實時頻譜分析技術在高速鐵路電磁輻射測試分析中的應用研究

蘇立軒，李天石，霍斌

（中國鐵道科學研究院集團有限公司?通信信號研究所，北京???100081）

0 引言

近年來高速鐵路技術不斷突破，隨著列車運行速度與牽引負荷不斷提升，以及微電子、現代通信、自動控制和計算機技術的廣泛應用，使高速鐵路電磁環境愈發復雜。隨著高速鐵路建設和運營里程的不斷增加，高速鐵路系統產生的無線電干擾影響也越來越引起廣泛關注[1-2]。在我國新建高速鐵路聯調聯試及動態驗收中，已將高速鐵路動車組運行條件下對外界的電磁輻射作為專項檢測項目，驗證高速鐵路系統對外界輻射的無線電干擾場強是否滿足相關標準要求[3-4]。

結合多年的相關研究和測試經驗，就高速鐵路動車組運行條件下對外界的電磁輻射測試方法的改進和更新進行研究。實時頻譜分析技術作為現代頻譜技術發展的一個重大革新，是無線電測量領域的全新測試技術，并且還在逐步完善和提升。將實時頻譜分析技術應用于高速鐵路系統對外界的電磁輻射測試中，可改進高速鐵路電磁兼容問題的測試分析手段，對提升高速鐵路聯調聯試及動態驗收檢測水平，增強軌道交通系統電磁兼容領域的研究能力具有重要意義。

1 現行測試依據及問題分析

1.1 現行測試依據

針對高速鐵路列車運行時開放式軌道系統對外界的發射測試，依據標準為GB/T?24338.2—2018《軌道交通??電磁兼容??第2部分：整個軌道系統對外界的發射》。標準給出了0.15?MHz～1?GHz頻段的發射限值要求（見圖1），并對測量方法中的各相關測量參數作出規定。其中，對于測量天線與機車車輛運行的軌道中心線之間的測量距離按10?m要求，并給出現場條件不滿足測試要求時，等效于10?m法的測量換算方法[5]，參見公式（1）。

式中：E10為等效于10?m法的測量結果；EX為在Dm處實際測量值；n為修正因數（見表1）。

圖1 軌道交通系統對外界的電磁輻射限值曲線

在高速鐵路聯調聯試及動態驗收中，關于動車組運行條件下對外部的電磁輻射測試依據標準為TB?10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》。標準中對列車通過時產生的電磁輻射的限值要求援引自GB/T?24338.2—2018（圖1限值曲線），且標準中對測試方法的要求和規定與GB/T?24338.2—2018基本一致，區別在于：在其基礎上規定了采用固定頻率測試方法的代表性測試頻點，分別為1?MHz和150?MHz，其中 150?MHz 頻點限值為 88?dBμV/m，1?MHz 頻點將磁場強度限值折算為電場強度限值，為110?dBμV/m[4]。

1.2 問題分析

列車運行時對外界產生的電磁輻射可采用頻率掃描方法或固定頻率方法進行測試。頻率掃描方法與列車運行速度的相關性很大，頻率掃描時間與列車運行速度的關系見表2。

表2 頻率掃描時間與列車運行速度關系

隨著高速鐵路各項技術的不斷突破，列車運行速度持續提升，目前列車最高運行速度可達350?km/h，為確保列車每運行5?m的時間內完成1次掃描[5]，掃描速率需低于0.051?s。傳統頻譜分析技術在面對分辨率帶寬較小（最大120??kHz）而分析帶寬較大（至1?GHz）的測試時，其掃描時間會很長，因此采用頻率掃描方法進行測試時，為使掃描時間與列車速度相匹配，在測試過程中需要將被測頻帶劃分為若干子頻段。根據350?km/h速度對應的掃描速率僅為51?ms以下，采用傳統頻譜分析技術劃分的子頻段很窄，完成全頻段測試需要大量的測試樣本和重復掃描，以正確獲得列車運行時對外發射的頻譜，這無疑大大增加了測試時間。

牽引網系統中列車受電弓與接觸網之間的弓網關系造成的離線放電是列車運行時軌道系統對外界電磁輻射的主要影響源之一[6]，弓網離線放電過程的持續時間很短，其暫態過程產生由若干脈沖組成的脈沖群，脈沖的持續時間可達微秒級，傳統頻譜分析技術面對此類突發性瞬時信號時，勢必丟失很多頻譜信息，會影響測試結果的完整性。而在列車過分相等特殊工況下，其在分合閘、進出無電區時產生的暫態過程所引起的電磁騷擾信號會呈現出不同的時域及頻域特性，基于傳統頻譜分析技術的測試方法不但可能漏掉這些瞬時突發信號，還可能導致騷擾信號中含有的脈沖信號頻譜被錯誤地顯示，從而對測試結果的進一步分析造成影響。

