高铁动车弓网信号对无线通信系统的干扰研究

高铁动车弓网信号对无线通信系统的干扰研究

庄涛

武汉高铁技业技能训练段动车组司机教研室 湖北 武汉 430000

摘要：通过研究对高铁无线通信系统抗电磁干扰的特性,有助于我国铁路建设事业的发展,为建设无线移动通信系统提供理论指导,同时提升旅客在旅行途中的通信体验,具有较高的现实意义和社会价值。

关键词：高铁动车；弓网信号；无线通信系统；干扰

1无线通信系统在高铁上的电磁兼容分析

铁路的电磁环境复杂多变,高铁无线通信系统是否具备良好的抗干扰能力,将决定无线通信系统的稳定性,同时也影响着铁路系统的整体安全和运行质量。

受电弓在接触网导线上滑动时产生的无线电噪声是较常见的干扰源。在弓网分离的状态下,受到脉冲的影响,会产生放电噪声,此类噪声的幅度范围广泛,同时会产生极大强度的电磁场。本文将弓网离线时产生的脉冲信号及电磁场作为研究对象,借助测量、理论分析等手段,对无线通信系统受影响的频率范围及幅度展开深入研究。

2弓网离线信号的产生分析及测量分析

2.1弓网离线信号产生分析

“弓网离线”是指受电弓与接触导线机械分开。在这个过程中,会涌现火花或者是相应的电弧,受电弓会产生频率较高的电磁干扰信号,对高铁动车的通信系统产生较大干扰,甚至会使动车通信中断。

火花放电的频谱范围较为宽广,其频谱可以小到几十kHz,也可以大到上GHz。

火花放电时间比较短,而且所形成的时域波形是由相关的电脉冲所构成,同时这些电脉冲处于一个衰减震荡的过程中,其过程可以用公式(1)来表述:

其中,V0是放电噪声的电压极限值,σ是放电脉冲信号的特征宽度。根据公式(1),可以对单次火花放电的波形进行模拟。

2.2弓网离线信号的实验仿真分析

本次仿真只针对弓网离线信号的低频段,频段范围为3～30 MHz,然后分析其干扰源的近场和远场特性。

根据仿真结果得知,在相同位置距离的状态下,干扰源频率的增加,会直接导致辐射场强的增加,与此同时不同频率辐射场强的衰减速度也在逐渐放宽。

从干扰源点到两边,接触线上电流分布出现了明显的衰减规律。与此同时,距离受电弓距离更小的接触线上所产生的电流,远远要超过距离受电弓较远部分接触线上存在的电流。

对比以上信息可以得出,30 MHz频率下的干扰源接触线上所产生的电流密度要明显大于3 MHz频率下的电流密度。换而言之,在干扰源频率升高的情况下,接触线上产生的电流分布高频衰减的速度也就越慢。

2.3弓网离线信号的测量结果分析

2.3.1 测量结果分析

本次将在动车匀速运行的状态下,测量研究弓网离线信号的特征。

1)弓网离线信号的时域分析

为更好的研究分析单次脉冲信号特性,对测量得到的弓网离线信号相关脉冲信号进行提取。提取后的脉冲信号幅度都不相同,采用软件对信号进行处理,得到了如图1中的(a)～(c)的单次放电脉冲信号现场测量波形展示。

图1(a)～(c)分别是不同幅度下的弓网一次离线脉冲信号产生的所有过程,图1中,X轴反映的是离线脉冲信号放电时间,Y轴反映的是放电脉冲电流幅度的变化。从图1中可以分析出,当弓网离线信号产生的时候,通过弓网的放电电流会加大,并且在时间持续增长的情况下,通过的电流被进一步的震荡衰减,降低到了0的位置,这个放电的过程的总有效时间大约为0.3 μs,同时产生的振动频率为47 MHz,由此可见外部的背景对于弓网离线信号的产生和其时域特性的影响比较有限。

