應答器傳輸單元濾波性能優化研究

曹鶴飛，孟天旭，楊景博，向 磊

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070；3.北京鐵路信號有限公司，北京 102613；4.石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

1 概論

目前，國內工業化體系不斷完善，為適配經濟發展與民生需要，對軌道交通運輸系統提出更加嚴苛的要求。列車的運行安全與運輸高效主要依靠車載系統與地面系統相互配合實現。其中應答器結構由地面系統中的地面應答器與車載系統中的應答器傳輸單元主機（BTM）、車載天線3 部分構成，作為車與地之間的信息傳輸的渠道，保證列車行車環境的安全與可靠，如圖1 所示。因其整體分布跨度較大、所處電磁環境十分復雜，服役時會受到各個頻段的電磁干擾。如列車弓網離線產生的電弧放電、列車過分相時產生的電弧放電、車載各個電氣設備產生的電磁騷擾、雷電產生的電磁脈沖等都會對BTM 接收的信號準確性產生干擾。

圖1 應答器系統組成Fig.1 Balise transmission system composition

本文針對應答器易受電磁干擾的情況，基于電磁兼容三要素，給出通過優化BTM 濾波性能來提高應答器系統抗干擾能力的方案。根據優化后的濾波電路，制作濾波器。實現當BTM 既有的濾波模塊無法有效濾除干擾信號時，濾波器可進一步抑制BTM 受到的電磁干擾，最終測試應用本文所示濾波器的BTM 對接收信號過濾效果。

2 軌道電磁環境下應答器系統抗干擾研究

在列車運行過程中，BTM 干擾源如下。

1）分相區的脈沖信號。分相區處在供電區之間且放置絕緣裝置。在列車進/出分相區的兩個時刻，列車上設備會經歷斷電與上電，其內電子器件產生脈沖信號并通過空間輻射耦合至應答器。

2）弓網離線的電弧。列車通過受電弓與接觸網金屬導線的接觸實現列車內設備的供電。在實際列車運行中，因受電弓與金屬導線之間壓力不是恒定值，易出現接觸點振蕩、受電弓和接觸網短暫分離的情況。此時會出現拉弧放電現象，伴隨放電產生的高頻振蕩脈沖通過多條路徑耦合至底部設備，影響應答器的正常服役。

3）電氣設備的干擾信號。各類設備的線纜在車底鋪設的較為緊湊，構造的電磁環境極為復雜。應答器系統的車載天線與D 線纜在此工況下易受各類干擾信號的影響。

目前，鐵路系統的應答器規范是基于歐洲制定的應答器技術指標發展而來。部分學者針對軌道電磁環境下的應答器系統做了深入的研究。MariscottiAndrea 等針對受電弓產生的電弧展開相關研究，論述多種降低電弧對列車通信系統產生的電磁干擾的方法；Sharma 團隊針對鐵路信號設備對應答器傳輸系統干擾的問題進行相關研究；Y.Ballghllitil 研究了一種特定的評估方法針對來自鐵路通信系統外界電磁干擾；Sevillano 團隊對BTM系統電磁干擾的信號頻率范圍進行了相應的分析；V.Deniau 提出用于研究列車電磁干擾的新方法，分析了時域和頻域的測試結果；I Adin 分析了應答器系統電磁操作性以及可靠性評估之間的聯系。

應答器系統的抗干擾測試，一般采用80 MHz以上頻率的干擾信號來進行車載天線輻射抗擾度測試；車載天線與外界實現信息交流的信號頻率為3.9 MHz 及4.5 MHz，兩個頻點均小于80 MHz，天線無法對兩個頻點附近的干擾信號鎖定、抑制。從電磁兼容的三要素考慮，濾波法是常用的抗電磁干擾的方式，在應答器系統中，可通過優化BTM 的濾波性能來抑制電磁干擾。

