CN202856745U - 铁路移动通信干扰实时监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁路移动通信干扰实时监测仪，包括天线、射频矩阵开关、第一接收机和第二接收机、数字中频处理板、嵌入式计算机和便携式终端，天线与射频矩阵开关的对应射频输入端口连接，射频矩阵开关的信号输出端口分别与第一接收机的信号输入端和第二接收机的信号输入端连接，第一接收机的信号输出端和第二接收机的信号输出端分别与数字中频处理板的2个信号输入端连接，数字中频处理板通过总线与嵌入式计算机连接，嵌入式计算机通过互联网与便携式终端和监测主机通讯连接。本实用新型解决了常规监测设备如频谱分析仪、接收机等无法实现的对突发、跳频等低截获概率信号及GSM-R同频干扰信号进行监测的缺点。

Description

铁路移动通信干扰实时监测仪

技术领域

本实用新型涉及一种干扰监测仪，特别是涉及一种铁路移动通信干扰实时监测仪。

背景技术

我国高速铁路的建设始于1999年，经过10多年的高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造，中国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，截至2011年12月底，中国国内时速200公里以上的高速铁路里程已经接近1万公里。在建和即将兴建的高速铁路客运专线和城际铁路里程已达1.7万公里，根据中国中长期铁路网规划方案，至2012年年底，中国将建成42条高速铁路客运专线，基本建成以“四纵四横”为骨架的全国快速客运网，总里程1.3万公里；到2020年中国时速在200公里以上的高速铁路里程将会达到5万公里。高铁大大缩短了时间、空间的距离，催生了“N小时经济圈”，可以毫不夸张地说，高铁已经成为国民经济的“主动脉”。然而随着高铁的快速发展，高铁事故也频频发生，给国家带来巨大的经济损失和社会负面影响。

GSM-R（铁路移动通信系统）专用于铁路的日常运营管理，是非常有效的调度指挥通信工具。它在常规GSM的规范协议基础上，加入了基于位置寻址和功能寻址等功能，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信的需要。主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，可为列车自动控制与检测信息提供数据传输信道，并可提供列车自动寻址和旅客服务，可以说GSM-R就是铁路系统的“神经”。

由于GSM-R系统承载了列车调度和列车控制系统中的关键指令，若发生故障将引起铁路系统的混乱，甚至可能造成严重的安全事故。目前由于各种原因，GSM-R通讯系统常发现时间短、出现时间不规律的无线电干扰，严重影响高铁运行安全，直接威胁到了国家和人民生命财产的安全。

据分析，这些干扰的产生原因包括：GSM-R同频或邻频干扰、GSM互调、CDMA带外干扰、模拟与数字电视干扰、集群干扰、跳频干扰、突发干扰、噪声干扰、不明干扰等较多复杂通讯信号。此外，由于GSM-R系统采用频率复用原理，这对使用通用无线电监测方式实现同频载波信号的频谱分离测量和自动监测带来很大难度，是我国无线电监测行业遇到的一个全新技术难题。

目前铁路通信管理和无线电管理部门对于GSM-R频段电磁环境的保护，采取被动方式，即当GSM-R系统出现影响正常通信的干扰时才进行干扰排除和查找工作，通常是工作人员使用传统的频谱分析设备对GSM-R上行与下行频段进行频谱分析，或者使用移动通信网络路测设备查找违法使用GSM-R频率资源的基站，这样只能解决很少一部份的干扰，因为干扰的类型很多，出现时间不同，出现规律不同，特别是对于突发信号、跳频信号采用常规设备根本就无法监测，因此，还没有完全有效的针对GSM-R干扰的实时监测、分析和查找的专用设备。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题而提供一种能实现在时域和频域上对GSM-R专用频段构成干扰的各类信号的无缝监测的铁路移动通信干扰实时监测仪。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种铁路移动通信干扰实时监测仪，包括天线、射频矩阵开关、第一接收机和第二接收机、数字中频处理板、嵌入式计算机和便携式终端，所述天线包括GSM-R全向天线、GSM-R定向天线和宽带全向天线，所述GSM-R全向天线、GSM-R定向天线和宽带全向天线均与所述射频矩阵开关的对应射频输入端口连接，射频矩阵开关的射频信号输出端口分别与所述第一接收机的信号输入端和所述第二接收机的信号输入端连接，所述第一接收机的信号输出端和所述第二接收机的模拟中频信号输出端分别与所述数字中频处理板的2个信号输入端连接，所述数字中频处理板通过总线与所述嵌入式计算机连接，所述嵌入式计算机通过互联网与所述便携式终端和监测主机连接。