2 實時頻譜分析原理與技術特性

2.1 實時頻譜分析技術

實時頻譜分析的基本思路是以足夠快的速度對輸入信號采樣，以滿足奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率超過關心帶寬的2倍。同時，連續并足夠快地執行所有計算，使分析輸出跟上輸入信號的變化[7]。實時頻譜分析技術實現架構見圖2，其實現形式為：輸入信號經過衰減器和低通（或帶通）濾波器，通過使用多階混頻方案以及固定本振實現射頻（RF）下變頻，采用寬帶濾波器確保整個測量頻率上無像頻干擾，經混頻器轉換至中頻（IF）；經過高速采樣（通常為IF帶寬的2.5倍）的模數轉換（ADC）模塊將IF信號數字化，隨后對采樣數據進行信號路徑的幅度平坦度、相位線性度等不理想特點的校正；系統在實時信號處理（DSP）引擎中執行所有進一步的步驟，包括數字下變頻（DDC）和壓縮濾波將A/D樣點轉換為同相（I）和正交（Q）基帶信號流、基于離散傅里葉變換（DFT）的實時頻譜變換與輸出。

其中，實時頻譜變換使用快速傅里葉變換（FFT）與Chirp-Z變換（CZT）的組合[8-9]，在IQ記錄的各段上執行計算并生成占用頻率隨時間變化的數學表示，實現頻譜顯示。FFT的計算效率可實現更快的變換速率，而CZT的靈活性可為固定輸入樣點提供可變的分辨率帶寬（RBW）。當信號處理速度與輸入信號保持一致或更快時，就可實現對輸入信號無遺漏地分析。實時頻譜分析的主要特點就是通過高速的數據實時處理，實現對單個不重復瞬時事件的100%捕獲概率（POI）的測試。

圖2 實時頻譜分析技術實現架構

2.2 數字熒光技術

數字熒光技術（DPX）將陰極射線管（CRT）中的熒光層和矢量圖相結合，是近年來應用于實時頻譜分析中的一項創新性技術[10]。DPX結合實時頻譜分析技術，通過連續的實時頻譜變換，得到的頻域波形進行光柵化，創建位圖，將短時間內累計的數萬測量頻譜全速寫入位圖數據庫中。DPX頻譜顯示需要經過疊加頻譜數據、圖像位圖數據庫更新、顏色編碼、色彩和曲線映射4個步驟，最終將位圖數據庫中累計的頻譜以人眼可見的速率傳送到顯示屏幕上，累計效果用直觀的位圖顏色區分顯示，既保留了信號的多種特征，又將這些快速隱秘的信號變化特征直觀地展現出來。

DPX技術的實質是將一段時間內的所有信號頻譜集成到1張頻譜圖上顯示，包含了這段時間內頻率、幅度和出現次數的三維信息，能夠顯示長時間內信號的變化趨勢。DPX技術將實時查看技術從頻譜查看技術轉化成分析方法，可以對信號進行詳細分析。

3 實時頻譜分析與傳統頻譜分析的對比

3.1 分析方法的差異

實時頻譜分析與掃頻式頻譜分析的對比見圖3。傳統頻譜分析方法利用掃頻超外差接收的原理[11-12]，以一定步長掃描頻段，檢波器1次只能從選擇的中頻濾波器帶寬內全部采樣點計算出1個頻點的幅度值，即在任何給定的時間，測試儀器會調諧成單個頻率，隨著掃描的推進，頻率會隨之變化，形成圖3中的對角線并作為掃頻結果顯示。與實時頻譜分析方法相比，該方法可能會漏掉在當前測試頻段內發生的瞬時事件。

3.2 實測數據的對比分析

3.2.1 動車組運行時對外部的電磁輻射測試

在某新建高速鐵路聯調聯試動態提速試驗階段，分別采用實時頻譜分析方法和傳統頻譜分析方法，對列車以300?km/h速度運行時對外部的電磁輻射進行測試，測試條件均滿足GB/T?24338.2—2018中的相關要求，測試距離、測量高度、天線位置與朝向等因素均保持一致，以降低客觀因素對測試結果的影響。2種方法的典型測試結果見圖4、圖5。

圖3 實時頻譜分析與掃頻式頻譜分析對比

圖4 實時頻譜分析測試結果（列車運行）

圖中所示測試結果為同一列車通過測試點時，150?kHz～30?MHz頻段磁場強度測試結果，其中分辨率帶寬設置為9?kHz，傳統頻譜分析方法掃頻速率為35?ms。對比2種測試結果可知，實時頻譜分析結果顯示列車經過測試點的時間段內，系統對外的電磁輻射頻率分量集中在10?MHz以下頻段，相比于背景值（圖4中下部粉紅色余輝所示部分），場強普遍增大超過10?dB（圖4中最大值保持軌跡）。通過DPX頻譜態勢圖可知，列車運行時對外輻射的電磁騷擾多為瞬時信號（圖4中淺色余輝）。而圖5所示的傳統頻譜分析結果由于在掃頻時只能計算單頻點幅度，因此信號的頻譜分量有遺漏，只有一系列的單一譜線。盡管采用了最大保持方式，但由于在掃頻時各頻點的最大值并非同一時刻計算得到，因此在幅值上也比實時頻譜分析結果略小。

