韓 鵬

(武漢鐵四院工程咨詢有限公司，武漢 430063)

1 概述

通過研究對高鐵無線通信系統(tǒng)抗電磁干擾的特性，有助于我國鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，為建設(shè)無線移動(dòng)通信系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)，同時(shí)提升旅客在旅行途中的通信體驗(yàn)，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值。

2 無線通信系統(tǒng)在高鐵上的電磁兼容分析

鐵路的電磁環(huán)境復(fù)雜多變，高鐵無線通信系統(tǒng)是否具備良好的抗干擾能力，將決定無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也影響著鐵路系統(tǒng)的整體安全和運(yùn)行質(zhì)量[1]。

受電弓在接觸網(wǎng)導(dǎo)線上滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的無線電噪聲是較常見的干擾源。在弓網(wǎng)分離的狀態(tài)下，受到脈沖的影響，會(huì)產(chǎn)生放電噪聲，此類噪聲的幅度范圍廣泛，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大強(qiáng)度的電磁場[2]。本文將弓網(wǎng)離線時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號及電磁場作為研究對象，借助測量、理論分析等手段，對無線通信系統(tǒng)受影響的頻率范圍及幅度展開深入研究。

3 弓網(wǎng)離線信號的產(chǎn)生分析及測量分析

3.1 弓網(wǎng)離線信號產(chǎn)生分析

“弓網(wǎng)離線”是指受電弓與接觸導(dǎo)線機(jī)械分開。在這個(gè)過程中，會(huì)涌現(xiàn)火花或者是相應(yīng)的電弧，受電弓會(huì)產(chǎn)生頻率較高的電磁干擾信號，對高鐵動(dòng)車的通信系統(tǒng)產(chǎn)生較大干擾，甚至?xí)箘?dòng)車通信中斷。

火花放電的頻譜范圍較為寬廣，其頻譜可以小到幾十k Hz，也可以大到上GHz[3]。

火花放電時(shí)間比較短，而且所形成的時(shí)域波形是由相關(guān)的電脈沖所構(gòu)成，同時(shí)這些電脈沖處于一個(gè)衰減震蕩的過程中，其過程可以用公式(1)來表述：

其中，V0是放電噪聲的電壓極限值，σ 是放電脈沖信號的特征寬度。根據(jù)公式(1)，可以對單次火花放電的波形進(jìn)行模擬。

3.2 弓網(wǎng)離線信號的實(shí)驗(yàn)仿真分析

本次仿真只針對弓網(wǎng)離線信號的低頻段，頻段范圍為3 ～30 MH z，然后分析其干擾源的近場和遠(yuǎn)場特性。

根據(jù)仿真結(jié)果得知，在相同位置距離的狀態(tài)下，干擾源頻率的增加，會(huì)直接導(dǎo)致輻射場強(qiáng)的增加，與此同時(shí)不同頻率輻射場強(qiáng)的衰減速度也在逐漸放寬[4]。

從干擾源點(diǎn)到兩邊，接觸線上電流分布出現(xiàn)了明顯的衰減規(guī)律。與此同時(shí)，距離受電弓距離更小的接觸線上所產(chǎn)生的電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)要超過距離受電弓較遠(yuǎn)部分接觸線上存在的電流。

對比以上信息可以得出，30 MH z 頻率下的干擾源接觸線上所產(chǎn)生的電流密度要明顯大于3 MHz頻率下的電流密度。換而言之，在干擾源頻率升高的情況下，接觸線上產(chǎn)生的電流分布高頻衰減的速度也就越慢。

3.3 弓網(wǎng)離線信號的測量結(jié)果分析

3.3.1 測量結(jié)果分析

本次將在動(dòng)車勻速運(yùn)行的狀態(tài)下，測量研究弓網(wǎng)離線信號的特征。

1)弓網(wǎng)離線信號的時(shí)域分析

為更好的研究分析單次脈沖信號特性，對測量得到的弓網(wǎng)離線信號相關(guān)脈沖信號進(jìn)行提取。提取后的脈沖信號幅度都不相同，采用軟件對信號進(jìn)行處理，得到了如圖1 中的(a)～(c)的單次放電脈沖信號現(xiàn)場測量波形展示。