3 濾波電路的優化及設計

對現有應答器濾波性能進行分析，使用測試系統對列車的應答器系統受擾故障進行模擬。針對現有的濾波問題，設計了一款7 階橢圓式帶通濾波電路。

選取帶通濾波器，通過設計時規定其內濾波電路中元器件的參數，實現通過預期頻率的信號、抑制干擾信號的功能。設計流程如圖2 所示。

圖2 帶通濾波器的設計方法Fig.2 Bandpass filter design method

3.1 濾波器的性能指標

3.1.1 濾波器的插入損耗

插入損耗用于表示濾波器抗電磁干擾能力的強弱程度，實際上是濾波器接入后產生的負載功率損耗。插入損耗等于濾波器接入傳輸系統前經過負載元件的功率與濾波器接入傳輸系統后經過負載元件的功率的比值，其中dB 表示相對值，表示插入損耗數值。當插入損耗數值變小時，表示濾波器抗電磁干擾能力在減弱，濾波效果越差。插入損耗計算具體如公式（1）所示。

公式（1）中，P1表示為不接入濾波器產生的負載功率損耗；P2表示為接入濾波器后產生的負載功率損耗；U1表示為不接入濾波時的負載電壓；U2表示為接入濾波器后的負載電壓；Z1表示負載阻值。

除公式運算，網絡分析儀直連濾波器也可測出插入損耗。在不考慮符號的情況下，其數值越小，濾波器抗電磁干擾能力越差。

3.1.2 濾波器的反射損耗

將濾波器等效為二端口網絡，當其內部阻抗與負載阻抗一致時，濾波器能夠保持以最大功率傳輸信號；當兩者不一致時，二端口會反射傳輸信號。因此在設計過程中，為了抑制干擾信號，需將濾波器內阻與干擾源阻抗設計為互相對沖，以此來反射接收到的干擾信號；設計內阻抗與預期負載的端口阻抗相匹配，以此保證期望信號的不丟失。對此，反射系數可以很好地反應外部設備與濾波器內阻抗的匹配程度，如公式（2）所示。

公式（2）中，Zin是端口外插負載的阻抗；Zs是濾波器本身濾波電路的阻抗。

可以看出，隨著反射系數的增大，濾波器反射信號占總體信號的比例會有所上升。

3.2 BTM主機濾波性能

BTM 在接收到車載天線傳輸的信號后首先是進行濾波。本文對現有濾波電路的S參數進行了測試，測試結果如圖3 所示。

當前S 參數測試結果表明，當前內置濾波器的通帶過寬。該濾波電路理想工況的中心頻率為4.23 MHz，頻偏為±283 kHz，實際通帶寬大致為3.2 ～4.9 MHz，直接導致了傳輸單元的接收板無法對干擾信號實現有效的過濾；且因其過度帶平緩，通帶衰減較大，在-10 dB 左右，減弱了3.9 MHz 與4.5 MHz 兩個頻點信號的強度，抑制了應答器傳輸單元對正常報文信息的接收。

用測試系統對列車的應答器系統受擾故障進行模擬，將應答器放置在車載天線下方，使用自制環天線對車載天線施加空間電磁場干擾。觀察施加干擾后應答器傳輸單元面板信號的閃爍情況，如圖4所示。

圖4 測試設備布置Fig.4 Test equipment layout

在列車行駛過程中，車載天線底面和應答器中心之間的垂直距離一般在22 ～46 cm 這個區間，取22 cm、28 cm、34 cm 這3 個位置點做應答器抗干擾試驗。結果如表1 所示。

表1 不同頻率、距離導致BTM故障對應的能量Tab.1 Energy corresponding to BTM faults caused by different frequencies and distances

