无漏泄电缆无线列调弱场区通信系统设计

田永水

（中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081）

0 引言

为了保证铁路运输的安全,提高铁路运输的效率,在列车运行中,列车应该随时能够和车站进行无线联络,车站通过无线调度电话对列车进行调度（无线列调）。在无线列调的通信中,所使用的无线电台的频率在150MHz频段和450MHz频段。在这2个频段上,电波的传播特征为视距传播,即传播距离有限。在铁路隧道内,150MHz频段无线信号只能传输100m左右,450MHz频段无线信号也只能传输1000m左右。由于山区路堑和隧道的存在及城市高楼大厦的阻挡,使无线列调系统存在着许多盲区和弱场区,影响行车安全,必须加以解决。

原有的一些中继手段,如普通漏泄电缆中继器系统和区间中继台等,很难解决同频中继的难题,不适用于同频单工方式的无线列调弱场区中继系统。而国内很多铁路线的无线列调都是采用C制式,即同频单工的工作方式。无漏泄电缆无线列调弱场区中继通信系统解决了以上难题,该系统可用于同频单工、异频单工和异频双工等系统。本系统包括隧道内弱场中继通信和明区间弱场中继通信。

1 隧道内弱场中继通信

电波在隧道内和自由空间的传输特性不同,电波在自由空间和隧道内传输衰减比较如图1所示,电波在隧道内的传输损耗和频率的关系如图2所示。

隧道内弱场中继通信系统一般由洞口机和洞内机组成,如图3所示。图中P表示特制平板天线,D为功分器,S为隧道中继器。

图1 电波在自由空间和隧道内传输衰减比较

图2 隧道内的传输损耗和频率的关系

图3 隧道内中继系统

1.1 隧道内中继通信工作原理

No1为洞口机,它的天线架在洞口外面,架设高度和方向以能较好和站台沟通为标准,它的作用就是负责和站台沟通。No2和No3为洞内机,负责隧道内场强覆盖。

把隧道分成几个通信服务区（有几台洞内机,就有几个服务区）,如No2和No3服务区,当机车在隧道内呼叫车站时,处在某服务区的洞内机（以No3为例）就会收到机车发出的f1,同时,No3将话音、信令和其他信息通过电力线传送到所有洞内机和洞口机（No1和No2）,所有洞内机和洞口机（No1和No2）收到有线传来的信息后同时变为发射状态,洞口机No1发出f1信号就会传到车站上,这样,车站台就会收到机车发出的信号;同理,当车站呼叫机车时,No1收到f1后,将收到的信息通过电力线传送到所有洞内机No2和No3,No2和No3收到有线传来的信息后同时变为发射状态,这样,隧道内的机车台就会收到车站台发出的信号;从而实现了机车台和车站台之间的通信。当然,因为隧道通信系统采用了一收同发技术（只要有一台接收,其他机器都处于发射状态）,从而也实现了隧道内各移动台之间的通信。

如果洞口机和车站台不能较好地沟通,则需要在站台附近增加一首台,使首台的工作频率和站台沟通;首台的中继频率和洞口机沟通即可。

1.2 动口机和动内机位置选择

动口机的位置和天线架设高度要以动口机能和车站台很好地通信为原则,动口机配备的天线一般为高增益定向天线。隧道中继器设置的多少取决于隧道的长度、宽窄、弯曲程度、工作频率和工作制式等因素。根据实践经验,对于150MHz频段,2个动内机相距300m左右;而对于450MHz频段,2个动内机可相距1000m左右。

1.3 洞内天线设计

当车站呼叫机车时,若机车正好处在两洞内机服务区的末端天线中间（如No2和No3服务区）,由于两服务区洞内机（如No2和No3）同时发射信号,如果两信号电平相差不大,频差落在话音范围内,对机车台就会产生同频干扰。为消除此干扰,在进行系统设计时,要进行现场勘察,根据隧道的具体情况,合理地布置动内机和平板天线;调试开通时可调整发射功率和天线位置,使相临两动内机末端天线的场强覆盖的重叠区尽量小（几米范围内）。因为此重叠区可控制在几米的范围内,对于相对高速行使的列车来说,可忽略对机车台的影响。系统的设计,主要工作是场强分布的计算,其考虑原则是,既要满足场强覆盖率的要求,又要满足系统稳定工作的要求。

在隧道中某点A处的场强EA可表示为:

式中:

PT为发射机功率（dBW）,

AD为功分器损耗（dB）,

AC为电缆损耗（dB）,

Aa为天线激励效率（dB）,

X为A点距天线的直线距离（m）,

L为电波在隧道中的传输损耗（dB/m）。

由于在洞内设多站,因而就存在一个相邻站间相邻天线间的距离的设计,如图4所示。设计的原则是一方面A、B站要稳定工作,即Aa天线发射不能让Bb天线接收,反之亦然,否则就会发生自激;另一方面又不能存在通信死区或大的同频区,图中a1、b1曲线所示为理想情况,X1为死区,X2为同频区,一般设计出来存在一定的同频区,但X2不能太大。

