應答器數據傳輸電纜傳輸長度對應答器與LEU雙向傳輸信號的影響

孫芳婷 第五俊峰

西安西電光電纜有限責任公司 陜西 西安 710082

引言

應答器向列控車載設備提供大量固定信息和可變信息，是保證列車安全運行的保證手段之一。應答器系統包括車載設備和地面設備。地面設備主要包括地面應答器和軌旁電子單元（LEU）。地面有源應答器與軌旁電子單元（LEU）通過C接口進行雙向通信。他們之間就是通過本文的研究對象應答器數據傳輸電纜相連接。數據傳輸結構圖如圖1。

圖1 應答器設備的數據傳輸結構框圖

1 應答器數據傳輸電纜在LEU和有源應答器之間的作用

從圖1可以看出，LEU和有源應答器通過應答器數據傳輸電纜連接，電纜正常工作時，LEU通過應答器電纜將列車運行信息傳輸給地面有源應答器，應答器通過車載天線將信息傳輸到列車車載系統，實時掌握路面運行狀況。當電纜出現開路、短路故障時，應答器就接收不到LEU傳輸來的信息，此時應答器將會發送存儲于自身的默認報文信息，列車收到此信息一般就會導致列車停車，影響運輸效率。因此應答器數據傳輸電纜狀態的實時監控、電纜異常狀態的及時預警就很重要了。目前電纜檢測的主要方法是在LEU端的檢測盒通過分析電流、電壓、阻抗等變化來判斷電纜的狀態[1]。

增加應答器數據傳輸電纜長度，測試開路、短路、正常狀態下的電流，試驗中出現了開路、短路電流幾乎相等現象，LEU無法正確識別電纜開、短路狀態，就不能正確預警電纜的狀態，不能為及時處理電纜故障提供可靠信息，影響正常工作效率。為了探究此現象，我們從電纜本身傳輸特性進行了試驗研究,對不同長度電纜的開、短路阻抗，開、短路電流進行測試。

2 研究方法

2.1 試驗測試數據

應答器數據傳輸電纜接入LEU測試系統中，在傳輸頻率8.82kHz下測試不同長度的開路、短路狀態下的電流。測試數據見表1：

表1 應答器三種電流隨電纜加長變化情況

從表1可以看出，在1.5km左右，開路、短路電流相等，此時電纜的開路阻抗和短路阻抗相等，線路處于開路狀態還是短路狀態無法分辨。

備注：PCC為皮爾森相關系數，P-值為ttest單尾檢驗結果。由表1可以看出，電纜線長度＜1500 m時，應答器開路電流隨電纜加長而上升，皮爾森相關系數為0.944，應答器短路電流隨電纜加長而降低，皮爾森相關系數為-0.990，ttest顯著性檢驗結果p-值均小于0.005（表2）。而應答器正常閉合電流隨電纜加長變化幅度較小，相關性僅為0.529，相關性并不顯著。當LEU設備在1500 m左右時，應答器開路電流和短路電流非常接近（0.836和0.874）。由此可以看出，電纜的開路、短路電流幾乎接近或者相等，因此很難判定線路處于開路狀態還是短路狀態。

表2 電纜長度與應答器對應電流相關性分析

由于上述結果的變化量僅僅由電纜長度的影響產生，因此需要從電纜本身進行分析[2]。

2.2 一、二次傳輸參數的測量——開短路法

2.2.1 傳輸線的一、二次參數。根據電磁場理論知道，沿傳輸線長度上，存在有損電阻R、電感L，導體間存在著電容C和漏電導G，當頻率高時便會對能量或信號傳輸產生影響。它們是沿線分布的，其影響分布在沿傳輸線長度的每一點上，故稱之為分布參數， R、L、C、G分別稱之為傳輸線單位長度的分布電阻、分布電感、分布電容和分布電導，這些稱為通信電纜各個頻率的一次參數。由一次參數計算的波阻抗Zc、衰減常數α、相移常數β稱為電纜的二次參數。當我們需要使用傳輸線的時候，就必須知道它的傳輸性能，是否滿足我們的需求，就必須對這么參數進行檢測。測量這些參數的方法有很多，目前我們制造企業使用最常用的方法就是開短路法。

