車載STP設備接收靈敏度的測量方法

張桂萍

無線調車機車信號和監控系統（STP）是計算機集成的控制系統［1］,通過與計算機聯鎖系統等聯網,將調車信號、進路及調車作業單等信息,由無線信道發射出去,調車機車載設備接收、解碼后將信息同步顯示在車載顯示器上,實現對調車作業的安全防護控制［2］。信息傳輸是車地控制的先決條件,如果無線信道出現故障,就無法實現調車監控的最終目的,一切聯鎖控制都無法實現。

新豐站站場為國內第一大編組場,日均編組量100余列；調車業務異常繁忙,調車車載設備運用頻繁。車載STP設備一旦發生故障,將會打亂正常的調車作業秩序,因此加強對車載STP設備的日常檢修,及時發現并消除設備隱患是維護管理人員義不容辭的責任［3］。經過統計調查,段管內STP設備安裝運用調車機35臺,投入使用時間為2011年9月；由采用微處理控制和數字信號處理（DSP）技術的數傳電臺（MDS-4710型）,提供高可靠的通信服務,實現車地信息雙向無線傳送。

1 設備故障的發現及分析

自2019年5月,維護人員多次收到調車機司機故障申報,主要問題是車載STP設備無法正常收碼、亂碼等。此類故障占設備故障總件數的42%,嚴重影響了調車機平面調車作業安全。對此,聯系設備生產廠家,多次對地面和車載STP設備進行系統測量［4］,包括作業現場多次勘察,翻閱大量技術資料、查詢相關測試規范及管理辦法,用場強儀分別對發生故障的7個站場的地面STP設備進行檢測,保證450 MHz信號場強良好覆蓋,無信號盲區等。

經過近2個月的全面跟蹤和分類歸納,發現由于STP設備使用年限長,運用質量呈現逐年下降的態勢。日常檢修中,除了對其電源部分、CPU板、CAN通信板進行功能檢測外［5］,還必須對車地信息傳送的MDS-4710型數傳電臺、發射機和接收機,以及車載、地面STP設備天饋系統駐波比性能進行量化檢測［6］,才能判斷其是否滿足技術規范要求。

但實際檢測中發現,由于數傳電臺使用了定制化的調制和解調方式（連續相位頻率鍵控CPFSK調制和采用Virterbi解碼器解碼）,雖然對發射機部分可以用CMS50綜合測試儀進行功率和頻率測試,天饋系統通過天饋線測試儀表可以準確地測量天線駐波比指標,判斷天饋系統的性能優劣,但是對接收機,使用鐵路系統現有裝備的測試儀表,如無線電綜合測試儀、射頻信號源、頻譜儀等,無法進行量化指標驗證,從而無法達到正常測試要求；而現有的抓包軟件,雖然可以對接收誤碼率進行測試判斷,但是還缺少標準調制信號和相應的信道仿真,所以依然不具備對接收機進行接收靈敏度的測試條件。用于測試的標準調制信號,雖可以通過MDS-4710型信道機的發射機提供,但由于其輸出功率固定為5 W（+37 dBm）,在沒有可控信道衰減的情況下,無法滿足MDS-4710型信道機最大可用靈敏度不超過-113 dBm的測試需求。

2 解決辦法

2.1 問題焦點

數傳電臺接收機的接收靈敏度無法測量,關鍵在于現有的綜合測試儀無法模擬輸出信號源。針對這個問題,設想用既有地面設備,通過軟件進行固定功率信號的正常發射,接收端經過加裝一個可調射頻衰減器,量化衰減天饋線接口的接收信號,配合觀察車載設備誤碼率變化,就可以測量出數傳電臺的接收靈敏度。

根據這一思路,使用市售的射頻衰減器搭建了一個可以滿足測試需求的、量化可控的衰減器陣列,并協同設備生產廠家,經過多次現場試驗,探索出一種用衰減器陣列測量車載STP設備接收靈敏度的測試方法。該衰減器陣列由2個30 dB衰減器和1個0～75 dB可調衰減器組成。當3個衰減器串行接入時,可以提供60～135 dB的衰減量。對于STP地面設備發射機所提供的+37 dBm（5 W）輸出信號,可以在車載設備主機接收機射頻口處,將其功率衰減一個固定電平值,即可滿足MDS-4710型信道機固定輸出功率為5 W（+37 dBm）,最大可用靈敏度在-113 dBm的測試需求。

