基于扩频技术的井下通信系统设计
发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:296
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扩频技术是一种信息传输处理技术。通过扩频使信号功率相当均匀的分布在很宽的频率范围内，具有类似于白噪声的统计特性，使得该系统有很强的抗干扰性能、高保密性、低截获概率性及良好的码分多址通信性能。扩频系统的这些优良性能，使得它在很多对信道带宽利用率要求不高的场合得到广泛的应用，本文就是一个关于深井通信的实现系统。
设计背景
根据扩频码控制的调制参数不同，扩频方式可分为：直接序列扩频（ds-ss），跳频扩频（fh-ss）和跳时扩频（th-ss）。本文介绍的系统采用的就是直接扩频，直接序列扩频通信是通过在发送端将数据信号和更高数据速率的位序列或填充码组合而实现的。填充码是冗余位组合，其可根据扩展率将用户数据分段。当该位信号发送时，可以增加信号抗干扰的能力。如果在这种组合中有一个或多个位在传输过程中发生错误，那么由于发送的冗余性，原始数据也可以被恢复出来。图1为直扩系统的组成原理框图。由信源输出的信号a(t)是码元持续时间为ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t)，每一伪随机码宽度或者切普(chip)宽度为tc。将信码a(t)与伪随机码c(t) 进行模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。
在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用于发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带，为中频调制信号。然后再进行解调，恢复出所传输的信息a(t)，从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其谱密度减低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和输出信噪比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。
本文介绍的是一个井下通信系统。煤矿井下巷道和采掘工作面空间狭窄，大都呈隧道状，采煤工作面长可达几百米，而矿井巷道长可达数千米甚至十几千米，宽、高仅为几米。作业点分散,人员流动性大，环境中存在着大量的有爆炸危险的一氧化碳，瓦斯及煤尘等空气混合体，事故隐患极大。因此，建立完善的煤矿井下无线和移动通信系统对于提高矿井现代化生产、安全和管理水平有着非常重要的意义。
目前我国煤矿井下移动通信的主要方式有动力线载波通信、感应通信、漏泄通信以及中低频无线电。动力线载波通信在传输距离，通话清晰度和抗干扰能力上都无法适应现代化矿井的需要。感应通信目前在我国部分煤矿得到使用，但通话质量和通信距离都不够理想。漏泄通信不能覆盖到井下的每个地方。
为了减少地质条件对无线通信信号的衰减，通常采用低频通信直至超低频通信。中低频通信穿透能力强，如用超低频信号可穿透岩层几百米，可在大面积范围内对深处的坑道实施指挥与控制，加上它对电离层扰动不敏感，即使发生大爆炸也不会严重干扰它，这使它在极端恶劣环境条件下成为提供大面积应急指挥控制通信的一种重要手段，在紧急情况发生时，能够迅速有效地与井下的工作人员进行通讯。所以本系统就是采用这种通信方式，中频信号仅22hz。
系统原理框图
图2和图3分别为发射机原理框图和接收机原理框图，信号首先从计算机发出，通过数字调制板扩频编码后转换为模拟信号，模拟信号放大后送到天线发射出去。接收机是发射机的逆过程，模拟信号从天线接收下来后先进行放大，然后送入数字解调板转换为数字信号后解扩，解扩后的信号送入协议处理板，协议处理板用于实现选呼，群呼及广播协议的实现，图中lcd显示板用于信息的显示。数字调制板和数字解调板是整个系统的核心，分别进行扩频调制和解调，解调是调制的逆过程，二者结构相似，硬件电路也大同小异，只是输入和输出互换，所以本文主要介绍数字调制板。
数字调制板的硬件结构框图
数字调制板的硬件结构框图如图4所示。
数字调制板从计算机接收数据并接收来自天线的状态信息，主要完成对信号的扩频编码调制，调制后的信号经数模转换
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扩频技术是一种信息传输处理技术。通过扩频使信号功率相当均匀的分布在很宽的频率范围内，具有类似于白噪声的统计特性，使得该系统有很强的抗干扰性能、高保密性、低截获概率性及良好的码分多址通信性能。扩频系统的这些优良性能，使得它在很多对信道带宽利用率要求不高的场合得到广泛的应用，本文就是一个关于深井通信的实现系统。
设计背景
根据扩频码控制的调制参数不同，扩频方式可分为：直接序列扩频（ds-ss），跳频扩频（fh-ss）和跳时扩频（th-ss）。本文介绍的系统采用的就是直接扩频，直接序列扩频通信是通过在发送端将数据信号和更高数据速率的位序列或填充码组合而实现的。填充码是冗余位组合，其可根据扩展率将用户数据分段。当该位信号发送时，可以增加信号抗干扰的能力。如果在这种组合中有一个或多个位在传输过程中发生错误，那么由于发送的冗余性，原始数据也可以被恢复出来。图1为直扩系统的组成原理框图。由信源输出的信号a(t)是码元持续时间为ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t)，每一伪随机码宽度或者切普(chip)宽度为tc。将信码a(t)与伪随机码c(t) 进行模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。
在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用于发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带，为中频调制信号。然后再进行解调，恢复出所传输的信息a(t)，从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其谱密度减低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和输出信噪比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。
本文介绍的是一个井下通信系统。煤矿井下巷道和采掘工作面空间狭窄，大都呈隧道状，采煤工作面长可达几百米，而矿井巷道长可达数千米甚至十几千米，宽、高仅为几米。作业点分散,人员流动性大，环境中存在着大量的有爆炸危险的一氧化碳，瓦斯及煤尘等空气混合体，事故隐患极大。因此，建立完善的煤矿井下无线和移动通信系统对于提高矿井现代化生产、安全和管理水平有着非常重要的意义。
目前我国煤矿井下移动通信的主要方式有动力线载波通信、感应通信、漏泄通信以及中低频无线电。动力线载波通信在传输距离，通话清晰度和抗干扰能力上都无法适应现代化矿井的需要。感应通信目前在我国部分煤矿得到使用，但通话质量和通信距离都不够理想。漏泄通信不能覆盖到井下的每个地方。
为了减少地质条件对无线通信信号的衰减，通常采用低频通信直至超低频通信。中低频通信穿透能力强，如用超低频信号可穿透岩层几百米，可在大面积范围内对深处的坑道实施指挥与控制，加上它对电离层扰动不敏感，即使发生大爆炸也不会严重干扰它，这使它在极端恶劣环境条件下成为提供大面积应急指挥控制通信的一种重要手段，在紧急情况发生时，能够迅速有效地与井下的工作人员进行通讯。所以本系统就是采用这种通信方式，中频信号仅22hz。
系统原理框图
图2和图3分别为发射机原理框图和接收机原理框图，信号首先从计算机发出，通过数字调制板扩频编码后转换为模拟信号，模拟信号放大后送到天线发射出去。接收机是发射机的逆过程，模拟信号从天线接收下来后先进行放大，然后送入数字解调板转换为数字信号后解扩，解扩后的信号送入协议处理板，协议处理板用于实现选呼，群呼及广播协议的实现，图中lcd显示板用于信息的显示。数字调制板和数字解调板是整个系统的核心，分别进行扩频调制和解调，解调是调制的逆过程，二者结构相似，硬件电路也大同小异，只是输入和输出互换，所以本文主要介绍数字调制板。
数字调制板的硬件结构框图
数字调制板的硬件结构框图如图4所示。
数字调制板从计算机接收数据并接收来自天线的状态信息，主要完成对信号的扩频编码调制，调制后的信号经数模转换
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