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’Ascq IEMN/TELICE - Université de Lille 1 - Villeneuve d’Ascq

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

Le projet RAILCOM RAILCOM – Compatibilité électromagnétique entre le matériel roulant et les infrastructures au sol pour améliorer l’interopérabilité européenne WP3- Interférences hautes fréquences au niveau du système ferroviaire et particulièrement du système de communication entre le train et l’infrastructure au sol

ERTMS et GSM-R GSM-R Eurobalise 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 Transmission par balise Réception des informations de position Transmission voix et données GSM-R Eurobalise GSM-R: Global System for Mobiles - Railways  876 – 880 MHz liaison montante, 921 – 925 MHz liaison descendante, 36 canaux

GSM-R et conséquences CEM Les perturbations EM produites dans le système ferroviaire peuvent être très contraignantes et particulièrement dans les bandes de fréquences dédiées au GSM-R Transmission voix et données GSM-R ARCS Les perturbations peuvent affecter le signal GSM-R et retarder la réception des informations  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

Caractérisation de l’environnement: norme? Inadéquat pour caractériser les perturbations EM affectant les communications GSM-R Standards EN 50121: Railway applications – Electromagnetic Compatibility EN 50121- part 2  Emissions of the whole railway system 9 kHz - 1GHz 10 m Mesure du bruit électromagnétique sur le site Mesure des émissions du train à l'arrêt et en mouvement Mesures dans le domaine fréquentiel à l'aide d'un analyseur de spectres 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

Méthode fréquentielle - méthode temporelle Méthode dans le domaine fréquentiel 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 Analyseur de spectre fstart fstop Méthode dans le domaine temporel Trigger level : niveau minimum qui active l'enregistrement des perturbations sur une fenêtre temporelle Oscilloscope Trigger Level Un enregistrement est fait a chaque fois que le niveau du signal mesuré est supérieur au trigger level fenêtre temporelle

Avantages et inconvénients des deux méthodes Méthode dans le domaine fréquentiel 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 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 Méthode dans le domaine temporel 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 Oscillo scope 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),

! Campagne de mesure (1) Mesures effectuées sur un parcours non équipé en système GSM-R ! Villeneuve Saint Georges 1500 V DC 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 Montargis 25000 V AC Nevers

Deux modèles d'antennes omnidirectionnelles Campagne de mesure (2) Deux modèles d'antennes omnidirectionnelles Double Bande: 440 – 470 MHz et 870 – 960 MHz Antenne oblique Antenne droite Deux modèles d'antennes GSM-R Pantographes 2 m 10 m 2 1 25000 V 1500 V 2 1 Locomotive 24 m 27 m 18 m Oscilloscope Analyseur de spectre

Caractéristiques des antennes ~ 520 MHz ~ 820 MHz 420 MHz Antenne oblique Antenne droite Analyseur de spectre analyseur de spectre

Mesures fréquentielles Méthode dans le domaine fréquentiel 501 points (définis par l'analyseur de spectre employé) Resolution bandwidth (RBW) = 1 MHz,100kHz Sweep time (ST) = 20 ms, 50 ms fonction Maxhold activée durant 10 minutes 300 MHz 1 GHz FRBW = 1MHz FRBW = 100 kHz 1 acq à faible vitesse Analyseur de spectre analyseur de spectre

Protocole dans les domaines fréquentiels et temporels AS OSC Locomotive 2 1 Méthode fréquentielle 501 points (définis par l'analyseur de spectre employé) Resolution bandwidth (RBW) = 1 MHz Sweep time (ST) = 50 ms fonction maxhold activée pendant 10 minutes 300 MHz 1 GHz F.F.T Comparaison des spectres pour en extraire la valeur maximale pour chaque fréquence méthode temporelle ≈ 0.15 V 10 mn 1µs

Comparaison des résultats – mesures à 25 kV Oscilloscope + FFT Spectrum analyser 1 acq à faible vitesse Système français de radio communication ferroviaire GSM et GSM-R bande passante de antennes

Analyse statistique des résultats (domaine temporel) 21 0.5 µs 9 62 0.5 µs 70 0.5 µs 24 0.5 µs Rise time (ns) 47 0.5 µs 1500 V DC 25000 V AC

Conclusion 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 2 analyse fréquentielle 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 mais : les résultats doivent être analysés selon : - 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 3 analyse temporelle 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 4 analyse temporelle suite 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 F.F.T de deux transitoires de temps de montée différents (niveaux max identiques et durée identique)

Merci de votre attention