田永水

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081）

0 引言

為了保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?提高鐵路運(yùn)輸?shù)男?在列車(chē)運(yùn)行中,列車(chē)應(yīng)該隨時(shí)能夠和車(chē)站進(jìn)行無(wú)線聯(lián)絡(luò),車(chē)站通過(guò)無(wú)線調(diào)度電話對(duì)列車(chē)進(jìn)行調(diào)度（無(wú)線列調(diào)）。在無(wú)線列調(diào)的通信中,所使用的無(wú)線電臺(tái)的頻率在150MHz頻段和450MHz頻段。在這2個(gè)頻段上,電波的傳播特征為視距傳播,即傳播距離有限。在鐵路隧道內(nèi),150MHz頻段無(wú)線信號(hào)只能傳輸100m左右,450MHz頻段無(wú)線信號(hào)也只能傳輸1000m左右。由于山區(qū)路塹和隧道的存在及城市高樓大廈的阻擋,使無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)存在著許多盲區(qū)和弱場(chǎng)區(qū),影響行車(chē)安全,必須加以解決。

原有的一些中繼手段,如普通漏泄電纜中繼器系統(tǒng)和區(qū)間中繼臺(tái)等,很難解決同頻中繼的難題,不適用于同頻單工方式的無(wú)線列調(diào)弱場(chǎng)區(qū)中繼系統(tǒng)。而國(guó)內(nèi)很多鐵路線的無(wú)線列調(diào)都是采用C制式,即同頻單工的工作方式。無(wú)漏泄電纜無(wú)線列調(diào)弱場(chǎng)區(qū)中繼通信系統(tǒng)解決了以上難題,該系統(tǒng)可用于同頻單工、異頻單工和異頻雙工等系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括隧道內(nèi)弱場(chǎng)中繼通信和明區(qū)間弱場(chǎng)中繼通信。

1 隧道內(nèi)弱場(chǎng)中繼通信

電波在隧道內(nèi)和自由空間的傳輸特性不同,電波在自由空間和隧道內(nèi)傳輸衰減比較如圖1所示,電波在隧道內(nèi)的傳輸損耗和頻率的關(guān)系如圖2所示。

隧道內(nèi)弱場(chǎng)中繼通信系統(tǒng)一般由洞口機(jī)和洞內(nèi)機(jī)組成,如圖3所示。圖中P表示特制平板天線,D為功分器,S為隧道中繼器。

圖1 電波在自由空間和隧道內(nèi)傳輸衰減比較

圖2 隧道內(nèi)的傳輸損耗和頻率的關(guān)系

圖3 隧道內(nèi)中繼系統(tǒng)

1.1 隧道內(nèi)中繼通信工作原理

No1為洞口機(jī),它的天線架在洞口外面,架設(shè)高度和方向以能較好和站臺(tái)溝通為標(biāo)準(zhǔn),它的作用就是負(fù)責(zé)和站臺(tái)溝通。No2和No3為洞內(nèi)機(jī),負(fù)責(zé)隧道內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。

把隧道分成幾個(gè)通信服務(wù)區(qū)（有幾臺(tái)洞內(nèi)機(jī),就有幾個(gè)服務(wù)區(qū)）,如No2和No3服務(wù)區(qū),當(dāng)機(jī)車(chē)在隧道內(nèi)呼叫車(chē)站時(shí),處在某服務(wù)區(qū)的洞內(nèi)機(jī)（以No3為例）就會(huì)收到機(jī)車(chē)發(fā)出的f1,同時(shí),No3將話音、信令和其他信息通過(guò)電力線傳送到所有洞內(nèi)機(jī)和洞口機(jī)（No1和No2）,所有洞內(nèi)機(jī)和洞口機(jī)（No1和No2）收到有線傳來(lái)的信息后同時(shí)變?yōu)榘l(fā)射狀態(tài),洞口機(jī)No1發(fā)出f1信號(hào)就會(huì)傳到車(chē)站上,這樣,車(chē)站臺(tái)就會(huì)收到機(jī)車(chē)發(fā)出的信號(hào);同理,當(dāng)車(chē)站呼叫機(jī)車(chē)時(shí),No1收到f1后,將收到的信息通過(guò)電力線傳送到所有洞內(nèi)機(jī)No2和No3,No2和No3收到有線傳來(lái)的信息后同時(shí)變?yōu)榘l(fā)射狀態(tài),這樣,隧道內(nèi)的機(jī)車(chē)臺(tái)就會(huì)收到車(chē)站臺(tái)發(fā)出的信號(hào);從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)車(chē)臺(tái)和車(chē)站臺(tái)之間的通信。當(dāng)然,因?yàn)樗淼劳ㄐ畔到y(tǒng)采用了一收同發(fā)技術(shù)（只要有一臺(tái)接收,其他機(jī)器都處于發(fā)射狀態(tài)）,從而也實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)各移動(dòng)臺(tái)之間的通信。