2)弓网离线信号的频域分析

用软件对之前所测量到的弓网离线信号时域波形进行傅立叶变化,得到了弓网离线信号在其完整输出脉冲信号时,幅度存在差异情况下的不同的频谱特性。

图2(a)～(c)反映了单次离线信号产生的过程中,所具有的放电脉冲信号的频谱波形。如图2所示,这些频谱范围十分的宽广,但是在外部环境里,有着较多的杂音叠加,当频率的范围一旦处于1 GHz之上,信号显示就得到了逐渐的平稳,约为30 dBμV,而此时所包含的杂音信号只是示波器的本身的杂音信号。

图1不同幅度单次脉冲信号的实测波形图

1 GHz以下的频谱中可以看到,弓网离线信号在放电的时候所生成的干扰信号集中在0.6 G以内,而在这以后的频谱区域,其强度几乎比示波器本身的杂音信号还小。而一旦频率进行到1 GHz的时候,其离线噪声缩减到100左右。在此要作出一个额外的说明:处于930 ～940 MHz范围内有着一段50 dBμV的频谱电压信号,该信号是GSM信号,并非弓网离线产生的干扰信号。

图2不同幅度下的测量到的单次放电脉冲信号的频谱波形

2.3.2 辐射场的测量结果分析

对于单次弓网离线放电脉冲信号电场强度的测量,采用了处于不同脉冲幅度之下的测量方法来进行操作,脉冲幅度分别是100、300、500 mV,如图3所示。

图3(a)～(c)分别反映了100、300、500 mV条件下的离线信号的场强,从图3中可以清楚的看到信号的场强是伴随着频率的改变而改变的。而其场强最大的分别是频率处于200 MHz、600 MHz、1 GHz之内的这一段频率范围,其场强约为100～130 dBμV/m。而在1 GHz之上的频率范围,可以清晰的观察到基本上都是示波器所检测到的外部环境当中的杂音信号。

图3不同幅度条件下的信号电场强度

3无线通信系统防电磁干扰措施

目前铁路无线通信系统主要是两种:无线列调系统和GSM-R无线通信系统,为防电磁干扰对通信系统产生的影响,无线列调系统可以采用提高信号频率的方式来降低干扰,GSM-R通信系统则可以采用交织和RS-Turbo级联码结合纠错的方法来降低电磁干扰对其的影响。

4现代通信技术在高速铁路中的发展方向

经过近十年来的飞速发展和建设,目前GSM-R系统已经发展成为网络化、规模化、多业务应用的移动通信平台截至2013年底,我国完成19个规划GSM-R核心网节点中16个节点的建设和开通运用,还用的GSM-R系统已覆盖超过22500km的铁路,包括高速铁路、重载铁路、高寒铁路、新建普速铁路和扩能改造铁路等。

GSMR系统为我国高速铁路的运输调度指挥、设备维护及安全管理等提供了良好的移动通信基础平台。随着GSMR研究的深入,GSM-R还将为中国提供更多完美的、丰富多彩的业务半个多世纪以来,铁路无线通信从无到有,从语音到数据,从分立到综合,从单一到系统,为铁路运输生产指挥、安全正点行车、事故抢险救援、信息快速传递等发挥了重要作用。今后,铁路无线通信朝着宽带、高速和承载更多的铁路业务方向发展。

我们了解无线通信技术的缺陷与不足,明确了现代通信技术的发展方向,我们应该从下面几点开展无线通信工作,第一,培养经验丰富的科技人员,发现有用的人才,掌握先进的科学技术,紧跟时代的步伐。第二,通信管理人员缺乏监督管理的力度,影响了现代通信科技的应用,甚至将监督作为儿戏,这就需要管理人员要对工作认真负责,要有为人民服务为宗旨的理念,要有使命感,勇于承担责任和义务。

结论

根据以上研究结果,电气化铁路所产生的电磁干扰并不会对1 GHz频率以上的无线通信系统产生明显的作用,其主要影响的是0.3～1 GHz频率内的无线通信系统,高铁无线通信系统也采取了很多防电磁干扰的措施。降低电磁干扰对无线通信系统的影响是一项长期且复杂的工作,有待在实际工作中进一步摸索总结。

参考文献：

[1]高速铁路移动通信系统集成方案及关键技术研究[D].刘骁健.山东大学2018.

[2]西欧高速铁路及高速列车技术考察[J].陈南翼,田红旗.长沙铁道学院学报.2018(03).