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Assemblée générale du GDR Ondes Bordeaux Novembre 2007

Caractérisation du bruit électromagnétique dans les bandes dédiées aux

télécommunications entre les trains et les centres de contrôle du trafic ferroviaire: mesures à bord d’un train en mouvement

N. Ben Slimen, V. Deniau, J. Rioult, S. Baranowski, B. Démoulin

INRETS/LEOST - Villeneuve d’AscqIEMN/TELICE - Université de Lille 1 - Villeneuve d’Ascq


Présentation

• Cadre de l’étude– Projet RAILCOM - ERMTS et GSM-R

• Méthodes de mesure du champ au niveau des antennes GSM-R

• Campagnes de mesure sur train• Comparaison des méthodes testées• Analyse statistique des résultats• Conclusions

But: proposer une méthode de caractérisation des perturbations électromagnétiques à bord des trains


WP3- Interférences hautes fréquences au niveau du système ferroviaire et particulièrement du système de communication entre le train et l’infrastructure au sol

RAILCOM – Compatibilité électromagnétique entre le matériel roulant et les infrastructures au sol pour améliorer l’interopérabilité européenne

Le projet RAILCOM


ERTMS: European Rail Traffic Management System Standard unique de signalisation à travers l'Europe et suppression de la signalisation latérale transmission de données par GSM-R directement à bord des trains

GSM-R: Global System for Mobiles - Railways 876 – 880 MHz liaison montante, 921 – 925 MHz liaison descendante, 36 canaux

Transmission par baliseRéception des informations de position

Transmission voix et données

GSM-R

Eurobalise

GSM-R

ERTMS et GSM-R


Transmission voix et données

GSM-R et conséquences CEM

Connaissance des contraintes EM que le système GSM-R doit supporter Méthodologie de test pour valider l'immunité du système GSM-R dans cet environnement spécifique

Les perturbations peuvent

affecter le signal GSM-R et retarder la réception des informations

GSM-R

GSM-R

ARCS

Les perturbations EM produites dans le système ferroviaire peuvent

être très contraignantes et particulièrementdans les bandes de fréquences

dédiées au GSM-R


Standards EN 50121: Railway applications – Electromagnetic CompatibilityEN 50121- part 2 Emissions of the whole railway system

9 kHz - 1GHz

10 m

Mesure du bruit électromagnétique sur le siteMesure des émissions du train à l'arrêt et en mouvement

Mesures dans le domaine fréquentiel à l'aide d'un analyseur de spectres

Inadéquat pour caractériser les perturbations EM affectant les

communications GSM-R

• mesures à 10 m : contrôle de l'émission du train vers le monde extérieur et non à bord

• méthode qui est basée sur les CISPR* 22, CISPR* 16 prévue pour les systèmes de communications analogiques* CISPR : Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques

Caractérisation de l’environnement: norme?


Méthode dans le domaine fréquentiel

fstart fstop

Nbre de points = nbre de fréquences entre fstart et fstop

Resolution bandwidth (RBW)Sweep time (ST)

Fonction Maxhold : comparaison entre les spectres mesurés successifs de façon à ne garder que l'amplitude maximale pour chaque fréquence

Méthode dans le domaine temporel

fenêtre temporelle

Trigger level : niveau minimum qui active l'enregistrement des perturbations sur une fenêtre temporelle

Un enregistrement est fait a chaque fois que le niveau du signal mesuré est supérieur au trigger level

Analyseurde

spectre

Oscilloscope

Méthode fréquentielle - méthode temporelle

TriggerLevel



Inconvénients: les résultats dépendent de plusieurs paramètres (nombre de points de mesure, ResolutionBandWidth, SweepTime, durée totale de la mesure … )Ne permet pas de détecter la totalité du spectre des transitoires à cause du SweepTime

Avantages : une seule courbe enregistrée sur la totalité du parcours ou du temps de mesure ne nécessite pas de post traitement, facilite l'analyse convient pour la normalisation

Analyseur de

spectre

Méthode dans le domaine temporel

Oscilloscope

Avantages : détection des transitoires, Ne dépend que du trigger level qui lui-même n'agit que sur l'enregistrement ou non du signal mais pas sur son niveau

Inconvénients :Grande quantité de données à enregistrer nécessite un important post traitement. La mesure ne peut pas être comparée directement avec un niveau de référence (l'amplitude maximale n'indique pas le niveau de perturbation pour une bande de fréquences donnée),

Avantages et inconvénients des deux méthodes


Villeneuve Saint Georges

Montargis

1500 V DC

25000 V AC

Nevers

Mesures effectuées sur un parcours non équipé en système GSM-R

!

