管道應(yīng)急聲通信的信號設(shè)計

王曉　高勇

摘 要： 管道聲通信是用于礦難發(fā)生時的一種應(yīng)急通信，在有線和無線通信鏈路中斷后可以作為應(yīng)急通信的一種補(bǔ)充手段。但在以往的管道聲脈沖信號編碼中存在信息的傳輸效率低并且沒有檢錯糾錯能力的問題。這里提出了一種基于S模式信號格式的管道聲脈沖信號編碼方式，該方式能提高聲信息的傳輸效率且具有檢錯糾錯能力，在擁有上述優(yōu)點的同時也沒增加信號的編碼復(fù)雜度，而且這種編碼方式可以提高管道應(yīng)急聲通信的性能。

關(guān)鍵字： 管道聲脈沖信號； 信號編碼； S模式信號格式； 應(yīng)急通信

中圖分類號： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0079?04

Abstract： Pipe acoustic communication is an emergency communication which is used when mine accident occurs. When the wired and wireless communication link breaks， it can be used as an effective supplement means of emergency communication. However， because previous coding of pipe acoustic pulse signal has problems of low transmission efficiency， and lacks of error detection and correction ability， a pipe acoustic pulse signal encoding method based on S mode signal format has been proposed in this paper， which can improve the transmission efficiency of signal， and meanwhile possess the ability of error detection and correction. What′s more， this method doesnt increase complexity of signal encoding and the performance of pipe acoustic communication is improved.

Keywords： pipe acoustic pulse signal； signal coding； S mode signal format； emergency communication

0 引 言

煤礦是我國能源供應(yīng)的重要部分，開采煤礦時因地質(zhì)條件復(fù)雜、高瓦斯、埋藏深、違章操作等原因而導(dǎo)致煤礦安全事故在國內(nèi)外時有發(fā)生。在大多數(shù)情況下，許多遇難者并不是死于第一時間，而是死于回撤的途中或次生的災(zāi)害中[1]。這是由于發(fā)生安全事故后，井下通信系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致被搜救人員無法及時與搜救人員取得聯(lián)系，使得搜救過程變得很困難。

在現(xiàn)有的礦井通信系統(tǒng)中，主要以有線通信為主、無線通信為輔。但是當(dāng)?shù)V難發(fā)生時，有線通信和無線通信的鏈路很容易受到損壞，導(dǎo)致無法進(jìn)行及時有效的通信。在文獻(xiàn)[2]中提出利用不易損壞的剛性管道建立井下和地面之間聲通信的鏈路，它可以作為應(yīng)急通信的一種有效手段。但是以往管道聲信號的編碼方式是類似于莫爾斯電碼的格式編碼，用6個聲脈沖表示bit“1”，用3個聲脈沖表示bit“0”。這樣的編碼效率比較低，同時沒有檢錯糾錯碼字，使得信號的抗干擾能力有限。

在二次雷達(dá)中，S模式信號的出現(xiàn)廣受歡迎，它在飛機(jī)防撞系統(tǒng)和飛機(jī)應(yīng)答系統(tǒng)中相對于A/C模式有許多優(yōu)點。本文提出基于S模式信號格式編碼的管道聲脈沖信號，當(dāng)有聲脈沖時表示bit“1”，沒有聲脈沖時表示bit“0”，同時還加有校驗位。這使得編碼的效率和抗干擾能力得到提高。通過計算機(jī)仿真驗證了本文信號編碼的可行性，以及與以往的信號編碼進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)該信號的編碼方式有一定的優(yōu)越性。

1 管道應(yīng)急聲通信系統(tǒng)簡介

管道應(yīng)急聲通信系統(tǒng)如圖1所示。開發(fā)人員首先制定通信碼本，當(dāng)?shù)V難發(fā)生后，求救人員通過碼本得知自己想要發(fā)送的信息，通過發(fā)信機(jī)發(fā)出信息，發(fā)信機(jī)將信息編碼后驅(qū)動物體敲擊管道。接收端采用高靈敏度定向拾音器與剛性管道封閉接觸，以拾取微弱的聲脈沖信號，再通過計算機(jī)或者單片機(jī)進(jìn)行有用信號的提取并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息傳輸給信宿[3]。

2 信息編碼

信息編碼的好壞在整個通信系統(tǒng)中起著很大的作用，以往的管道應(yīng)急聲通信系統(tǒng)的編碼方式主要是類似于莫爾斯信號的編碼格式。莫爾斯信號是一種不均勻的電碼，它的原理是以長短信號的不同組合代表數(shù)字或字符。用“·”（點）表示短信號；用“-”（劃）表示長信號。點和劃統(tǒng)稱為基本碼。莫爾斯報文由特定的信息元素構(gòu)成，其5種字符的不同組合形成信息元素，在時域波形上表現(xiàn)為不同時寬的二值時間序列。從波形上看，莫爾斯信號很像數(shù)字通信中的振幅鍵控二元調(diào)制信號[4]。

