基于UWB無線通信技術在礦井中的應用研究

邸 鵬

（西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030022）

1 UWB應用特點

1.1 UWB連續離散型脈沖信號

瞬間尖波形電波是UWB通信的主要形式，通常情況下此類脈沖的寬度被控制在1納米以下，從而達到了在短時間內發射數據脈沖的目的，繼而幫助實現數百兆的數據信息傳輸目標?，F階段能夠產生脈沖源的方式主要包括光電與電子兩種。首先是光電方法，其應用原理主要為以光導開關為基礎，在其瞬間陡峭上升環節獲取到足量的連續離散型脈沖信號。通常情況下，產生激光連續離散型脈沖信號后所對應的脈沖寬度達到了皮秒量級，具有極為廣闊的發展與應用前景；其次是電子方法。其應用原理主要為半導體PN結反向加電，從而滿足其預期達到的雪崩狀態要求，讓其能夠在導通瞬間，獲取足夠的陡峭上升沿信號，達到對信號應用的最終目的[1]。對其進行整形處理后，將會獲得極短的脈沖，其也是現階段最為廣泛應用的脈沖方案。但需要注意的是，由于晶體管自身耐壓特性的原因，使得此種方法的應用將會產生幾十至上百伏范圍內的脈沖，其脈沖寬度被控制在1納米以下。由于其在實際應用過程中突顯出了諸多應用優勢，繼而使得其在當下的高速無線通信領域內具有極為廣闊的應用前景，儼然已經成為了主流的通信信號形式。而值基帶窄脈沖UWB技術的應用領域則多為低成本與低功耗的通信環節，且兼顧透視與成像等技術的未來發展。

1.2 UWB信號特點

第一是高分辨率與抗多徑。由于UWB連續離散型脈沖信號的自身特殊性，使得其在頻率極高與占空比較低的背景條件下，分辨率極高。而針對不同路徑，其分辨率能夠根據實際需要將其降低至ns量級，突顯出了對信道多徑衰落不敏感的特性，因此若將其在室內等具有多徑密集特征的場合使用，將展現出其極佳的抗多徑性能優勢[2]。UWB自身定位精確度極高，且能夠對隱蔽目標進行探測，其精度范圍通常被控制在厘米以下。

第二是具有極佳的抗干擾性。跳時擴頻信號是UWB的常見應用方案，該系統的應用突顯出了應用層面的處理效果，且會在實際發射環節逐漸將原本較為微弱的無線電連續離散型脈沖信號，分布于具有寬闊特征的頻帶范圍內，整體的輸出功率一般低于普通設備應用過程中所產生的噪聲。實際接受環節，其對應的信號能量將會逐漸被還原，并在持續解擴環節下逐漸顯露出擴頻增益。相較藍牙與其他信號傳輸方式，UWB的抗干擾性更強，這使得其在同等碼速背景條件下應用優勢更大。

第三是帶寬較寬。通常情況下，UWB所對應使用的帶寬大于1GHz，系統容量大與兼容性強的特點，使得其既能夠保持高效率的傳輸特性，也能夠避免對原本的窄帶寬通信形式造成干擾。

第四是電能消耗極小。對于一般的無線通信系統來說，由于有連續發射載波的工作需求，因此電能消耗較高。但與之相比UWB使用的并不是載波形式，瞬間脈沖電波可以只在需要時發射，因此從整體角度看電能消耗量極小。

第五是具有較強保密性。UWB的應用保密性優勢主要體現在跳時擴頻與功率譜密度低兩方面，只在應用時發射擴頻碼與傳統接收機無法接收數據信息的應用特征，使得其傳輸過程保密程度極高。

第六是發射功率較小。僅僅只需要UWB使用小于1mW的信功率即可完成信號發射任務，且將系統電源的工作時間最大限度的延長，最大限度的降低了工作狀態下對于人體的輻射影響。

