蘇立軒，李天石，霍斌

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司?通信信號研究所，北京???100081）

0 引言

近年來高速鐵路技術(shù)不斷突破，隨著列車運(yùn)行速度與牽引負(fù)荷不斷提升，以及微電子、現(xiàn)代通信、自動控制和計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使高速鐵路電磁環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜。隨著高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營里程的不斷增加，高速鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電干擾影響也越來越引起廣泛關(guān)注[1-2]。在我國新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及動態(tài)驗(yàn)收中，已將高速鐵路動車組運(yùn)行條件下對外界的電磁輻射作為專項(xiàng)檢測項(xiàng)目，驗(yàn)證高速鐵路系統(tǒng)對外界輻射的無線電干擾場強(qiáng)是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[3-4]。

結(jié)合多年的相關(guān)研究和測試經(jīng)驗(yàn)，就高速鐵路動車組運(yùn)行條件下對外界的電磁輻射測試方法的改進(jìn)和更新進(jìn)行研究。實(shí)時頻譜分析技術(shù)作為現(xiàn)代頻譜技術(shù)發(fā)展的一個重大革新，是無線電測量領(lǐng)域的全新測試技術(shù)，并且還在逐步完善和提升。將實(shí)時頻譜分析技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路系統(tǒng)對外界的電磁輻射測試中，可改進(jìn)高速鐵路電磁兼容問題的測試分析手段，對提升高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及動態(tài)驗(yàn)收檢測水平，增強(qiáng)軌道交通系統(tǒng)電磁兼容領(lǐng)域的研究能力具有重要意義。

1 現(xiàn)行測試依據(jù)及問題分析

1.1 現(xiàn)行測試依據(jù)

針對高速鐵路列車運(yùn)行時開放式軌道系統(tǒng)對外界的發(fā)射測試，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T?24338.2—2018《軌道交通??電磁兼容??第2部分：整個軌道系統(tǒng)對外界的發(fā)射》。標(biāo)準(zhǔn)給出了0.15?MHz～1?GHz頻段的發(fā)射限值要求（見圖1），并對測量方法中的各相關(guān)測量參數(shù)作出規(guī)定。其中，對于測量天線與機(jī)車車輛運(yùn)行的軌道中心線之間的測量距離按10?m要求，并給出現(xiàn)場條件不滿足測試要求時，等效于10?m法的測量換算方法[5]，參見公式（1）。

式中：E10為等效于10?m法的測量結(jié)果；EX為在Dm處實(shí)際測量值；n為修正因數(shù)（見表1）。

圖1 軌道交通系統(tǒng)對外界的電磁輻射限值曲線

在高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及動態(tài)驗(yàn)收中，關(guān)于動車組運(yùn)行條件下對外部的電磁輻射測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為TB?10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》。標(biāo)準(zhǔn)中對列車通過時產(chǎn)生的電磁輻射的限值要求援引自GB/T?24338.2—2018（圖1限值曲線），且標(biāo)準(zhǔn)中對測試方法的要求和規(guī)定與GB/T?24338.2—2018基本一致，區(qū)別在于：在其基礎(chǔ)上規(guī)定了采用固定頻率測試方法的代表性測試頻點(diǎn)，分別為1?MHz和150?MHz，其中 150?MHz 頻點(diǎn)限值為 88?dBμV/m，1?MHz 頻點(diǎn)將磁場強(qiáng)度限值折算為電場強(qiáng)度限值，為110?dBμV/m[4]。

1.2 問題分析

列車運(yùn)行時對外界產(chǎn)生的電磁輻射可采用頻率掃描方法或固定頻率方法進(jìn)行測試。頻率掃描方法與列車運(yùn)行速度的相關(guān)性很大，頻率掃描時間與列車運(yùn)行速度的關(guān)系見表2。