如果洞口機(jī)和車(chē)站臺(tái)不能較好地溝通,則需要在站臺(tái)附近增加一首臺(tái),使首臺(tái)的工作頻率和站臺(tái)溝通;首臺(tái)的中繼頻率和洞口機(jī)溝通即可。

1.2 動(dòng)口機(jī)和動(dòng)內(nèi)機(jī)位置選擇

動(dòng)口機(jī)的位置和天線架設(shè)高度要以動(dòng)口機(jī)能和車(chē)站臺(tái)很好地通信為原則,動(dòng)口機(jī)配備的天線一般為高增益定向天線。隧道中繼器設(shè)置的多少取決于隧道的長(zhǎng)度、寬窄、彎曲程度、工作頻率和工作制式等因素。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)于150MHz頻段,2個(gè)動(dòng)內(nèi)機(jī)相距300m左右;而對(duì)于450MHz頻段,2個(gè)動(dòng)內(nèi)機(jī)可相距1000m左右。

1.3 洞內(nèi)天線設(shè)計(jì)

當(dāng)車(chē)站呼叫機(jī)車(chē)時(shí),若機(jī)車(chē)正好處在兩洞內(nèi)機(jī)服務(wù)區(qū)的末端天線中間（如No2和No3服務(wù)區(qū)）,由于兩服務(wù)區(qū)洞內(nèi)機(jī)（如No2和No3）同時(shí)發(fā)射信號(hào),如果兩信號(hào)電平相差不大,頻差落在話音范圍內(nèi),對(duì)機(jī)車(chē)臺(tái)就會(huì)產(chǎn)生同頻干擾。為消除此干擾,在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察,根據(jù)隧道的具體情況,合理地布置動(dòng)內(nèi)機(jī)和平板天線;調(diào)試開(kāi)通時(shí)可調(diào)整發(fā)射功率和天線位置,使相臨兩動(dòng)內(nèi)機(jī)末端天線的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的重疊區(qū)盡量小（幾米范圍內(nèi)）。因?yàn)榇酥丿B區(qū)可控制在幾米的范圍內(nèi),對(duì)于相對(duì)高速行使的列車(chē)來(lái)說(shuō),可忽略對(duì)機(jī)車(chē)臺(tái)的影響。系統(tǒng)的設(shè)計(jì),主要工作是場(chǎng)強(qiáng)分布的計(jì)算,其考慮原則是,既要滿足場(chǎng)強(qiáng)覆蓋率的要求,又要滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的要求。

在隧道中某點(diǎn)A處的場(chǎng)強(qiáng)EA可表示為:

式中:

