基于實時頻譜的GSM-R系統(tǒng)檢測技術(shù)淺析及應(yīng)用

孫晨

摘 要：傳統(tǒng)的頻譜儀以掃描的方式處理數(shù)據(jù)，又叫掃頻儀或者叫超外差式頻譜儀，具有測試頻帶寬，動態(tài)范圍大，噪聲低等特點。掃頻頻譜分析儀最初是使用純模擬器件構(gòu)建，之后一直隨著其應(yīng)用的不斷發(fā)展。當前一代掃頻頻譜分析儀也加入各種數(shù)字單元，如ADC、DSP和微處理器，但僅僅是中頻部分。基本掃描方法在很大程度上保持不變，最適合觀測受控的靜態(tài)信號。實時頻譜分析儀旨在解決瞬時動態(tài)射頻信號有關(guān)的測量問題，其基本概念是能夠觸發(fā)射頻信號，把信號無縫地捕獲到內(nèi)存中，并在多個域中分析信號，可以檢測和檢定隨時間變化的射頻信號。

關(guān)鍵詞：GSM-R系統(tǒng);實時頻譜;頻譜分析

目前，我國對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的檢測系統(tǒng)主要還是以電務(wù)檢測車或便攜式頻譜分析儀等人工形式為主。近年來在引進消化國外檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展了GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾測試及GSM-R網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)的國產(chǎn)化的研究，并在鐵路沿線實施定期網(wǎng)格化監(jiān)測以及A接口、Abis接口、PRI接口的信令監(jiān)測方面已經(jīng)有了工程實踐和比較完善的解決方案。如簡單的檢測平臺、檢測系統(tǒng)、網(wǎng)格化監(jiān)測及固定式監(jiān)測站、設(shè)備綜合網(wǎng)管、接口信令監(jiān)測、輪詢式檢測、列控系統(tǒng)無線超時、現(xiàn)場排查等不同的檢測手段和方法。但隨著前述原因引起的電磁環(huán)境劣化，這些傳統(tǒng)檢測方法越來越呈現(xiàn)出被動、低效、高成本及人員需求大等問題，因此實時頻譜儀的出現(xiàn)，對這些問題的有效解決起到了進一步的推動作用。

1 基于實時頻譜儀的檢測

實時頻譜儀在頻域和調(diào)制域測量中增加了另一個關(guān)鍵維度：時間;傳統(tǒng)頻譜分析儀對瞬時信號檢測能力的缺失如圖所示。

傳統(tǒng)頻譜分析儀以固定的步長掃描所設(shè)定的頻段，會漏掉在當前掃描波段之外的瞬時事件，如圖中Fb的突發(fā)信號。

數(shù)字熒光頻譜（DPX）技術(shù)，是一種新的頻譜顯示方式，它的原理是通過累積以時間為坐標截取的一段長度內(nèi)接收到的頻域信息，從而立體的展現(xiàn)出頻譜的三維信息，（縱軸為幅度電平值，橫軸為頻率，顏色深淺表示了信號出現(xiàn)幾率的高低）。

數(shù)字熒光頻譜技術(shù)的創(chuàng)新點為使用深淺不同的顏色信息展示無線信號在所測試頻域內(nèi)不同的出現(xiàn)概率，使得測試人員可實時發(fā)現(xiàn)相同頻點上或測試頻段內(nèi)是否存在若干出現(xiàn)概率不同的信號同時存在的情況。熒光頻譜技術(shù)可以將頻譜的觀測和統(tǒng)計在很短的時間內(nèi)完成，進而測量頻譜的重合度和占用度。

通過顏色深淺的不同將常發(fā)信號與偶發(fā)信號區(qū)分開來，可以展現(xiàn)出傳統(tǒng)頻譜儀信號幅度下隱藏的時間概率，這對在復雜的電磁環(huán)境下尤其是同頻干擾的分析提供了很好的支持。

2 鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)檢測中的實時頻譜儀應(yīng)用

2.1 竣工驗收過程中實時頻譜儀應(yīng)用的實例

在竣工驗收階段，為了保證避免將來系統(tǒng)內(nèi)部可能產(chǎn)生的干擾，特別是一切有害性干擾的產(chǎn)生，在調(diào)試階段可能容易被忽視，所以在基站子系統(tǒng)設(shè)備的靜態(tài)驗收階段，就應(yīng)該對射頻指標進行詳細的測試。

針對工程的實際情況，為了進行干擾的控制，進行測試內(nèi)容主要包括BTS設(shè)備的基本物理指標：輸出射頻頻譜（調(diào)制頻譜和開關(guān)頻譜）以及設(shè)備的雜散發(fā)射指標。

某實時頻譜儀為GSM無線信號發(fā)射機一致性測試提供了預(yù)先配置的單鍵測量功能，同時為在時域、頻域和調(diào)制域中全面分析復雜信號提供了深入的測試工具。對于GSM設(shè)備的測試人員，可以利用儀表的此項功能在頻域中觸發(fā)瞬時事件，能夠捕獲長信號進行深入分析，同時進行多域相關(guān)分析。

多域分析可以全面檢定信號，而不需多次采集，從而可以有效地查看復雜信號的特點，如多時隙混合GSM突發(fā)、包含多個功率電平的幀及跳頻信號。儀表提供了對這些情況的GSM解調(diào)測量，包括信號的誤差矢量幅度（EVM）、頻率和相位誤差與時間的關(guān)系、星座圖、眼圖、碼表等。當然還有進行傳統(tǒng)射頻測量的頻譜分析功能，下表給出了實時頻譜儀對部分射頻指標的測試依據(jù)。

