基于FPGA芯片XC4005E-4IPQ100实现频信号发送系统的方案设计
移频信号全称为移频键控信号（frequency-shift keying），利用高频信号承载低频信息，具有抗干扰能力强、传输距离远等优点，是现代铁路机车行驶中的速度控制信号。它可以准确确定列车的位置，与铁路机车安全运行有密切的关系。为确保信号接收系统接收到准确、实时有效的信号，要求移频信号发送系统在发送高精度移频信号的同时，能够保证自身系统的故障检测。
现有的移频信号发送系统，使用特定频率晶振和cmos器件，频率相位精度低、通用性差，无法实现多载频信号之间的自动切换，而且自检能力不高，不能达到实时故障检测，无法适应我国高速列车发展的需要。因此，设计一种新型的移频信号发送系统就成为一个迫在眉睫的问题。本文提出采用双cpu保护下的fpga系统实现移频信号发送的设计方案，以fpga为系统核心，采用固定16mhz频率晶振，完成cpu时序控制下fpga的逻辑功能。在保证移频信号高相位精度的前提下，实现了系统的自动多载频信号切换和实时故障检测。
1 fpga芯片
本文选用的fpga芯片是xilinx公司推出的xc4005e-4ipq100，该类型芯片具有5000最大逻辑门（max logic gate），其中可配置逻辑模块（clb）196个，以14×14矩阵结构排列；输入输出模块（iob）112个。可实现616级触发器（flip-flops），具有并行模式配置能力，存储器容量为95？008 bits。使用亚微米多层金属材料加工方法，使系统时钟速率高达80mhz，而内部执行速度可以达到150mhz。
该类型芯片在原有xc3000系列芯片的基础上，增加了内部软启动结构和时钟驱动输入输出模块的数目，并且提供了可选择双向ram存储器。
2 系统设计原理
系统设计原理如图1所示，该系统以双cpu保护下的fpga为核心，配以辅助的前置光耦防护和后置安全与门及功率放大器。输入为国家标准的铁路用18路低频信息和4种载频触发信号，输出相应的调制后高精度移频正弦信号。其中，4种载频可以由触发信号直接控制，自动切换。
fpga内部逻辑被设计为分频器、计数器、编码器、存储器、触发器和电子开关等部分。经过逻辑组合，实现低载频信息编码、相位连续移频信号调制和移频信号检测计数等三个主要功能，并接收cpu的控制信号，完成与cpu间的数据传输。
图１中双cpu使用w78e58型单片机。主、副cpu各自独立工作，分别向fpga发送控制信号，读取低载频信息编码和移频检测计数结果，并以此为判据进行移频信号发送精度检测。发现误码情况，即时关闭安全与门，切断移频信号发送通道，保证故障安全。主、副cpu之间，每个程序循环周期通信一次，以确认对方处于正常工作状态。
3 软件设计
3.1 移频信号调制结构设计
图2示出了fpga内部实现移频信号调制的逻辑结构。fpga芯片选用16mhz时钟脉冲，在分频模块的作用下得到所需要的低频和载频信号；运用时钟同步触发器和电子开关实现频率调制过程中的沿同步，从而在保证移频信号频率精度的前提下，实现了移频信号的相位连续调制。
图2中kt为低频方波信号，g1t、g2t为载频方波信号，clk为16mhz时钟脉冲，cs1、cs2为电子开关使能信号。低频分频器、载频分频器1、载频分频器2、时钟同步触发器、反相器、电子开关和加法器由fpga内部逻辑门阵列通过状态机的方式实现。低频分频器和载频分频器的分频数由输入的低、载频触发信号控制，进行自动预置，使信号发送系统适用于多种载频切换，达到系统的通用性。
fpga内部逻辑结构使用vhdl语言编写，图3示出了移频信号调制部分的vhdl语言程序流程图。
3.2 移频信号检测时序设计
移频信号检测采用高频插入的方法。将16mhz标准脉冲插入待测信号中，通过计数器确定待测信号的一个载频周期tz，得到其载频频率fz：
fz＝＝1
式中nz为一个载频周期内的计数脉冲个数。
为了计算待测移频信号中的低频周期，需要存储大量的载频周期数nz。利用cpu的定时器构成一定时间内（0.2s）的nz数组，寻找移频信号上下边频的切换点，通过计算两个相邻切换点之间的载频周期数，确定低频周期，得到低频频率fd？
fd＝＝2
式中nd为两个相邻上下边频切换点之间的频率周期数。
在本文中，双cpu各自独立完成检测计数数据的精度判断和定时器控制，计数器部分在fpga内部实现，图4示出了移频信号检测原理图。
cpu源程序使用c语言编写，使程序结构化，并易于升级。图5示出了移频信号检测部分的c语言程序流程图。
4 性能分析
4.1 实验结果
在完成调试样机的基础上，对新型移频信号发送系统进行实验检测。其中，载频信号取8种，中心频率分别为550、650、750和850hz，频偏均为55hz。低频信息从国家铁道移频信号标准中随机选取8种，分别为7、8、9、9.5、16.5、17.5、18.5和26hz。