Objectifs:- Tester les deux méthodes de caractérisation du bruit reçu sur les antennes GSM-R installées a bord Du train- Collecter des données caractéristiques des perturbations rencontrées

240 km

Campagne de mesure (1)


Deux modèles d'antennes omnidirectionnelles

Double Bande: 440 – 470 MHz et 870 – 960 MHz

Analyseur de spectre

Oscilloscope

Antenne oblique Antenne droite

Pantographes

1500 V25000 V

10 m2 m

24 m 27 m

12 Locomotive

18 m

Deux modèles d'antennes GSM-R

12

Campagne de mesure (2)


-50

-40

-30

-20

-10

0

300 400 500 600 700 800 900 1000Frequency (MHz)

|Sii|

(dB

)

|S11|- straight antenna

|S11|- oblique antenna

~ 820 MHz420 MHz~ 520 MHz


analyseur de spectre

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

400 450 500 550 600Frequency (MHz)

Pow

er (

dBm

)

oblique antenna

straight antenna

Caractéristiques des antennes

Antenne oblique Antenne droite


300 MHz 1 GHz

501 points (définis par l'analyseur de spectre employé)

Resolution bandwidth (RBW) = 1 MHz,100kHzSweep time (ST) = 20 ms, 50 msfonction Maxhold activée durant 10 minutes


-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

300 400 500 600 700 800 900 1000Frequency (MHz)

Po

we

r (d

Bm

)

FRBW = 1MHzFRBW = 100 kHz1 acq à faible vitesse

Mesures fréquentielles


analyseur de spectre


300 MHz 1 GHz

méthode temporelle

1µs

≈ 0.15 V10 m

n

Comparaison desspectres pour en extraire la valeurmaximale pour chaque fréquence

F.F.T

Méthode fréquentielle

12

501 points (définis par l'analyseur de spectre employé)

Resolution bandwidth (RBW) = 1 MHzSweep time (ST) = 50 msfonction maxhold activée pendant 10 minutes

OSCAS Locomotive

Protocole dans les domaines fréquentiels et temporels


-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

300 400 500 600 700 800 900 1000Frequency (MHz)

Pow

er

(dB

m)

Oscilloscope + FFTSpectrum analyser1 acq à faible vitesse

bande passantede antennes

Système français de radio communication

ferroviaire

GSM et GSM-R

Comparaison des résultats – mesures à 25 kV


1500 V DC

25000 V AC

0.5 µs

9

0.5 µs

21

24

0.5 µs

47

0.5 µs

62

0.5 µs70

0.5 µsRis

e t

ime (

ns)

Analyse statistique des résultats (domaine temporel)


Deux objectifs à ces travaux:

• essayer de définir une méthode (standardisée?) de caractérisation de l'environnement électromagnétique

• identifier les perturbations typiques rencontrées à bord des trains afin de pouvoir les reproduire en laboratoire pour effectuer des tests d'immunité de systèmes GSM-R

Conclusion


La méthode fréquentielle est plus adaptée à la définition d'une méthode standardisée de la caractérisation d 'un environnement électromagnétique

- aucun post traitement- possibilité de comparaison directe des mesures avec des seuils prédéfinis

- les caractéristiques du signal:• durée totale des mesures• occurrence des événements transitoires• durée des transitoires• ....

- les réglages de l'analyseur (RBW, VBW, ST, .... ) qui doivent être définis en fonction du système que l'on veut protéger.

Conclusion 2 analyse fréquentielle

mais : les résultats doivent être analysés selon :


Les résultats obtenus dans le domaine temporel peuvent servir de référence mais doivent être analysés au préalable de façon à prendre en compte les caractéristiques du système que l'on veut protéger.

- relation entre les niveaux mesurés par la méthode temporelle et le niveau de bruit réellement reçu par le récepteur GSM-R (probabilité de couverture du GSM-R: 95% du temps et de l'espace = -92 dBm)

Conclusion 3 analyse temporelle


F.F.T de deux transitoires de temps de montée différents (niveaux max identiques et durée identique)

GSM-R

Analyse statistique des résultats en cours:

-analyse de la durée / taux de répétition des transitoires en fonction de la durée /taux de répétition des transmissions (télécommunications) -analyse des caractéristiques des transitoires (temps de montée, durée, amplitude maximale) et de leur impact dans la bande de fréquence du GSM-R

identification de

l'événement le plus

pénalisant

Conclusion 4 analyse temporelle suite


Merci de votre attention

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