2FSK在鐵路信號上的應用與分析

摘 要：隨著我國高鐵的建設和發展，列車引入了更多的自動化系統，這些系統之間的數據信息傳輸需要依賴較多的數字化、網絡化技術和相關濾波器、波形發生器等設備。目前，我國鐵道通信頻率調制信號采用的是2FSK，該信號包括調制和解調兩個步驟，實現了鐵路信號的穩定傳輸，確保鐵路信息化工作的正常開展。文章分析了2FSK在鐵路信號上的應用，提供一個現代化的多媒體圖像，實現遠程控制功能，便于人機交互。

關鍵詞：鐵路信號；調制解調；2FSK

隨著我國鐵路基礎建設的加快，鐵路運輸已經經歷了3次大提速，從傳統的綠皮客車發展到了現在的子彈頭動車，這些鐵路列車的運輸均離不開鐵路信號自動化技術。鐵路信號技術的發展和壯大已經在多個部門得到了廣泛普及和使用，促進了鐵路技術裝備的信息化、自動化、智能化和共享化，能夠保證鐵路列車的安全可靠運行。從技術上講，鐵路信號涉及很多方面，比如常見的區間自動閉塞、列車自動控制、車站連鎖和行車調度指揮等功能，其中關系最為直接的就是列車安全高速運行技術，即列車的自動控制技術，其可以利用載體傳輸軌道電路信息，實現列車的高速運行。

1 2FSK應用原理

數字頻率調制又被人們稱為頻移鍵控（Frequency Shift Keying，FSK），數字頻移鍵控可以利用先進的載波頻率發送、接收、傳輸數字信息，即所傳送的數字消息控制載波的頻率；二進制頻移鍵控（2 Frequency Shift Keying，2FSK），其對應的載波頻率可以使用符號1或0描述，符號1對應載波頻率f1已調波形，符號0對應載波頻率f2已調波形，f1和f2是兩個不同的載波頻率，兩個波形之間的轉變是在瞬間完成的，具體地，2FSK的形式化描述如公式（1）所示。

（1）

通過分析發現，2FSK信號可以看作是任意兩個不同載頻的ASK信號之間的疊加，因此可以把公式（1）改寫為公式（2）。

（2）

2FSK包括兩個過程，分別是調制和解調。調制原理就是使用任意兩個不同的頻率載波傳輸同一個二進制數字組成的序列，在實際的傳輸過程中，可以使用二進制1對應到載波頻率w1，使用0對應到載波頻率w2，在這個調制過程中，可以使用矩形脈沖序列控制的開關電路對任意兩個不同的獨立源數據頭w1和w2進行選擇通過，2FSK調制原理如圖1所示。

2FSK解調過程包括兩種方式，分別是相干解調方式和非相干解調方式。由于鐵路信號采用2FSK進行數據傳輸多采用相干解調方式，因此本文重點闡述該模式。發送鐵路信號時，已調信號包括兩個載波頻率，這兩個載波頻率分別是w1和w2，相干解調可以采用任意兩個帶通濾波器進行有效濾波，將其分離出來，獲取兩個載波w1和w2，然后針對這兩個信號進行相應的濾波操作，再分別將濾波后的信號與載波相乘進行相干解調，然后將乘積操作獲取的載波采用低通濾波器、抽樣判決器進行采樣，輸出原理如圖2所示。

2 2FSK在鐵路信號中的應用分析

隨著我國鐵路運輸信息化的普及和發展，鐵路信號采用了先進的頻移軌道電路，由于鐵路信號傳輸設備較多、波形制式也多，因此在保持邊頻精確度、相位連續、波形轉換的前提下，采用2FSK調制信號，提高了鐵路信號傳輸的準確度。鐵路2FSK信號采用的調制模式是相位連續，相位連續的優勢是低頻調制信號，能夠有效地控制上下邊頻切換，同時保持波形連續過渡，這種調制模式也是2FSK調制應用最多的一種，實現起來比較容易，頻譜干擾成分較少。本文信號調制時采用82C54可編程定時計數器，該芯片是一個波形發生器，可以根據鐵路信號的傳輸需求改變方波頻率，動態刷新內部控制寄存器，并且可以從下一個波形輸出計數，保持波形的連續性和完整性，從而完成相位連續調制。

由于鐵路2FSK信號的時域波形圖屬于正弦波，實際運行中可編程定時計數器產生的變頻信號屬于方波形式，因此需要在保持精確度不變的情況下轉換波形，鐵路信號2FSK波形轉換是采用集成電路低通濾波器完成，利用先進的傅里葉變換理論，可以從時域映射到頻域，過濾掉高次諧波的頻譜分量，在保持頻率不變和精確度不降低的情況下，將方波信號轉換成正弦波信號。鐵路2FSK信號的變頻可以限制在音頻范圍內，由于距離較近，中心頻率二次諧波的頻率遠高于基波頻率，因此需要選擇一個低通濾波器，讓通過濾波器的頻帶處于上邊界和二次諧波頻率之間的合理范圍，并且能夠實現上下變頻的轉換，實現良好的波形轉換。鐵路信號調制2FSK時采用美國馬克西姆公司研制的集成低通開關電容濾波器，把MOS電容、運算放大器和電子開關集成在一起，通過電容的儲能、開關倒換、運放隔離和放大作用，傳遞和處理鐵路信號。

3 結語

列車自動化控制系統很多，鐵路信號設備也非常多，因此引入了2FSK，可以大大減小系統設計和開發工作量，擴容和完善系統的邏輯業務功能，提供一個現代化的多媒體圖像，便于人機交互。另外，2FSK性能價格比高，能夠實現系統調制與解調的自診斷和故障定位，實現遠程控制功能。

作者簡介：楊帆（1995— ），男，江蘇儀征，本科；研究方向：軌道交通信號控制。

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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