图4 洞内天线设计

在设计端站时,主要考虑洞外站天线与相邻的洞内第1个站的最外一个天线间的距离。为了稳定工作,在工作时,NO2的最外一个天线辐射的能量不能让N01的天线收到。平时NO1的天线的能量也向洞内辐射,但当有车进入时,由于车堵住了洞口段,NO1的能量进入洞内很少,所以在保证稳定的情况下,X不能太大,一般由Ep（dBu）=137+PTAD-AC+2Aa-XL计算得到X。

1.4 接收门限控制

当机车在两洞内服务区中间呼叫车站时,两服务区洞内机（如No2和No3）会同时收到信号,如果对这两机器不加控制,2个信号会同时传到洞口机,洞口机将此信号发到车站台,由于2信号的互相干扰,站台的接收质量会受到严重的影响,为消除此干扰,采取接收门限控制技术,即通过接收门限的调整,使机车在隧道内任何地方呼叫时只能有一台机器处于接受状态,或2动内机同时接收的范围很小（几米以内）。

2 明区间弱场中继通信

2.1 明区间弱场中继通信的实现

明区间弱场中继通信由首台和尾台完成,示意图如图5所示。首台一般设在既能和车站台沟通,又能和尾台沟通的位置,如可能,尽量和站台放在同一机械室内,这样,架设天线和供电都很方便;尾台设在既能和首台沟通,又能覆盖弱场区的位置。

图5 明区间弱场中继通信

f1代表工作频率,f2代表中继频率,f1、f2的频率要相差10MHz以上。假如机车在弱场区呼叫车站,尾台就会收到机车发出的f1,同时转发f2给首台,首台收到f2后转发f1,站台就会收到首台转发来的机车信号;同样,站台呼叫机车时,首台收到f1后转发f2,尾台收到f2后转发f1,机车就会收到站台信号。

2.2 首台和尾台的位置设计

首台和尾台的具体位置的确定是系统设计最重要的一环,它直接关系到系统能否正常工作。首台一般放在车站上,尽量和车站台位于同一机房内,这样有利于施工和调试;尾台的位置要经过现场勘察、场强测试确定,既要保证中继信号能很好地和首台沟通,又要保证工作频率信号较好地覆盖弱场区。

2.3 同频干扰的控制

当机车在首尾台中间和站台通话时,若站台和机车能直接沟通,在通话时站台同时就会收到2个信号:机车直通的f1和首尾台转回的f1,如果2信号电平相差不大,频差落在话音范围内,对站台就会产生同频干扰;同样,机车也可能同时收到站台直传的f1和尾台转发出的f1,对车台形成同频干扰。为了避免此现象的发生,采用了监视直达信号场强,有条件转发控制技术,即当机车台和车站台能较好地沟通时（场强达到设定值）,首台或尾台不再进行从f2到f1的转发,使机车台和车站台直通,避免了同频干扰的产生。

2.4 多次中继问题

在一些特殊地方或弱场区距离车站太远,经1次中继无法满足整个弱场区覆盖时,可采用2次中继或3次中继的方法,但多次中继后话音质量会受到一些影响,信噪比会差一些。

3 系统的特点

该系统是针对国内铁路实际情况而研制的。根据中继系统一般都工作在隧道、山区等恶劣环境的特点,系统在结构设计时采用了插件方式。每一个单元电路均置于一个屏蔽盒内,所有插件盒插于一个密封很好的外箱内。该设计使系统具有非常好的防水、防潮、防尘和防烟雾特性。隧道系统还采用了专门设计的平板天线,该天线具有体积小、厚度薄和密封性好的特点,非常适合随道内的安装。

该系统在解决弱场通信时,不论是明区间系统还是隧道系统,均不对车站台和机车台作任何改动和发生任何有线联系,这极大地方便了施工和开通调试,相应降低了设备造价。

4 结束语

无漏泄电缆无线列调弱场区通信系统具有设备可靠、施工方便、投资小和使用灵活等特点,非常适合铁路使用。该系统已通过铁道部鉴定,系统中的隧道通信设备被评为国家级新产品,并获得国家实用新型专利2项,目前已大面积应用于北京、河北、山西、辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、湖北和甘肃等铁路通信弱场改造工程,为铁路的安全运输作出了很大贡献。

[1]沈京川,姚鑫铎.列车无线调度通信系统制式及主要技术条件[M].北京:中国标准出版社,2002.

[2]钱国峰,徐华林.地下铁道移动通信设计[M].北京:中国铁道出版社,1994.

[3]高建平,张芝贤.电波传播[M].西安:西北工业大学出版社,2002.

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