精准带通滤波器在铁路通信上的应用

1精准带通滤波器在铁路通信上的应用刘寅吴昉苏州络湾电子科技有限公司摘要我国铁路系统用GSM-R通信频带与运营商GSM的频率相近，很容易造成干扰。为克服潜在干扰隐患，保证铁路通信安全，有必要在机车通信系统中加装滤波器。车载铁路无线通信系统用滤波器成功通过了实验室测试和国标环境测试，并进行了车载运行实验。经过一个月左右时间的连续车载实验及高热天气（45°C），未发现任何断网掉线的现象，成功滤除此频段外的干扰信号。1引言铁路无线通信系统使用的GSM-R的上行频率是885-889MHz，下行是930-934MHz；无线通信运营商，如中国移动及中国联通的GSM系统下行频段为935-960MHz，两者相隔仅1MHz。因为两者间隔很近，在实际应用中，铁路通信系统极易被运营商的高功率信号干扰并造成通信闭塞及掉线。特别是在突发事件等意外发生时，这种通信闭塞往往会加大突发事件所衍生的损失强度。滤除铁路无线通信系统的干扰对保障通信畅通、安全，提高铁路系统应变能力至关重要。苏州络湾公司为满足铁路系统需求，开发了精准滤波器，其特点是，在下行频带边缘，即频率大于934-935MHz区间，陡度大于16dB.此滤波器经过实验室及装车在实际使用环境中测试，完全能满足使用要求。2精准滤波器参数精准滤波器性能见表1，本滤波器带内差损为：频带中心小于1dB，频带边缘（934MHz）1.8dB；在隔绝GSM-R与GSM的关键区域，934-935MHz范围陡度大，抑制达16dB以上。表1精准滤波器参数频率（MHz）特征值（dB)插入损耗885-8891.0930-933.51.0933.5-9341.8带外抑制8850.5889-9300.5934.559351693620带内波动885-889≤0.5930-934≤1.0回波损耗885-889≥13.9930-934≥13.9温度稳定性-40-70°C无明显变化由于机车内设备室尺寸有限，要求附加器件的尺寸小，重量轻。络湾公司的滤波器尺寸为：225×115×75mm，重量为2kg。3实际测试方案3.1前期准备工作本实验采用的实验设备有：安捷伦8753E网络分析仪、安捷伦E5071C网络分析仪、铁路机车载标准通信设备、泰克SA2600频谱仪。测试主要分为三种环境：（1）无线实验室测试：滤波器在发射功率50W的无线实验室微蜂窝环境中，利用频谱仪对滤波器通带和阻带进行精确测试。目的是在无线环境中测量滤波器S12参数的具体值，分析滤波器的实际性能。（2）环境实验室测试：测量滤波器在不同温度及震动环境下的工作稳定性。（3）机车实际运行环境：滤波器连接在高铁列车的天线与车载通信设备间进行实际环境测试。测试在列车运行中是否有掉线或断网现象。3.2测试结果（1）无线实验室测试精准滤波器在上海铁路局无线实验室中，发射功率50W的微蜂窝环境下，用频谱仪进行测试，测试频段为930.2-934.6MHz。通带范围：在930.2-934.0MHz频段，加入滤波器带来的插损为0.08dB-1.1dB。阻带范围：在934.2MHz处，加入滤波器带来的插损为3.4dB;在934.4MHz处，加入滤波器带来的插损为5.7dB;在934.6MHz处，加入滤波器带来的插损为7.3dB;无线实验室的测试数据与网络分析仪的测试结果吻合。（2）环境实验室测试环境试验根据国标GB/T2423.10-2008完成。（5）具体包括振动试验（正弦），自由跌落试验，高温储存试验，低温储存试验，及高低温试验等。其中振动试验位移幅值为3.5mm,频率范围为10~55Hz,加速度幅值为10m/s²，方向为3轴向，等待时间为3×2扫描周期10分，样品状态为不带包装。自由跌落试验高度为1米,次数为每个面各一次，样品状态为带包装。高温储存试验温度为70℃，持续时间72小时，恢复时间2小时。低温储存试验温度为-40℃，持续时间72小时，恢复时间2小时。高低温试验在-40至70℃进行，随时测取样品S参数，持续时间16小时，恢复时间2小时。各项试验过程前后参数无变化。滤波器参数在-40至70℃无明显变化（表2）。