车载STP设备接收灵敏度的测量方法

张桂萍

无线调车机车信号和监控系统（STP）是计算机集成的控制系统［1］,通过与计算机联锁系统等联网,将调车信号、进路及调车作业单等信息,由无线信道发射出去,调车机车载设备接收、解码后将信息同步显示在车载显示器上,实现对调车作业的安全防护控制［2］。信息传输是车地控制的先决条件,如果无线信道出现故障,就无法实现调车监控的最终目的,一切联锁控制都无法实现。

新丰站站场为国内第一大编组场,日均编组量100余列；调车业务异常繁忙,调车车载设备运用频繁。车载STP设备一旦发生故障,将会打乱正常的调车作业秩序,因此加强对车载STP设备的日常检修,及时发现并消除设备隐患是维护管理人员义不容辞的责任［3］。经过统计调查,段管内STP设备安装运用调车机35台,投入使用时间为2011年9月；由采用微处理控制和数字信号处理（DSP）技术的数传电台（MDS-4710型）,提供高可靠的通信服务,实现车地信息双向无线传送。

1 设备故障的发现及分析

自2019年5月,维护人员多次收到调车机司机故障申报,主要问题是车载STP设备无法正常收码、乱码等。此类故障占设备故障总件数的42%,严重影响了调车机平面调车作业安全。对此,联系设备生产厂家,多次对地面和车载STP设备进行系统测量［4］,包括作业现场多次勘察,翻阅大量技术资料、查询相关测试规范及管理办法,用场强仪分别对发生故障的7个站场的地面STP设备进行检测,保证450 MHz信号场强良好覆盖,无信号盲区等。

经过近2个月的全面跟踪和分类归纳,发现由于STP设备使用年限长,运用质量呈现逐年下降的态势。日常检修中,除了对其电源部分、CPU板、CAN通信板进行功能检测外［5］,还必须对车地信息传送的MDS-4710型数传电台、发射机和接收机,以及车载、地面STP设备天馈系统驻波比性能进行量化检测［6］,才能判断其是否满足技术规范要求。

但实际检测中发现,由于数传电台使用了定制化的调制和解调方式（连续相位频率键控CPFSK调制和采用Virterbi解码器解码）,虽然对发射机部分可以用CMS50综合测试仪进行功率和频率测试,天馈系统通过天馈线测试仪表可以准确地测量天线驻波比指标,判断天馈系统的性能优劣,但是对接收机,使用铁路系统现有装备的测试仪表,如无线电综合测试仪、射频信号源、频谱仪等,无法进行量化指标验证,从而无法达到正常测试要求；而现有的抓包软件,虽然可以对接收误码率进行测试判断,但是还缺少标准调制信号和相应的信道仿真,所以依然不具备对接收机进行接收灵敏度的测试条件。用于测试的标准调制信号,虽可以通过MDS-4710型信道机的发射机提供,但由于其输出功率固定为5 W（+37 dBm）,在没有可控信道衰减的情况下,无法满足MDS-4710型信道机最大可用灵敏度不超过-113 dBm的测试需求。

2 解决办法

2.1 问题焦点

数传电台接收机的接收灵敏度无法测量,关键在于现有的综合测试仪无法模拟输出信号源。针对这个问题,设想用既有地面设备,通过软件进行固定功率信号的正常发射,接收端经过加装一个可调射频衰减器,量化衰减天馈线接口的接收信号,配合观察车载设备误码率变化,就可以测量出数传电台的接收灵敏度。

根据这一思路,使用市售的射频衰减器搭建了一个可以满足测试需求的、量化可控的衰减器阵列,并协同设备生产厂家,经过多次现场试验,探索出一种用衰减器阵列测量车载STP设备接收灵敏度的测试方法。该衰减器阵列由2个30 dB衰减器和1个0～75 dB可调衰减器组成。当3个衰减器串行接入时,可以提供60～135 dB的衰减量。对于STP地面设备发射机所提供的+37 dBm（5 W）输出信号,可以在车载设备主机接收机射频口处,将其功率衰减一个固定电平值,即可满足MDS-4710型信道机固定输出功率为5 W（+37 dBm）,最大可用灵敏度在-113 dBm的测试需求。