圖5 傳統頻譜分析測試結果（列車運行）

測試結果的對比還說明，實時頻譜分析方法得到的DPX頻譜可以發現和捕獲傳統頻譜分析方法漏掉的信號細節。

3.2.2 動車組特殊運行工況下對外部的電磁輻射測試

為進一步對不同測試方法進行對比分析，分別采用傳統頻譜分析方法（掃頻與固定頻率方法）和實時頻譜分析方法，對列車以300?km/h速度通過2供電分段間的電分相過程產生的電磁輻射進行測試，其中實時頻譜分析方法與傳統掃頻式方法典型測試結果見圖6、圖7。

圖6 實時頻譜分析測試結果（列車過分相）

圖中所示測試結果為同一列車通過設置在電分相區段的測試點時，150?kHz～30?MHz頻段磁場強度測試結果，分辨率帶寬設置以及傳統頻譜分析方法掃頻速率均未變化。列車通過分相區時，列車主斷路器斷合、通過無電區時受電弓與接觸網無電區結構之間所產生的電磁暫態會引起較強的瞬態騷擾信號，實時頻譜分析結果顯示，這一系列電磁暫態所引起的瞬態信號在整個測試頻段均導致場強的大幅增大，場強增幅普遍達到20～30?dB，且信號在各頻率分量的強度隨頻率升高呈逐漸減弱趨勢。而傳統頻譜分析測試結果顯示出的上述暫態過程產生的影響則要弱很多，無論從頻率分布還是場強幅度上，都沒能完全反映出列車過分相條件下對外界電磁輻射的頻域特性。

圖7 傳統頻譜分析（掃頻方法）測試結果（列車過分相）

同時，通過DPX頻譜配色方案的設置，還能夠通過顏色顯示對列車過分相各暫態引起電磁騷擾信號的頻譜加以區分。上述對比結果說明，DPX頻譜不但可以顯示出不頻繁的瞬時信號，還可以揭示傳統頻譜分析所無法查看的信號細節。

在同樣條件下采用固定頻率方法的測試結果見圖8。測試頻點選擇代表性頻點1?MHz，從場強隨時間變化的測試結果中可以看出，列車過分相暫態產生的騷擾信號在該頻點處的影響過程可以被捕獲，場強幅度相比掃頻測試方法更接近于實時頻譜分析測試結果，可以反映列車通過電分相時對外電磁輻射的影響程度。但與實時頻譜分析測試方法相比，該測試結果無法反映出整個頻段內的場強變化，如果對各頻點分別進行測試，不但使測試樣本和時間大幅增長，還可能因為列車過分相暫態過程受到分合閘以及進出無電區時的電壓電流相位等影響導致時頻域特性的差異，而無法準確地對上述電磁暫態產生的電磁影響做進一步分析，因此存在一定的局限性。而實時頻譜分析方法不僅可顯示出瞬態騷擾信號的頻譜分量在測試頻段內的整體變化趨勢，還可通過DPX頻譜甄別瞬態騷擾信號的主要頻譜成分在測試頻段內的分布情況。

圖8 固定頻率方法測試結果（列車過分相）

4 結論

（1）將實時頻譜分析技術的測試方法應用于高速鐵路對外界的電磁輻射測試中，實時頻譜分析中的頻譜轉換速度高于等效采樣速度，確保了變換過程中不丟失信號信息，基于實時處理，對被測信號的頻域顯示在時間軸上是無縫完整的。通過實測數據對比分析，驗證了分辨率帶寬較小的情況下采用較寬的分析帶寬進行掃頻測試時，該方法可以全面反映列車通過時間段產生的電磁輻射場強。相比于傳統頻譜分析中的掃頻和固定頻率測試方法，該測試方法若應用于新建高速鐵路動態驗收過程中，可全面提升評價過程中測試結果的代表性，明顯提高測試效率。

（2）實測數據對比分析結果表明，傳統頻譜分析技術只能顯示瞬時頻譜信息，缺乏對一段時間內信號變化的統計分析。相比之下，采用DPX技術的實時頻譜分析方法可顯示不同時間在同一分析帶寬內的多個信號，并利用可調顏色映射和概率密度統計等增強技術來顯示各信號的多種不同信息。在高速鐵路各子系統間以及與外界間的電磁兼容問題研究分析和測試中，該方法可顯著提高對干擾信號的捕獲和觀察分析能力，加快發現和診斷問題的速度。

（3）隨著實時頻譜分析技術指標的不斷改進和提升，為寬分析帶寬實時測試提供了可行的解決方案。實時頻譜分析測試方法可同時對被測信號進行時域、頻域或調制域的分析能力，通過研究分析和實測驗證，適用于高速鐵路系統的復雜信號和復雜電磁環境下的測試分析，對高速鐵路及軌道交通系統電磁兼容性的深入研究具有重要意義。

（4）當然實時頻譜分析技術的應用還有一些局限，例如，目前技術成熟且具備普及性的測試設備的實時帶寬有限，一般只有幾十MHz，寬實時帶寬的技術受成本高昂等因素制約還未能普及應用，因此，完成標準規定的全頻段測量，還需要對測量頻段劃分為若干子頻段分別進行測量。