基于實時頻譜的GSM-R系統檢測技術淺析及應用

孫晨

摘 要：傳統的頻譜儀以掃描的方式處理數據，又叫掃頻儀或者叫超外差式頻譜儀，具有測試頻帶寬，動態范圍大，噪聲低等特點。掃頻頻譜分析儀最初是使用純模擬器件構建，之后一直隨著其應用的不斷發展。當前一代掃頻頻譜分析儀也加入各種數字單元，如ADC、DSP和微處理器，但僅僅是中頻部分?；緬呙璺椒ㄔ诤艽蟪潭壬媳３植蛔?，最適合觀測受控的靜態信號。實時頻譜分析儀旨在解決瞬時動態射頻信號有關的測量問題，其基本概念是能夠觸發射頻信號，把信號無縫地捕獲到內存中，并在多個域中分析信號，可以檢測和檢定隨時間變化的射頻信號。

關鍵詞：GSM-R系統;實時頻譜;頻譜分析

目前，我國對GSM-R網絡的檢測系統主要還是以電務檢測車或便攜式頻譜分析儀等人工形式為主。近年來在引進消化國外檢測系統的基礎上，開展了GSM-R網絡干擾測試及GSM-R網絡檢測系統的國產化的研究，并在鐵路沿線實施定期網格化監測以及A接口、Abis接口、PRI接口的信令監測方面已經有了工程實踐和比較完善的解決方案。如簡單的檢測平臺、檢測系統、網格化監測及固定式監測站、設備綜合網管、接口信令監測、輪詢式檢測、列控系統無線超時、現場排查等不同的檢測手段和方法。但隨著前述原因引起的電磁環境劣化，這些傳統檢測方法越來越呈現出被動、低效、高成本及人員需求大等問題，因此實時頻譜儀的出現，對這些問題的有效解決起到了進一步的推動作用。

1 基于實時頻譜儀的檢測

實時頻譜儀在頻域和調制域測量中增加了另一個關鍵維度：時間;傳統頻譜分析儀對瞬時信號檢測能力的缺失如圖所示。

傳統頻譜分析儀以固定的步長掃描所設定的頻段，會漏掉在當前掃描波段之外的瞬時事件，如圖中Fb的突發信號。

數字熒光頻譜（DPX）技術，是一種新的頻譜顯示方式，它的原理是通過累積以時間為坐標截取的一段長度內接收到的頻域信息，從而立體的展現出頻譜的三維信息，（縱軸為幅度電平值，橫軸為頻率，顏色深淺表示了信號出現幾率的高低）。

數字熒光頻譜技術的創新點為使用深淺不同的顏色信息展示無線信號在所測試頻域內不同的出現概率，使得測試人員可實時發現相同頻點上或測試頻段內是否存在若干出現概率不同的信號同時存在的情況。熒光頻譜技術可以將頻譜的觀測和統計在很短的時間內完成，進而測量頻譜的重合度和占用度。

通過顏色深淺的不同將常發信號與偶發信號區分開來，可以展現出傳統頻譜儀信號幅度下隱藏的時間概率，這對在復雜的電磁環境下尤其是同頻干擾的分析提供了很好的支持。

2 鐵路GSM-R網絡檢測中的實時頻譜儀應用

2.1 竣工驗收過程中實時頻譜儀應用的實例

在竣工驗收階段，為了保證避免將來系統內部可能產生的干擾，特別是一切有害性干擾的產生，在調試階段可能容易被忽視，所以在基站子系統設備的靜態驗收階段，就應該對射頻指標進行詳細的測試。

針對工程的實際情況，為了進行干擾的控制，進行測試內容主要包括BTS設備的基本物理指標：輸出射頻頻譜（調制頻譜和開關頻譜）以及設備的雜散發射指標。

某實時頻譜儀為GSM無線信號發射機一致性測試提供了預先配置的單鍵測量功能，同時為在時域、頻域和調制域中全面分析復雜信號提供了深入的測試工具。對于GSM設備的測試人員，可以利用儀表的此項功能在頻域中觸發瞬時事件，能夠捕獲長信號進行深入分析，同時進行多域相關分析。

多域分析可以全面檢定信號，而不需多次采集，從而可以有效地查看復雜信號的特點，如多時隙混合GSM突發、包含多個功率電平的幀及跳頻信號。儀表提供了對這些情況的GSM解調測量，包括信號的誤差矢量幅度（EVM）、頻率和相位誤差與時間的關系、星座圖、眼圖、碼表等。當然還有進行傳統射頻測量的頻譜分析功能，下表給出了實時頻譜儀對部分射頻指標的測試依據。