2.1.1 調(diào)制頻譜測量

實時頻譜儀采集輸入信號，解調(diào)單個突發(fā)。從排序順序中心，在320 ms間隔上計算突發(fā)的頻譜。在載波偏移小于1.8 MHz時使用的RBW為30 kHz計算這一頻譜，在載波偏移為1.8 MHz～6 MHz時使用的RBW為100 kHz計算這一頻譜。最后，儀表把頻譜與GSM標準模板進行比較，確定測試合格與否，調(diào)制頻譜測量如圖所示。

2.1.2 開關(guān)頻譜測量

實時頻譜儀采集輸入信號，使用RBW為30 kHz轉(zhuǎn)換計算的頻譜。分析儀對多個突發(fā)使用峰值保持功能，把頻譜與GSM模板進行比較，確定信號測試合格與否，開關(guān)頻譜測量如圖所示。

2.1.3 帶內(nèi)雜散信號測量

實時頻譜儀檢測傳輸頻帶內(nèi)存在的雜散信號。為此，它針對載頻偏移使用相應(yīng)的分辨率，計算輸入信號的頻譜。指定傳輸頻帶中的最大峰值視為載波，其它峰值則顯示為雜散響應(yīng)，帶內(nèi)雜散信號測量如圖所示。

2.2 在運營線上的干擾檢測應(yīng)用實例

石太（石家莊-太原）客運專線，發(fā)現(xiàn)干擾的區(qū)間屬于山區(qū)丘陵地區(qū)，隧道群比較集中，線路周圍建筑較少，石太客專服務(wù)質(zhì)量測試如圖所示。

可以看到幾個地方都出現(xiàn)載干比下降，通信質(zhì)量突發(fā)6至7級的情況。已經(jīng)造成了無線通信干擾，給GSM-R網(wǎng)絡(luò)運行造成了嚴重影響。

在這種情況下使用實時頻譜儀進行測試，石太客運實時頻譜測試如圖所示。

此時鐵路基站小區(qū)場強值較低（即小區(qū)切換邊界），GSM-R信號被干擾淹沒。從測試顯示顏色看，干擾出現(xiàn)較為頻繁（偏紅）。上述的干擾情況如果使用傳統(tǒng)頻譜分析儀只可以看到整個GSM-R頻段的信號抬升，不能發(fā)現(xiàn)全頻段底噪抬升下干擾信號的特征。

在現(xiàn)有情況下，為了最大化的利用頻率資源，同時又要盡量的減少系統(tǒng)內(nèi)部以及外部的干擾發(fā)生，建議著重從以下幾點解決：

（1）建立和完善GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾監(jiān)測信息共享機制。各鐵路局集中分析鐵路總公司、鐵路局綜合檢測數(shù)據(jù)和接口監(jiān)測數(shù)據(jù)、網(wǎng)管監(jiān)測數(shù)據(jù)、DMS監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合C3通信超時情況，掌握網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量狀態(tài)。對初步判斷可能存在干擾的區(qū)段，鐵路局需要加強無線電干擾監(jiān)測，為干擾排查提供技術(shù)資料。

（2）加快鐵路無線電干擾監(jiān)測裝備和隊伍建設(shè)。按照《鐵路無線電干擾監(jiān)測系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》（鐵運【2012】269號）文件要求，各鐵路局應(yīng)盡快配備干擾監(jiān)測設(shè)備，組織培訓檢測人員，定期開展既有G網(wǎng)線路區(qū)段的電磁環(huán)境測試工作。按照線路及時間建立GSM-R電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫，掌握鐵路沿線無線電頻譜情況，對干擾問題實行閉環(huán)管理。對干擾頻發(fā)的區(qū)段，可協(xié)調(diào)地方無線電管理部門裝備固定式干擾監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)電磁環(huán)境的實時監(jiān)測和分析。

（3）積極開展GSM-R系統(tǒng)干擾防護技術(shù)的實驗。對移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)達、干擾嚴重、底噪過高的地區(qū)，加強GSM-R基站抗干擾技術(shù)研究和應(yīng)用試驗，在GSM-R基站裝設(shè)濾波裝置，提高基站系統(tǒng)對上行頻帶干擾的防護能力。

（4）規(guī)范鐵路部門與電信企業(yè)的共建共享合作。電信企業(yè)在鐵路車站、隧道、沿線利用鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)公眾移動通信系統(tǒng)時，各鐵路局需加強技術(shù)協(xié)調(diào)，指導運營商合理配置頻率和功率，采取技術(shù)防護措施避免干擾。

3 結(jié)語

鐵路GSM-R通信系統(tǒng)的頻率干擾問題的處理是高鐵建設(shè)和維護的重要內(nèi)容。根據(jù)GSM-R干擾監(jiān)測工作經(jīng)驗，分析了目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)中主要存在的干擾問題以及目前主流使用的監(jiān)測手段和方法，并針對目前監(jiān)測手段的局限，提出了使用實時頻譜分析技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析來進行干擾監(jiān)測的新思路。

參考文獻：

[1]金立新.高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及故障處理典型案例[M].北京：中國鐵道出版社，2011.