基于实时频谱的GSM-R系统检测技术浅析及应用

孙晨

摘 要：传统的频谱仪以扫描的方式处理数据，又叫扫频仪或者叫超外差式频谱仪，具有测试频带宽，动态范围大，噪声低等特点。扫频频谱分析仪最初是使用纯模拟器件构建，之后一直随着其应用的不断发展。当前一代扫频频谱分析仪也加入各种数字单元，如ADC、DSP和微处理器，但仅仅是中频部分。基本扫描方法在很大程度上保持不变，最适合观测受控的静态信号。实时频谱分析仪旨在解决瞬时动态射频信号有关的测量问题，其基本概念是能够触发射频信号，把信号无缝地捕获到内存中，并在多个域中分析信号，可以检测和检定随时间变化的射频信号。

关键词：GSM-R系统;实时频谱;频谱分析

目前，我国对GSM-R网络的检测系统主要还是以电务检测车或便携式频谱分析仪等人工形式为主。近年来在引进消化国外检测系统的基础上，开展了GSM-R网络干扰测试及GSM-R网络检测系统的国产化的研究，并在铁路沿线实施定期网格化监测以及A接口、Abis接口、PRI接口的信令监测方面已经有了工程实践和比较完善的解决方案。如简单的检测平台、检测系统、网格化监测及固定式监测站、设备综合网管、接口信令监测、轮询式检测、列控系统无线超时、现场排查等不同的检测手段和方法。但随着前述原因引起的电磁环境劣化，这些传统检测方法越来越呈现出被动、低效、高成本及人员需求大等问题，因此实时频谱仪的出现，对这些问题的有效解决起到了进一步的推动作用。

1 基于实时频谱仪的检测

实时频谱仪在频域和调制域测量中增加了另一个关键维度：时间;传统频谱分析仪对瞬时信号检测能力的缺失如图所示。

传统频谱分析仪以固定的步长扫描所设定的频段，会漏掉在当前扫描波段之外的瞬时事件，如图中Fb的突发信号。

数字荧光频谱（DPX）技术，是一种新的频谱显示方式，它的原理是通过累积以时间为坐标截取的一段长度内接收到的频域信息，从而立体的展现出频谱的三维信息，（纵轴为幅度电平值，横轴为频率，颜色深浅表示了信号出现几率的高低）。

数字荧光频谱技术的创新点为使用深浅不同的颜色信息展示无线信号在所测试频域内不同的出现概率，使得测试人员可实时发现相同频点上或测试频段内是否存在若干出现概率不同的信号同时存在的情况。荧光频谱技术可以将频谱的观测和统计在很短的时间内完成，进而测量频谱的重合度和占用度。

通过颜色深浅的不同将常发信号与偶发信号区分开来，可以展现出传统频谱仪信号幅度下隐藏的时间概率，这对在复杂的电磁环境下尤其是同频干扰的分析提供了很好的支持。

2 铁路GSM-R网络检测中的实时频谱仪应用

2.1 竣工验收过程中实时频谱仪应用的实例

在竣工验收阶段，为了保证避免将来系统内部可能产生的干扰，特别是一切有害性干扰的产生，在调试阶段可能容易被忽视，所以在基站子系统设备的静态验收阶段，就应该对射频指标进行详细的测试。

针对工程的实际情况，为了进行干扰的控制，进行测试内容主要包括BTS设备的基本物理指标：输出射频频谱（调制频谱和开关频谱）以及设备的杂散发射指标。

某实时频谱仪为GSM无线信号发射机一致性测试提供了预先配置的单键测量功能，同时为在时域、频域和调制域中全面分析复杂信号提供了深入的测试工具。对于GSM设备的测试人员，可以利用仪表的此项功能在频域中触发瞬时事件，能够捕获长信号进行深入分析，同时进行多域相关分析。

多域分析可以全面检定信号，而不需多次采集，从而可以有效地查看复杂信号的特点，如多时隙混合GSM突发、包含多个功率电平的帧及跳频信号。仪表提供了对这些情况的GSM解调测量，包括信号的误差矢量幅度（EVM）、频率和相位误差与时间的关系、星座图、眼图、码表等。当然还有进行传统射频测量的频谱分析功能，下表给出了实时频谱仪对部分射频指标的测试依据。

