鐵路無線通信系統(tǒng)功率/駐波測試主要問題及解決

王民蘇 鄧剛志 丁 川 馬知宇

王民蘇:成都鐵路局電務(wù)處 工程師 610031 成都

鄧剛志:成都鐵路局電務(wù)處 工程師 610081 成都

丁 川:成都通信段 工程師 610081 成都

馬知宇:成都鐵路局電務(wù)處 高級工程師 610081 成都

發(fā)射機射頻 (RF)輸出功率及天饋線駐波，是無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)，也是考核無線列調(diào)系統(tǒng)維護質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接反映系統(tǒng)的運用質(zhì)量。鐵路無線列調(diào)通信系統(tǒng)日常維護，通常使用通過式功率駐波測試儀進行RF功率/駐波測試。目前常用的駐波/功率檢測儀表主要為日本SX-400和W-540系列產(chǎn)品，美國43、44、4303及 AMP-16系列產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的大功率無線通信設(shè)備采用檢測RF功率放大器工作電流的方式，間接在線監(jiān)測射頻功放輸出功率，但是測試結(jié)果誤差較大，且不能反映天饋系統(tǒng)駐波比狀況，尤其在無線電通信效果不良時，由于缺乏合適的功率/駐波測量手段，不能及時、準(zhǔn)確地排查天饋系統(tǒng)故障，容易導(dǎo)致誤判，延誤通信。

1 射頻功率/駐波檢測的主要問題

1．檢測靈敏度低，無法檢測小功率設(shè)備的功率/駐波。上述進口駐波功率計均為指針式模擬儀表，檢測靈敏度低，射頻功率小于5 W時檢測誤差大，小于4 W時不能檢測天饋系統(tǒng)駐波比。而鐵路無線通信系統(tǒng)大量使用正是小功率無線通信設(shè)備，如無線列調(diào)，平面調(diào)車，電務(wù)、工務(wù)、供電維護和鐵路公安等部門使用的便攜電臺，及列尾主機，其發(fā)射功率多為1～3 W，差頻式中繼設(shè)備射頻輸出功率約為1～5W，射頻直放式中繼器設(shè)備射頻信號輸出功率通常不大于1 W。因此小功率無線通信設(shè)備的功率/駐波檢測成為無線通信系統(tǒng)日常維護作業(yè)、保證系統(tǒng)運用質(zhì)量的一大難題。

2．檢測誤差大、一致性差。在無線列調(diào)系統(tǒng)維護和運用質(zhì)量檢查中，經(jīng)常出現(xiàn)對同一臺通信設(shè)備使用不同的檢測儀表，得到不同功率/駐波測量結(jié)果的事例，同一維護工區(qū)配置的幾臺同型號或同類型儀表檢測結(jié)果遠(yuǎn)大于10%的允許偏差。此外，指針式儀表讀數(shù)誤差也可能造成測試數(shù)據(jù)不確定。

3．無法通過計量檢測來校準(zhǔn)測量結(jié)果，不滿足相關(guān)法律法規(guī)和系統(tǒng)維護工作關(guān)于檢測儀表應(yīng)定期計量校準(zhǔn)的要求。

4．日常操作使用不便。測試過程必須多次進行自校正、切換量程、轉(zhuǎn)換測試方向等操作，容易出現(xiàn)人為因素導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)錯誤;測試過程需多次發(fā)射，干擾正常通信。部分儀表必須根據(jù)正反向功率測試數(shù)據(jù)查表讀取對應(yīng)的駐波，現(xiàn)場使用極其不便。

2 功率駐波檢測數(shù)據(jù)

對于通過式功率駐波測試儀，功率檢測是駐波計算的依據(jù)，基于準(zhǔn)確測量功率的駐波數(shù)據(jù)才有意義。根據(jù)維護現(xiàn)場技術(shù)條件，以常用的SX-400檢測儀為例，以測量精度較高的綜合測試儀IFR-2945B作為基準(zhǔn)，在相同條件下分別測量同一個發(fā)射系統(tǒng)的功率與駐波。標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載阻抗50 Ω (駐波:1.02)。比較駐波測量誤差時，分別用 1.40、1.73、1.99三個不同駐波的假負(fù)載，功率測量值比較見表1、表2，駐波測量值比較見表3，表4。

