实时频谱分析技术在高速铁路电磁辐射测试分析中的应用研究

苏立轩，李天石，霍斌

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京   100081）

0 引言

近年来高速铁路技术不断突破，随着列车运行速度与牵引负荷不断提升，以及微电子、现代通信、自动控制和计算机技术的广泛应用，使高速铁路电磁环境愈发复杂。随着高速铁路建设和运营里程的不断增加，高速铁路系统产生的无线电干扰影响也越来越引起广泛关注[1-2]。在我国新建高速铁路联调联试及动态验收中，已将高速铁路动车组运行条件下对外界的电磁辐射作为专项检测项目，验证高速铁路系统对外界辐射的无线电干扰场强是否满足相关标准要求[3-4]。

结合多年的相关研究和测试经验，就高速铁路动车组运行条件下对外界的电磁辐射测试方法的改进和更新进行研究。实时频谱分析技术作为现代频谱技术发展的一个重大革新，是无线电测量领域的全新测试技术，并且还在逐步完善和提升。将实时频谱分析技术应用于高速铁路系统对外界的电磁辐射测试中，可改进高速铁路电磁兼容问题的测试分析手段，对提升高速铁路联调联试及动态验收检测水平，增强轨道交通系统电磁兼容领域的研究能力具有重要意义。

1 现行测试依据及问题分析

1.1 现行测试依据

针对高速铁路列车运行时开放式轨道系统对外界的发射测试，依据标准为GB/T 24338.2—2018《轨道交通  电磁兼容  第2部分：整个轨道系统对外界的发射》。标准给出了0.15 MHz～1 GHz频段的发射限值要求（见图1），并对测量方法中的各相关测量参数作出规定。其中，对于测量天线与机车车辆运行的轨道中心线之间的测量距离按10 m要求，并给出现场条件不满足测试要求时，等效于10 m法的测量换算方法[5]，参见公式（1）。

式中：E10为等效于10 m法的测量结果；EX为在Dm处实际测量值；n为修正因数（见表1）。

图1 轨道交通系统对外界的电磁辐射限值曲线

在高速铁路联调联试及动态验收中，关于动车组运行条件下对外部的电磁辐射测试依据标准为TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》。标准中对列车通过时产生的电磁辐射的限值要求援引自GB/T 24338.2—2018（图1限值曲线），且标准中对测试方法的要求和规定与GB/T 24338.2—2018基本一致，区别在于：在其基础上规定了采用固定频率测试方法的代表性测试频点，分别为1 MHz和150 MHz，其中 150 MHz 频点限值为 88 dBμV/m，1 MHz 频点将磁场强度限值折算为电场强度限值，为110 dBμV/m[4]。

1.2 问题分析

列车运行时对外界产生的电磁辐射可采用频率扫描方法或固定频率方法进行测试。频率扫描方法与列车运行速度的相关性很大，频率扫描时间与列车运行速度的关系见表2。

表2 频率扫描时间与列车运行速度关系

随着高速铁路各项技术的不断突破，列车运行速度持续提升，目前列车最高运行速度可达350 km/h，为确保列车每运行5 m的时间内完成1次扫描[5]，扫描速率需低于0.051 s。传统频谱分析技术在面对分辨率带宽较小（最大120  kHz）而分析带宽较大（至1 GHz）的测试时，其扫描时间会很长，因此采用频率扫描方法进行测试时，为使扫描时间与列车速度相匹配，在测试过程中需要将被测频带划分为若干子频段。根据350 km/h速度对应的扫描速率仅为51 ms以下，采用传统频谱分析技术划分的子频段很窄，完成全频段测试需要大量的测试样本和重复扫描，以正确获得列车运行时对外发射的频谱，这无疑大大增加了测试时间。

牵引网系统中列车受电弓与接触网之间的弓网关系造成的离线放电是列车运行时轨道系统对外界电磁辐射的主要影响源之一[6]，弓网离线放电过程的持续时间很短，其暂态过程产生由若干脉冲组成的脉冲群，脉冲的持续时间可达微秒级，传统频谱分析技术面对此类突发性瞬时信号时，势必丢失很多频谱信息，会影响测试结果的完整性。而在列车过分相等特殊工况下，其在分合闸、进出无电区时产生的暂态过程所引起的电磁骚扰信号会呈现出不同的时域及频域特性，基于传统频谱分析技术的测试方法不但可能漏掉这些瞬时突发信号，还可能导致骚扰信号中含有的脉冲信号频谱被错误地显示，从而对测试结果的进一步分析造成影响。

