简谈动车组CIR设备天线系统测量方法

2022-04-26陈家斌

铁路通信信号工程技术 2022年4期

陈家斌

(广西天道信息技术有限公司，南宁 530028)

1 概述

动车组检修库一般采用金属顶棚结构，库内无专用的卫星接收放大器、GSM-R无线基站（BTS），高级修验收、检修作业CIR设备受外界限制而无法进行全面排查试验出潜在隐患，导致动车组出库后，CIR设备语音、数据业务功能无法正常使用，GPS卫星定位信号无法正常接收，是日常检修验收、排查隐患的困难问题。特别是当车顶天线出现故障，只能扣车返所并临时申请更换动车组上线运行，给动车组检测作业及动车组行车调度指挥造成严重干扰。

解决如何快速判断是板件、天线（馈线）问题，是故障处理的关键。目前处理GSM-R信号故障只能通过测试天线驻波比判断天馈线的好坏；处理GPS故障只能通过GPS天线测试仪表进行搜星测试，如搜星数无效情况下，处理人员只能通过跟车出库到空旷场所获取GPS信号，存在很大的设备安全隐患且效率低下。本文针对该问题，通过研究不同厂家生产的GPS模块输出电压启动前置放大电路原理，通过信号电流测试方法以及各天馈线的电气特性，总结归纳出GPS模块电压测试法、通过式电流法及天线环阻测试法。库检作业可通过上述方法排查出板件、天线的故障隐患，从而减少CIR设备故障。

2 系统介绍

机车综合无线通信设备（CIR）由主机、操作显示终端（MMI）、送受话器、扬声器、打印终端、机车数据采集编码器、天线、合路器及各部连接电缆等组成。不同型号的动车组由于工程配置不一，CIR设备的组成也有差异。CIR设备连接示意如图1所示，CIR原理如图2所示。

图1 CIR设备组成连接示意Fig.1 Components and connections of CIR equipment

图2 CIR原理Fig.2 Block diagram of CIR principle

3 设备天线系统介绍

3.1 CIR设备GPS天线系统

CIR设备GPS信号接收功能实现主要是由CIR设备A子架总线板、GPS单元、天线单元组成，如图3所示。

图3 CIR设备GPS单元原理Fig.3 Schematic diagram of GPS unit of CIR equipment

CIR设备GPS信号接收过程中天线部分和GPS模块（变频器、信号通道）的信号流走向，如图4所示。

图4 CIR设备GPS信号接收原理Fig.4 Schematic diagram of the reception of GPS signals by CIR equipment

1）天线部分

GPS天线接收1 574 ～1 577 MHz 扩频调制信号，通过天馈线提供工作电压激活前置放大器，将GPS信号极微弱的电磁波转化为相应的电流，放大传递到变频器。

2）变频器及中频放大器

经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收通道得到稳定的高增益，采用变频器把L频段的射频信号变成低频信号。

3）信号通道

信号通道是GPS单元的核心部分，主要作用：搜索卫星，牵引并跟踪卫星；对广播电文数据信号实行解扩，解调出广播电文；进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。

在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环，经过解扩、解调得到导航电文。

3.2 GSM-R 语音及GSM-R 数据天线系统

CIR设备GSM-R 语音、GSM-R 数据天线采用无源天线，通过天线连接馈线与CIR设备主机语音、数据模块相互连接，以传导射频通信信号，如图5所示。

图5 GSM-R语音信号接收原理Fig.5 Schematic diagram of the reception of GSM-R voice signals

4 技术特征

动车组CIR设备天馈线系统是由GSM-R 语音/GPS组合天线、GSM-R 数据/GPS组合天线、多频带天线及馈线组成。其中多频带天线接DHL-Ⅳ合路器输出450 MHz（450 M电台用）、800 MHz（LBJ用）、GSM-R（CIR设备语音用）。下面针对天馈线系统及测量方法进行简述。

1）天线功能

指能有效辐射和接收电磁波，将传输线与空间或其他媒质耦合起来的一种装置。包括直接到传输线端口为止的所有匹配、平衡、移相或其他耦合装置。

2）动车组天线位置用途

以动车组CRH-2A车型为例（从司机室位置起记1、2、3、4号位天线），如图6所示。

图6 CRH2A车型车顶天线示意Fig.6 Schematic diagram of CRH2A train top antennae

1号位，GSM-R 数据/GPS组合天线：GSM-R数据（使用频率870～960 MHz ），连接CIR设备数据模块；GPS天线（使用频率1 574 ～1577 MHz），连接DMS设备GPS模块。

2号位，GSM-R 语音/GPS组合天线：GSM-R频率885 ～934 MHz，连接DMS设备GSM-R模块；GPS天线（使用频率1 574～1577 MHz），连接CIR设备GPS模块。

3号位，多频带天线:下接合路器，分别有450 MHz、800 MHz、GSM-R输出端口。450 MHz端口：457 ～469 MHz，连接CIR设备450 MHz单元；800 MHz端口：821～869 MHz，连接CIR设备LBJ单元；GSM-R端口：GSM-R 语音（使用频率870～960 MHz ），连接CIR设备语音模块。

4号位，LAIS天线: 800～5 800 MHz，连接LAIS设备。

3）天线类型、阻抗及工作频段

GPS天线：有源天线；阻抗50 Ω；工作频段1 575.42±1.023 MHz；耗电≤25 mA。

GSM-R 语音及GSM-R 数据天线：无源天线；阻抗50 Ω；工作频段870～960 MHz。

5 测试方法及指标值

GPS天馈线系统由GPS模块和GPS天线系统组成，处理故障时需对GPS模块和GPS天线系统进行故障部分定位，才能更有效进行处理。

5.1 GPS天线系统测试方法

取国内外不同厂家设备进行具体分析，CRH-2A、CRH-380A、CR300AF系列车型动车组GSM-R 数据/GPS组合天线、GSM-R 语音/GPS组合天线国内外厂家分别以有泰兴东盛通讯（国产）、SENCITY（进口）为例。