表1 功率測量值比較一(功率駐波儀型號:SX-400，出廠編號:80942027E) /W

表2 功率測量值比較二(功率駐波儀型號:SX-400，出廠編號:71040060J) /W

表3 駐波測量值比較一(功率駐波儀型號:SX-400，出廠編號:80942027E)

表4 駐波測量值比較二(功率駐波儀型號:SX-400，出廠編號:71040060J)

上述測試數(shù)據(jù)具有以下特點:①對同一個信號的測試結(jié)果一致性很差;②功率測量誤差大，最高達(dá)到68.3%;③駐波測量誤差大，1.73的駐波實測只有1.15;信號功率約5 W時，1.99的駐波實測值只有1.25，將不合格的駐波誤判為合格。因此，這種通過式測試儀測量準(zhǔn)確度極低，完全不能反眏天饋系統(tǒng)的實際傳輸特性，不能保證無線通信系統(tǒng)的維護質(zhì)量。

3 檢測問題分析

為查找導(dǎo)致上述問題的根本原因，拆解分析了SX-400功率/駐波測試儀，其工作原理如圖1所示。從圖1中可以看出，該測試儀僅使用了簡單的定向耦合器和正反向切換開關(guān)、射頻檢波電路。由于正反向切換和信號耦合拾取部件的隔離度不足，導(dǎo)致正反向信號相互干擾;二極管檢波器非線性較差，且溫漂、參數(shù)離散性較大;因此這類儀表不能檢測小信號，檢測誤差大，不同儀表對同一信號檢測一致性較差，而且同一儀表對同一信號重檢的一致性也較差，不能準(zhǔn)確反映被測設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)。

4 提高檢測質(zhì)量方法

為了提高鐵路無線通信系統(tǒng)維護和運用質(zhì)量，針對功率駐波檢測質(zhì)量問題，結(jié)合成都鐵路局無線通信系統(tǒng)配置和運用情況，分階段開展以下工作。

4.1 提高無線列調(diào)系統(tǒng)RF信號功率/駐波檢測水平

在工程設(shè)計階段、系統(tǒng)設(shè)備招標(biāo)采購環(huán)節(jié)，加強與工程設(shè)計單位的協(xié)作，明確提出系統(tǒng)、車站、區(qū)間等無人值守設(shè)備的射頻功率駐波參數(shù)必須具有定量、遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，并明確具體技術(shù)指標(biāo)。

在設(shè)備制造階段，與系統(tǒng)設(shè)備制造商和功率駐波檢測器件制造商聯(lián)合，攻克小功率、寬帶射頻信號定向耦合器正反向比和射頻信號數(shù)字化處理等技術(shù)難題，研發(fā)數(shù)字化的功率駐波檢測模塊，并在車站電臺、區(qū)間電臺中全面配置，實現(xiàn)了無人值守設(shè)備的RF功率/駐波的定量、在線、遠(yuǎn)程檢測。無線列調(diào)系統(tǒng)RF功率/駐波遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊原理如圖2所示。

在設(shè)備安裝階段，借助系統(tǒng)網(wǎng)管功能，全面掌握沿線設(shè)備安裝施工情況，提高系統(tǒng)工程開通質(zhì)量和速度。

圖1 功率/駐波測試儀工作原理圖

圖2 無線列調(diào)系統(tǒng)RF功率/駐波遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊原理圖

在設(shè)備運行階段，與設(shè)備制造廠密切協(xié)作，不斷完善系統(tǒng)網(wǎng)管運用質(zhì)量，提高功率駐波遠(yuǎn)程檢測可靠性和準(zhǔn)確性。

4.2 擴展數(shù)字式功率/駐波檢測技術(shù)的運用范圍

在成功實現(xiàn)無線列調(diào)系統(tǒng)射頻功率/駐波在線檢測的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)有關(guān)廠家研發(fā)數(shù)字化、智能化便攜式的XY-402駐波比功率自動測量儀。該儀表采用數(shù)字式信號分析和計算機處理技術(shù)方案，對高頻信號進行放大、整形及線性化處理，提高小信號的監(jiān)測能力;通過高速、高精度的A/D對信號采樣，采用智能算法和修正曲線，獲得高的功率測量精度和駐波測量精度，有效地解決了中繼器、列尾主機、便攜電臺等小功率發(fā)射設(shè)備的射頻功率/駐波檢測。XY-402駐波比功率自動測量儀工作原理如圖3所示，面板如圖4所示。IRF-2945B綜合測試儀、SX-400與XY-402實測數(shù)據(jù)比較見表5、表6。從表5可以看出XY-402的功率測量值與IRF-2945B接近，駐波測量值與標(biāo)準(zhǔn)值相符。