2 实时频谱分析原理与技术特性

2.1 实时频谱分析技术

实时频谱分析的基本思路是以足够快的速度对输入信号采样，以满足奈奎斯特采样定理，即采样频率超过关心带宽的2倍。同时，连续并足够快地执行所有计算，使分析输出跟上输入信号的变化[7]。实时频谱分析技术实现架构见图2，其实现形式为：输入信号经过衰减器和低通（或带通）滤波器，通过使用多阶混频方案以及固定本振实现射频（RF）下变频，采用宽带滤波器确保整个测量频率上无像频干扰，经混频器转换至中频（IF）；经过高速采样（通常为IF带宽的2.5倍）的模数转换（ADC）模块将IF信号数字化，随后对采样数据进行信号路径的幅度平坦度、相位线性度等不理想特点的校正；系统在实时信号处理（DSP）引擎中执行所有进一步的步骤，包括数字下变频（DDC）和压缩滤波将A/D样点转换为同相（I）和正交（Q）基带信号流、基于离散傅里叶变换（DFT）的实时频谱变换与输出。

其中，实时频谱变换使用快速傅里叶变换（FFT）与Chirp-Z变换（CZT）的组合[8-9]，在IQ记录的各段上执行计算并生成占用频率随时间变化的数学表示，实现频谱显示。FFT的计算效率可实现更快的变换速率，而CZT的灵活性可为固定输入样点提供可变的分辨率带宽（RBW）。当信号处理速度与输入信号保持一致或更快时，就可实现对输入信号无遗漏地分析。实时频谱分析的主要特点就是通过高速的数据实时处理，实现对单个不重复瞬时事件的100%捕获概率（POI）的测试。

图2 实时频谱分析技术实现架构

2.2 数字荧光技术

数字荧光技术（DPX）将阴极射线管（CRT）中的荧光层和矢量图相结合，是近年来应用于实时频谱分析中的一项创新性技术[10]。DPX结合实时频谱分析技术，通过连续的实时频谱变换，得到的频域波形进行光栅化，创建位图，将短时间内累计的数万测量频谱全速写入位图数据库中。DPX频谱显示需要经过叠加频谱数据、图像位图数据库更新、颜色编码、色彩和曲线映射4个步骤，最终将位图数据库中累计的频谱以人眼可见的速率传送到显示屏幕上，累计效果用直观的位图颜色区分显示，既保留了信号的多种特征，又将这些快速隐秘的信号变化特征直观地展现出来。

DPX技术的实质是将一段时间内的所有信号频谱集成到1张频谱图上显示，包含了这段时间内频率、幅度和出现次数的三维信息，能够显示长时间内信号的变化趋势。DPX技术将实时查看技术从频谱查看技术转化成分析方法，可以对信号进行详细分析。

3 实时频谱分析与传统频谱分析的对比

3.1 分析方法的差异

实时频谱分析与扫频式频谱分析的对比见图3。传统频谱分析方法利用扫频超外差接收的原理[11-12]，以一定步长扫描频段，检波器1次只能从选择的中频滤波器带宽内全部采样点计算出1个频点的幅度值，即在任何给定的时间，测试仪器会调谐成单个频率，随着扫描的推进，频率会随之变化，形成图3中的对角线并作为扫频结果显示。与实时频谱分析方法相比，该方法可能会漏掉在当前测试频段内发生的瞬时事件。

3.2 实测数据的对比分析

3.2.1 动车组运行时对外部的电磁辐射测试

在某新建高速铁路联调联试动态提速试验阶段，分别采用实时频谱分析方法和传统频谱分析方法，对列车以300 km/h速度运行时对外部的电磁辐射进行测试，测试条件均满足GB/T 24338.2—2018中的相关要求，测试距离、测量高度、天线位置与朝向等因素均保持一致，以降低客观因素对测试结果的影响。2种方法的典型测试结果见图4、图5。

图3 实时频谱分析与扫频式频谱分析对比

图4 实时频谱分析测试结果（列车运行）

图中所示测试结果为同一列车通过测试点时，150 kHz～30 MHz频段磁场强度测试结果，其中分辨率带宽设置为9 kHz，传统频谱分析方法扫频速率为35 ms。对比2种测试结果可知，实时频谱分析结果显示列车经过测试点的时间段内，系统对外的电磁辐射频率分量集中在10 MHz以下频段，相比于背景值（图4中下部粉红色余辉所示部分），场强普遍增大超过10 dB（图4中最大值保持轨迹）。通过DPX频谱态势图可知，列车运行时对外辐射的电磁骚扰多为瞬时信号（图4中浅色余辉）。而图5所示的传统频谱分析结果由于在扫频时只能计算单频点幅度，因此信号的频谱分量有遗漏，只有一系列的单一谱线。尽管采用了最大保持方式，但由于在扫频时各频点的最大值并非同一时刻计算得到，因此在幅值上也比实时频谱分析结果略小。

