基于FPGA的轨检移变滤波器研究

摘要

随着中国高速铁路的快速发展，人们在获得便利的同时，对铁路行车安全、舒适度和平稳性的关注愈来愈强。轨道不平顺是机车轮轨耦合系统的激励源，是引起机车车辆振动和轮轨作用力的主要原因。轨检移变数字滤波器的研究是不平顺信号处理系统和车辆轨道耦合系统安全性、平稳性研究的重要组成部分。
　　世界各国，如德国、美国、日本、法国等在轨道不平顺信号检测系统中研制了各具特色的轨检移变数字滤波器。根据我国铁路运行的现状，在引进吸收国外检测技术的基础上，我国设计了先进的GJ-5型轨道检查车，其轨道不平顺信号处理系统为模拟—数字级联混合处理系统。本文针对混合处理系统中模拟抗混叠滤波器的结构和特性，研究了相应的移变数字滤波器算法，并对该算法进行软硬件仿真研究，对比分析了FPGA实现算法的正确性和可行性。
　　基于轨检移变数字滤波器原理，论文首先介绍了数字滤波器的设计基础、FPGA开发平台、设计方法，设计流程，并简要分析了轨道不平顺检测原理，包括轨道不平顺检测方法、检测模式和总体检测方案等。由此引出轨检移变数字滤波器在轨道不平顺信号处理系统中的作用，同时详细介绍了移变滤波器算法的推导过程。针对所设计的滤波器阶数低、系数个数少的特点，本文选取并行滤波器结构，将轨检移变滤波器划分为时钟控制模块、移位输入模块、权系数更新模块、乘法器模块以及并行累加输出模块五个基本模块，完成移变滤波器算法的FPGA实现。
　　论文最后，针对轨检移变滤波器算法的研究，分别利用MATLAB软件和FPGA硬件实现算法，对移变滤波器软硬件设计结果进行仿真对比分析，验证了FPGA实现轨检移变滤波器算法的正确性和可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文的研究内容

第2章 轨道不平顺检测原理分析

2．1 轨道不平顺概述

2．1．1 轨道不平顺的随机性

2．1．2 随机信号分析

2．2 轨道不平顺的检测方法

2．2．1 惯性基准法

2．2．2 弦测法

2．3 轨道检测总体方案介绍

2．3．1 轨道检测模式

2．3．2 轨道检测的几何参数

2．3．3 传感器选型

2．4 本章小结

第3章 数字滤波器的设计基础

3．1 数字滤波器概述

3．1．1 数字滤波器的分类

3．1．2 数字滤波器的基本结构

3．1．3 数字滤波器的开发方法

3．2 基于FPGA的硬件实现

3．2．1 FPGA简介

3．2．2 基本设计方法

3．2．3 设计流程

3．2．4 开发平台简介

3．3 本章小结

第4章 移变滤波器算法研究

4．1 轨道不平顺信号无失真传输

4．1．1 无失真传输条件

4．1．2 频率转换失真校正

4．1．3 幅度和相位失真校正

4．2 移变滤波器算法仿真分析

4．2．1 移变滤波器算法推导过程

4．2．2 不同速度下移变滤波器仿真

4．3 本章小结

第5章 移变滤波器算法的FPGA实现

5．1 FIR滤波器设计流程

5．2 滤波器系数的量化

5．3 并行结构的移变滤波器模块设计

5．3．1 时钟控制模块

5．3．2 移位输入模块

5．3．3 权系数更新模块

5．3．4 乘法器模块

5．3．5 并行累加输出模块

5．4 移变滤波器顶层模块综合与分析

5．5 本章小结

第6章 算法测试与测试结果分析

6．1 测试目的

6．2 测试方法

6．3 测试结果分析

6．4 误差分析

6．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录一 移位输入模块

附录二 权系数更新模块

附录三 并行累加模块

附录四 移变滤波器顶层模块

攻读硕士学位期间发表的论文及参加科研项目情况