STP-yh系统无线通信损耗来源分析及技术要求

苑江涛，王新勇，马金鑫，张少磊

(北京华铁信息技术有限公司，北京 100089)

STP-yh系统在无线通信故障处理方面的压力与日俱增，严重影响STP-yh系统的正常运行。通过对STP-yh系统在无线通信损耗来源的全面分析，帮助现场管理单位快速、准确定位故障原因并及时高效处理。同时为STP-yh系统进一步推广应用扫清障碍，保障铁路调车作业安全。

1 STP-yh系统无线通信简介

STP-yh系统地面有A、B两块电台，车载有一块电台。A机主用时，A电台发送无线信号，A、B电台同时接收无线信号，收发频率相同。在一个站场，选用一个200 MHz、400 MHz、450 MHz频段附近的频点。下面给出STP-yh系统的无线通信基本参数，用于后文的分析。

1）车载和地面电台功率一般设置为最大5 W（37 dBm）；

2）车载和地面电台灵敏度均为-112 dBm；

3）地面全向共线阵天线增益为10 dBi；

4）车载全向同轴谐振天线增益为2.5 dBi；5）车载天线离地高度约4.8 m；6）使用STP-yh系统的车站方圆半径约3 km。

2 STP-yh系统无线通信损耗来源分析

1）自由空间中电磁波的损耗

在自由空间中，由弗里斯传输方程得到传输损耗Lfr的值，如公式（1）所示[1]。

其中地面、车载天线增益分别为Gt、Gr，d为车地天线间距离，f为电台频率。由公式（1）可知，在自由空间中距离越远，频率越高，损耗越大。且距离或频率增大一倍，损耗均增加6 dB。

2）STP-yh系统无线通信的空间传输损耗

利用典型Hata-Okumura模型的曲线法分析，任意地形地区传输损耗Lm的值如公式（2）所示。

其中，hb、hm分别为地面、车载天线高度。Am(f，d)为hb=200 m、hm=3 m时在中等起伏的大城市市区的中值传输损耗，Hb(hb，d)为地面天线高度相对于hb=200 m时的增益因子，Hm(hm，f)为车载天线高度相对于hm=3 m时的增益因子，均与频率f或者距离d有关。Kmr、Qo、Qr、Kh、Khf、Kjs、Ksp、Ks分别为郊区、开阔区、准开阔区、丘陵区、丘陵区微小修正、孤立山岳区、斜坡地、水陆混合区修正因子，均可以查表得出具体数值[2]。

分别在中等起伏大城市市区、郊区条件下，假设STP-yh系统地面天线高20 m，通过查表计算对应频率为200 MHz、400 MHz、450 MHz时的传输损耗Lm和距离d的关系，如图1所示。

图1 郊区和城市不同频率下传输损耗Lm与距离d的关系Fig.1 Relationship between transmission loss Lm and distance d at different frequencies in suburbs and cities

由图1可知，在郊区STP-yh系统无线通信的传输损耗约为80～90 dB，中等起伏大城市传输损耗也仅约为100～110 dB。而STP-yh系统车载和地面电台灵敏度均为-112 dBm，最大功率均为37 dBm，即传输损耗只要不高于149 dB即可正常通信。因此STP-yh系统的传输损耗余量高达39～59 dB，即正常情况下系统无线信号完全能满足现场需求。

3）STP-yh系统无线通信的馈线损耗

STP-yh系统车地电台馈线均采用同轴电缆，本身具有良好的屏蔽效果。同轴电缆的损耗包括阻抗不匹配损耗、陈化损耗、泄漏损耗等[3]。

STP-yh系统选用的馈线其特性阻抗均为50 Ω，理论上与电台阻抗匹配，其损耗可以控制在合理范围。陈化损耗是同轴电缆自身参数随使用时间的延长发生变化而造成的损耗。质量合格的同轴电缆，在使用5年以后信号损耗要增加20%～50%。泄漏损耗是指同轴电缆屏蔽层泄漏、接头接触不良泄漏等造成无线信号衰减带来的损耗。

对于以上损耗，通过选择质量合格的线缆，注意施工防护等，可以有效地降低馈线损耗。如某公司生产的型号SPDL的7/8同轴电缆，其百米损耗在200/450 MHz频率时分别约为1.72/2.65 dB。而STP-yh系统地面/车载同轴电缆长度分别约为80/8 m,即馈线总损耗一般在3 dB以内。相对于高达39～59 dB的传输损耗余量，馈线损耗理论上不足以导致STP-yh系统无线通信中断[4]。