由表1 可知，車載天線與應答器中心之間的距離越遠，BTM 故障所需要的信號強度越小。

3.3 濾波電路的實現

為盡可能提高應答器系統的抗電磁干擾能力，選取具有較窄通帶以及陡峭過渡帶的橢圓型帶通濾波器。

首先對濾波器進行歸一化處理，初步確定濾波器的階數及元件值，步驟如下：

1）計算低通濾波器的陡峭度系數。在0 MHz～4.8 MHz(fp) 間的波動幅度小于0.2 dB；在以6 MHz(fc)為起點的阻帶內，最小衰減為60 dB，如公式（3）所示。

2）查找歸一化表。參照估算橢圓濾波階數曲線，選擇在1.3 rad/s 處至少有衰減為60 dB 的橢圓低通濾波器至少為7 階。

3）確定歸一化濾波器元件參數。根據各個元件歸一化數據，利用公式對元件參數進行變換，如公式（4）所示。

最終，將所有元器件值乘以系數K，得到7 階橢圓型低通濾波器各個元器件的設計值。按照低通到帶通的電氣元件對應關系，在低通濾波電路4 種基本構成單元中找出與之對應的帶通濾波電路的基本構成單元，得到橢圓型帶通濾波電路，如圖5 所示。

圖5 橢圓式濾波電路Fig.5 Elliptic filter circuit diagram

其中，L1、C1串聯諧振于4.249 MHz；L2、C2和L3、C3兩個串聯諧振網絡構成了一個并聯諧振網絡，L2、C2串聯諧振于3.624 MHz，L3、C3串聯諧振于4.98 MHz；C4、L4串聯諧振于4.249 MHz，L5、C5和L6、C6兩個串聯諧振網絡構成一個并聯諧振網絡，L5、C5串聯諧振于3.7 MHz，L6、C6串聯諧振于4.878 MHz；C7、L7串聯諧振于4.249 MHz；L8、C8和L9、C9兩個串聯諧振構成一個并聯諧振網絡，L8、C8串聯諧振于3.294 MHz，L9、C9串聯諧振于5.479 MHz，C10、L10串聯諧振于4.249 MHz。

4 濾波電路的優化

4.1 濾波電路的仿真驗證

將本文第三節所得濾波電路導入仿真軟件運行，得到插入損耗及反射損耗，如圖6、7 所示。

圖6 插入損耗參數Fig.6 Insertion loss parameters

圖7 反射損耗參數Fig.7 Reflection loss parameters

軟件仿真得到的該帶通濾波電路的截止頻率為4.78 MHz。可見由傳統方法計算得到電路，其實測參數與設計計算時存在明顯偏差。

4.2 濾波電路的設計優化

如何使設計時預期與設計運行下的工況一致的問題是多目標、非線性的，各個目標相互制約、相互作用，不可能使所有目標函數達到最優解，通過折中權重等方式讓結果能滿足設計要求。本文選取3 個目標函數和多個決策變量，來構成濾波器的多目標優化問題。其中多目標優化問題可由公式（5）所示。

公式（5）中，x為決策變量；x=(x1，x2，x3...xn)為決策參數構成的決策變量；z=(z1，z2，z3...zn)為目標函數表達式；gi(x)為約束條件。

NSGA-II 算法是一種用于解決多目標優化問題的方法，它利用非支配排序來對種群中的個體進行排序，通過計算同一等級內個體之間的擁擠距離來保持種群的多樣性。該算法比較個體之間的優勢和劣勢，以逼近一個解決方案，同時在滿足終止條件時結束。NSGA-II 采用精英策略，保留了最佳個體，增強了搜索空間。這些特點提高了該算法在解決多目標優化問題時的效率和效果。算法流程如圖8 所示。

圖8 算法流程Fig.8 Algorithm flowchart

NSGA-II 算法從插入損耗、反射損耗以及群時延這3 部分入手，優化了原設計濾波電路的性能。具體要求插入損耗不低于-11 dB，反射損耗不高于-39 dB，并限制4.8 MHz 的群延遲不超過0.13 μs。