2.2 衰减器阵列组件的连接

衰减器阵列:固定衰减器1,固定衰减值30 dB；可调衰减器2,衰减调节范围0～75 dB；固定衰减器3,固定衰减值30 dB。

可调衰减器2的一端通过射频头和固定衰减器1连接,另一端通过射频头和固定衰减器3连接,其中固定衰减器1和固定衰减器3为相同分贝的固定衰减器,其连接示意图见图1。

图1 衰减器阵列组件连接示意图

3 测试方法

3.1 确定机械室调监地面设备发射机输出电平

1）测试前对功率计进行校准和归零。

2）将调车信号地面机械室调监设备的射频输出端口接入功率计。

3）通过计算机控制软件控制地面机械室调监设备,进行射频信号的输出。

4）关闭发射机射频信号的输出。

5）连接好地面机械室调监设备的天馈线系统。

3.2 测试接收灵敏度

1）第一组人员通过计算机控制软件使调车信号机械室调监地面设备进行射频信号输出（控制设备进行间歇性发射不超过3 min）［7］。

2）第二组人员在地面安装车载STP设备1台,室外架设450 MHz天馈系统1套,通过场强仪测试天线射频口工作频率的电平值,作为天馈线接口接收的基准电平；然后,在车载设备射频口和天馈系统射频口之间,串联一组可调衰减器（根据测试的射频电平值,搭建不同的串联衰减器组）,逐次慢慢调节0～75 dB可调衰减器衰减值,使车载设备接收信号,记录此时的衰减值。

3）通过接收数据的抓包软件进行接收误码率分析。

4）通过接收误码率数值判定接收设备的灵敏度是否达标。

5）如果接收误码率超标,则减小可调衰减器的衰减值,并再次分析记录接收误码率,一直减小到可调衰减器的衰减值,使接收误码率刚好合格为止。

6）人工计算机车设备的接收灵敏度电平（门限）值,即天馈线接口接收的基准电平减去衰减值。

4 数据分析

根据以上思路及测试方法,在浐灞车站进行了现场测试验证。以浐灞车站地面STP设备为信号发射源,通过软件控制地面设备发射标准功率调制信号,在车站附近临时架设天馈系统,利用5台备用车载STP设备模拟调车机设备进行测试验证。测试数据见表1。

表1 浐灞车站现场测试车载STP设备的接收灵敏度验证

数据分析:从序号1中可以看出,序列号012250611602010000042106的车载设备,电台工作频率为458.35 MHz,车站设备发射信号时,车载天馈射频口接收到的基准电平为-61 dBm,（因为天馈系统不变,只更换不同的车载备用设备进行测试验证,所以此天馈系统收到的电平值不变）,此电平值远远超过车载STP设备的接收灵敏度门限指标-113 dBm,因此需要加入可调衰减器阵列,由大向小依次调节可调衰减器的衰减值,通过软件观察车载设备误码率也跟随其由大向小变化。

当衰减器调为56 dB时,误码率刚好为0%,此时接收灵敏度为-61-56=-117 dBm,此电平值优于设备指标门限值-113 dBm,满足MDS-4710型信道机的技术要求,故此序列号为012250611602010000042106的备用车载设备的接收灵敏度合格。用同样方法测试其他3台设备的指标,得到的接收灵敏度均优于设备指标门限值-113 dBm,同时满足技术规范要求。

通过现场试验证明,此方法可以准确测试出车载STP设备接收灵敏度的量化指标,当设备发生故障时,利用此方法检测数传电台的接收机工作状态,可以发现车载STP设备无法正常收码、乱码等方面的设备故障,及时调整、更换不合格设备,降低故障率,提高了工作效率,为铁路安全生产奠定了基础。

5 设备优点

1）测试设备安全性高。2个固定衰减器可提供60 dB的衰减量,即使可调衰减器出现误操作,也可以保证将被测信号衰减至安全水平,而不会对被测接收机造成损坏。

2）测试设备在射频通路中具有良好的可靠性。固定衰减器的端口驻波比可以满足驻波比测试条件,在射频通路中串入固定衰减器,可以有效改善射频通路整体的驻波比特性。

3）保证测试设备的灵活性。固定衰减器和可调衰减器可以根据不同站场的信号强度,搭建出不同的衰减器阵列,提供不同的衰减量控制范围,满足不同场景的使用。

6 结束语

伴随着铁路运输事业的不断发展,车载行车设备作为铁路运输安全生产中的重要角色［8］,各项维护工作不容有丝毫差错。采用衰减器阵列测量车载STP设备接收灵敏度的方法,在检修方面提供了一种量化可控的测试手段,为提高设备维修质量,减少设备行车安全隐患提供了保障,该测试方法具有一定的实用价值。