基于莫爾斯電碼原理，管道聲脈沖信號設(shè)計模型如圖2所示，信息編碼主要由同步頭和信息組組成。這里規(guī)定連續(xù)兩次敲擊的時間間隔稱為碼間隔，設(shè)時間為T；相鄰兩個碼元之間的時間間隔為字間隔，其時間為[3T；]4位（或其他）“0”、“1”碼元構(gòu)成一個信息組，它們之間的間隔為組間隔，其時間為5T；靠近“同步頭”的碼元與“同步頭”之間的間隔為句間隔，規(guī)定其時間為7T。四種間隔之間的長度關(guān)系[5]為1[∶]3[∶]5[∶]7。

在該編碼中，用9個管道聲脈沖代表同步頭，用6個管道聲脈沖代表“1”，用3個管道聲脈沖代表“0”，每4位組成一個信息組，采用ASCII碼編碼方式，如圖2所示，第一個信息組代表數(shù)字“6”，第二個信息組代表數(shù)字“2”。對于這些不同的數(shù)字在碼本里面代替不同的信息，如：“電力中斷”、“通風(fēng)不好”、“被困位置”等重要信息。

3 信息編碼的改進(jìn)

從管道脈沖聲信號的編碼方式來看，它的同步頭比較長，并且表示“0”、“1”碼元的脈沖個數(shù)比較多，這樣使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)男时容^低，有很大一部分冗余信息，并且沒有糾錯碼字，使得傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的正確率得不到保障。針對以往管道聲脈沖信號的編碼缺陷，本文提出基于S模式信號格式的管道聲信號編碼。S模式應(yīng)答信號的格式如圖3所示[6]，它由前導(dǎo)脈沖和數(shù)據(jù)塊兩部分組成，前導(dǎo)脈沖總長為8 μs，它包含四個位置固定的脈沖，并且每個脈沖寬度為0.5 μs。數(shù)據(jù)塊中每個碼元的寬度為1 μs，在1 μs中先為高電平后為低電平則表示bit“1”，先為低電平后為高電平則表示bit“0”。為了保證數(shù)據(jù)的正確性，56 b或112 b的數(shù)據(jù)塊中的后24 b是基于多項式的一種改進(jìn)循環(huán)冗余代碼計算出來的，具有錯誤檢測和錯誤校正的特性。

類似S模式應(yīng)答信號格式，管道聲脈沖信號編碼設(shè)計格式如圖4所示，由于管道聲脈沖信號與方波有一定的差異，所以設(shè)計的編碼格式與S模式應(yīng)答信號格式略有不同。此處敲擊管道產(chǎn)生聲脈沖的時間長度為0.1 s，為了避免相鄰兩次敲擊時間過短造成相互干擾，所以設(shè)計連續(xù)兩次敲擊的中間停止期為0.4 s，連續(xù)兩次敲擊的上一個敲擊開始與下一個敲擊開始的間隔構(gòu)成一個周期且[T=]0.5 s。先有0.1 s的聲脈沖后停止0.4 s則表示bit“1”，若停止期為0.5 s則表示bit“0”。前導(dǎo)脈沖格式如圖4所示，它的總長度為4 s，包含4個位置固定的聲脈沖，固定時間點分別為0.0 s，1.0 s，2.0 s和3.0 s，每個聲脈沖的寬度同樣也是0.1 s。這種固定位置的前導(dǎo)聲脈沖的主要作用是確認(rèn)管道聲信號的出現(xiàn)和估計獲得信號的到達(dá)時間。每個信息組含有7個碼元，它是一個（7，4）循環(huán)碼，具有較強(qiáng)的檢錯糾錯能力，且編譯碼設(shè)計簡單，能夠提高信號的正確率。在實際應(yīng)用中可根據(jù)自己的需要設(shè)計含有一個或多個信息組的編碼。

4 性能仿真

4.1 脈沖信號的處理

管道應(yīng)急聲脈沖通信的收信機(jī)是通過拾音器從管道上獲取聲脈沖信號，信號通過A/D轉(zhuǎn)換（采樣率為44.1 kHz）后送入計算機(jī)進(jìn)行處理。 如圖5所示為一組實測管道聲信號，通過圖5可以看出數(shù)據(jù)的信噪比較低，但是仍然可以看出聲脈沖信號的幅度還是比噪聲的幅度高很多。

在對聲脈沖進(jìn)行檢測時，首先根據(jù)接收到的脈沖信號的特點設(shè)定一個門限值，本文選取的門限值th=0.52，將大于閾值的信號判為1，小于閾值的信號判為0，由于在聲脈沖持續(xù)的0.1 s時間內(nèi)，有大于門限和小于門限的信號點，所以處理后的波形如圖6所示，它在有聲脈沖信號的地方具有高低電平不停變換的特點。