图5 传统频谱分析测试结果（列车运行）

测试结果的对比还说明，实时频谱分析方法得到的DPX频谱可以发现和捕获传统频谱分析方法漏掉的信号细节。

3.2.2 动车组特殊运行工况下对外部的电磁辐射测试

为进一步对不同测试方法进行对比分析，分别采用传统频谱分析方法（扫频与固定频率方法）和实时频谱分析方法，对列车以300 km/h速度通过2供电分段间的电分相过程产生的电磁辐射进行测试，其中实时频谱分析方法与传统扫频式方法典型测试结果见图6、图7。

图6 实时频谱分析测试结果（列车过分相）

图中所示测试结果为同一列车通过设置在电分相区段的测试点时，150 kHz～30 MHz频段磁场强度测试结果，分辨率带宽设置以及传统频谱分析方法扫频速率均未变化。列车通过分相区时，列车主断路器断合、通过无电区时受电弓与接触网无电区结构之间所产生的电磁暂态会引起较强的瞬态骚扰信号，实时频谱分析结果显示，这一系列电磁暂态所引起的瞬态信号在整个测试频段均导致场强的大幅增大，场强增幅普遍达到20～30 dB，且信号在各频率分量的强度随频率升高呈逐渐减弱趋势。而传统频谱分析测试结果显示出的上述暂态过程产生的影响则要弱很多，无论从频率分布还是场强幅度上，都没能完全反映出列车过分相条件下对外界电磁辐射的频域特性。

图7 传统频谱分析（扫频方法）测试结果（列车过分相）

同时，通过DPX频谱配色方案的设置，还能够通过颜色显示对列车过分相各暂态引起电磁骚扰信号的频谱加以区分。上述对比结果说明，DPX频谱不但可以显示出不频繁的瞬时信号，还可以揭示传统频谱分析所无法查看的信号细节。

在同样条件下采用固定频率方法的测试结果见图8。测试频点选择代表性频点1 MHz，从场强随时间变化的测试结果中可以看出，列车过分相暂态产生的骚扰信号在该频点处的影响过程可以被捕获，场强幅度相比扫频测试方法更接近于实时频谱分析测试结果，可以反映列车通过电分相时对外电磁辐射的影响程度。但与实时频谱分析测试方法相比，该测试结果无法反映出整个频段内的场强变化，如果对各频点分别进行测试，不但使测试样本和时间大幅增长，还可能因为列车过分相暂态过程受到分合闸以及进出无电区时的电压电流相位等影响导致时频域特性的差异，而无法准确地对上述电磁暂态产生的电磁影响做进一步分析，因此存在一定的局限性。而实时频谱分析方法不仅可显示出瞬态骚扰信号的频谱分量在测试频段内的整体变化趋势，还可通过DPX频谱甄别瞬态骚扰信号的主要频谱成分在测试频段内的分布情况。

图8 固定频率方法测试结果（列车过分相）

4 结论

（1）将实时频谱分析技术的测试方法应用于高速铁路对外界的电磁辐射测试中，实时频谱分析中的频谱转换速度高于等效采样速度，确保了变换过程中不丢失信号信息，基于实时处理，对被测信号的频域显示在时间轴上是无缝完整的。通过实测数据对比分析，验证了分辨率带宽较小的情况下采用较宽的分析带宽进行扫频测试时，该方法可以全面反映列车通过时间段产生的电磁辐射场强。相比于传统频谱分析中的扫频和固定频率测试方法，该测试方法若应用于新建高速铁路动态验收过程中，可全面提升评价过程中测试结果的代表性，明显提高测试效率。

（2）实测数据对比分析结果表明，传统频谱分析技术只能显示瞬时频谱信息，缺乏对一段时间内信号变化的统计分析。相比之下，采用DPX技术的实时频谱分析方法可显示不同时间在同一分析带宽内的多个信号，并利用可调颜色映射和概率密度统计等增强技术来显示各信号的多种不同信息。在高速铁路各子系统间以及与外界间的电磁兼容问题研究分析和测试中，该方法可显著提高对干扰信号的捕获和观察分析能力，加快发现和诊断问题的速度。

（3）随着实时频谱分析技术指标的不断改进和提升，为宽分析带宽实时测试提供了可行的解决方案。实时频谱分析测试方法可同时对被测信号进行时域、频域或调制域的分析能力，通过研究分析和实测验证，适用于高速铁路系统的复杂信号和复杂电磁环境下的测试分析，对高速铁路及轨道交通系统电磁兼容性的深入研究具有重要意义。

（4）当然实时频谱分析技术的应用还有一些局限，例如，目前技术成熟且具备普及性的测试设备的实时带宽有限，一般只有几十MHz，宽实时带宽的技术受成本高昂等因素制约还未能普及应用，因此，完成标准规定的全频段测量，还需要对测量频段划分为若干子频段分别进行测量。