煤礦井下一種新型無線通信方法的研究＊

陳 燕 蕭英喆 蕭寶瑾 馬紅梅

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院,山西省太原市,030024)

1 煤礦井下環(huán)境對移動通信系統(tǒng)的影響

煤礦井下的噪聲主要是機電設(shè)備產(chǎn)生的人為噪聲,由于機電設(shè)備一般都是24 h連續(xù)工作,機電設(shè)備配置量大、功率大、啟動頻繁,產(chǎn)生的電氣噪聲頻譜寬、電平高。這種人為噪聲會嚴(yán)重影響通信質(zhì)量,使有用信號淹沒在噪聲中。因此要求井下通信方法要具有良好的抗人為噪聲的性能。傳統(tǒng)的CDMA無線通信系統(tǒng)以擴頻通信(SSC)技術(shù)為基礎(chǔ),SSC系統(tǒng)具有很強的抗窄帶噪聲干擾、抗多徑噪聲干擾的能力,非常適合于環(huán)境惡劣、機電噪聲大的煤礦井下使用。

反相對稱法(Phase-Inversion Symmetric Method,PISM)是一種利用相鄰信道噪聲的相關(guān)性來消除噪聲的一種調(diào)制方法,能對抗人為噪聲,在強噪聲環(huán)境下具有明顯的優(yōu)越性。將PISM與SSC相結(jié)合,采用新的PIS-SSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu),可以使人為噪聲進一步降低,提高井下無線通信的質(zhì)量。

2 PIS-SSC系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)工作原理

PIS-SSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在發(fā)送端先將信息碼用擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列進行擴頻調(diào)制,然后再進行PIS編碼,最后再進行射頻調(diào)制并發(fā)送出去。在接收端將收到的寬帶射頻信號進行射頻解調(diào),然后進行PIS解碼,再用本地產(chǎn)生的直擴碼序列進行解擴,最后將所獲得的信息碼輸出。其中PIS編碼與解碼就是反相對稱法,它是利用相鄰時隙中噪聲的相關(guān)性抑制噪聲。

圖1 PIS-SSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)PIS編碼。PIS編碼過程如圖2所示。設(shè)a(t)為原始二進制序列,將它與周期為T的雙極性時鐘脈沖p(t)相乘,使它的每一個碼元變?yōu)橐粚O性相反的碼元,這樣得到的b(t)即為PIS編碼信號,實際上b(t)就是雙相碼,只是解碼方法與一般雙相碼有所不同。

圖2 PIS編碼方法

(2)PIS解碼。PIS解碼方法如圖3所示。將射頻解調(diào)出的信號b’(t)按時隙分成兩路,將第一路信號延遲τ0后與周期為T的時鐘脈沖p’(t)相乘,第二路直接與p’(t)相乘并反相,然后將兩路相加,得到PIS解碼后的信號a’(t)、p’(t)的波形圖。

圖3 PIS解碼方法

2.2 系統(tǒng)性能分析

擴頻通信系統(tǒng)的傳輸帶寬比常規(guī)通信系統(tǒng)的傳輸帶寬擴展了100倍以上,在接收端解擴過程中,有用信號被恢復(fù)為擴頻前的窄帶信號,而噪聲與本地偽隨機碼不相關(guān),其能量被擴展,降低了噪聲信號的電平,噪聲的影響就被大大削弱了。因此在相同傳輸速率和相同信號功率的條件下,抗噪聲干擾能力有了明顯提高。

理論研究和試驗證明,相鄰時隙的人為噪聲具有相關(guān)性,因此在進行PIS解碼時,將相鄰時隙的兩路噪聲相減,噪聲會被削弱。而兩路互反的信號相減,幅度會增加2倍。

3 系統(tǒng)建模與仿真

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),采用MATLAB軟件進行系統(tǒng)建模和仿真。建立的系統(tǒng)基帶傳輸仿真模型如圖4所示。

圖4 PIS-SSC傳輸系統(tǒng)模型

發(fā)射端模型如圖5所示,其中碼元速率為64 kb/s。信道中的人為噪聲為導(dǎo)入的一段wav格式的單聲道音頻文件。系統(tǒng)采樣頻率為8000 Hz,8 bit/樣值。

圖5 PIS-SSC傳輸發(fā)射子系統(tǒng)

仿真結(jié)果如圖6所示,其中上半部分波形為發(fā)射端數(shù)據(jù)流,下半部分波形為接收端數(shù)據(jù)流。該仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)模型的可行性。

在相同信號功率以及碼元速率下,將PIS-SSC系統(tǒng)與一般的擴頻通信系統(tǒng)進行了對比實驗,誤碼率曲線圖如圖7所示。PIS-SSC系統(tǒng)的誤碼率要比一般的擴頻通信通信系統(tǒng)低要低,并且信噪比越高,該系統(tǒng)抗干擾的優(yōu)勢越明顯。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流仿真結(jié)果

圖7 系統(tǒng)誤碼率曲線圖

4 結(jié)論

經(jīng)過原理分析和仿真,驗證了反相對稱-擴頻通信方法在抗人為噪聲方面的優(yōu)勢。這為將來實際應(yīng)用提供了一定的基礎(chǔ)。

[1] 陳湘源.煤礦無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].工礦自動化,2009(1)

[2] Chen Yan,Xiao Baojin,Qiao Xuegong,Ma Fuchang.Research of Spread Spectrum Communication System Based on Phase-Inversion Symmetric Method.IEEE CiSE 2009,December 11-13,2009,Wuhan,China

[3] 唐琬.擴頻通信在強噪聲環(huán)境中的應(yīng)用[J].電子工程師,2006(12)

[4] 蕭寶謹(jǐn),黃雙林,蕭英喆.時域反相對稱法及其抗噪聲性能[J].通信學(xué)報,2008(9)