铁路移动通信干扰实时监测仪专门针对GSM-R的干扰信号分析查找而设计。采用全天候、多通道、实时分析设计，能对多个相邻GSM-R小区内任何时间出现的任何干扰信号进行分析、记录和告警，能够利用窄波束定向天线阵实现同频信号分离和测向，对远端弱小信号增强、近端强同频信号抑制，实现对弱小信号的测量和分析、解调解码；能够利用时差定位原理通过多站组网定位干扰源，实现对干扰信号的主动定位。

进一步地，所述铁路移动通信干扰实时监测仪还包括GPS时基电路和GPS天线，所述GPS时基电路的信号输入端与所述GPS天线连接，所述GPS时基电路的信号输出端与所述数字中频处理板的时间信号输入端连接。

GPS时基电路提供高精度的时间基准，用于时差定位时提供时间标准，时间精度优于20纳秒。

作为优选，所述铁路移动通信干扰实时监测仪还包括外部存储器，所述外部存储器的数据端口与所述嵌入式计算机的数据端口连接。外部存储器采用大容量电子盘，主要功能是存储嵌入式操作系统、应用程序、模板数据及7天的告警相关数据。

更进一步地，所述数字中频处理板包括第一A/D转换器、第二A/D转换器、第一DDC控制器、第二DDC控制器、FPGA处理器、DSP处理器、存储器和总线控制器，所述第一A/D转换器和所述第二A/D转换器的信号输入端分别与所述第一接收机和所述第二接收机的信号输出端对应连接，所述第一A/D转换器和所述第二A/D转换器的信号输出端与所述第一DDC控制器和第二DDC控制器的信号输入端对应连接，所述第一DDC控制器和第二DDC控制器的信号输出端与所述FPGA处理器的信号输入端连接，所述FPGA处理器的信号输出端与所述DSP处理器的信号输入端连接，所述DSP处理器的信号输出端与所述总线控制器的信号输入端连接，所述存储器的数据端口与所述DSP处理器的数据端口连接。

数字中频处理板完成模拟中频数据到数字中频数据的转换，实时缓存中频数据，快速傅里叶变换（FFT），数字信号解调，超门限的异常信号检查等工作，将监测结果送入嵌入式计算机。

作为优选，所述第一接收机为接收频率80MHz-1000MHz的接收机。

作为优选，所述第二接收机为接收频率885-889MHZ或930-934MHZ(可切换选择其一)的接收机。

系统配置的两套接收机，用于将天线接收的微弱高频信号转换为幅度较强的较低的中频信号。两套接收机都可用于GSM-R频段的监测，第一接收机还可用于更宽频段的监测，用于对GSM-R以外频段的对GSM-R工作频段构成谐波、互调干扰的信号的分析和查找。

本实用新型的有益效果是：

通过采用实时信号分析技术实现在时域和频域上对GSM-R专用频段构成干扰的各类信号的无缝监测，本实用新型解决了常规监测设备如频谱分析仪、接收机等无法实现的对突发、跳频等低截获概率信号及GSM-R同频干扰信号的监测的缺点。本实用新型实现了以下功能并达到了良好的效果：

