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1、矿井透地扩频通信系统方案的设计与仿真摘 要：低频矿井透地通信系统被认为是最可靠的生产和应急通信手段。然而由于一些技术难题的存在，使得对该系统的研究和开发受到一定的限制。本文在此背景下研究矿井透地通信系统，在分析和总结了矿井透地通信信道的传输特性的基础上，建立了其SystemView仿真模型;针对矿井通信的困难，首次提出了一种采用扩频技术、可数字化实现的矿井透地通信系统方案;并对该方案进行了理论分析及总体仿真，仿真结果及误码率分析表明了系统设计方案的可行性和有效性，为系统的设计奠定了基础。关键字:透地通信;扩频技术;SystemView仿真The Mine Expands and Communi
2、cates the Design and Emulation of the Systematic Scheme Frequently CompletelyAbstract: Low frequency mine communication system considered to be the thing most reliable production and meet an urgent need the communication means completely. But because of some technological existence of difficult prob
3、lem, is it receive certain restriction to research and development of system this to make. This text study mine communication system completely under background this, in analyse and summarize mine completely at the transmission foundation of characteristic , communication of channel, have set up its
4、 SystemView artificial model; To difficulty , mine of communication , put forward one is it expand technology frequently , can digitize mine communication systematic scheme completely that realize to adopt for the first time; And carry on theory analyse and overall emulation to scheme this, artifici
5、al result and yards of rate is it indicate systematic feasibility and validity of design plan to analyse by mistake, have established the foundation for the systematic design.Key words: Through-the-Earth communication; Spread-Spectrum Technology; SystemView emulation1 引言 建立完善的矿井及相关行业(军事、隧道等)移动通信系统对于
6、提高现代矿井自动化程度，提高劳动生产率，加强安全防护等有着非常重要的意义。矿井移动通信作为现代矿区通信技术的重要组成部分，现在函待开发、研究、完善和提高。目前，矿井移动通信的主要形式有动力线载波通信、漏泄无线通信、感应通信和透地通信等。动力线载波通信在矿井架线电机车上有些应用，但因传输阻抗匹配困难和抗干扰性能差，至今性能尚未完善。泄漏通信是利用表面开孔的同轴电缆(漏泄电缆)在巷道中起到长天线的作用，实现移动电台之间或与基站之间的可逆耦合，获得较好的通信质量;缺点是系统造价昂贵，需敷设专用传输线，信号接收局限在离导线30m以内，传输线架设和维护需花一定代价。感应通信是利用电磁感应原理实现的通信，
7、发话时移动通信机的磁性天线十分接近感应线且发射天线尺寸较大，因传输参数不稳定和干扰噪声大，国内使用情况普遍不好。低频透地通信是一种以分层大地作为传播媒质，无线电波穿透大地的无线电通信方式。该方式由于其传输媒质是分层大地，而且不受矿井灾害事故的影响，所以被认为是最可靠的应急通信手段而受到经营者的重视。如果将该通信方式用于矿井正常的生产调度，将会大大降低通信系统成本，同时带来巨大的经济和社会效益。另外，矿井一旦发生灾害，紧急报警，人员撤离，救护队员寻找救护目标等都需要有良好的通讯系统作保证。但是，在发生灾害时，通常的有线通信信道可能已被破坏，这就阻碍了救护队员与被困人员的联系，从而导致被困人员死亡
