擴頻通信技術發展狀況及其在煤礦的應用

【摘要】目前，我國的煤礦井下通信主要采用有線通信方式，該通信方式存在很多不足。文章對將擴頻通信技術引入到煤礦井下通信中進行了探討。介紹了擴頻通信的原理、優點和在國內外的發展狀況，最后對該技術在煤礦行業的應用現狀及發展趨勢進行了分析。

【關鍵詞】擴頻通信技術；煤礦；井下通信

煤炭一直是我國的主要能源，我國的煤炭資源大都埋藏較深，需要采用井工開采。在井工開采中，通信工作非常重要，它關系到煤礦的安全生產和礦工的生命安全，必須引起高度重視。擴頻通信技術是近幾十年來逐漸發展起來的一種比較先進的通信技術，具有抗干擾能力強等諸多優點。本文擬在回顧我國煤礦井下通信發展狀況的基礎上，對將擴頻通信技術引入到煤礦井下通信中進行探討。

1.目前我國煤礦井下通信中存在的問題

目前，我國的礦井移動通信系統主要由三種通信形式組成，即泄漏無線通信、感應通信和動力線載波通信。泄漏通信電線鋪設復雜，費用昂貴，信號接收范圍窄，只局限在離導線40 m以內的范圍，而且還需要敷設專用傳輸線，這些缺點限制了該系統的推廣應用；感應通信信號不穩定且有大量雜音，因而也無法成為井下的主流通信系統。動力線載波通信系統目前在架線電機車上有一定的應用，但同樣存在很多的這樣或那樣的缺點不足，難以廣泛應用。

目前，我國大多數井工開采的煤礦，井下通信都是采用有線網絡的方式，但是煤礦的井下環境惡劣，通信電纜容易受到腐蝕，從而影響到通信信號甚至使信號中斷。另外，當井下發生事故時，通信電纜有可能被損壞，從而通信也會受到影響。而如果采用移動通信，上述缺點就可以克服。由此可見，建立一個完善的煤礦井下移動通信系統對于保障煤礦生產安全和提高煤礦開采勞動生產率都具有非常重要的意義。而擴頻通信技術就是一種無線通信方式。

2.擴頻通信的原理

2.1 擴頻通信的基本原理

擴頻通信的全稱是擴展頻譜通信，其基本原理如下：原始信號本身與射頻信號存在著一定的頻帶差。信號擴展后的帶寬與擴展前的帶寬之比叫做GP，它是整個通信系統中非常重要參數，一般，通過一種特定的調制方法，可以將發信端的原始信號帶寬擴展，然后將擴展后的信號發送出去，在另一端進行接收。信號接收以后，再在接收端把接收到的信號復原為原始信號帶寬來說，該數值應在10以上。

信息論創始人香農提出了著名的香農公式C=WLgZ，L=P/N，即信道容量C是一個常數，帶寬W和信號噪聲比P/N，可以交替使用，增加帶寬可以降低系統的信噪比。換言之，相同的發射功率，在低信噪比的情況下增加帶寬，可靠地傳輸信息，即使在信號被噪聲徹底覆蓋淹沒的情況下，只要維持相應的帶寬增量，其仍然可以保持一個相對穩定的信道，這便是擴頻技術的基本思路和理論基礎。電路交換是數據通信的一種重要的交換方式。

此交換方式主要是指將2臺計算機或者終端在實現相互的通信時，使用同一條實際的物理鏈路，在整個通信過程中都會使用該鏈路實現對信息的傳輸。此外，還不允許其它的計算機或者是其它終端設備同時共享此電路。

就目前而言，被大家熟知的直接序列擴頻技術，是一個利用偽隨機碼（PN碼）發送信息的選擇，然后直接進行調制，PN碼速率Rb是遠遠比傳送信息的速率Ri大的，因此Rb為調制后信號的速率，即無線電設備發出的信號頻帶比原來的初始信號擴大了RB/RI倍。接收器所使用的解擴技術能夠實現高精度的信號減少直至還原，以此獲得可靠的信息傳輸，如圖1所示。

2.2 直接序列擴頻通信系統

直接序列擴頻是一種安全可靠抗干擾能力強的無線序列傳輸方式，簡稱直擴方式（DS法）。它利用一種高速率的擴頻序列將信號的頻譜在發射端進行拓展，同時在接收端使用相同的擴頻碼序列進行解擴，從而把處理過的信號變成原來的初始信號。其工作原理大致如下，其中接收端收到發射信號以后，利用PN碼同步收集發送到PN碼精確相位，然后產生出跟發送端PN碼相位完全一致的偽碼相位，用來作為本地的解擴信號，以便及時恢復數據信息，從而使得整個系統的接收工作能夠順利完成。如圖2所示。

3.擴頻通信系統的優點

作為新興的通信體系，擴頻通信是未來通信行業的一個重要研究發展方向，也是一種趨勢。相比傳統通信方式，它具有很多無法超越的優點。主要體現在以下幾個方面：

（1）超強的抗干擾能力，無論是抗白噪聲干擾，還是抗單頻干擾或是抗其它干擾方式，它都體現出了很強的能力，特別是其頻譜擴展的越寬，抗干擾能力越強的特點，對于長期受噪聲污染的煤礦業來說是難能可貴的。

（2）易于實現CDMA。同一個頻帶，不同的擴頻碼序列，另用戶間互不影響，關聯甚微，這就構成了優于頻分多址、時分多址的碼分多址。

（3）可以和其它通訊設備系統共用信道，不但不互相干擾，還可以提高效率減少成本投資，實現信道復用。

4.國外國內擴頻通信發展狀況及其在煤礦行業的應用

早在上世紀四十年代，信息論的創始人香農就指出：信道的最大傳輸能力，可以用較大的信號頻帶寬度和較小的信噪比來實現，信號的功率即使低于噪聲功率，仍然能夠可靠通信。

20世紀五六十年代，隨著通信技術的飛速發展和大規模集成電路與微處理器的出現，擴頻技術才進入了實際研究和應用開發階段，進入20世紀八十年代，它已廣泛應用于軍事領域，其后又應用于跟蹤、導航、雷達、遙控等許多領域。全球導航系統GPS是擴頻通信的重要應用，美國從上世紀七十年代末開始，歷時20多年，耗資數百億美元，才完成該系統。實踐證明，GPS對人類活動影響極大，應用價值極高，它從根本上解決了人類在地球上的導航和定位問題。近十多年來，由于民用通信特別是陸地移動通信的迅速發展，企業家們又把目光瞄向了CDMA（碼分多址），實際上許多著名的大型通信企業，都參加了CDMA產品的角逐，現已建成若干CDMA商用和民用移動通信網。

目前，該技術在煤礦采掘業中的應用尚處于起步甚至空白階段。近年來陸續有一些國際與國內高校對該項目進行研究，但他們只是停留在對原有的一些通信技術進行些許改進方面，缺乏原始創新。我國是一個煤礦開采大國，對該項目進行研究意義深遠。它的完成，即將標志著井下移動通信進入了一個新的階段和層次，將對礦井的經濟效益和安全起著巨大的推動作用。泄漏擴頻通信和礦井地面穿透通信的研究是目前擴頻通信井下研究應用的兩大方向，如果這兩個項目能夠順利研究實現，那么其產生創造的價值將是無法估量的。

參考文獻

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