基于實時頻譜分析的鐵路無線干擾監測技術研究

么亮

1 鐵路無線干擾現狀及分類

鐵路GSM-R系統承載了司機與調度通信、無線車次號校核、調度命令傳輸、無線列控數據傳輸等與鐵路行車安全息息相關的無線通信業務［1］。根據近5年鐵路無線干擾監測單位對干擾監測情況的統計，共計監測鐵路沿線疑似干擾地點約1 200處，發現干擾近430處，占干擾監測總數的36%。干擾種類大致可分為電信運營商底噪抬升干擾，電信運營商基站設備發射大功率信號造成的阻塞、互調干擾，電信運營商直接占用GSM-R頻點造成的外網干擾，GSM-R網內同頻、鄰頻干擾，其他電氣設備造成的突發干擾等5類［2］。分析各類干擾產生的原因如下。

1）底噪抬升干擾。外網干擾主要是電信運營商基站或直放站發射的強信號對GSM-R下行全頻段底噪的抬升，影響范圍大、頻帶寬。底噪抬升主要由覆蓋高鐵的電信運營商網絡信號引起，其功率往往較大，通過頻譜儀掃頻發現底噪很高，淹沒了GSM-R信號，出現通話質量差、掉話現象，造成GSM-R網絡無法正常使用。

2）阻塞、互調干擾［3］。發生阻塞、互調干擾的主要原因是鐵路沿線電信運營商基站的發射頻率或基站發射機電性能指標下降產生雜散信號，由此產生的三階互調頻率信號進入GSM-R終端接收機后，產生非線性失真，底噪變大，導致通話質量差甚至掉話，對鐵路GSM-R信號形成干擾。

3）直接占用GSM-R頻點干擾［4］。主要原因是部分地區仍存在電信運營企業使用鐵路GSM-R頻點現象，直接造成對鐵路無線電專用頻率的干擾。

4）GSM-R網內干擾。隨著新建GSM-R線路的開通，頻率資源日趨緊張，在鐵路樞紐，并行、交叉線路的頻率資源難以合理規劃，造成通信通道間互相影響，易發生GSM-R網內同頻和鄰頻干擾。

5）其他干擾。發生由于其他電氣設備造成的突發干擾的主要原因是鄰近鐵路沿線的學校使用考試屏蔽器，居民樓內安裝的非法射頻發射機占用GSM-R頻點，高壓變電站的電磁環境復雜等，對GSM-R頻點造成電磁干擾。

2 干擾監測工作存在的問題

1）干擾監測方式被動。目前鐵路干擾監測工作以被動查找為主，當出現疑似影響鐵路通信業務的干擾時，鐵路局通信維護部門或者干擾監測單位再派員攜帶儀器前往疑似干擾地點查找干擾原因。當到達干擾地點時，往往由于干擾的突發性或者干擾源的消失，導致無法及時捕捉干擾信息和查找干擾源，因此干擾監測效率低。

2）干擾監測技術落后。目前鐵路干擾監測使用的儀表主要是以基于矢量信號分析技術的傳統頻域頻譜分析儀為主，捕捉到干擾信號后，需要具有較高技術分析能力的人員對頻譜信號進行現場分析判斷，從而查找干擾源。頻域頻譜分析儀僅能實現靜態干擾信息的捕捉，對鐵路沿線出現的突發性、實時變化的干擾信號的捕捉能力較弱。

3）鐵路沿線電磁環境復雜多變。隨著中國高速鐵路的大規模建設，以及既有450 MHz線路改為GSM-R線路，以GSM-R網絡承載鐵路通信業務的線路逐年上升［5］。鄰近高鐵地區以及城際鐵路周邊的社會活動頻繁，能夠產生電磁波的裝置大量增加，導致GSM-R電波傳播環境日益復雜，干擾電波類型和干擾源種類繁多，給鐵路維護人員監測干擾情況帶來了極大困難［6］。

4）干擾監測工作效率不高。我國鐵路線路具有運營里程長、地域跨越范圍廣的特點，干擾監測單位往往需要長途駕車趕到鐵路沿線的干擾地點進行干擾信號的捕捉和分析，一天只能監測個別干擾地點，無法對一條完整鐵路沿線的干擾情況進行全面統計分析。

3 干擾監測技術研究

3.1 傳統頻譜分析技術

傳統頻譜分析技術是通過“本振掃描+中頻濾波”分別獲取信號不同頻段的功率強度，因此無法在同一時刻獲取信號的全部頻域信息。如果時變信號的周期與傳統頻譜的本振掃描周期成整數倍，則可能永遠無法捕捉到頻譜。傳統頻譜掃頻信息分析技術見圖1。

