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(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響

煤礦井下的噪聲主要是機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的人為噪聲,由于機(jī)電設(shè)備一般都是24 h連續(xù)工作,機(jī)電設(shè)備配置量大、功率大、啟動(dòng)頻繁,產(chǎn)生的電氣噪聲頻譜寬、電平高。這種人為噪聲會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量,使有用信號(hào)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(kuò)頻通信(SSC)技術(shù)為基礎(chǔ),SSC系統(tǒng)具有很強(qiáng)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(jī)電噪聲大的煤礦井下使用。

反相對(duì)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(duì)抗人為噪聲,在強(qiáng)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(jìn)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(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制,然后再進(jìn)行PIS編碼,最后再進(jìn)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(hào)進(jìn)行射頻解調(diào),然后進(jìn)行PIS解碼,再用本地產(chǎn)生的直擴(kuò)碼序列進(jìn)行解擴(kuò),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(duì)稱法,它是利用相鄰時(shí)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(jìn)制序列,將它與周期為T的雙極性時(shí)鐘脈沖p(t)相乘,使它的每一個(gè)碼元變?yōu)橐粚?duì)極性相反的碼元,這樣得到的b(t)即為PIS編碼信號(hào),實(shí)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(hào)b’(t)按時(shí)隙分成兩路,將第一路信號(hào)延遲τ0后與周期為T的時(shí)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(hào)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(kuò)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(kuò)展了100倍以上,在接收端解擴(kuò)過程中,有用信號(hào)被恢復(fù)為擴(kuò)頻前的窄帶信號(hào),而噪聲與本地偽隨機(jī)碼不相關(guān),其能量被擴(kuò)展,降低了噪聲信號(hào)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(hào)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(yàn)證明,相鄰時(shí)隙的人為噪聲具有相關(guān)性,因此在進(jìn)行PIS解碼時(shí),將相鄰時(shí)隙的兩路噪聲相減,噪聲會(huì)被削弱。而兩路互反的信號(hào)相減,幅度會(huì)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(jìn)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(yàn)證了系統(tǒng)模型的可行性。

在相同信號(hào)功率以及碼元速率下,將PIS-SSC系統(tǒng)與一般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),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(kuò)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(shì)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(yàn)證了反相對(duì)稱-擴(kuò)頻通信方法在抗人為噪聲方面的優(yōu)勢(shì)。這為將來實(shí)際應(yīng)用提供了一定的基礎(chǔ)。

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