表5 功率測量值比較三 /W

表6 駐波測量值比較 (測試頻率:457MHz)

圖3 XY-402駐波比功率測量儀工作原理圖

XY-402儀表特點:

1．自動測量操作。操作簡單，測試中不需要調(diào)校，僅需一次短暫發(fā)射即可自動測量正向功率、反向功率、駐波比等多種數(shù)據(jù)，不僅提高工作效率，而且大大減小現(xiàn)場測試對運用的干擾。

2．制造廠商提供產(chǎn)品校準(zhǔn)服務(wù)，能有效保證長期運用的測量準(zhǔn)確性。

3．LCD屏幕數(shù)字顯示測量數(shù)據(jù)?？蛇x不同計量單位，同時顯示多個測量值，讀數(shù)直觀、清晰。

圖4 XY-402駐波比功率自動測量儀面板

4．功率測量精度高，測量誤差＜7%;測試動態(tài)范圍大，無需人工切換量程，自動修正測量誤差;沒有讀數(shù)視角誤差及刻度誤差。

5．駐波測量精度高。方向性＞30 dB，駐波測量范圍1.0～99.99?？蓽y量射頻功率低至0.2 W的駐波，實現(xiàn)小功率的準(zhǔn)確測量。

6．可靠性高。使用中不需進行任何調(diào)校操作，無需配置調(diào)校開關(guān)、旋鈕，有利于減少儀表故障。

7．明亮的夜視背光，黑夜以及隧道等環(huán)境中均能方便使用。

8．全中文漢字操作界面，便于現(xiàn)場工人操作使用。

9．提供數(shù)字化應(yīng)用功能擴展，如遠(yuǎn)程計算機接口、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲等功能，適應(yīng)現(xiàn)場運用新需求。

10．性價比高，具有大動態(tài)范圍、高精度的功率/駐波自動測量能力。

目前，該系列設(shè)備的測量范圍已覆蓋450 MHz至1 GHz各頻段、0.2 ～50 W不同功率等級，實現(xiàn)鐵路無線通信設(shè)備的數(shù)字化、智能化RF功率/駐波檢測。

4.3 嚴(yán)格執(zhí)行計量法

在功率/駐波檢測模塊和儀表研發(fā)全過程以及設(shè)備運用中，始終抓住計量這個關(guān)鍵點，要求維護單位和廠家嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)規(guī)定。目前檢測儀表、模塊均已通過具有國家計量部門的技術(shù)鑒定和檢定。

5 總結(jié)

自2000年以來，這一新技術(shù)在成都局新建無線列調(diào)系統(tǒng)積極推廣運用，目前局管大部分線路的無線列調(diào)系統(tǒng)地面設(shè)備均配置數(shù)字式功率/駐波檢測模塊，實現(xiàn)了無人值守設(shè)備RF信號功率/駐波的定量、在線、遠(yuǎn)程監(jiān)測，為無人值守的無線通信設(shè)備開展?fàn)顟B(tài)維護打下基礎(chǔ)。通過多年運用，該技術(shù)對實時監(jiān)測設(shè)備技術(shù)狀態(tài)、及時發(fā)現(xiàn)和處理沿線無線通信設(shè)備和天饋線故障、縮短故障時延方面發(fā)揮積極作用，提高了系統(tǒng)維護水平和運行質(zhì)量。此外，通過積極推行數(shù)字式射頻功率/駐波檢測儀的運用，提高射頻直放中繼器、車載和便攜無線通信設(shè)備的檢測水平，準(zhǔn)確判定和處理用戶終端設(shè)備障礙，全面提高了系統(tǒng)運用質(zhì)量。

［1］ 中華人民共和國鐵道部．TB/T3052-2002列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)制式及主要技術(shù)條件［S］.2002.

［2］ 毛乃宏，俱新德.天線測量手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1987.

［3］ 劉學(xué)觀，郭輝萍．微波技術(shù)與天線［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［4］ 趙東元，樊虎，任志久.可靠性工程與應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［5］ 吳躍.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.