高铁动车弓网信号对无线通信系统的干扰研究

韩 鹏

(武汉铁四院工程咨询有限公司，武汉 430063)

1 概述

通过研究对高铁无线通信系统抗电磁干扰的特性，有助于我国铁路建设事业的发展，为建设无线移动通信系统提供理论指导，同时提升旅客在旅行途中的通信体验，具有较高的现实意义和社会价值。

2 无线通信系统在高铁上的电磁兼容分析

铁路的电磁环境复杂多变，高铁无线通信系统是否具备良好的抗干扰能力，将决定无线通信系统的稳定性，同时也影响着铁路系统的整体安全和运行质量[1]。

受电弓在接触网导线上滑动时产生的无线电噪声是较常见的干扰源。在弓网分离的状态下，受到脉冲的影响，会产生放电噪声，此类噪声的幅度范围广泛，同时会产生极大强度的电磁场[2]。本文将弓网离线时产生的脉冲信号及电磁场作为研究对象，借助测量、理论分析等手段，对无线通信系统受影响的频率范围及幅度展开深入研究。

3 弓网离线信号的产生分析及测量分析

3.1 弓网离线信号产生分析

“弓网离线”是指受电弓与接触导线机械分开。在这个过程中，会涌现火花或者是相应的电弧，受电弓会产生频率较高的电磁干扰信号，对高铁动车的通信系统产生较大干扰，甚至会使动车通信中断。

火花放电的频谱范围较为宽广，其频谱可以小到几十k Hz，也可以大到上GHz[3]。

火花放电时间比较短，而且所形成的时域波形是由相关的电脉冲所构成，同时这些电脉冲处于一个衰减震荡的过程中，其过程可以用公式(1)来表述：

其中，V0是放电噪声的电压极限值，σ 是放电脉冲信号的特征宽度。根据公式(1)，可以对单次火花放电的波形进行模拟。

3.2 弓网离线信号的实验仿真分析

本次仿真只针对弓网离线信号的低频段，频段范围为3 ～30 MH z，然后分析其干扰源的近场和远场特性。

根据仿真结果得知，在相同位置距离的状态下，干扰源频率的增加，会直接导致辐射场强的增加，与此同时不同频率辐射场强的衰减速度也在逐渐放宽[4]。

从干扰源点到两边，接触线上电流分布出现了明显的衰减规律。与此同时，距离受电弓距离更小的接触线上所产生的电流，远远要超过距离受电弓较远部分接触线上存在的电流。

对比以上信息可以得出，30 MH z 频率下的干扰源接触线上所产生的电流密度要明显大于3 MHz频率下的电流密度。换而言之，在干扰源频率升高的情况下，接触线上产生的电流分布高频衰减的速度也就越慢。

3.3 弓网离线信号的测量结果分析

3.3.1 测量结果分析

本次将在动车匀速运行的状态下，测量研究弓网离线信号的特征。

1)弓网离线信号的时域分析

为更好的研究分析单次脉冲信号特性，对测量得到的弓网离线信号相关脉冲信号进行提取。提取后的脉冲信号幅度都不相同，采用软件对信号进行处理，得到了如图1 中的(a)～(c)的单次放电脉冲信号现场测量波形展示。

图1(a)～(c)分别是不同幅度下的弓网一次离线脉冲信号产生的所有过程，图1 中，X 轴反映的是离线脉冲信号放电时间，Y 轴反映的是放电脉冲电流幅度的变化。从图1 中可以分析出，当弓网离线信号产生的时候，通过弓网的放电电流会加大，并且在时间持续增长的情况下，通过的电流被进一步的震荡衰减，降低到了0 的位置，这个放电的过程的总有效时间大约为0.3 μs，同时产生的振动频率为47 MH z，由此可见外部的背景对于弓网离线信号的产生和其时域特性的影响比较有限。

2)弓网离线信号的频域分析

用软件对之前所测量到的弓网离线信号时域波形进行傅立叶变化，得到了弓网离线信号在其完整输出脉冲信号时，幅度存在差异情况下的不同的频谱特性。

图2(a)～(c)反映了单次离线信号产生的过程中，所具有的放电脉冲信号的频谱波形。如图2 所示，这些频谱范围十分的宽广，但是在外部环境里，有着较多的杂音叠加，当频率的范围一旦处于1 GHz 之上，信号显示就得到了逐渐的平稳，约为30 d BμV，而此时所包含的杂音信号只是示波器的本身的杂音信号。

图1 不同幅度单次脉冲信号的实测波形图Fig.1 Measured waveform of single pulse signal with different amplitudes

1 GH z 以下的频谱中可以看到，弓网离线信号在放电的时候所生成的干扰信号集中在0.6 G 以内，而在这以后的频谱区域，其强度几乎比示波器本身的杂音信号还小。而一旦频率进行到1 GH z 的时候，其离线噪声缩减到100 左右。在此要作出一个额外的说明：处于930 ～940 MH z 范围内有着一段50 dBμV 的频谱电压信号，该信号是GSM 信号，并非弓网离线产生的干扰信号[5]。

图2 不同幅度下的测量到的单次放电脉冲信号的频谱波形Fig.2 Spectrum waveform of single discharge pulse signal measured at different amplitudes

3.3.2 辐射场的测量结果分析

对于单次弓网离线放电脉冲信号电场强度的测量，采用了处于不同脉冲幅度之下的测量方法来进行操作，脉冲幅度分别是100、300、500 m V，如图3 所示。

图3(a)～(c)分别反映了100、300、500 m V条件下的离线信号的场强，从图3 中可以清楚的看到信号的场强是伴随着频率的改变而改变的。而其场强最大的分别是频率处于200 MH z、600 MH z、1 GH z 之内的这一段频率范围，其场强约为100 ～130 d BμV/m[6]。而在1 GH z 之上的频率范围，可以清晰的观察到基本上都是示波器所检测到的外部环境当中的杂音信号。

图3 不同幅度条件下的信号电场强度Fig.3 Signal electric field indensity at different amplitudes

4 无线通信系统防电磁干扰措施

目前铁路无线通信系统主要是两种：无线列调系统和GSM-R 无线通信系统，为防电磁干扰对通信系统产生的影响，无线列调系统可以采用提高信号频率的方式来降低干扰[7]，GSM-R 通信系统则可以采用交织和RS-Turbo 级联码结合纠错的方法来降低电磁干扰对其的影响[8]。

5 结束语

根据以上研究结果，电气化铁路所产生的电磁干扰并不会对1 GH z 频率以上的无线通信系统产生明显的作用，其主要影响的是0.3 ～1 GH z 频率内的无线通信系统，高铁无线通信系统也采取了很多防电磁干扰的措施。降低电磁干扰对无线通信系统的影响是一项长期且复杂的工作，有待在实际工作中进一步摸索总结。