一種深井隧道通信系統

陳　會　陳桂森

【摘要】 本文介紹一種借助井下隧道鋪設的泄漏感應傳輸線進行無線電通信的收發系統,它可以廣泛應用于井下聯絡和急救，具有很好的社會價值和市場前景。

井下作業常受到塌方、瓦斯爆炸以及迷失方向等威脅，井下通信對提高工效、保證安全是非常重要的。然而，井下通訊是封閉在地下局部環境中，地形復雜，因而電波傳播極其困難。主要原因是：礦井巷道的狹窄空間完全破壞了無線電波在地面自由空間的傳播規律，且巷道斷面多變、表面粗糙，巷道內存在各種電纜線、金屬管路和各種金屬體機械設備等，進一步改變了無線電波的傳播規律，致使無線電波在井巷中自由傳播的距離極為有限。以往的系統在使用中都存在不同程度的缺點和不足，主要表現為通信距離有限、噪音大、系統傳輸參數不穩定等。采用無線電泄漏方式進行通信的系統可以大大改善通信狀況。使用時持機人通過感應電線通話，對講機與感應線之間屬于無線通訊，感應線感應到的已調頻載波信號在感應線中進行有線傳輸，可以使通信距離達到3km以上。

系統原理與設計

實現井下通信的關鍵是解決電波傳播問題。理論分析和試驗表明：在中短波頻段，礦井隧道對電波的衰減最大，通信距離最近。在超短波頻段，通信距離隨著頻率升高而增加，電波傳播衰減逐漸減小，這是因為在該頻段隧道可認為是其波導型通道。而低頻段，由于頻率低，電纜的傳輸損耗小（2～4dB/km），因而通信距離大。如果加接中繼器，通信距離可繼續擴大，因此，低頻導引通信系統簡單實用、造價最低。綜合各種因素，我們把工作頻率設定在455kHz。電波借助敷設在井下的泄漏通信電纜在礦井中非自由空間進行傳播。也就是說，利用這種泄漏電磁場的存在，通過沿巷道敷設的泄漏電纜使無線電收發信機實現信息交換。因而泄漏電纜為礦井巷道等非自由空間的無線電傳播提供了一種類似長天線作用的專用媒介，構成高傳輸質量的礦井無線電傳輸通道，是礦井無線電泄漏通信系統的關鍵組成部分，也是我們設計的井下通信系統的主要特點。系統采用單頻半雙工體制，收發天線共用。由于調頻比調幅具有抗干擾性能好、傳送信息保真度高、機器設備簡單等優點，因而在我們的系統設計中采用調頻工作方式。該系統的另一個特點是：455kHz中頻載波發生器和調頻調制器并不是由通常單一的振蕩器、調制器組成，而是利用MC2833單片FM(調頻)發射機子系統中的壓控振蕩器與10.7MHz晶體及相應電感、電容組成的外圍電路產生10.7MHz的話音已調信號，送到MC3359射頻輸入端，而MC3359內置振蕩器與外圍10.245MHz晶體及相應電容組成的電路產生10.245MHz的信號，于是這兩個信號在MC3359內置混頻器作用下產生以中頻（455kHz）為載波的已調信號。考慮到系統中其它部分電路的功能與一般半雙工工作方式的電路基本類似，故不贅述。整個系統的功能框圖如圖1所示。

系統實現

系統設計上的主要技術考慮：工作頻率選定455kHz；通信體制為調頻半雙工方式；信號傳輸方式為無線（手持機與井下泄漏電纜間）與有線（井下泄漏電纜傳輸）混合工作；發射機輸出功率不小于2W；手持機相互間能隨意通話；接收效果盡量減少噪聲；采用0.5～0.8Ah、12V電源供電；對講機通過井下鋪設的泄漏電纜作為感應傳輸線，使通訊距離能夠達到3km。

由于集成元件與分立器件比較起來具有性能穩定、可靠性高、體積小、重量輕，而且價格比較便宜，因此在系統的實現方法上我們首先選用集成元件。所選用的集成元件主要有：MC2833、MC3359、MC34119、455kHz陶瓷濾波器、10.7MHz晶體、10.245MHz晶體；選用的分立元件主要有：低噪聲晶體放大管3DG30G、晶體驅動放大管3DK9H、晶體末級功放管C4382A、TTF-2-1中周、電位器、電阻電容，以及拾音器、揚聲器等電聲轉換器。

MC2833是單片FM(調頻)發射機子系統，它包含一個話筒放大器、一個壓控振蕩器和兩個輔助晶體管。在其典型應用電路中，我們將其進行改造，使之產生10.7MHz的話音調制信號輸送給MC3359的混頻輸入端；MC3359是低功率的FM（調頻）/IF(中頻)接收機芯片，它包含振蕩器、混頻器、限幅放大器、AFC（自動頻率控制）、正交鑒頻器、運算放大器、靜噪電路、搜索控制和沉默開關。同樣，我們對其外圍電路進行改造，使它產生經過初步放大的話音已調信號（載波455kHz），然后送給下一級功放電路進行放大。此外，系統設計中采用了收發共用MC3359，不僅節省成本和減小體積，而且試驗效果也不錯；MC34119是主要用于電話（例如揚聲器話機）上的低功率音頻放大器集成電路，具有可以在低電源電壓的條件（最低為2.0V）以最大的輸出擺動差動揚聲器輸出，以及并不需要和揚聲器相聯的耦合電容等一系列優點。

考慮到末級功放輸出的功率可達2W以上，兩個末級功放管C4382A產生的熱量較多，所以需要對兩個管子散熱。為了有效散熱，我們特意制作了一個大鋁板，將兩個C4382A功放管安裝在這個大鋁板上，對其進行散熱。同時，這個鋁板還起到了將兩個收發部分隔開的目的。整個系統的電路原理圖如圖2所示。

試驗結果

試驗表明，該系統輸出功率達2.4W，效率達50%以上。接收機靈敏度可達2.2mV（-100dBm），而且在無信號輸入時，揚聲器輸出的電流噪聲很小。在地面自由空間的通信距離可達100m，井下借助沿隧道鋪設的泄漏感應電纜進行通信，距離可達3km。

結束語

455kHz對講機系統不僅性能穩定，工作可靠，而且生產成本低，容易實現。該項產品的問世，不僅改善了井下通訊條件，而且有利于加強井下安全生產的管理，保證井下工人的人身安全。所以，這項技術具有很好的應用價值和市場前景。