表2 頻率掃描時間與列車運(yùn)行速度關(guān)系

隨著高速鐵路各項(xiàng)技術(shù)的不斷突破，列車運(yùn)行速度持續(xù)提升，目前列車最高運(yùn)行速度可達(dá)350?km/h，為確保列車每運(yùn)行5?m的時間內(nèi)完成1次掃描[5]，掃描速率需低于0.051?s。傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)在面對分辨率帶寬較小（最大120??kHz）而分析帶寬較大（至1?GHz）的測試時，其掃描時間會很長，因此采用頻率掃描方法進(jìn)行測試時，為使掃描時間與列車速度相匹配，在測試過程中需要將被測頻帶劃分為若干子頻段。根據(jù)350?km/h速度對應(yīng)的掃描速率僅為51?ms以下，采用傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)劃分的子頻段很窄，完成全頻段測試需要大量的測試樣本和重復(fù)掃描，以正確獲得列車運(yùn)行時對外發(fā)射的頻譜，這無疑大大增加了測試時間。

牽引網(wǎng)系統(tǒng)中列車受電弓與接觸網(wǎng)之間的弓網(wǎng)關(guān)系造成的離線放電是列車運(yùn)行時軌道系統(tǒng)對外界電磁輻射的主要影響源之一[6]，弓網(wǎng)離線放電過程的持續(xù)時間很短，其暫態(tài)過程產(chǎn)生由若干脈沖組成的脈沖群，脈沖的持續(xù)時間可達(dá)微秒級，傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)面對此類突發(fā)性瞬時信號時，勢必丟失很多頻譜信息，會影響測試結(jié)果的完整性。而在列車過分相等特殊工況下，其在分合閘、進(jìn)出無電區(qū)時產(chǎn)生的暫態(tài)過程所引起的電磁騷擾信號會呈現(xiàn)出不同的時域及頻域特性，基于傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)的測試方法不但可能漏掉這些瞬時突發(fā)信號，還可能導(dǎo)致騷擾信號中含有的脈沖信號頻譜被錯誤地顯示，從而對測試結(jié)果的進(jìn)一步分析造成影響。

2 實(shí)時頻譜分析原理與技術(shù)特性

2.1 實(shí)時頻譜分析技術(shù)

實(shí)時頻譜分析的基本思路是以足夠快的速度對輸入信號采樣，以滿足奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率超過關(guān)心帶寬的2倍。同時，連續(xù)并足夠快地執(zhí)行所有計算，使分析輸出跟上輸入信號的變化[7]。實(shí)時頻譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)見圖2，其實(shí)現(xiàn)形式為：輸入信號經(jīng)過衰減器和低通（或帶通）濾波器，通過使用多階混頻方案以及固定本振實(shí)現(xiàn)射頻（RF）下變頻，采用寬帶濾波器確保整個測量頻率上無像頻干擾，經(jīng)混頻器轉(zhuǎn)換至中頻（IF）；經(jīng)過高速采樣（通常為IF帶寬的2.5倍）的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊將IF信號數(shù)字化，隨后對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行信號路徑的幅度平坦度、相位線性度等不理想特點(diǎn)的校正；系統(tǒng)在實(shí)時信號處理（DSP）引擎中執(zhí)行所有進(jìn)一步的步驟，包括數(shù)字下變頻（DDC）和壓縮濾波將A/D樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換為同相（I）和正交（Q）基帶信號流、基于離散傅里葉變換（DFT）的實(shí)時頻譜變換與輸出。

其中，實(shí)時頻譜變換使用快速傅里葉變換（FFT）與Chirp-Z變換（CZT）的組合[8-9]，在IQ記錄的各段上執(zhí)行計算并生成占用頻率隨時間變化的數(shù)學(xué)表示，實(shí)現(xiàn)頻譜顯示。FFT的計算效率可實(shí)現(xiàn)更快的變換速率，而CZT的靈活性可為固定輸入樣點(diǎn)提供可變的分辨率帶寬（RBW）。當(dāng)信號處理速度與輸入信號保持一致或更快時，就可實(shí)現(xiàn)對輸入信號無遺漏地分析。實(shí)時頻譜分析的主要特點(diǎn)就是通過高速的數(shù)據(jù)實(shí)時處理，實(shí)現(xiàn)對單個不重復(fù)瞬時事件的100%捕獲概率（POI）的測試。