2 礦井下UWB的具體應用（收發機結構）

從圖1中可以看到，基帶與射頻是收發機結構的兩種組成部分，由于消除了原本具有復雜化應用特征的射頻與中頻交換環節，因此若采取UWB收發機結構將能夠達到對模擬信號進行處理的目的。數據發送過程中，所發送的一系列信號在經過處理器處理后，即可推進到后續的編碼與交織處理進程中，并在使用D/A轉換模式后實現脈沖成形與放大目標，為后續發射進程奠定基礎。所接收到的一系列連續離散型脈沖信號，通過使用天線濾波與匹配功能，即可進行A/D轉化，無論是濾波的匹配、解調，還是信道估計與基帶處理，均能夠與數字信號處理器相匹配，繼而達到深度分析與完善目的。整個應用系統中，僅僅依靠幾個關鍵芯片即可完成信號的收發任務。但同樣的，也應看到現階段UWB系統設計方面的不足之處，例如超窄波生成、脈沖檢測以及轉換速度等，想要進一步將信號接收精度與轉換速度提升，還需相關人員聯系應用環境實況進行進一步的研究。圖1為UWB收發機結構。

圖1 UWB收發機結構

3 礦井中UWB應用優勢分析

3.1 抗多徑的性能優勢

該優勢使得其在井下巷道中的信號傳播較為容易。作為當下無線通信環節的重要障礙，若應用傳統無線技術很容易受到多徑衰落條件的限制，繼而影響到整體的無線傳輸特性。而由于UWB頻率極高與占空比較低的自身特點，使得其分辨率極高，無論是在何種路徑條件下均可將其降低至ns量級，針對信道多徑衰落現象存在不敏感的特征表現。從實驗結構來看，UWB信號的衰落始終控制在5dB以內，抗多徑的應用優勢使得UWB在密集性較強的多徑場合中，相較其他無線通信技術應用效果更佳。

3.2 系統應用耗費功耗較低

瓦斯是礦井下存在的常見氣體，由于其自身易燃易爆的特性，因此要求其在井下所使用的電氣必須保證其安全性。當下所應用電臺的耗電通常被控制在幾百mW至幾十W的范圍內，而若采取UWB系統，由于并不涉及載波使用，因此能夠將耗電量始終控制在幾百μW至幾十mW范圍內，整體來看，其耗電量僅為原本的百分之一。較低功耗的應用特性，使得其在維持系統長時間穩定工作狀態方面表現出了極佳的應用優勢，其同樣也是適宜當下礦井下本質安全設計需求的前提條件。

3.3 穿透力較強，災后救援效果較好

所應用的基帶窄脈沖形式，相較一般的無線通信信號，在應用衰減范圍內存在著明顯的不同之處。使用天線所發射的正弦電磁波以球面波為主，其在此處的自由空間內部，衰減效果與距離的平方之間呈反比例關系。而UWB瞬態脈沖本身的定向性較強，無論是衰減還是距離均較小。這就使得在同功率條件下，UWB信號的傳輸焦慮易更遠，且能夠順利將災后垮塌障礙物迅速穿透，為后續推進災后救援進程提供了諸多便利條件。

3.4 加大發射功率同時增加傳播距離

由于受FCC限制條件影響，使得若采取UWB技術所對應的最大傳輸距離在10米左右。而若將UWB技術融入至礦井下信號傳輸系統，則可以脫離FCC條件限制，在將發射功率提高后即可達到傳輸距離增大的目的。正是由于這一特點，在井下煤礦信息傳遞需求量較小的實際條件下，能夠將整體的傳輸效率最大限度的降低，為更好的實現遠距離條件下的多類型場合的無線介入服務目標奠定堅實的基礎。

3.5 便于維修與推廣

維修起來較為簡單，且由于成本低廉的特性使得推廣與普及更為容易。相較其他復雜的無線信號接收器與通信系統，將UWB技術作為發射與接收機所主要應用的技術類型，此類UWB產品并沒有復雜射頻轉換電路的需求，只需要采取數字模式即可產生需求的連續離散型脈沖信號，在對脈沖做數字調制后，即可將所使用的電路集成至相應芯片上。再加上一般的網絡接入卡售價較為昂貴，因此具有低成本開發與安裝優勢的系統，市場接受更為容易，這也是UWB技術在中小型煤礦中推行起來較為容易的主要原因。

4 結束語

綜上所述，從實際的UWB技術應用情況來看，目前僅僅將此技術與雷達相結合，規模性的通信系統研究推進速度較為緩慢。因此，相關人員更需要明確此技術的應用優勢，發掘其市場潛力，繼而奠定UWB技術在礦井下大規模應用的堅實基礎。