2.2.2 開短路法基本原理。根據傳輸線的理論，均勻傳輸線路的電纜回路輸入阻抗定義為線路始端電壓U0與始端電流I0之比：

輸入阻抗在長度為l的傳輸線的始端的電壓和電流決定于下列關系式：

將（2）式、（3）式代入（1）式可得：

式中γ為均勻回路的傳播常數，Zc為均勻回路的波阻抗，U0為傳輸線的始端電壓，I0為傳輸線的始端電流，l為傳輸電纜的長度，Ul為傳輸線終端電壓，Il為傳輸線終端電流，Z入為輸入阻抗[3]。

式中R為電阻、L為電感、G為電導、C為電容、α為衰減常數，β相位常數。

由此知，輸入阻抗的大小和回路參數、長度和傳輸頻率以及線路終端所接負載阻抗有關(Zl=UL/IL)。

2.2.2.1 當線路終端短路（Zl=0）時：

此時Zl=0，Ul=0，此時用Z入0表示線路終端短路情況下的輸入阻抗，代入公式（4）得：

2.2.2.2 當線路終端開路（Zl=∞）時：

此時Zl=∞，Il=0,此時用Z入∞表示線路終端開路情況下的輸入阻抗，代入公式（4）得：

2.2.2.3 根據（6）及（7）式可得被測電纜的波阻抗

由(6)及(7)式可以看出：電纜線路的長度滿足thγl≈1時，Zc≈Z入∞≈Z入0 。

也就是說，當線路長度達到某一數值時，可滿足開、短路輸入阻抗近似等于波阻抗?；谝陨显?，結合本文觀點，用開短路法對不同長度應答器數據傳輸電纜開短路電流和開短路阻抗進行了測試，測試結果如下表：

為了直觀顯示開短路電流隨電纜傳輸長度增加的變化，我們對表3中的數據進行作圖（圖2）。從圖2可以看出，短路電流隨著電纜長度增加而降低，開路電流隨著電纜長度增加而增大，在電纜長度增加到2391 m時，開、短路電流近似相等。開、短路阻抗的變化趨勢和電流變化趨勢相同，再增加電纜長度的參數暫時未做研究。

表3 不同長度電纜的開短路阻抗、電流測試數據表（頻率8.82kHz）

圖2 電流隨電纜長度增加變化情況

2.3 研究結果

基于理論用開短路法對應答器數據傳輸電纜不同長度開、短路阻抗，開、短路電流進行測試產生圖的圖2（阻抗變化趨勢和電流圖相似）可以看出，線路存在開短路阻抗、電流幾乎相等現象，這樣的試驗結果同LEU采集到開、短路電流隨電纜長度增加變化的試驗現象相吻合，但是電纜開短路相等時電纜的長度約在2391m左右，而LEU采集到的短路、開路電流幾乎相等的電纜長度為1500m左右，造成二個長度不一樣的原因有可能與電路負載等有關，這個未做更深入的研究，這個結果僅為LEU設備分析開短路電流相等出現，無法判斷線路是開、短路故障的原因提供了參考可能[4]。

3 結束語

本論文闡述了電纜傳輸長度會對信號傳輸有影響，此研究結果將減少對LEU的工作情況的誤判，從而減少高鐵通信電纜故障，保障通信電纜的正常運行，為高鐵應答器設備的高質量運行提供經驗與保障，并為地面有源應答器與軌旁電子單元（LEU）雙向傳輸信號應用系統電纜的使用長度提供參考，并對C接口傳輸距離理論及仿真和模型的檢驗，并對電纜傳輸距離的選擇有指導作用。