將優化后的電路重新仿真，并與優化前的結果進行對比，如圖9 ～11 所示。

圖9 優化前后插入損耗對比Fig.9 Insertion loss comparison before and after optimization

圖10 優化前后反射損耗對比Fig.10 Reflection loss comparison before and after optimization

圖11 優化前后群時延對比Fig.11 Group delay before and after optimization

仿真論述的是理想狀態下的電路。在電器元件實際運行時，電路元件和傳輸線之間的寄生效應是不可控的，會對濾波器本身運行造成一定影響。為準確地設計濾波器，必須考慮這些因素的影響，并在電路模型中加入傳輸線以及實際元器件，等效濾波電路如圖12 所示。

圖12 替換元件值后的濾波電路Fig.12 Filter circuit diagram after replacing component values

對等效后的濾波電路進行插入損耗的仿真驗證，結果如圖13 所示。

圖13 等效后濾波電路的插入損耗參數Fig.13 Insertion loss parameter diagram of filter circuit after equivalence

對比可得，等效前后仿真結果匹配性良好，將元器件進行等效并沒有影響濾波電路的性能。考慮實際元器件參數受頻率的影響，選擇將TDK 的元器件庫導入仿真軟件的元件庫中進行仿真，仿真計算得到的插入損耗如圖14 所示。

圖14 PCB板插入損耗Fig.14 PCB insertion loss

結果表明，實際插入損耗與設計時存在一定偏差，需進行優化。

在仿真軟件自帶的OPTIM 選擇器中選擇隨機優化器，設置各頻段優化目標：3.82 ～4.78 MHz，S21 ≥8.2 dB；2 ～3.7 MHz，4.88 ～6 MHz，S21 ≤53 dB。規定每個元器件實際生產中可以取值的范圍。最后通過軟件優化得到濾波電路實際生產時的元器件參數。代入新參數后，進行仿真驗證，如圖15 所示。

圖15 插入損耗的仿真驗證Fig.15 Simulation verification of insertion loss

可以看出，上述仿真得到的仿真數據與原理圖的仿真數據存在一定的差異，但在通帶、過渡帶以及阻帶仿真數據滿足設計要求。這主要是因為通過該軟件優化得到的濾波電路的插入損耗仿真與原理圖仿真得到的插入損耗，其兩者之間算法不同。

4.3 濾波器的制作與參數驗證

按照上述章節優化等效的濾波電路圖，制作濾波器實物，如圖16 所示。

圖16 七階橢圓帶通濾波器實物Fig.16 Physical diagram of a seventh-order elliptical bandpass filter

使用型號為N9917A 的安捷倫網絡分析模塊進行測試，將起始頻率設置成2 MHz、終止頻率6 MHz，采樣401 點。在相同狀態下，對比測試了選用既有濾波器和七階橢圓帶通濾波器時天線端口接收的頻譜波形，如圖17 所示。

圖17 濾波性能優化前后頻譜波形對比Fig.17 Comparison of Spectral Waveforms before and after Filtering Performance Optimization

可以看出，該濾波器可以較好地復現理論計算下的設計參數。對按傳統計算方法設計的濾波電路進行了仿真驗證并提出不足。在此基礎上結合NSGA-II 算法，對參數選取進行改進，并據此設計了可實際組裝的等效濾波電路，利用軟件針對其分布參數等因素進行了參數的仿真優化。

5 總結

本文介紹了應答器系統工作環境的復雜，提出通過優化應答器傳輸單元的濾波性能，來解決應答器系統的電磁干擾問題的方案。選取合適的濾波電路種類，設計出滿足理論要求的濾波電路，然后針對傳統方法得到的濾波電路存在誤差的問題，提出利用多目標遺傳算法來優化濾波電路，同時完成了實物濾波器的等效濾波電路。并針對分布參數的影響因素完成了元件參數優化選取，最后制作濾波器實物，進行實驗驗證，為后續應答器系統電磁干擾問題的解決提供參考。