圖1 傳統頻譜掃頻信息分析

傳統頻譜分析技術對無線干擾查找存在以下局限性。

1）適合于定點、靜態、長時間監測。由于采用的是頻譜掃描的方式，因此無法對整個被測頻段進行實時測量和干擾捕捉。

2）測試結果是頻率與信號強度的二維圖譜，對于某些干擾，很難描述清楚有用信號與干擾信號之間的關系。

3）適用于在基站關閉條件下進行干擾測量，不適合基站正常運行條件下的在線測量。

3.2 實時頻譜分析技術

如圖2所示，實時頻譜分析技術是將特定頻譜分量大小作為觸發條件，對信號進行高速測量，保證信號的處理速度高于采樣速度，確保信號不丟失；對信號進行快速傅里葉變換，將監測到的無線頻譜時域信號轉換成不同頻率下對應的振幅和相位。與傳統掃頻式頻譜儀相比，實時頻譜分析技術的最大特點是在信號處理過程中能夠完全利用所采集的時域采樣點實現無縫的信號測量，捕捉瞬時干擾信號。

圖2 實時頻譜分析技術原理

傳統的掃頻式頻譜儀一般只具備功率或者電平觸發，不能根據特定頻譜的情況觸發測量，因此對轉瞬即逝的偶發信號無能為力。實時頻譜儀的測量速率高，可以偵聽最小時長小于5.8μs的信號。用普通頻譜儀很難捕捉的短暫時間后消失的間歇性脈沖信號，用實時頻譜儀則很容易發現。實時頻譜分析儀掃頻信息如圖3所示，圖中顯示的顏色是某一信號出現的頻度，頻譜顏色較深（偏紅）說明該信號在所設時間段內出現概率高，較淺（偏藍）說明該信號在所設時間段內出現概率低，可以發現出現概率很小的跳頻信號及其他短脈沖信號，從而可查看傳統頻譜儀完全漏掉的信號細節，完整地呈現所觀察頻率范圍內的頻譜信息。

圖3 實時頻譜分析儀掃頻信息

4 實時頻譜分析技術在無線干擾查找中的應用

為解決傳統頻譜分析技術在鐵路無線干擾查找中存在的問題，北京鐵路通信技術中心牽頭，聯合中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所、上海諾恩科技有限公司開展了GSM-R干擾監測的研究，對傳統頻譜分析技術和實時頻譜分析技術進行了技術對比，研制了基于實時頻譜分析技術的GSM-R干擾監測系統。

4.1 系統構成及功能

基于實時頻譜分析技術的GSM-R干擾監測系統（以下簡稱實時頻譜分析系統），由實時頻譜分析儀和實時頻譜處理系統組成。其中，實時頻譜分析儀負責掃描電磁環境的頻譜數據；實時頻譜處理系統與實時頻譜分析儀通過網線相連，實現對實時頻譜分析儀的控制，負責頻譜信息的存儲和分析。

實時頻譜分析系統通過對相關干擾特性進行分析，開發了可以自動計算三階互調干擾、阻塞干擾、瞬時底噪抬升、同頻干擾、鄰頻干擾等多種干擾類型的軟件算法，在存在相應干擾事件的頻點上進行標注，顯示頻譜信息的干擾特性，無需維護人員進行復雜的干擾分析；同時能夠統計測試線路的所有干擾類型、發生地點、干擾頻點等，提供了干擾信息的自動記錄和統計功能。

實時頻譜分析系統既可安裝于高速鐵路動檢車上，實現對GSM-R全線的干擾監測和數據統計，也可用于地面固定地點的干擾查找；同時能夠結合高速鐵路動檢車GSM-R服務質量測試系統檢測出的不合格業務指標進行關聯分析，判斷干擾對鐵路通信業務的影響程度，極大地提高了干擾查找效率。安裝于高速鐵路綜合檢測車上的臺式GSM-R在線干擾監測系統構成見圖4。用于地面固定地點測試時，實時頻譜分析系統與GPS接收機通過串口相連，采用RS-232協議通信，實現GPS信息的實時采集以及干擾地點的確認。便攜式GSM-R在線干擾監測系統構成見圖5。

圖4 臺式GSM-R在線干擾監測系統構成

圖5 便攜式GSM-R在線干擾監測系統構成

4.2 應用案例

4.2.1 查找某高鐵沿線三階互調干擾和阻塞干擾

某高鐵線路隧道口設置的GSM-R頻點為932.2 MHz，動檢車經過此處時測試到GSM-R服務質量下降。經現場勘測，移動公司在隧道內做了公網覆蓋，使用傳統頻譜分析儀無法分析出干擾情況，而使用實時頻譜分析系統監測到該處存在移動基站，對GSM-R網絡的932.2 MHz頻點產生三階互調干擾和阻塞干擾［7］。