圖2 實(shí)時頻譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

2.2 數(shù)字熒光技術(shù)

數(shù)字熒光技術(shù)（DPX）將陰極射線管（CRT）中的熒光層和矢量圖相結(jié)合，是近年來應(yīng)用于實(shí)時頻譜分析中的一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)[10]。DPX結(jié)合實(shí)時頻譜分析技術(shù)，通過連續(xù)的實(shí)時頻譜變換，得到的頻域波形進(jìn)行光柵化，創(chuàng)建位圖，將短時間內(nèi)累計的數(shù)萬測量頻譜全速寫入位圖數(shù)據(jù)庫中。DPX頻譜顯示需要經(jīng)過疊加頻譜數(shù)據(jù)、圖像位圖數(shù)據(jù)庫更新、顏色編碼、色彩和曲線映射4個步驟，最終將位圖數(shù)據(jù)庫中累計的頻譜以人眼可見的速率傳送到顯示屏幕上，累計效果用直觀的位圖顏色區(qū)分顯示，既保留了信號的多種特征，又將這些快速隱秘的信號變化特征直觀地展現(xiàn)出來。

DPX技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將一段時間內(nèi)的所有信號頻譜集成到1張頻譜圖上顯示，包含了這段時間內(nèi)頻率、幅度和出現(xiàn)次數(shù)的三維信息，能夠顯示長時間內(nèi)信號的變化趨勢。DPX技術(shù)將實(shí)時查看技術(shù)從頻譜查看技術(shù)轉(zhuǎn)化成分析方法，可以對信號進(jìn)行詳細(xì)分析。

3 實(shí)時頻譜分析與傳統(tǒng)頻譜分析的對比

3.1 分析方法的差異

實(shí)時頻譜分析與掃頻式頻譜分析的對比見圖3。傳統(tǒng)頻譜分析方法利用掃頻超外差接收的原理[11-12]，以一定步長掃描頻段，檢波器1次只能從選擇的中頻濾波器帶寬內(nèi)全部采樣點(diǎn)計算出1個頻點(diǎn)的幅度值，即在任何給定的時間，測試儀器會調(diào)諧成單個頻率，隨著掃描的推進(jìn)，頻率會隨之變化，形成圖3中的對角線并作為掃頻結(jié)果顯示。與實(shí)時頻譜分析方法相比，該方法可能會漏掉在當(dāng)前測試頻段內(nèi)發(fā)生的瞬時事件。

3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析

3.2.1 動車組運(yùn)行時對外部的電磁輻射測試

在某新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試動態(tài)提速試驗(yàn)階段，分別采用實(shí)時頻譜分析方法和傳統(tǒng)頻譜分析方法，對列車以300?km/h速度運(yùn)行時對外部的電磁輻射進(jìn)行測試，測試條件均滿足GB/T?24338.2—2018中的相關(guān)要求，測試距離、測量高度、天線位置與朝向等因素均保持一致，以降低客觀因素對測試結(jié)果的影響。2種方法的典型測試結(jié)果見圖4、圖5。