表2高低温试验过程中参数变化温度平均带内插损带外抑制885~889MHz930~934MHz935MHz25℃-0.34-1.40-17.170℃-0.34-1.37-16.0-40℃-0.34-1.42-18.625℃（恢复后）-0.34-1.40-17.2（3）机车实际运行实验机车实验包括三个阶段：装车测试、机车运行测试、运行后机车测试阶段一：装车测试共有两个滤波器被分别安装在上海铁路局高铁动车组首尾两个车头上进行测试。安装示意如图1、2所示。图1滤波器在铁路机车上连接示意图2滤波器在设备上实际安装位置每台机车上分别有语音通信线路和数据通信线路。试验中分别对4部机车的语音和数据通信线路安装滤波器，用机车上无线强度表测试安装滤波器前后无线电频带的强度，并用频谱仪进行测试对比。频谱仪显示加入滤波器后在933.2MHz处带来的信号强度变化为0.8dB，机车无线强度表显示信号强度变化平均值为0.3dB（表3）。表3机车测试数据机车号原状态不加滤波器加滤波器后引入插损机车一语音信号-51-532数据信号-53-552语音数据天线互换状态语音信号-55-550数据信号-51-510频谱仪测试933.2Mhz语音信号-59-59.80.8语音信号-63-630数据信号-73-730天线列车现有通讯设备天线滤波器机车二语音数据互换状态语音信号-73-730数据信号-63-630频谱仪测试933.2Mhz语音信号-61.92-63.21.28数据信号-61.52-62.981.46机车三语音信号-63-630数据信号-73-730机车四语音信号-67-670数据信号-57-592平均损耗-60.5-60.80.3经实际车载测试，930-934MHz通带内信号差损为0.3。阶段二：机车运行测试2013年7月26日至8月23日，滤波器装入高铁车载通讯系统随车运行。通讯系统时刻处于自动监控状态，监控数据自动发往铁路通讯终端并记录分析。列车南至厦门，北达北京，经历了罕见的高热天气（45°C）。期间未发现任何断网掉线的现象。阶段三：运行后机车测试用于车载实验的滤波器样品在车载前后经网络分析议测试进行测试（表4），由表中可见性能变化不大。在频带内，插损变化一般为0.05dB左右，最极端的情况（一组数据）也仅为0.5dB。这些变化可以归结为测量仪器及测量时产生的误差。表4滤波器装车前后S12参数测试比较滤波器885MHz889MHz930MHz934MHz935MHzGSM-I(1)装车前-0.26-0.37-0.93-1.8-18.3车载实验后-0.35-0.31-1.4-1.4-16.46GSM-I(2)装车前-0.71-0.26-0.73-1.63-15.5车载实验后-0.96-0.3-0.71-1.71-17.34结束语方案中的车载铁路无线通信系统用滤波器保证两个通带，885-889MHz以及930-934MHz。频带中心差损小于1dB，频带边缘1.8dB。陡度在大于934MHz的频率，1MHz范围抑制达15dB以上。该滤波器在-40至70℃间具有很高的温度稳定性及振动稳定性。车载铁路无线通信系统用滤波器成功通过了实验室测试和国标环境测试，并进行了车载运行实验。本次测试的滤波器经过一个月左右时间的连续车载实验，滤波器随列车南至厦门，北达北京，经历了罕见的高热天气（45°C），期间未发现任何断网掉线的现象，保证了885-889MHz以及930-934MHz频段内通话正常，成功滤除此频段外的干扰信号。参考文献：(1)冯先成：《通信直放站技术》，北京邮电大学出版社;第1版(2011年11月1日)；(2)钟章队等：《铁路数字移动通信系统（GSM—R)无线网络规划与优化》，北京交通大学出版社（2012-2-1）(3)刘寅、吴昉等：《用于同轴谐振双工器的谐振腔和同轴谐振双工器》专利号：ZL201320328370.9(4)刘寅、吴昉、史庆军等：《一种射频滤波器、含射频滤波器的装置及其设计方法》，专利申请号：201210264987.9(5)《电工电子产品环境试验国家标准汇编》,中国标准出版社，2008