4）STP-yh系统无线通信的互调干扰损耗

互调干扰是由两个或多个不同频率的信号输入到非线性电路产生的，其中三阶互调干扰最为严重。产生三阶互调干扰时，信号之间的频率满足如公式（3）[5]所示条件：

fi、fj、fk均为现场在用频率，fx为这3个频率互调形成的干扰频率。如 图 2（a） 所 示， 411.125 MHz和412.125 MHz互 调 产 生 410.125 MHz三阶干扰；410.125 MHz、412.125 MHz和411.125 MHz互调产 生 411.125 MHz三阶干扰；411.125 MHz和410.125 MHz互 调 产 生 412.125 MHz三阶干扰。但如果将 411.125 MHz 改为 411.825 MHz，三阶干扰频点将和选定频点很好的避开，如图2（b） 所示。

图2 三阶互调干扰对比计算Fig.2 Comparison calculation of third-order intermodulation interference

5） STP-yh系统无线通信的接地干扰损耗

系统设备地可分为安全地、高频地、低频地、信号地、工作地、数字地、模拟地等多种，接地的方式也可分为悬浮接地、单点接地、多点接地、复合接地等。接地的目的主要是防止设备漏电、避免设备相互干扰、保障设备稳定运行。接地是系统电磁兼容性设计的重要因素。

接地基本设计原则有:选用低阻、短、扁、粗的地线；尽可能避免环形接地回路；不同类型、不同设备的地尽可能分开；低频电路采用单点接地；高频电路采用多点接地 ；对于较复杂的电子系统应权衡利弊后采用混合方式接地。

STP-yh系统地面电台一般安装在现场通信机械室，室内有众多其他铁路高频通信设备[6]。并且调车机车上还有列车无线调度通信设备、机车控制器、调车手持机等众多高频无线设备以及大功率电路。因此尤其要处理好高频干扰和大功率电路干扰。

6）STP-yh系统无线通信的其他损耗

由于STP-yh系统无线通信设备的复杂性，以及现场环境的多样性，仍然存在着诸如绕射损耗、接头插入损耗、同频干扰损耗、邻频干扰损耗等多种损耗来源[7]。鉴于绕射损耗已由Hata-Okumura模型包含在内，插入损耗较小，同频、邻频干扰等易于通过频点选择避免，因此均不再详细介绍。

3 STP-yh系统无线通信技术要求

1）无线频点选择技术要求

调研车站在用的所有无线频点，避开同频干扰和邻频干扰[8]。通过计算三阶互调干扰，避免选用的频点产生互调干扰。选用频点应在电台和天线的带宽内，并尽量接近其中心频率。

2）地面控制机柜技术要求

所有柜门的地线必须接上，防止和其他设备间相互干扰。地面电台建议接1.5 m长的1/2软馈线到机柜底部静电地板下，避免硬馈线打弯过大造成的衰耗。馈线防雷模块应放在静电地板下，并分别就近独立接地。机柜地线汇流排接地点和馈线接地点之间应尽可能远，并和其他设备接地点避开。机柜内电源线、信号线分开走线。

3）地面电台馈线技术要求

A/B馈线分别穿入两根金属波纹管防护，且金属波纹管两端接地。保证馈线内接头处锡箔纸完整且接触良好。馈线穿墙处需再次接地以便此处干扰电流及时流入地网[9]。室外防雷箱离地越低越好，箱内地线建议分开接室外地极，避免A/B馈线屏蔽层由于地线间接相连造成彼此干扰。铁塔上接地均应分开接铁塔塔体，并做好防锈防水措施。馈线严禁打弯超过90°，且预留不可过多，并要求盘圈成“8”字形。若预留馈线在楼顶，应盘于楼顶地网下以屏蔽其他天线干扰。

4）地面天线技术要求

两天线所在平面尽量垂直站场方向。慎用高增益天线，更换高增益天线时注意其主波瓣宽度，使欲增强的区域在此宽度范围内。天线若在站场中心，正常应垂直安装，不能有倾斜度。天线若在站场一侧，可倾斜一定角度增强远端信号强度。天线安装附近应无遮挡，严禁天线杆紧靠铁塔，否则会影响辐射效率和方向图。

5）车载天线技术要求

安装位置越高越好。正常情况下严禁倾斜安装，影响主波瓣朝向。安装位置应靠近机车一侧。车载天线地网慎用，可能影响天线方向图、减小主波瓣宽度。

6）车载天线馈线技术要求

车顶天线馈线应做接地处理，天线馈线走线尽量不要紧靠车内车体、电源线、其他馈线等，避免电磁干扰。对于明显靠近以上干扰源的地方，应再次接地，或用锡箔纸将此部分包裹以避免干扰。

7）车载主机技术要求

车载主机应接地。馈线应和主机机壳绝缘，避免高频干扰进入车载主机其他板卡。车载天线馈线在车载主机一端应用短粗的地线直接接地。

4 结论

通过对STP-yh系统无线通信在空间传输、车地馈线、互调干扰、接地干扰等方面的损耗分析，同时给出在频点选择、机柜接地、地面天线和馈线、车载天线和馈线、车载主机等方面的具体技术要求以降低传输损耗。为STP-yh系统在设计、施工以及维护方面提供参考依据，有利于降低后期改造升级和维护成本，并切实提升系统的稳定性以及安全性。