为检测实际发送的移频信号，利用hp3563a（control systems analyzer）控制系统分析仪模拟通用移频信号接收器进行频谱分析。采样频率为2048点/s，加hanning窗进行fft变换，可得到如图6所示的信号频谱图。
其中，两个波峰处的相应频率就是fsk信号的上下边频，其左右两侧的次高波峰处的相应频率为上下边频的低频频偏频率。考虑到上、下边频谱线之间的相互干扰，取能量最高的次高峰为低频频偏点，其与相邻最高波峰之间的频率差即为对应fsk信号所包含的低频信息。 系统自检部分的验证，由micropack公司提供的easypack/e 8052f在线仿真系统完成。该系统模拟cpu的全部功能，并从fpga直接读取移频检测数据，数据格式为十六进制。
表1示出了系统实验结果，其中频率理论值和测量值单位均为hz，系统自检值nd、nz1、nz2均为十六进制数。上、下边频自检计数脉冲为16mhz，低频自检计数方波为上边频方波。
4.2 数据分析
对表1中实验数据进行移频测量值和自检值的最大相对误差分析，可以得到本文中新型系统的各方面精度，从而判断其是否满足设计要求。
移频信号测量值的相对误差可以由下式得到： e＝（3）
式中，fc、fl分别为频率的测量值和理论值。
结合公式（1）和公式（2），可以得到系统移频自检值的相对误差计算方法：
ez＝＝（4）
ed＝＝（5）
式中，ez、ed分别为载频自检相对误差和低频自检相对误差，fc为对应的低频或上下边频测量值。
由公式（3）、（4）、（5）得到系统频率测量值和自检值最大相对误差如表2所示。
从表2可以看出，实际移频信号的发送相对误差不大于1%，完全满足铁道通信信号的精度要求；自检系统更可以保证实时检验发送信号，实现故障安全。
综上所述，新型移频信号发送系统应用先进的可编程逻辑芯片（fpga）和高性能cpu，通过巧妙的逻辑结构设计和时序控制，实现了系统的集成化、通用化，大幅度提高了系统运行速度和可靠性。实验结果表明，该系统完全能够满足高速、高精度、故障安全的铁道通信信号技术要求，具有很高的应用价值。
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1 fpga芯片
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该类型芯片在原有xc3000系列芯片的基础上，增加了内部软启动结构和时钟驱动输入输出模块的数目，并且提供了可选择双向ram存储器。
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图１中双cpu使用w78e58型单片机。主、副cpu各自独立工作，分别向fpga发送控制信号，读取低载频信息编码和移频检测计数结果，并以此为判据进行移频信号发送精度检测。发现误码情况，即时关闭安全与门，切断移频信号发送通道，保证故障安全。主、副cpu之间，每个程序循环周期通信一次，以确认对方处于正常工作状态。
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3.1 移频信号调制结构设计
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图2中kt为低频方波信号，g1t、g2t为载频方波信号，clk为16mhz时钟脉冲，cs1、cs2为电子开关使能信号。低频分频器、载频分频器1、载频分频器2、时钟同步触发器、反相器、电子开关和加法器由fpga内部逻辑门阵列通过状态机的方式实现。低频分频器和载频分频器的分频数由输入的低、载频触发信号控制，进行自动预置，使信号发送系统适用于多种载频切换，达到系统的通用性。
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fz＝＝1
式中nz为一个载频周期内的计数脉冲个数。
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式中，fc、fl分别为频率的测量值和理论值。
结合公式（1）和公式（2），可以得到系统移频自检值的相对误差计算方法：
ez＝＝（4）
ed＝＝（5）
式中，ez、ed分别为载频自检相对误差和低频自检相对误差，fc为对应的低频或上下边频测量值。
由公式（3）、（4）、（5）得到系统频率测量值和自检值最大相对误差如表2所示。
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