大降低了设备的成本，提高了呼叫成功率；基于1Bit差分MSK信号软件解码技术，采用稳定、可靠的ARM芯片，实现精确的MSK信号解码功能，满足铁路列车尾部安全防护装置通信需求。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。