2.2 衰減器陣列組件的連接

衰減器陣列:固定衰減器1,固定衰減值30 dB；可調衰減器2,衰減調節范圍0～75 dB；固定衰減器3,固定衰減值30 dB。

可調衰減器2的一端通過射頻頭和固定衰減器1連接,另一端通過射頻頭和固定衰減器3連接,其中固定衰減器1和固定衰減器3為相同分貝的固定衰減器,其連接示意圖見圖1。

圖1 衰減器陣列組件連接示意圖

3 測試方法

3.1 確定機械室調監地面設備發射機輸出電平

1）測試前對功率計進行校準和歸零。

2）將調車信號地面機械室調監設備的射頻輸出端口接入功率計。

3）通過計算機控制軟件控制地面機械室調監設備,進行射頻信號的輸出。

4）關閉發射機射頻信號的輸出。

5）連接好地面機械室調監設備的天饋線系統。

3.2 測試接收靈敏度

1）第一組人員通過計算機控制軟件使調車信號機械室調監地面設備進行射頻信號輸出（控制設備進行間歇性發射不超過3 min）［7］。

2）第二組人員在地面安裝車載STP設備1臺,室外架設450 MHz天饋系統1套,通過場強儀測試天線射頻口工作頻率的電平值,作為天饋線接口接收的基準電平；然后,在車載設備射頻口和天饋系統射頻口之間,串聯一組可調衰減器（根據測試的射頻電平值,搭建不同的串聯衰減器組）,逐次慢慢調節0～75 dB可調衰減器衰減值,使車載設備接收信號,記錄此時的衰減值。

3）通過接收數據的抓包軟件進行接收誤碼率分析。

4）通過接收誤碼率數值判定接收設備的靈敏度是否達標。

5）如果接收誤碼率超標,則減小可調衰減器的衰減值,并再次分析記錄接收誤碼率,一直減小到可調衰減器的衰減值,使接收誤碼率剛好合格為止。

6）人工計算機車設備的接收靈敏度電平（門限）值,即天饋線接口接收的基準電平減去衰減值。

4 數據分析

根據以上思路及測試方法,在浐灞車站進行了現場測試驗證。以浐灞車站地面STP設備為信號發射源,通過軟件控制地面設備發射標準功率調制信號,在車站附近臨時架設天饋系統,利用5臺備用車載STP設備模擬調車機設備進行測試驗證。測試數據見表1。

表1 浐灞車站現場測試車載STP設備的接收靈敏度驗證

數據分析:從序號1中可以看出,序列號012250611602010000042106的車載設備,電臺工作頻率為458.35 MHz,車站設備發射信號時,車載天饋射頻口接收到的基準電平為-61 dBm,（因為天饋系統不變,只更換不同的車載備用設備進行測試驗證,所以此天饋系統收到的電平值不變）,此電平值遠遠超過車載STP設備的接收靈敏度門限指標-113 dBm,因此需要加入可調衰減器陣列,由大向小依次調節可調衰減器的衰減值,通過軟件觀察車載設備誤碼率也跟隨其由大向小變化。

當衰減器調為56 dB時,誤碼率剛好為0%,此時接收靈敏度為-61-56=-117 dBm,此電平值優于設備指標門限值-113 dBm,滿足MDS-4710型信道機的技術要求,故此序列號為012250611602010000042106的備用車載設備的接收靈敏度合格。用同樣方法測試其他3臺設備的指標,得到的接收靈敏度均優于設備指標門限值-113 dBm,同時滿足技術規范要求。

通過現場試驗證明,此方法可以準確測試出車載STP設備接收靈敏度的量化指標,當設備發生故障時,利用此方法檢測數傳電臺的接收機工作狀態,可以發現車載STP設備無法正常收碼、亂碼等方面的設備故障,及時調整、更換不合格設備,降低故障率,提高了工作效率,為鐵路安全生產奠定了基礎。

5 設備優點

1）測試設備安全性高。2個固定衰減器可提供60 dB的衰減量,即使可調衰減器出現誤操作,也可以保證將被測信號衰減至安全水平,而不會對被測接收機造成損壞。

2）測試設備在射頻通路中具有良好的可靠性。固定衰減器的端口駐波比可以滿足駐波比測試條件,在射頻通路中串入固定衰減器,可以有效改善射頻通路整體的駐波比特性。

3）保證測試設備的靈活性。固定衰減器和可調衰減器可以根據不同站場的信號強度,搭建出不同的衰減器陣列,提供不同的衰減量控制范圍,滿足不同場景的使用。

6 結束語

伴隨著鐵路運輸事業的不斷發展,車載行車設備作為鐵路運輸安全生產中的重要角色［8］,各項維護工作不容有絲毫差錯。采用衰減器陣列測量車載STP設備接收靈敏度的方法,在檢修方面提供了一種量化可控的測試手段,為提高設備維修質量,減少設備行車安全隱患提供了保障,該測試方法具有一定的實用價值。