PT為發(fā)射機(jī)功率（dBW）,

AD為功分器損耗（dB）,

AC為電纜損耗（dB）,

Aa為天線激勵(lì)效率（dB）,

X為A點(diǎn)距天線的直線距離（m）,

L為電波在隧道中的傳輸損耗（dB/m）。

由于在洞內(nèi)設(shè)多站,因而就存在一個(gè)相鄰站間相鄰天線間的距離的設(shè)計(jì),如圖4所示。設(shè)計(jì)的原則是一方面A、B站要穩(wěn)定工作,即Aa天線發(fā)射不能讓Bb天線接收,反之亦然,否則就會(huì)發(fā)生自激;另一方面又不能存在通信死區(qū)或大的同頻區(qū),圖中a1、b1曲線所示為理想情況,X1為死區(qū),X2為同頻區(qū),一般設(shè)計(jì)出來(lái)存在一定的同頻區(qū),但X2不能太大。

圖4 洞內(nèi)天線設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)端站時(shí),主要考慮洞外站天線與相鄰的洞內(nèi)第1個(gè)站的最外一個(gè)天線間的距離。為了穩(wěn)定工作,在工作時(shí),NO2的最外一個(gè)天線輻射的能量不能讓N01的天線收到。平時(shí)NO1的天線的能量也向洞內(nèi)輻射,但當(dāng)有車(chē)進(jìn)入時(shí),由于車(chē)堵住了洞口段,NO1的能量進(jìn)入洞內(nèi)很少,所以在保證穩(wěn)定的情況下,X不能太大,一般由Ep（dBu）=137+PTAD-AC+2Aa-XL計(jì)算得到X。

1.4 接收門(mén)限控制

當(dāng)機(jī)車(chē)在兩洞內(nèi)服務(wù)區(qū)中間呼叫車(chē)站時(shí),兩服務(wù)區(qū)洞內(nèi)機(jī)（如No2和No3）會(huì)同時(shí)收到信號(hào),如果對(duì)這兩機(jī)器不加控制,2個(gè)信號(hào)會(huì)同時(shí)傳到洞口機(jī),洞口機(jī)將此信號(hào)發(fā)到車(chē)站臺(tái),由于2信號(hào)的互相干擾,站臺(tái)的接收質(zhì)量會(huì)受到嚴(yán)重的影響,為消除此干擾,采取接收門(mén)限控制技術(shù),即通過(guò)接收門(mén)限的調(diào)整,使機(jī)車(chē)在隧道內(nèi)任何地方呼叫時(shí)只能有一臺(tái)機(jī)器處于接受狀態(tài),或2動(dòng)內(nèi)機(jī)同時(shí)接收的范圍很?。◣酌滓詢?nèi)）。

2 明區(qū)間弱場(chǎng)中繼通信

2.1 明區(qū)間弱場(chǎng)中繼通信的實(shí)現(xiàn)

明區(qū)間弱場(chǎng)中繼通信由首臺(tái)和尾臺(tái)完成,示意圖如圖5所示。首臺(tái)一般設(shè)在既能和車(chē)站臺(tái)溝通,又能和尾臺(tái)溝通的位置,如可能,盡量和站臺(tái)放在同一機(jī)械室內(nèi),這樣,架設(shè)天線和供電都很方便;尾臺(tái)設(shè)在既能和首臺(tái)溝通,又能覆蓋弱場(chǎng)區(qū)的位置。

圖5 明區(qū)間弱場(chǎng)中繼通信

f1代表工作頻率,f2代表中繼頻率,f1、f2的頻率要相差10MHz以上。假如機(jī)車(chē)在弱場(chǎng)區(qū)呼叫車(chē)站,尾臺(tái)就會(huì)收到機(jī)車(chē)發(fā)出的f1,同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)f2給首臺(tái),首臺(tái)收到f2后轉(zhuǎn)發(fā)f1,站臺(tái)就會(huì)收到首臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的機(jī)車(chē)信號(hào);同樣,站臺(tái)呼叫機(jī)車(chē)時(shí),首臺(tái)收到f1后轉(zhuǎn)發(fā)f2,尾臺(tái)收到f2后轉(zhuǎn)發(fā)f1,機(jī)車(chē)就會(huì)收到站臺(tái)信號(hào)。

2.2 首臺(tái)和尾臺(tái)的位置設(shè)計(jì)