根據(jù)圖6所示的波形特點，本文檢測信號的端點是通過計算信號從0躍變到1或從1躍變到0時，它的連0或者連1個數(shù)。由于聲脈沖信號持續(xù)時間為0.1 s，通過采樣頻率[fs=]44 100 Hz計算出0.1 s的時間段的點數(shù)為[N=]4 410，當(dāng)數(shù)據(jù)中連0或者連1的個數(shù)小于[N2]時判為1，大于[N2]時判為0。處理后檢測到端點的時域波形如圖7所示。從端點的檢測結(jié)果來看，信號的4個前導(dǎo)脈沖位置剛好和標(biāo)準(zhǔn)的前導(dǎo)匹配，即4個前導(dǎo)過后從5 s開始就是信息組的起始端點。

將圖7的端點檢測后的波形進(jìn)行整形處理，處理的原則是，如果信號為高電平的持續(xù)時間大于3 000點，則默認(rèn)為此處可能有0.1 s的聲脈沖信號，進(jìn)一步檢測高電平之后的低電平持續(xù)時間是不是為0.4 s左右，如果成立，則這0.5 s的時間段判為高電平，其余判為低電平。信號處理后的結(jié)果如圖8所示，由于一個周期為0.5 s，從整形后的波形中可以得到信號的譯碼為101010100011010 ，前8個碼元剛好滿足前導(dǎo)脈沖的編碼準(zhǔn)則，后7 b則為（7，4）循環(huán)碼，經(jīng)過檢錯和糾錯過后得到傳輸?shù)男畔⒋a字為0011，即為數(shù)字3。

4.2 信號的傳輸效率比較

假設(shè)傳輸[n]個信息組，則本文中信號的傳輸效率為[n（1.75n+2），]而以往管道信號編碼的傳輸效率與信息組中“0”、“1”的個數(shù)緊密相關(guān)，當(dāng)傳輸?shù)男畔⒔M中的碼元全為“0”時傳輸效率最高為[n（3n+2.25），]當(dāng)信息組中的碼元全為“1”時傳輸效率最低為[n（6n+2.25）。]通過計算機(jī)仿真編碼效率如圖9所示，當(dāng)信息組個數(shù)從1～100變化時，本文的編碼效率用“*”表示，當(dāng)n很大時，效率將近為56%，而原始編碼效率在圖中用“+”表示全傳輸碼元“0”，用“o”表示全傳輸碼元“1”，n很大時它的效率近似在17%～33%之間。比較兩者得出本文中的信息編碼格式比原始編碼的效率高很多。

4.3 信號的抗干擾性能

對于接收到的信號能否正確解碼，它的首要關(guān)鍵點是正確識別前導(dǎo)脈沖。在通信環(huán)境比較好時，前導(dǎo)脈沖能夠很好的識別出來，如4.1節(jié)中對信號的仿真。但是有時候在通信的過程中，難免會遇到突發(fā)噪聲，導(dǎo)致某些信號被噪聲淹沒，如圖10（a）所示在突發(fā)噪聲下有一個前導(dǎo)脈沖被淹沒。由于在信號的編碼中有四個位置固定的脈沖，檢測前導(dǎo)脈沖的準(zhǔn)則是：

（1） 找到四個位置固定0.0 s，1.0 s，2.0 s，3.0 s的聲脈沖；

（2） 每個脈沖的寬度大約為0.1 s左右；

（3） 找到4個脈沖中的2個或者2個以上就認(rèn)為有前導(dǎo)脈沖成立[7]。

由上面的準(zhǔn)則可知，即使遇到突發(fā)噪聲時丟掉1～2個聲脈沖，信號的前導(dǎo)脈沖也能夠很好地恢復(fù)和識別。前導(dǎo)脈沖恢復(fù)后的波形為圖10（b）。這種前導(dǎo)脈沖的特性能夠有效提高信號的抗干擾性。

另一方面，每個信息組都是一個（7，4）循環(huán)碼編碼后的信號，它的最小距離[d=4，]能夠檢測長度為3或者更短的突發(fā)錯誤，同時能夠糾正1個錯誤[8]。這種編碼方式簡單，檢錯糾錯能力強(qiáng)，能夠有效地提高信號的抗干擾能力。

5 結(jié) 語

本文針對以往管道應(yīng)急聲通信的信號編碼方式存在的不足，提出了基于S模式應(yīng)答信號格式的管道聲信號的編碼方式，此編碼設(shè)計簡單，接收的信號也很好處理，相比于文獻(xiàn)[2]的編碼方式有一定的優(yōu)勢，如效率高并且具有檢錯和糾錯能力，這種編碼方式使得管道應(yīng)急聲通信的性能得到有效的提高，通過實驗仿真也證實了此編碼格式的正確性和可行性。這對管道應(yīng)急聲通信應(yīng)用于礦井安全能起到積極的推進(jìn)作用。

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