铁路无线通信系统功率/驻波测试主要问题及解决

王民苏 邓刚志 丁 川 马知宇

王民苏:成都铁路局电务处 工程师 610031 成都

邓刚志:成都铁路局电务处 工程师 610081 成都

丁 川:成都通信段 工程师 610081 成都

马知宇:成都铁路局电务处 高级工程师 610081 成都

发射机射频 (RF)输出功率及天馈线驻波，是无线通信系统的基础参数，也是考核无线列调系统维护质量的重要指标，直接反映系统的运用质量。铁路无线列调通信系统日常维护，通常使用通过式功率驻波测试仪进行RF功率/驻波测试。目前常用的驻波/功率检测仪表主要为日本SX-400和W-540系列产品，美国43、44、4303及 AMP-16系列产品。

传统的大功率无线通信设备采用检测RF功率放大器工作电流的方式，间接在线监测射频功放输出功率，但是测试结果误差较大，且不能反映天馈系统驻波比状况，尤其在无线电通信效果不良时，由于缺乏合适的功率/驻波测量手段，不能及时、准确地排查天馈系统故障，容易导致误判，延误通信。

1 射频功率/驻波检测的主要问题

1．检测灵敏度低，无法检测小功率设备的功率/驻波。上述进口驻波功率计均为指针式模拟仪表，检测灵敏度低，射频功率小于5 W时检测误差大，小于4 W时不能检测天馈系统驻波比。而铁路无线通信系统大量使用正是小功率无线通信设备，如无线列调，平面调车，电务、工务、供电维护和铁路公安等部门使用的便携电台，及列尾主机，其发射功率多为1～3 W，差频式中继设备射频输出功率约为1～5W，射频直放式中继器设备射频信号输出功率通常不大于1 W。因此小功率无线通信设备的功率/驻波检测成为无线通信系统日常维护作业、保证系统运用质量的一大难题。

2．检测误差大、一致性差。在无线列调系统维护和运用质量检查中，经常出现对同一台通信设备使用不同的检测仪表，得到不同功率/驻波测量结果的事例，同一维护工区配置的几台同型号或同类型仪表检测结果远大于10%的允许偏差。此外，指针式仪表读数误差也可能造成测试数据不确定。

3．无法通过计量检测来校准测量结果，不满足相关法律法规和系统维护工作关于检测仪表应定期计量校准的要求。

4．日常操作使用不便。测试过程必须多次进行自校正、切换量程、转换测试方向等操作，容易出现人为因素导致测试数据错误;测试过程需多次发射，干扰正常通信。部分仪表必须根据正反向功率测试数据查表读取对应的驻波，现场使用极其不便。

2 功率驻波检测数据

对于通过式功率驻波测试仪，功率检测是驻波计算的依据，基于准确测量功率的驻波数据才有意义。根据维护现场技术条件，以常用的SX-400检测仪为例，以测量精度较高的综合测试仪IFR-2945B作为基准，在相同条件下分别测量同一个发射系统的功率与驻波。标准负载阻抗50 Ω (驻波:1.02)。比较驻波测量误差时，分别用 1.40、1.73、1.99三个不同驻波的假负载，功率测量值比较见表1、表2，驻波测量值比较见表3，表4。

表1 功率测量值比较一(功率驻波仪型号:SX-400，出厂编号:80942027E) /W

表2 功率测量值比较二(功率驻波仪型号:SX-400，出厂编号:71040060J) /W

表3 驻波测量值比较一(功率驻波仪型号:SX-400，出厂编号:80942027E)

表4 驻波测量值比较二(功率驻波仪型号:SX-400，出厂编号:71040060J)

上述测试数据具有以下特点:①对同一个信号的测试结果一致性很差;②功率测量误差大，最高达到68.3%;③驻波测量误差大，1.73的驻波实测只有1.15;信号功率约5 W时，1.99的驻波实测值只有1.25，将不合格的驻波误判为合格。因此，这种通过式测试仪测量准确度极低，完全不能反眏天馈系统的实际传输特性，不能保证无线通信系统的维护质量。

3 检测问题分析

为查找导致上述问题的根本原因，拆解分析了SX-400功率/驻波测试仪，其工作原理如图1所示。从图1中可以看出，该测试仪仅使用了简单的定向耦合器和正反向切换开关、射频检波电路。由于正反向切换和信号耦合拾取部件的隔离度不足，导致正反向信号相互干扰;二极管检波器非线性较差，且温漂、参数离散性较大;因此这类仪表不能检测小信号，检测误差大，不同仪表对同一信号检测一致性较差，而且同一仪表对同一信号重检的一致性也较差，不能准确反映被测设备的技术状态。

4 提高检测质量方法

为了提高铁路无线通信系统维护和运用质量，针对功率驻波检测质量问题，结合成都铁路局无线通信系统配置和运用情况，分阶段开展以下工作。

4.1 提高无线列调系统RF信号功率/驻波检测水平

在工程设计阶段、系统设备招标采购环节，加强与工程设计单位的协作，明确提出系统、车站、区间等无人值守设备的射频功率驻波参数必须具有定量、远程监测功能，并明确具体技术指标。

