STP-yh系統無線通信損耗來源分析及技術要求

苑江濤，王新勇，馬金鑫，張少磊

(北京華鐵信息技術有限公司，北京 100089)

STP-yh系統在無線通信故障處理方面的壓力與日俱增，嚴重影響STP-yh系統的正常運行。通過對STP-yh系統在無線通信損耗來源的全面分析，幫助現場管理單位快速、準確定位故障原因并及時高效處理。同時為STP-yh系統進一步推廣應用掃清障礙，保障鐵路調車作業安全。

1 STP-yh系統無線通信簡介

STP-yh系統地面有A、B兩塊電臺，車載有一塊電臺。A機主用時，A電臺發送無線信號，A、B電臺同時接收無線信號，收發頻率相同。在一個站場，選用一個200 MHz、400 MHz、450 MHz頻段附近的頻點。下面給出STP-yh系統的無線通信基本參數，用于后文的分析。

1）車載和地面電臺功率一般設置為最大5 W（37 dBm）；

2）車載和地面電臺靈敏度均為-112 dBm；

3）地面全向共線陣天線增益為10 dBi；

4）車載全向同軸諧振天線增益為2.5 dBi；5）車載天線離地高度約4.8 m；6）使用STP-yh系統的車站方圓半徑約3 km。

2 STP-yh系統無線通信損耗來源分析

1）自由空間中電磁波的損耗

在自由空間中，由弗里斯傳輸方程得到傳輸損耗Lfr的值，如公式（1）所示[1]。

其中地面、車載天線增益分別為Gt、Gr，d為車地天線間距離，f為電臺頻率。由公式（1）可知，在自由空間中距離越遠，頻率越高，損耗越大。且距離或頻率增大一倍，損耗均增加6 dB。

2）STP-yh系統無線通信的空間傳輸損耗

利用典型Hata-Okumura模型的曲線法分析，任意地形地區傳輸損耗Lm的值如公式（2）所示。

其中，hb、hm分別為地面、車載天線高度。Am(f，d)為hb=200 m、hm=3 m時在中等起伏的大城市市區的中值傳輸損耗，Hb(hb，d)為地面天線高度相對于hb=200 m時的增益因子，Hm(hm，f)為車載天線高度相對于hm=3 m時的增益因子，均與頻率f或者距離d有關。Kmr、Qo、Qr、Kh、Khf、Kjs、Ksp、Ks分別為郊區、開闊區、準開闊區、丘陵區、丘陵區微小修正、孤立山岳區、斜坡地、水陸混合區修正因子，均可以查表得出具體數值[2]。

分別在中等起伏大城市市區、郊區條件下，假設STP-yh系統地面天線高20 m，通過查表計算對應頻率為200 MHz、400 MHz、450 MHz時的傳輸損耗Lm和距離d的關系，如圖1所示。

圖1 郊區和城市不同頻率下傳輸損耗Lm與距離d的關系Fig.1 Relationship between transmission loss Lm and distance d at different frequencies in suburbs and cities

由圖1可知，在郊區STP-yh系統無線通信的傳輸損耗約為80～90 dB，中等起伏大城市傳輸損耗也僅約為100～110 dB。而STP-yh系統車載和地面電臺靈敏度均為-112 dBm，最大功率均為37 dBm，即傳輸損耗只要不高于149 dB即可正常通信。因此STP-yh系統的傳輸損耗余量高達39～59 dB，即正常情況下系統無線信號完全能滿足現場需求。

3）STP-yh系統無線通信的饋線損耗

STP-yh系統車地電臺饋線均采用同軸電纜，本身具有良好的屏蔽效果。同軸電纜的損耗包括阻抗不匹配損耗、陳化損耗、泄漏損耗等[3]。

STP-yh系統選用的饋線其特性阻抗均為50 Ω，理論上與電臺阻抗匹配，其損耗可以控制在合理范圍。陳化損耗是同軸電纜自身參數隨使用時間的延長發生變化而造成的損耗。質量合格的同軸電纜，在使用5年以后信號損耗要增加20%～50%。泄漏損耗是指同軸電纜屏蔽層泄漏、接頭接觸不良泄漏等造成無線信號衰減帶來的損耗。

對于以上損耗，通過選擇質量合格的線纜，注意施工防護等，可以有效地降低饋線損耗。如某公司生產的型號SPDL的7/8同軸電纜，其百米損耗在200/450 MHz頻率時分別約為1.72/2.65 dB。而STP-yh系統地面/車載同軸電纜長度分別約為80/8 m,即饋線總損耗一般在3 dB以內。相對于高達39～59 dB的傳輸損耗余量，饋線損耗理論上不足以導致STP-yh系統無線通信中斷[4]。