首臺(tái)和尾臺(tái)的具體位置的確定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的一環(huán),它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作。首臺(tái)一般放在車(chē)站上,盡量和車(chē)站臺(tái)位于同一機(jī)房?jī)?nèi),這樣有利于施工和調(diào)試;尾臺(tái)的位置要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試確定,既要保證中繼信號(hào)能很好地和首臺(tái)溝通,又要保證工作頻率信號(hào)較好地覆蓋弱場(chǎng)區(qū)。

2.3 同頻干擾的控制

當(dāng)機(jī)車(chē)在首尾臺(tái)中間和站臺(tái)通話時(shí),若站臺(tái)和機(jī)車(chē)能直接溝通,在通話時(shí)站臺(tái)同時(shí)就會(huì)收到2個(gè)信號(hào):機(jī)車(chē)直通的f1和首尾臺(tái)轉(zhuǎn)回的f1,如果2信號(hào)電平相差不大,頻差落在話音范圍內(nèi),對(duì)站臺(tái)就會(huì)產(chǎn)生同頻干擾;同樣,機(jī)車(chē)也可能同時(shí)收到站臺(tái)直傳的f1和尾臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)出的f1,對(duì)車(chē)臺(tái)形成同頻干擾。為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生,采用了監(jiān)視直達(dá)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng),有條件轉(zhuǎn)發(fā)控制技術(shù),即當(dāng)機(jī)車(chē)臺(tái)和車(chē)站臺(tái)能較好地溝通時(shí)（場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到設(shè)定值）,首臺(tái)或尾臺(tái)不再進(jìn)行從f2到f1的轉(zhuǎn)發(fā),使機(jī)車(chē)臺(tái)和車(chē)站臺(tái)直通,避免了同頻干擾的產(chǎn)生。

2.4 多次中繼問(wèn)題

在一些特殊地方或弱場(chǎng)區(qū)距離車(chē)站太遠(yuǎn),經(jīng)1次中繼無(wú)法滿足整個(gè)弱場(chǎng)區(qū)覆蓋時(shí),可采用2次中繼或3次中繼的方法,但多次中繼后話音質(zhì)量會(huì)受到一些影響,信噪比會(huì)差一些。

3 系統(tǒng)的特點(diǎn)

該系統(tǒng)是針對(duì)國(guó)內(nèi)鐵路實(shí)際情況而研制的。根據(jù)中繼系統(tǒng)一般都工作在隧道、山區(qū)等惡劣環(huán)境的特點(diǎn),系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用了插件方式。每一個(gè)單元電路均置于一個(gè)屏蔽盒內(nèi),所有插件盒插于一個(gè)密封很好的外箱內(nèi)。該設(shè)計(jì)使系統(tǒng)具有非常好的防水、防潮、防塵和防煙霧特性。隧道系統(tǒng)還采用了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的平板天線,該天線具有體積小、厚度薄和密封性好的特點(diǎn),非常適合隨道內(nèi)的安裝。

該系統(tǒng)在解決弱場(chǎng)通信時(shí),不論是明區(qū)間系統(tǒng)還是隧道系統(tǒng),均不對(duì)車(chē)站臺(tái)和機(jī)車(chē)臺(tái)作任何改動(dòng)和發(fā)生任何有線聯(lián)系,這極大地方便了施工和開(kāi)通調(diào)試,相應(yīng)降低了設(shè)備造價(jià)。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)漏泄電纜無(wú)線列調(diào)弱場(chǎng)區(qū)通信系統(tǒng)具有設(shè)備可靠、施工方便、投資小和使用靈活等特點(diǎn),非常適合鐵路使用。該系統(tǒng)已通過(guò)鐵道部鑒定,系統(tǒng)中的隧道通信設(shè)備被評(píng)為國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品,并獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利2項(xiàng),目前已大面積應(yīng)用于北京、河北、山西、遼寧、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古、湖北和甘肅等鐵路通信弱場(chǎng)改造工程,為鐵路的安全運(yùn)輸作出了很大貢獻(xiàn)。

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