1）双通道信号接收和信号处理，在极短时间内捕捉到干扰信号及诱因能量的全部特征；

2)采用窄波束定向天线阵等多种方式实现GSM-R同频信号的空间频谱分离和监测测量；

3)根据干扰成因创建干扰分析模型，在频域、时域、空域和调制域上对干扰信号进行分析，及时判断、分析出干扰信号的类型、强度、方位，形成极强的干扰信号识别能力；

4)采用数字基带信号实现对GSM-R、GSM、CDMA信号的解调解码；

5）按照专家分析经验设计针对干扰查找的功能联动程序，实现对干扰捕捉、分析识别、定位的智能运行，对认定的干扰实时告警。

附图说明

图1是本实用新型铁路移动通信干扰实时监测仪的结构示意图；

图中：1-天线，101-GSM-R全向天线、102-GSM-R定向天线，103-宽带全向天线，2-射频矩阵开关,3-第一接收机，4-第二接收机，5-数字中频处理板，501-第一A/D转换器，502-第二A/D转换器，503-第一DDC控制器，504-第二DDC控制器，505-FPGA处理器，506-DSP处理器，507-总线控制器，508-存储器，6-嵌入式计算机，7-外部存储器，8-GPS时基电路，9-电源电路，10-GPS天线，11-便携式终端，12-监测主机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

如图1所示，本实用新型一种铁路移动通信干扰实时监测仪，包括天线1、射频矩阵开关2、第一接收机3和第二接收机4、数字中频处理板5、嵌入式计算机6和便携式终端6，天线1包括GSM-R全向天线101、GSM-R定向天线102和宽带全向天线103，GSM-R全向天线101、GSM-R定向天线102和宽带全向天线103均与射频矩阵开关2的对应射频输入端口连接，射频矩阵开关2的信号输出端分别与第一接收机3的信号输入端和第二接收机4的信号输入端连接，第一接收机3的信号输出端和第二接收机4的信号输出端分别与数字中频处理板5的2个信号数入端连接，数字中频处理板5通过总线与嵌入式计算机6连接，嵌入式计算机6通过互联网与便携式终端11和监测主机12通讯连接。

铁路移动通信干扰实时监测仪还包括GPS时基电路8和GPS天线10，GPS时基电路8的信号输入端与GPS天线10连接，GPS时基电路8的信号输出端与数字中频处理板5的时间信号输入端连接。GPS时基电路8提供高精度的时间基准，用于时差定位时提供时间标准，时间精度优于20纳秒。

铁路移动通信干扰实时监测仪还包括外部存储器7，外部存储器7的数据端口与嵌入式计算机6的数据端口连接。外部存储器7采用大容量电子盘，主要功能是存储嵌入式操作系统、应用程序、模板数据及一周（7天）的告警相关数据。

如图1所示，数字中频处理板5包括第一A/D转换器501、第二A/D转换器502、第一DDC控制器503、第二DDC控制器504、FPGA处理器505、DSP处理器506、存储器508和总线控制器507，第一A/D转换器501和第二A/D转换器502的信号输入端分别与第一接收机3和第二接收机4的信号输出端对应连接，第一A/D转换器501和第二A/D转换器502的信号输出端与第一DDC控制器503和第二DDC控制器504的信号输入端对应连接，第一DDC控制器503和第二DDC控制器504的信号输出端与FPGA处理器505的信号输入端连接，FPGA处理器505的信号输出端与DSP处理器506的信号输入端连接，DSP处理器506的信号输出端与总线控制器507的信号输入端连接，存储器508的数据端口与DSP处理器506的数据端口连接。数字中频处理板5完成模拟中频数据到数字中频的转换，实时缓存中频数据，快速傅里叶变换（FFT），数字信号解调，超门限的异常信号检查等工作，将监测结果送入嵌入式计算机6。

第一接收机3为接收频率80MHz-1000MHz的接收机。第二接收机4为接收频率885-889MHZ或930-934MHZ（可在工作过程中由系统控制接收机接收两个频段中的任意一频段）的接收机。系统配置的两套接收机，用于将天线接收的微弱高频信号转换为幅度较强的较低中频信号。两套接收机都可用于GSM-R频段的监测，第一接收机3还可用于更宽频段的监测，用于对GSM-R以外频段的对GSM-R工作频段构成谐波、互调干扰的信号的分析和查找。