1）三階互調干擾分析。實時頻譜分析系統監測出的三階互調干擾頻率為937.8 MHz和943.4 MHz，三階互調頻譜產物的頻率為937.8×2-943.4=932.2 MHz。三階互調干擾頻譜見圖6。

2）阻塞干擾分析。經過實時頻譜分析系統測試，該處還存在移動公司936.8 MHz和937.8 MHz的大信號阻塞干擾。根據3GPP TS05.05《Radio transmission and reception》規 范5.1章 定義，阻塞信號頻點f與GSM-R服務小區頻點fo之差在800 kHz至1.6 MHz之間且阻塞信號強度大于-33 dB，或者f與f0之差大于1.6 MHz且阻塞信號強度大于-23 dB，則判定為阻塞信號。大信號阻塞干擾的實時頻譜分析圖見圖7。

4.2.2 查找移動公網跳頻干擾

高速鐵路綜合檢測車對某高鐵線路GSM-R服務質量測試情況如圖8所示，標記點GSM-R網絡A小區的下行方向載干比下降和通信質量惡化。從圖8可以看出，在該小區出現了概率很小的信號頻譜。正常情況下，一個GSM-R時隙信號在系統中的顯示應該是藍色。實時頻譜顯示顏色與信號出現的時間長度有關。時間越長，顯示顏色越深；時間越短，顯示顏色越淺［8］。

圖6 三階互調干擾頻譜

圖7 大信號阻塞干擾頻譜

圖8 某高鐵線路GSM-R服務質量測試情況

圖9 標記的頻點1 008（931.8 MHZ）應該是A基站的TCH頻點，但從信號強度上看，標記的信號比A基站信號的強度約高12 dB以上，可以認為該信號不是從A基站發出的。通過該信號呈現的顏色也可以認為不是GSM-R的語音信道（占用時間不足1/8時隙0.577 ms），經測試人員現場使用測試手機插入移動SIM卡進行測試，確認為移動公司跳頻信號，聯系移動公司修改頻點后，問題得以解決。

圖9 某高鐵線路實時頻譜分析圖顯示的突發信號

4.2.3 與GSM-R服務質量測試系統進行關聯分析

實時頻譜分析系統與高速鐵路動檢車GSMR服務質量測試系統可以關聯配合，對“切換失敗”“話音質量＞5級”“C/I小于5”“話音質量＞5級且C/I小于5”“傳輸干擾時間不合格”“傳輸無差錯時間不合格”6類服務質量問題進行測試［9］。當GSM-R服務質量分析軟件檢測出服務質量問題時，觸發實時頻譜分析軟件記錄當時的頻譜信息，并保存服務質量問題類型。通過點擊相應的問題類型，可以調用問題點的頻譜數據，確定不合格服務質量是否因為干擾引起。關聯分析功能如圖10所示，圖中左側為GSM-R服務質量測試數據，發現某高鐵線路GSM-R基站覆蓋區段部分GSM-R服務質量指標測試不合格；圖中右側部分為實時頻譜分析數據，右側上圖以事件列表方式記錄了每次服務質量不合格發生的地點，點擊每個服務質量不合格事件，可以查看指標不合格地點的實時頻率圖，分析是否由干擾引起。

4.2.4 對高鐵沿線干擾情況進行自動統計分析

利用實時頻譜分析系統的統計功能，可以對動檢車測試過程中整個線路的干擾情況進行自動統計和分析。表1為某高鐵線路的干擾統計情況，主要存在三階互調、大信號阻塞等干擾。

圖10 GSM-R服務質量問題與實時頻譜數據的關聯分析

表1 實時頻譜分析系統對某高鐵線路的無線干擾情況

5結束語

高鐵無線干擾的排查是一項復雜、艱巨的工作，技術人員需要全面掌握通信系統的工作原理和工作方式，具有熟練操作測試設備的技能，以及一定的無線干擾數據分析經驗，并善于總結經驗和加以運用，通過對大量頻譜數據的分析，準確、快速地判定干擾信號。在提高技術人員業務素質的基礎上，配備性能良好、功能完善、操作便利的干擾監測系統，對于做好高速鐵路無線通信系統的運營、維護工作具有積極作用［10］。

基于實時頻譜分析的GSM-R在線干擾監測系統實現了對分散的干擾信息的自動數據統計分析，為鐵路無線干擾的大數據分析提供了便攜的工具，便于掌握全路各線的無線干擾情況，為鐵路無線網絡的維護提供了強有力的科學手段和便利條件。