圖3 實(shí)時頻譜分析與掃頻式頻譜分析對比

圖4 實(shí)時頻譜分析測試結(jié)果（列車運(yùn)行）

圖中所示測試結(jié)果為同一列車通過測試點(diǎn)時，150?kHz～30?MHz頻段磁場強(qiáng)度測試結(jié)果，其中分辨率帶寬設(shè)置為9?kHz，傳統(tǒng)頻譜分析方法掃頻速率為35?ms。對比2種測試結(jié)果可知，實(shí)時頻譜分析結(jié)果顯示列車經(jīng)過測試點(diǎn)的時間段內(nèi)，系統(tǒng)對外的電磁輻射頻率分量集中在10?MHz以下頻段，相比于背景值（圖4中下部粉紅色余輝所示部分），場強(qiáng)普遍增大超過10?dB（圖4中最大值保持軌跡）。通過DPX頻譜態(tài)勢圖可知，列車運(yùn)行時對外輻射的電磁騷擾多為瞬時信號（圖4中淺色余輝）。而圖5所示的傳統(tǒng)頻譜分析結(jié)果由于在掃頻時只能計算單頻點(diǎn)幅度，因此信號的頻譜分量有遺漏，只有一系列的單一譜線。盡管采用了最大保持方式，但由于在掃頻時各頻點(diǎn)的最大值并非同一時刻計算得到，因此在幅值上也比實(shí)時頻譜分析結(jié)果略小。

圖5 傳統(tǒng)頻譜分析測試結(jié)果（列車運(yùn)行）

測試結(jié)果的對比還說明，實(shí)時頻譜分析方法得到的DPX頻譜可以發(fā)現(xiàn)和捕獲傳統(tǒng)頻譜分析方法漏掉的信號細(xì)節(jié)。

3.2.2 動車組特殊運(yùn)行工況下對外部的電磁輻射測試

為進(jìn)一步對不同測試方法進(jìn)行對比分析，分別采用傳統(tǒng)頻譜分析方法（掃頻與固定頻率方法）和實(shí)時頻譜分析方法，對列車以300?km/h速度通過2供電分段間的電分相過程產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行測試，其中實(shí)時頻譜分析方法與傳統(tǒng)掃頻式方法典型測試結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 實(shí)時頻譜分析測試結(jié)果（列車過分相）

圖中所示測試結(jié)果為同一列車通過設(shè)置在電分相區(qū)段的測試點(diǎn)時，150?kHz～30?MHz頻段磁場強(qiáng)度測試結(jié)果，分辨率帶寬設(shè)置以及傳統(tǒng)頻譜分析方法掃頻速率均未變化。列車通過分相區(qū)時，列車主斷路器斷合、通過無電區(qū)時受電弓與接觸網(wǎng)無電區(qū)結(jié)構(gòu)之間所產(chǎn)生的電磁暫態(tài)會引起較強(qiáng)的瞬態(tài)騷擾信號，實(shí)時頻譜分析結(jié)果顯示，這一系列電磁暫態(tài)所引起的瞬態(tài)信號在整個測試頻段均導(dǎo)致場強(qiáng)的大幅增大，場強(qiáng)增幅普遍達(dá)到20～30?dB，且信號在各頻率分量的強(qiáng)度隨頻率升高呈逐漸減弱趨勢。而傳統(tǒng)頻譜分析測試結(jié)果顯示出的上述暫態(tài)過程產(chǎn)生的影響則要弱很多，無論從頻率分布還是場強(qiáng)幅度上，都沒能完全反映出列車過分相條件下對外界電磁輻射的頻域特性。

圖7 傳統(tǒng)頻譜分析（掃頻方法）測試結(jié)果（列車過分相）

同時，通過DPX頻譜配色方案的設(shè)置，還能夠通過顏色顯示對列車過分相各暫態(tài)引起電磁騷擾信號的頻譜加以區(qū)分。上述對比結(jié)果說明，DPX頻譜不但可以顯示出不頻繁的瞬時信號，還可以揭示傳統(tǒng)頻譜分析所無法查看的信號細(xì)節(jié)。