8、和财产的重大损失。如果能对被困人员的状况、位置有准确的了解，就可以指导救护员尽快到达，避免不必要的伤亡。同时，救护员通过对救护地点的直接了解，可保护他们自己尽可能地避开危险地带。为了保障矿井安全，提高矿井抗灾变能力，我国煤矿的井下普遍装备了诸如矿井安全监测系统、瓦斯断电仪、携带式(包括头灯式)报警仪、自救器等。但对于监控系统而言，往往由于在管理和维护环节上偶有疏忽，会使传输线通道发生短路、断路及丢失现象，使监控系统无法正常工作，可靠性大大降低。因此以无线方式通过地层传输，使煤矿井下信号穿透上面的沉积岩层直接到煤矿地面中心站成为保障矿井安全必要的措施。随着技术的发展，透地通信将会在遥感遥测、隧道
9、通信、地铁通信、军事通信等领域得到广泛的应用。2 系统方案的提出本文首先提出了矿井透地直接序列扩频通信方案，该设计方案的选择主要着眼于数字化和大规模集成电路的需要，它是矿井透地扩频数字通信系统的设计基础。在介绍了方案的原理后，采用通信仿真软件SystemView进行了系统仿真，以说明该方案的可行性并验证其性能。图1 系统结构框图2.1 系统结构框图 本课题研究的透地扩频通信系统结构框图大体如图1所示，从图可以看出，实现本系统的重点是矿井透地扩频芯片，所以本课题将对以矿井透地扩频通信系统的芯片设计为研究内容。2.2 透地扩频芯片的原理框图 图2 矿井透地扩频芯片原理框图矿井透地扩频调制解调器原理
10、框图如图2所示，在对方案进行系统仿真时应包括框图中的所有模块，而实际研究的部分则是虚线内的部分。首先，数据源发出二进制数据流，该数据流与PN码发生器产生的伪随机序列进行扩频调制，得到较高速的数据信息流。然后经过D/A转换、信号放大经过天线发射出去。在接收端，信号经过窄带滤波、A/D转换后得到数字信号，然后送至数字匹配滤波器进行相关处理。由于伪随机序列的自相关性，只有当本地伪码与接收信号的伪码相位一致时，相关峰值最大。实际设计中，一般先根据实际环境设置一比较门限，当峰值超过比较门限时，就认为伪码相位己经达到了一致。这时匹配滤波器输出的信号就是解扩后的信号，最后再经过数据生成模块就可以恢复出原始的
11、二进制序列.2.3 方案的理论分析2.3.1 直扩通信系统原理本课题研究的是数字化矿井直扩透地通信系统，所以有必要对直扩方式工作原理进行介绍。一般的直接序列扩展频谱系统的原理框图如图3所示。数据源经过基带信号的编码器处理后，系统使用由m序列发生器产生的伪随机码(PN code)对信息比特进行模2加得到扩频序列，然后用这个扩频序列对载波进行调制，最后经天线发射出去。PN码的码速比原始信息码速度高很多，每一PN码的长度(即Chip宽度)很小。直扩通信系统的接收一般采用相关接收，并分成两步，即解扩和解调。在接收端，接收信号经过数控振荡器放大混频后，用与发射端相同且同步的由m序列发生器产生的伪随机码对
12、中频信号进行相关解扩，把扩频信号恢复成窄带信号，然后再由基带滤波器进行解调，最后恢复出原始信息序列。由于千扰和噪声与伪随机码不相关，因此接收机的相关解扩相当于对其进行又一次扩频，将千扰和噪声进行频谱扩展，降低了进入频带内的干扰功率，同时使得解调器的输入信噪比提高，从而提高系统的抗干扰能力。另外，由于不同构造的PN码之间相关性很低，使得不相关的接收机很难发现和解出扩频序列中的信息。码分多址(CDMA)就是采用这种机理区别不同用户的。直接扩频方式是扩频应用中最典型和最常用的一种。 （发射系统） （接收系统） 图3 直扩通信原理框图2.3.2 匹配滤波器的MATLAB设计与仿真(1) 基本结构扩频通
13、信系统中的匹配滤波器不同于一般的匹配滤波器积分、清洗检测器，也不同于数字传输系统中发送端基带成型抑制码间干扰、接收端匹配接收限制白噪声的匹配滤波器。这里的匹配滤波器是指伪码序列匹配滤波器，功能是完成对扩频码的匹配滤波即实现对扩频调制信号的解扩过程。对随机码的匹配滤波可以在中频进行，也可以在基带进行。中频多采用模拟器件声表面波(SAW)匹配滤波器来实现，基带多采用数字集成电路来实现。在本课题中，采用数字匹配滤波器，数字匹配滤波器结构简图如图4所示.主要包括输入数据移位寄存器序列，参考移位寄存器序列、模二加及累加器、比较器等单元。N级参考寄存器中存放的是可编程扩频码c(T一t)处于等待状态;N级移
14、位寄存器中是接收码流，在速率为R。的PN码时钟的作用下向右移位。每向前移动一位，移位寄存器中的N位PN码元与参考寄存器中的N位参考码元对应位模二加，并行送入累加器，利用扩频码的自相关特性,当本地PN码与接收信号中的PN码不相关(匹配)时，相关值输出较小，其模值小于门限值:当本地PN码与接收信号中的PN码相关(匹配)时，相关值输出最大，将相关值取模与门限比较可得扩频同步(相关峰)指示。此时匹配滤波器的输出信号即为解扩后的基带信号。 图4 基带数字匹配滤波器框图（2） 解扩原理及仿真 设用于扩频的扩频码c(t)，长度为N，它可表示为: (2.1)式中 （2.2）为门函数，为码元宽度，为伪码chip
15、,取值为0或1，发送信息为，经扩频（编码）后，发送信号为 （2.3）式中g(t)为门函数，类似于式(2.2)的定义，持续时间T=nTc。若数字匹配滤波器对c(t)相关(正相关或负相关，取决于传送信息)，则滤波器的冲激相应为 （2.4）冲激相应也是码长为N的编码序列，码型与扩频码型相同，编码序列和扩频码相反。例如，发端用的扩频伪随机码c(t)为1110100，则用于解扩的数字匹配滤波器的编码应为0010111。由此可得匹配滤波器的输出为 （2.5）由此可以看出，y(t)是一个相关函数，严格地讲，y(t)是码的两个部分相关的加权和，加权值为传递的信息。其MATLAB仿真输出波形如下图5及图6所示(长度为63的m序列，调制信息为10101，数据信息速