4）STP-yh系統無線通信的互調干擾損耗

互調干擾是由兩個或多個不同頻率的信號輸入到非線性電路產生的，其中三階互調干擾最為嚴重。產生三階互調干擾時，信號之間的頻率滿足如公式（3）[5]所示條件：

fi、fj、fk均為現場在用頻率，fx為這3個頻率互調形成的干擾頻率。如 圖 2（a） 所 示， 411.125 MHz和412.125 MHz互 調 產 生 410.125 MHz三階干擾；410.125 MHz、412.125 MHz和411.125 MHz互調產 生 411.125 MHz三階干擾；411.125 MHz和410.125 MHz互 調 產 生 412.125 MHz三階干擾。但如果將 411.125 MHz 改為 411.825 MHz，三階干擾頻點將和選定頻點很好的避開，如圖2（b） 所示。

圖2 三階互調干擾對比計算Fig.2 Comparison calculation of third-order intermodulation interference

5） STP-yh系統無線通信的接地干擾損耗

系統設備地可分為安全地、高頻地、低頻地、信號地、工作地、數字地、模擬地等多種，接地的方式也可分為懸浮接地、單點接地、多點接地、復合接地等。接地的目的主要是防止設備漏電、避免設備相互干擾、保障設備穩定運行。接地是系統電磁兼容性設計的重要因素。

接地基本設計原則有:選用低阻、短、扁、粗的地線；盡可能避免環形接地回路；不同類型、不同設備的地盡可能分開；低頻電路采用單點接地；高頻電路采用多點接地 ；對于較復雜的電子系統應權衡利弊后采用混合方式接地。

STP-yh系統地面電臺一般安裝在現場通信機械室，室內有眾多其他鐵路高頻通信設備[6]。并且調車機車上還有列車無線調度通信設備、機車控制器、調車手持機等眾多高頻無線設備以及大功率電路。因此尤其要處理好高頻干擾和大功率電路干擾。

6）STP-yh系統無線通信的其他損耗

由于STP-yh系統無線通信設備的復雜性，以及現場環境的多樣性，仍然存在著諸如繞射損耗、接頭插入損耗、同頻干擾損耗、鄰頻干擾損耗等多種損耗來源[7]。鑒于繞射損耗已由Hata-Okumura模型包含在內，插入損耗較小，同頻、鄰頻干擾等易于通過頻點選擇避免，因此均不再詳細介紹。

3 STP-yh系統無線通信技術要求

1）無線頻點選擇技術要求

調研車站在用的所有無線頻點，避開同頻干擾和鄰頻干擾[8]。通過計算三階互調干擾，避免選用的頻點產生互調干擾。選用頻點應在電臺和天線的帶寬內，并盡量接近其中心頻率。

2）地面控制機柜技術要求

所有柜門的地線必須接上，防止和其他設備間相互干擾。地面電臺建議接1.5 m長的1/2軟饋線到機柜底部靜電地板下，避免硬饋線打彎過大造成的衰耗。饋線防雷模塊應放在靜電地板下，并分別就近獨立接地。機柜地線匯流排接地點和饋線接地點之間應盡可能遠，并和其他設備接地點避開。機柜內電源線、信號線分開走線。

3）地面電臺饋線技術要求

A/B饋線分別穿入兩根金屬波紋管防護，且金屬波紋管兩端接地。保證饋線內接頭處錫箔紙完整且接觸良好。饋線穿墻處需再次接地以便此處干擾電流及時流入地網[9]。室外防雷箱離地越低越好，箱內地線建議分開接室外地極，避免A/B饋線屏蔽層由于地線間接相連造成彼此干擾。鐵塔上接地均應分開接鐵塔塔體，并做好防銹防水措施。饋線嚴禁打彎超過90°，且預留不可過多，并要求盤圈成“8”字形。若預留饋線在樓頂，應盤于樓頂地網下以屏蔽其他天線干擾。

4）地面天線技術要求

兩天線所在平面盡量垂直站場方向。慎用高增益天線，更換高增益天線時注意其主波瓣寬度，使欲增強的區域在此寬度范圍內。天線若在站場中心，正常應垂直安裝，不能有傾斜度。天線若在站場一側，可傾斜一定角度增強遠端信號強度。天線安裝附近應無遮擋，嚴禁天線桿緊靠鐵塔，否則會影響輻射效率和方向圖。

5）車載天線技術要求

安裝位置越高越好。正常情況下嚴禁傾斜安裝，影響主波瓣朝向。安裝位置應靠近機車一側。車載天線地網慎用，可能影響天線方向圖、減小主波瓣寬度。

6）車載天線饋線技術要求

車頂天線饋線應做接地處理，天線饋線走線盡量不要緊靠車內車體、電源線、其他饋線等，避免電磁干擾。對于明顯靠近以上干擾源的地方，應再次接地，或用錫箔紙將此部分包裹以避免干擾。

7）車載主機技術要求

車載主機應接地。饋線應和主機機殼絕緣，避免高頻干擾進入車載主機其他板卡。車載天線饋線在車載主機一端應用短粗的地線直接接地。

4 結論

通過對STP-yh系統無線通信在空間傳輸、車地饋線、互調干擾、接地干擾等方面的損耗分析，同時給出在頻點選擇、機柜接地、地面天線和饋線、車載天線和饋線、車載主機等方面的具體技術要求以降低傳輸損耗。為STP-yh系統在設計、施工以及維護方面提供參考依據，有利于降低后期改造升級和維護成本，并切實提升系統的穩定性以及安全性。