在同樣條件下采用固定頻率方法的測試結(jié)果見圖8。測試頻點(diǎn)選擇代表性頻點(diǎn)1?MHz，從場強(qiáng)隨時間變化的測試結(jié)果中可以看出，列車過分相暫態(tài)產(chǎn)生的騷擾信號在該頻點(diǎn)處的影響過程可以被捕獲，場強(qiáng)幅度相比掃頻測試方法更接近于實(shí)時頻譜分析測試結(jié)果，可以反映列車通過電分相時對外電磁輻射的影響程度。但與實(shí)時頻譜分析測試方法相比，該測試結(jié)果無法反映出整個頻段內(nèi)的場強(qiáng)變化，如果對各頻點(diǎn)分別進(jìn)行測試，不但使測試樣本和時間大幅增長，還可能因?yàn)榱熊囘^分相暫態(tài)過程受到分合閘以及進(jìn)出無電區(qū)時的電壓電流相位等影響導(dǎo)致時頻域特性的差異，而無法準(zhǔn)確地對上述電磁暫態(tài)產(chǎn)生的電磁影響做進(jìn)一步分析，因此存在一定的局限性。而實(shí)時頻譜分析方法不僅可顯示出瞬態(tài)騷擾信號的頻譜分量在測試頻段內(nèi)的整體變化趨勢，還可通過DPX頻譜甄別瞬態(tài)騷擾信號的主要頻譜成分在測試頻段內(nèi)的分布情況。

圖8 固定頻率方法測試結(jié)果（列車過分相）

4 結(jié)論

（1）將實(shí)時頻譜分析技術(shù)的測試方法應(yīng)用于高速鐵路對外界的電磁輻射測試中，實(shí)時頻譜分析中的頻譜轉(zhuǎn)換速度高于等效采樣速度，確保了變換過程中不丟失信號信息，基于實(shí)時處理，對被測信號的頻域顯示在時間軸上是無縫完整的。通過實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析，驗(yàn)證了分辨率帶寬較小的情況下采用較寬的分析帶寬進(jìn)行掃頻測試時，該方法可以全面反映列車通過時間段產(chǎn)生的電磁輻射場強(qiáng)。相比于傳統(tǒng)頻譜分析中的掃頻和固定頻率測試方法，該測試方法若應(yīng)用于新建高速鐵路動態(tài)驗(yàn)收過程中，可全面提升評價過程中測試結(jié)果的代表性，明顯提高測試效率。

（2）實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果表明，傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)只能顯示瞬時頻譜信息，缺乏對一段時間內(nèi)信號變化的統(tǒng)計分析。相比之下，采用DPX技術(shù)的實(shí)時頻譜分析方法可顯示不同時間在同一分析帶寬內(nèi)的多個信號，并利用可調(diào)顏色映射和概率密度統(tǒng)計等增強(qiáng)技術(shù)來顯示各信號的多種不同信息。在高速鐵路各子系統(tǒng)間以及與外界間的電磁兼容問題研究分析和測試中，該方法可顯著提高對干擾信號的捕獲和觀察分析能力，加快發(fā)現(xiàn)和診斷問題的速度。

（3）隨著實(shí)時頻譜分析技術(shù)指標(biāo)的不斷改進(jìn)和提升，為寬分析帶寬實(shí)時測試提供了可行的解決方案。實(shí)時頻譜分析測試方法可同時對被測信號進(jìn)行時域、頻域或調(diào)制域的分析能力，通過研究分析和實(shí)測驗(yàn)證，適用于高速鐵路系統(tǒng)的復(fù)雜信號和復(fù)雜電磁環(huán)境下的測試分析，對高速鐵路及軌道交通系統(tǒng)電磁兼容性的深入研究具有重要意義。

（4）當(dāng)然實(shí)時頻譜分析技術(shù)的應(yīng)用還有一些局限，例如，目前技術(shù)成熟且具備普及性的測試設(shè)備的實(shí)時帶寬有限，一般只有幾十MHz，寬實(shí)時帶寬的技術(shù)受成本高昂等因素制約還未能普及應(yīng)用，因此，完成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全頻段測量，還需要對測量頻段劃分為若干子頻段分別進(jìn)行測量。