圖1(a)～(c)分別是不同幅度下的弓網(wǎng)一次離線脈沖信號產(chǎn)生的所有過程，圖1 中，X 軸反映的是離線脈沖信號放電時(shí)間，Y 軸反映的是放電脈沖電流幅度的變化。從圖1 中可以分析出，當(dāng)弓網(wǎng)離線信號產(chǎn)生的時(shí)候，通過弓網(wǎng)的放電電流會(huì)加大，并且在時(shí)間持續(xù)增長的情況下，通過的電流被進(jìn)一步的震蕩衰減，降低到了0 的位置，這個(gè)放電的過程的總有效時(shí)間大約為0.3 μs，同時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率為47 MH z，由此可見外部的背景對于弓網(wǎng)離線信號的產(chǎn)生和其時(shí)域特性的影響比較有限。

2)弓網(wǎng)離線信號的頻域分析

用軟件對之前所測量到的弓網(wǎng)離線信號時(shí)域波形進(jìn)行傅立葉變化，得到了弓網(wǎng)離線信號在其完整輸出脈沖信號時(shí)，幅度存在差異情況下的不同的頻譜特性。

圖2(a)～(c)反映了單次離線信號產(chǎn)生的過程中，所具有的放電脈沖信號的頻譜波形。如圖2 所示，這些頻譜范圍十分的寬廣，但是在外部環(huán)境里，有著較多的雜音疊加，當(dāng)頻率的范圍一旦處于1 GHz 之上，信號顯示就得到了逐漸的平穩(wěn)，約為30 d BμV，而此時(shí)所包含的雜音信號只是示波器的本身的雜音信號。

圖1 不同幅度單次脈沖信號的實(shí)測波形圖Fig.1 Measured waveform of single pulse signal with different amplitudes

1 GH z 以下的頻譜中可以看到，弓網(wǎng)離線信號在放電的時(shí)候所生成的干擾信號集中在0.6 G 以內(nèi)，而在這以后的頻譜區(qū)域，其強(qiáng)度幾乎比示波器本身的雜音信號還小。而一旦頻率進(jìn)行到1 GH z 的時(shí)候，其離線噪聲縮減到100 左右。在此要作出一個(gè)額外的說明：處于930 ～940 MH z 范圍內(nèi)有著一段50 dBμV 的頻譜電壓信號，該信號是GSM 信號，并非弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的干擾信號[5]。

圖2 不同幅度下的測量到的單次放電脈沖信號的頻譜波形Fig.2 Spectrum waveform of single discharge pulse signal measured at different amplitudes

3.3.2 輻射場的測量結(jié)果分析

對于單次弓網(wǎng)離線放電脈沖信號電場強(qiáng)度的測量，采用了處于不同脈沖幅度之下的測量方法來進(jìn)行操作，脈沖幅度分別是100、300、500 m V，如圖3 所示。

圖3(a)～(c)分別反映了100、300、500 m V條件下的離線信號的場強(qiáng)，從圖3 中可以清楚的看到信號的場強(qiáng)是伴隨著頻率的改變而改變的。而其場強(qiáng)最大的分別是頻率處于200 MH z、600 MH z、1 GH z 之內(nèi)的這一段頻率范圍，其場強(qiáng)約為100 ～130 d BμV/m[6]。而在1 GH z 之上的頻率范圍，可以清晰的觀察到基本上都是示波器所檢測到的外部環(huán)境當(dāng)中的雜音信號。

圖3 不同幅度條件下的信號電場強(qiáng)度Fig.3 Signal electric field indensity at different amplitudes

4 無線通信系統(tǒng)防電磁干擾措施

目前鐵路無線通信系統(tǒng)主要是兩種：無線列調(diào)系統(tǒng)和GSM-R 無線通信系統(tǒng)，為防電磁干擾對通信系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，無線列調(diào)系統(tǒng)可以采用提高信號頻率的方式來降低干擾[7]，GSM-R 通信系統(tǒng)則可以采用交織和RS-Turbo 級聯(lián)碼結(jié)合糾錯(cuò)的方法來降低電磁干擾對其的影響[8]。

5 結(jié)束語

根據(jù)以上研究結(jié)果，電氣化鐵路所產(chǎn)生的電磁干擾并不會(huì)對1 GH z 頻率以上的無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的作用，其主要影響的是0.3 ～1 GH z 頻率內(nèi)的無線通信系統(tǒng)，高鐵無線通信系統(tǒng)也采取了很多防電磁干擾的措施。降低電磁干擾對無線通信系統(tǒng)的影響是一項(xiàng)長期且復(fù)雜的工作，有待在實(shí)際工作中進(jìn)一步摸索總結(jié)。