1）环阻测试法：在CIR主机拧下GPS天线TNC接头，用电阻档测试天线及馈线环阻，如图7所示。泰兴东盛设备合格范围指标为2～7 MΩ；SENCITY设备合格范围为56～75 Ω。

2）通过式电流法：因GPS天线是有源天线，利用TNC馈线头外壳（屏蔽层）与GPS模块天线端口外壳连接，万用表直流电流档表笔串联接入电流表如图8所示，与利用电流值判断GPS天线是否正常。泰兴东盛天线正常电流值为12～25 mA；SENCITY天线正常电流值为15～25 mA。3）GPS测试仪搜索卫星法： GPS天线连接GPS测试仪，测试搜星数≥3。

图8 GPS通过式电流测试示意Fig.8 Demonstration of the GPS through-currents test

5.2 GPS模块测量方法

1) GPS模块电压测试法：GPS天线是有源天线，需要GPS模块提供电压给GPS天线前置放大电路工作。国内不同厂家设备的技术指标有所区别，在测试判断时应予以区分，厂家1CIR设备GPS模块电压≥3 V（直流），厂家2、厂家3CIR设备GPS模块电压≥5 V（直流），在GPS模块TNC口测量电压值在以上数值可判断GPS模块给天线前置放大电路工作电压正常，重点检查GPS天线。

2) 语音/数据天线代替法：如经过重启/复位GPS都无法正常工作，随身未携带GPS测试仪和万用表，可临时借用语音/数据天线代替GPS天线，观察GPS时间是否变黄（黄色正常，红色代表不正常）。如GPS时间正常，代表GPS单元正常，入库检查GPS天线搜星情况。

5.3 GSM-R 数据、GSM-R 语音、多频带天线

1）环阻测试法：在CIR主机拧下数据、语音、多频带天线接头，用电阻档测试天线及馈线环阻。数据、语音、多频带天线环阻≤5 Ω。

2）通过式功率计测试电压驻波比法：在CIR主机拧下数据、语音、多频带天线接头，串联通过式功率计，另安排1人在MMI进行GPRS、语音（450 MHz、GSM-R）发射，测试电压驻波比≤1.5。

6 故障现象及处理方法

1）GPS天线：接收不到标准时钟、GPS定位信息公用信息（包括线路通信工作模式，相邻车站相关信息）。

处理方法：首先用GPS测试仪搜索卫星法测试搜星数，如搜星数正常，判断GPS天线及馈线良好；如搜星数正常，但GPS尚不能正常工作，利用通过式电流法测试GPS模块天线电流，如无电流值或过大说明GPS模块电压输出异常，需更换GPS模块；如搜不到卫星数量，利用环阻测试法测试GPS天线环阻，环阻值为∞或0，说明GPS天线或连接馈线已损坏，需更换GPS天线或馈线。

语音/数据天线代替法：如经过重启/复位GPS都无法正常工作，随身未携带GPS测试仪和万用表，可临时借用语音/数据天线代替GPS天线，观察MMI显示屏上GPS时间是否变黄（黄色正常，红色代表不正常）。如GPS时间正常，代表GPS单元正常，入库检查GPS天线搜星情况。

2）GSM-R 数据天线：无法完成网络注册（MMI无显示“G”），无法获取IP，接收不了进路预告及调度命令。

处理方法（天线部分）：借用GSM-R 语音天线替换法，如功能试验正常，说明数据模块正常；通过式功率计测试电压驻波比法，如驻波比大于1.5，说明天馈线指标不合格，需更换天线或馈线；利用环阻测试法测试天线馈线环阻，环阻＞5 Ω或处于开路，说明GSM-R数据天线或连接馈线已损坏，需更换GSM-R 数据天线或连接馈线。

利用功率计测试数据模块发射功率33±2 dBm（1.3～3 W），如低于33±2 dBm，更换数据模块。

3）GSM-R 语音天线：无法完成网络注册（MMI无显示语音信号格数），不能进行语音调度通信、机车号及车次号注册注销功能。

处理方法（天线部分）：借用GSM-R 数据天线替换法，如功能试验正常，说明语音模块正常；通过式功率计测试电压驻波比法，如驻波比大于1.5，说明天馈线指标不合格，需更换天线或馈线；利用环阻测试法测试天线馈线环阻，环阻＞5 Ω或处于开路，说明GSM-R 语音天线或连接馈线已损坏，需更换天线或连接馈线。

利用功率计测试语音模块发射功率39±2 dBm（5～13 W），如低于39±2 dBm，更换语音模块。

4）多频带天线：多频带天线接DHL-Ⅳ合路器输出450 MHz（450 M电台用）、800 MHz（LBJ用）、GSM-R（CIR语音），运行中发现以上功能不正常。

处理方法（天线部分）：通过式功率计测试电压驻波比法，如驻波比大于1.5，说明天馈线指标不合格，需更换天线或馈线；利用环阻测试法测试天线馈线环阻，环阻＞5 Ω或处于开路，说明多频带天线或馈线已损坏，需更换天线或连接馈线。

利用功率计测试450 M电台发射功率，低功率发射为4.8～5.8 W），高功率发射为9～11 W，如低于正常值，更换CIR设备B子架。