本实用新型的工作原理为：采用多通道接收机(窄带、宽带接收机组合)、软件无线电（SDR）、数字移动通信、高速数字信号处理（DSP）、时差定位（TDOA）、干扰分析、信号识别等技术，实时监测并记录GSM-R上行与下行频段信号全信息数据（宽带原始数据），并实时进行信号统计与分析。当发现对GSM-R通讯构成干扰的信号时，分析判断其产生原因、源信号频点和类型，并进行解调、解码以识别信号用途和性质。能分析的产生方式包括：谐波干扰、互调干扰、跳频干扰、噪声干扰、杂散干扰等等；能分析的干扰信号的类型包括：GSM-R同频或邻频干扰、GSM互调干扰、CDMA带外干扰、模拟与数字电视干扰、集群干扰、跳频干扰、突发干扰、噪声干扰、不明干扰等。

设备在完成对干扰信号的分析判别后，通过与管理中心的通信链路及时上报干扰告警信息，上传相关数据，同时还保存发现干扰时前、后一段时间的全信息数据和干扰分析数据、频谱图及有关解码数据，以备事后进行进一步的还原分析。设备支持TDOA（时差定位）功能，需要时可进行多站组网对干扰源进行定位。

Claims (6)

1.一种铁路移动通信干扰实时监测仪，其特征在于：包括天线、射频矩阵开关、第一接收机和第二接收机、数字中频处理板、嵌入式计算机和便携式终端，所述天线包括GSM-R全向天线、GSM-R定向天线和宽带全向天线，所述GSM-R全向天线、GSM-R定向天线和宽带全向天线均与所述射频矩阵开关的对应射频输入端连接，射频矩阵开关的信号输出端分别与所述第一接收机的信号输入端和所述第二接收机的信号输入端连接，所述第一接收机的模拟中频信号输出端和所述第二接收机的模拟中频信号输出端与所述数字中频处理板的2个信号输入端连接，所述数字中频处理板通过总线与所述嵌入式计算机连接，所述嵌入式计算机通过互联网与所述便携式终端和监测主机连接。

2.根据权利要求1所述的铁路移动通信干扰实时监测仪，其特征在于：所述铁路移动通信干扰实时监测仪还包括GPS时基电路和GPS天线，所述GPS时基电路的信号输入端与所述GPS天线连接，所述GPS时基电路的信号输出端与所述数字中频处理板的时间信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的铁路移动通信干扰实时监测仪，其特征在于：所述铁路移动通信干扰实时监测仪还包括外部存储器，所述外部存储器的数据端口与所述嵌入式计算机的数据端口连接。

4.根据权利要求1所述的铁路移动通信干扰实时监测仪，其特征在于：所述数字中频处理板包括第一A/D转换器、第二A/D转换器、第一DDC控制器、第二DDC控制器、FPGA处理器、DSP处理器、存储器和总线控制器，所述第一A/D转换器和所述第二A/D转换器的信号输入端分别与所述第一接收机和所述第二接收机的模拟中频信号输出端对应连接，所述第一A/D转换器和所述第二A/D转换器的数字信号输出端与所述第一DDC控制器和第二DDC控制器的信号输入端对应连接，所述第一DDC控制器和第二DDC控制器的信号输出端与所述FPGA处理器的信号输入端连接，所述FPGA处理器的信号输出端与所述DSP处理器的信号输入端连接，所述DSP处理器的信号输出端与所述总线控制器的信号输入端连接，所述存储器的数据端口与所述DSP处理器的数据端口连接。

5.根据权利要求1所述的铁路移动通信干扰实时监测仪，其特征在于：所述第一接收机为接收频率80MHz-1000MHz的接收机。

6.根据权利要求1所述的铁路移动通信干扰实时监测仪，其特征在于：所述第二接收机为接收频率为885-889MHZ或930-934MHZ的接收机。