2.1.1 調制頻譜測量

實時頻譜儀采集輸入信號，解調單個突發。從排序順序中心，在320 ms間隔上計算突發的頻譜。在載波偏移小于1.8 MHz時使用的RBW為30 kHz計算這一頻譜，在載波偏移為1.8 MHz～6 MHz時使用的RBW為100 kHz計算這一頻譜。最后，儀表把頻譜與GSM標準模板進行比較，確定測試合格與否，調制頻譜測量如圖所示。

2.1.2 開關頻譜測量

實時頻譜儀采集輸入信號，使用RBW為30 kHz轉換計算的頻譜。分析儀對多個突發使用峰值保持功能，把頻譜與GSM模板進行比較，確定信號測試合格與否，開關頻譜測量如圖所示。

2.1.3 帶內雜散信號測量

實時頻譜儀檢測傳輸頻帶內存在的雜散信號。為此，它針對載頻偏移使用相應的分辨率，計算輸入信號的頻譜。指定傳輸頻帶中的最大峰值視為載波，其它峰值則顯示為雜散響應，帶內雜散信號測量如圖所示。

2.2 在運營線上的干擾檢測應用實例

石太（石家莊-太原）客運專線，發現干擾的區間屬于山區丘陵地區，隧道群比較集中，線路周圍建筑較少，石太客專服務質量測試如圖所示。

可以看到幾個地方都出現載干比下降，通信質量突發6至7級的情況。已經造成了無線通信干擾，給GSM-R網絡運行造成了嚴重影響。

在這種情況下使用實時頻譜儀進行測試，石太客運實時頻譜測試如圖所示。

此時鐵路基站小區場強值較低（即小區切換邊界），GSM-R信號被干擾淹沒。從測試顯示顏色看，干擾出現較為頻繁（偏紅）。上述的干擾情況如果使用傳統頻譜分析儀只可以看到整個GSM-R頻段的信號抬升，不能發現全頻段底噪抬升下干擾信號的特征。

在現有情況下，為了最大化的利用頻率資源，同時又要盡量的減少系統內部以及外部的干擾發生，建議著重從以下幾點解決：

（1）建立和完善GSM-R網絡干擾監測信息共享機制。各鐵路局集中分析鐵路總公司、鐵路局綜合檢測數據和接口監測數據、網管監測數據、DMS監測數據，結合C3通信超時情況，掌握網絡服務質量狀態。對初步判斷可能存在干擾的區段，鐵路局需要加強無線電干擾監測，為干擾排查提供技術資料。

（2）加快鐵路無線電干擾監測裝備和隊伍建設。按照《鐵路無線電干擾監測系統暫行技術條件》（鐵運【2012】269號）文件要求，各鐵路局應盡快配備干擾監測設備，組織培訓檢測人員，定期開展既有G網線路區段的電磁環境測試工作。按照線路及時間建立GSM-R電磁環境數據庫，掌握鐵路沿線無線電頻譜情況，對干擾問題實行閉環管理。對干擾頻發的區段，可協調地方無線電管理部門裝備固定式干擾監測設備，實現電磁環境的實時監測和分析。

（3）積極開展GSM-R系統干擾防護技術的實驗。對移動通信網絡發達、干擾嚴重、底噪過高的地區，加強GSM-R基站抗干擾技術研究和應用試驗，在GSM-R基站裝設濾波裝置，提高基站系統對上行頻帶干擾的防護能力。

（4）規范鐵路部門與電信企業的共建共享合作。電信企業在鐵路車站、隧道、沿線利用鐵路基礎設施建設公眾移動通信系統時，各鐵路局需加強技術協調，指導運營商合理配置頻率和功率，采取技術防護措施避免干擾。

3 結語

鐵路GSM-R通信系統的頻率干擾問題的處理是高鐵建設和維護的重要內容。根據GSM-R干擾監測工作經驗，分析了目前GSM-R網絡中主要存在的干擾問題以及目前主流使用的監測手段和方法，并針對目前監測手段的局限，提出了使用實時頻譜分析技術，互聯網的大數據分析來進行干擾監測的新思路。

參考文獻：

[1]金立新.高速鐵路GSM-R網絡優化及故障處理典型案例[M].北京：中國鐵道出版社，2011.