2.1.1 调制频谱测量

实时频谱仪采集输入信号，解调单个突发。从排序顺序中心，在320 ms间隔上计算突发的频谱。在载波偏移小于1.8 MHz时使用的RBW为30 kHz计算这一频谱，在载波偏移为1.8 MHz～6 MHz时使用的RBW为100 kHz计算这一频谱。最后，仪表把频谱与GSM标准模板进行比较，确定测试合格与否，调制频谱测量如图所示。

2.1.2 开关频谱测量

实时频谱仪采集输入信号，使用RBW为30 kHz转换计算的频谱。分析仪对多个突发使用峰值保持功能，把频谱与GSM模板进行比较，确定信号测试合格与否，开关频谱测量如图所示。

2.1.3 带内杂散信号测量

实时频谱仪检测传输频带内存在的杂散信号。为此，它针对载频偏移使用相应的分辨率，计算输入信号的频谱。指定传输频带中的最大峰值视为载波，其它峰值则显示为杂散响应，带内杂散信号测量如图所示。

2.2 在运营线上的干扰检测应用实例

石太（石家庄-太原）客运专线，发现干扰的区间属于山区丘陵地区，隧道群比较集中，线路周围建筑较少，石太客专服务质量测试如图所示。

可以看到几个地方都出现载干比下降，通信质量突发6至7级的情况。已经造成了无线通信干扰，给GSM-R网络运行造成了严重影响。

在这种情况下使用实时频谱仪进行测试，石太客运实时频谱测试如图所示。

此时铁路基站小区场强值较低（即小区切换边界），GSM-R信号被干扰淹没。从测试显示颜色看，干扰出现较为频繁（偏红）。上述的干扰情况如果使用传统频谱分析仪只可以看到整个GSM-R频段的信号抬升，不能发现全频段底噪抬升下干扰信号的特征。

在现有情况下，为了最大化的利用频率资源，同时又要尽量的减少系统内部以及外部的干扰发生，建议着重从以下几点解决：

（1）建立和完善GSM-R网络干扰监测信息共享机制。各铁路局集中分析铁路总公司、铁路局综合检测数据和接口监测数据、网管监测数据、DMS监测数据，结合C3通信超时情况，掌握网络服务质量状态。对初步判断可能存在干扰的区段，铁路局需要加强无线电干扰监测，为干扰排查提供技术资料。

（2）加快铁路无线电干扰监测装备和队伍建设。按照《铁路无线电干扰监测系统暂行技术条件》（铁运【2012】269号）文件要求，各铁路局应尽快配备干扰监测设备，组织培训检测人员，定期开展既有G网线路区段的电磁环境测试工作。按照线路及时间建立GSM-R电磁环境数据库，掌握铁路沿线无线电频谱情况，对干扰问题实行闭环管理。对干扰频发的区段，可协调地方无线电管理部门装备固定式干扰监测设备，实现电磁环境的实时监测和分析。

（3）积极开展GSM-R系统干扰防护技术的实验。对移动通信网络发达、干扰严重、底噪过高的地区，加强GSM-R基站抗干扰技术研究和应用试验，在GSM-R基站装设滤波装置，提高基站系统对上行频带干扰的防护能力。

（4）規范铁路部门与电信企业的共建共享合作。电信企业在铁路车站、隧道、沿线利用铁路基础设施建设公众移动通信系统时，各铁路局需加强技术协调，指导运营商合理配置频率和功率，采取技术防护措施避免干扰。

3 结语

铁路GSM-R通信系统的频率干扰问题的处理是高铁建设和维护的重要内容。根据GSM-R干扰监测工作经验，分析了目前GSM-R网络中主要存在的干扰问题以及目前主流使用的监测手段和方法，并针对目前监测手段的局限，提出了使用实时频谱分析技术，互联网的大数据分析来进行干扰监测的新思路。

参考文献：

[1]金立新.高速铁路GSM-R网络优化及故障处理典型案例[M].北京：中国铁道出版社，2011.