無漏泄電纜無線列調弱場區通信系統設計

田永水

（中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081）

0 引言

為了保證鐵路運輸的安全,提高鐵路運輸的效率,在列車運行中,列車應該隨時能夠和車站進行無線聯絡,車站通過無線調度電話對列車進行調度（無線列調）。在無線列調的通信中,所使用的無線電臺的頻率在150MHz頻段和450MHz頻段。在這2個頻段上,電波的傳播特征為視距傳播,即傳播距離有限。在鐵路隧道內,150MHz頻段無線信號只能傳輸100m左右,450MHz頻段無線信號也只能傳輸1000m左右。由于山區路塹和隧道的存在及城市高樓大廈的阻擋,使無線列調系統存在著許多盲區和弱場區,影響行車安全,必須加以解決。

原有的一些中繼手段,如普通漏泄電纜中繼器系統和區間中繼臺等,很難解決同頻中繼的難題,不適用于同頻單工方式的無線列調弱場區中繼系統。而國內很多鐵路線的無線列調都是采用C制式,即同頻單工的工作方式。無漏泄電纜無線列調弱場區中繼通信系統解決了以上難題,該系統可用于同頻單工、異頻單工和異頻雙工等系統。本系統包括隧道內弱場中繼通信和明區間弱場中繼通信。

1 隧道內弱場中繼通信

電波在隧道內和自由空間的傳輸特性不同,電波在自由空間和隧道內傳輸衰減比較如圖1所示,電波在隧道內的傳輸損耗和頻率的關系如圖2所示。

隧道內弱場中繼通信系統一般由洞口機和洞內機組成,如圖3所示。圖中P表示特制平板天線,D為功分器,S為隧道中繼器。

圖1 電波在自由空間和隧道內傳輸衰減比較

圖2 隧道內的傳輸損耗和頻率的關系

圖3 隧道內中繼系統

1.1 隧道內中繼通信工作原理

No1為洞口機,它的天線架在洞口外面,架設高度和方向以能較好和站臺溝通為標準,它的作用就是負責和站臺溝通。No2和No3為洞內機,負責隧道內場強覆蓋。

把隧道分成幾個通信服務區（有幾臺洞內機,就有幾個服務區）,如No2和No3服務區,當機車在隧道內呼叫車站時,處在某服務區的洞內機（以No3為例）就會收到機車發出的f1,同時,No3將話音、信令和其他信息通過電力線傳送到所有洞內機和洞口機（No1和No2）,所有洞內機和洞口機（No1和No2）收到有線傳來的信息后同時變為發射狀態,洞口機No1發出f1信號就會傳到車站上,這樣,車站臺就會收到機車發出的信號;同理,當車站呼叫機車時,No1收到f1后,將收到的信息通過電力線傳送到所有洞內機No2和No3,No2和No3收到有線傳來的信息后同時變為發射狀態,這樣,隧道內的機車臺就會收到車站臺發出的信號;從而實現了機車臺和車站臺之間的通信。當然,因為隧道通信系統采用了一收同發技術（只要有一臺接收,其他機器都處于發射狀態）,從而也實現了隧道內各移動臺之間的通信。

如果洞口機和車站臺不能較好地溝通,則需要在站臺附近增加一首臺,使首臺的工作頻率和站臺溝通;首臺的中繼頻率和洞口機溝通即可。

1.2 動口機和動內機位置選擇

動口機的位置和天線架設高度要以動口機能和車站臺很好地通信為原則,動口機配備的天線一般為高增益定向天線。隧道中繼器設置的多少取決于隧道的長度、寬窄、彎曲程度、工作頻率和工作制式等因素。根據實踐經驗,對于150MHz頻段,2個動內機相距300m左右;而對于450MHz頻段,2個動內機可相距1000m左右。

1.3 洞內天線設計

當車站呼叫機車時,若機車正好處在兩洞內機服務區的末端天線中間（如No2和No3服務區）,由于兩服務區洞內機（如No2和No3）同時發射信號,如果兩信號電平相差不大,頻差落在話音范圍內,對機車臺就會產生同頻干擾。為消除此干擾,在進行系統設計時,要進行現場勘察,根據隧道的具體情況,合理地布置動內機和平板天線;調試開通時可調整發射功率和天線位置,使相臨兩動內機末端天線的場強覆蓋的重疊區盡量小（幾米范圍內）。因為此重疊區可控制在幾米的范圍內,對于相對高速行使的列車來說,可忽略對機車臺的影響。系統的設計,主要工作是場強分布的計算,其考慮原則是,既要滿足場強覆蓋率的要求,又要滿足系統穩定工作的要求。

在隧道中某點A處的場強EA可表示為:

式中:

PT為發射機功率（dBW）,

AD為功分器損耗（dB）,

AC為電纜損耗（dB）,

Aa為天線激勵效率（dB）,

X為A點距天線的直線距離（m）,

L為電波在隧道中的傳輸損耗（dB/m）。

由于在洞內設多站,因而就存在一個相鄰站間相鄰天線間的距離的設計,如圖4所示。設計的原則是一方面A、B站要穩定工作,即Aa天線發射不能讓Bb天線接收,反之亦然,否則就會發生自激;另一方面又不能存在通信死區或大的同頻區,圖中a1、b1曲線所示為理想情況,X1為死區,X2為同頻區,一般設計出來存在一定的同頻區,但X2不能太大。

圖4 洞內天線設計

在設計端站時,主要考慮洞外站天線與相鄰的洞內第1個站的最外一個天線間的距離。為了穩定工作,在工作時,NO2的最外一個天線輻射的能量不能讓N01的天線收到。平時NO1的天線的能量也向洞內輻射,但當有車進入時,由于車堵住了洞口段,NO1的能量進入洞內很少,所以在保證穩定的情況下,X不能太大,一般由Ep（dBu）=137+PTAD-AC+2Aa-XL計算得到X。

1.4 接收門限控制

當機車在兩洞內服務區中間呼叫車站時,兩服務區洞內機（如No2和No3）會同時收到信號,如果對這兩機器不加控制,2個信號會同時傳到洞口機,洞口機將此信號發到車站臺,由于2信號的互相干擾,站臺的接收質量會受到嚴重的影響,為消除此干擾,采取接收門限控制技術,即通過接收門限的調整,使機車在隧道內任何地方呼叫時只能有一臺機器處于接受狀態,或2動內機同時接收的范圍很小（幾米以內）。

2 明區間弱場中繼通信

2.1 明區間弱場中繼通信的實現

明區間弱場中繼通信由首臺和尾臺完成,示意圖如圖5所示。首臺一般設在既能和車站臺溝通,又能和尾臺溝通的位置,如可能,盡量和站臺放在同一機械室內,這樣,架設天線和供電都很方便;尾臺設在既能和首臺溝通,又能覆蓋弱場區的位置。

圖5 明區間弱場中繼通信

f1代表工作頻率,f2代表中繼頻率,f1、f2的頻率要相差10MHz以上。假如機車在弱場區呼叫車站,尾臺就會收到機車發出的f1,同時轉發f2給首臺,首臺收到f2后轉發f1,站臺就會收到首臺轉發來的機車信號;同樣,站臺呼叫機車時,首臺收到f1后轉發f2,尾臺收到f2后轉發f1,機車就會收到站臺信號。

2.2 首臺和尾臺的位置設計

首臺和尾臺的具體位置的確定是系統設計最重要的一環,它直接關系到系統能否正常工作。首臺一般放在車站上,盡量和車站臺位于同一機房內,這樣有利于施工和調試;尾臺的位置要經過現場勘察、場強測試確定,既要保證中繼信號能很好地和首臺溝通,又要保證工作頻率信號較好地覆蓋弱場區。

2.3 同頻干擾的控制

當機車在首尾臺中間和站臺通話時,若站臺和機車能直接溝通,在通話時站臺同時就會收到2個信號:機車直通的f1和首尾臺轉回的f1,如果2信號電平相差不大,頻差落在話音范圍內,對站臺就會產生同頻干擾;同樣,機車也可能同時收到站臺直傳的f1和尾臺轉發出的f1,對車臺形成同頻干擾。為了避免此現象的發生,采用了監視直達信號場強,有條件轉發控制技術,即當機車臺和車站臺能較好地溝通時（場強達到設定值）,首臺或尾臺不再進行從f2到f1的轉發,使機車臺和車站臺直通,避免了同頻干擾的產生。

2.4 多次中繼問題

在一些特殊地方或弱場區距離車站太遠,經1次中繼無法滿足整個弱場區覆蓋時,可采用2次中繼或3次中繼的方法,但多次中繼后話音質量會受到一些影響,信噪比會差一些。

3 系統的特點

該系統是針對國內鐵路實際情況而研制的。根據中繼系統一般都工作在隧道、山區等惡劣環境的特點,系統在結構設計時采用了插件方式。每一個單元電路均置于一個屏蔽盒內,所有插件盒插于一個密封很好的外箱內。該設計使系統具有非常好的防水、防潮、防塵和防煙霧特性。隧道系統還采用了專門設計的平板天線,該天線具有體積小、厚度薄和密封性好的特點,非常適合隨道內的安裝。

該系統在解決弱場通信時,不論是明區間系統還是隧道系統,均不對車站臺和機車臺作任何改動和發生任何有線聯系,這極大地方便了施工和開通調試,相應降低了設備造價。

4 結束語

無漏泄電纜無線列調弱場區通信系統具有設備可靠、施工方便、投資小和使用靈活等特點,非常適合鐵路使用。該系統已通過鐵道部鑒定,系統中的隧道通信設備被評為國家級新產品,并獲得國家實用新型專利2項,目前已大面積應用于北京、河北、山西、遼寧、吉林、黑龍江、內蒙古、湖北和甘肅等鐵路通信弱場改造工程,為鐵路的安全運輸作出了很大貢獻。

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