在设备制造阶段，与系统设备制造商和功率驻波检测器件制造商联合，攻克小功率、宽带射频信号定向耦合器正反向比和射频信号数字化处理等技术难题，研发数字化的功率驻波检测模块，并在车站电台、区间电台中全面配置，实现了无人值守设备的RF功率/驻波的定量、在线、远程检测。无线列调系统RF功率/驻波远程监测模块原理如图2所示。

在设备安装阶段，借助系统网管功能，全面掌握沿线设备安装施工情况，提高系统工程开通质量和速度。

图1 功率/驻波测试仪工作原理图

图2 无线列调系统RF功率/驻波远程监测模块原理图

在设备运行阶段，与设备制造厂密切协作，不断完善系统网管运用质量，提高功率驻波远程检测可靠性和准确性。

4.2 扩展数字式功率/驻波检测技术的运用范围

在成功实现无线列调系统射频功率/驻波在线检测的基础上，协调有关厂家研发数字化、智能化便携式的XY-402驻波比功率自动测量仪。该仪表采用数字式信号分析和计算机处理技术方案，对高频信号进行放大、整形及线性化处理，提高小信号的监测能力;通过高速、高精度的A/D对信号采样，采用智能算法和修正曲线，获得高的功率测量精度和驻波测量精度，有效地解决了中继器、列尾主机、便携电台等小功率发射设备的射频功率/驻波检测。XY-402驻波比功率自动测量仪工作原理如图3所示，面板如图4所示。IRF-2945B综合测试仪、SX-400与XY-402实测数据比较见表5、表6。从表5可以看出XY-402的功率测量值与IRF-2945B接近，驻波测量值与标准值相符。

表5 功率测量值比较三 /W

表6 驻波测量值比较 (测试频率:457MHz)

图3 XY-402驻波比功率测量仪工作原理图

XY-402仪表特点:

1．自动测量操作。操作简单，测试中不需要调校，仅需一次短暂发射即可自动测量正向功率、反向功率、驻波比等多种数据，不仅提高工作效率，而且大大减小现场测试对运用的干扰。

2．制造厂商提供产品校准服务，能有效保证长期运用的测量准确性。

3．LCD屏幕数字显示测量数据。可选不同计量单位，同时显示多个测量值，读数直观、清晰。

图4 XY-402驻波比功率自动测量仪面板

4．功率测量精度高，测量误差＜7%;测试动态范围大，无需人工切换量程，自动修正测量误差;没有读数视角误差及刻度误差。

5．驻波测量精度高。方向性＞30 dB，驻波测量范围1.0～99.99。可测量射频功率低至0.2 W的驻波，实现小功率的准确测量。

6．可靠性高。使用中不需进行任何调校操作，无需配置调校开关、旋钮，有利于减少仪表故障。

7．明亮的夜视背光，黑夜以及隧道等环境中均能方便使用。

8．全中文汉字操作界面，便于现场工人操作使用。

9．提供数字化应用功能扩展，如远程计算机接口、数据记录、数据转储等功能，适应现场运用新需求。

10．性价比高，具有大动态范围、高精度的功率/驻波自动测量能力。

目前，该系列设备的测量范围已覆盖450 MHz至1 GHz各频段、0.2 ～50 W不同功率等级，实现铁路无线通信设备的数字化、智能化RF功率/驻波检测。

4.3 严格执行计量法

在功率/驻波检测模块和仪表研发全过程以及设备运用中，始终抓住计量这个关键点，要求维护单位和厂家严格执行有关规定。目前检测仪表、模块均已通过具有国家计量部门的技术鉴定和检定。

5 总结

自2000年以来，这一新技术在成都局新建无线列调系统积极推广运用，目前局管大部分线路的无线列调系统地面设备均配置数字式功率/驻波检测模块，实现了无人值守设备RF信号功率/驻波的定量、在线、远程监测，为无人值守的无线通信设备开展状态维护打下基础。通过多年运用，该技术对实时监测设备技术状态、及时发现和处理沿线无线通信设备和天馈线故障、缩短故障时延方面发挥积极作用，提高了系统维护水平和运行质量。此外，通过积极推行数字式射频功率/驻波检测仪的运用，提高射频直放中继器、车载和便携无线通信设备的检测水平，准确判定和处理用户终端设备障碍，全面提高了系统运用质量。

［1］ 中华人民共和国铁道部．TB/T3052-2002列车无线调度通信系统制式及主要技术条件［S］.2002.

［2］ 毛乃宏，俱新德.天线测量手册［M］.北京:国防工业出版社，1987.

［3］ 刘学观，郭辉萍．微波技术与天线［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2001.

［4］ 赵东元，樊虎，任志久.可靠性工程与应用［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［5］ 吴跃.数据结构与算法［M］.北京:机械工业出版社，2010.