擴頻技術(shù)在礦井透地通信系統(tǒng)中的應用與仿真*

張從力，史記征

（重慶大學 自動化學院，重慶 400030）

透地通信是一種以分層大地作為傳輸媒質(zhì)，利用無線電波直接穿透大地來實現(xiàn)地面與井下信息交流的無線通信技術(shù)。透地通信的傳輸介質(zhì)是分層大地，因此當?shù)V井突發(fā)坍塌、井底透水等災害事故時，通信設(shè)施不會遭到太大的損害，被認為是最可靠的應急救援通信手段。然而透地信道的干擾、嚴重衰減以及弱信號接收困難等問題的存在，使得透地通信系統(tǒng)的研究進展十分緩慢。根據(jù)擴頻通信系統(tǒng)抗干擾能力強、可以在很低的功率譜密度條件下可靠地工作，甚至信號電平在一定噪聲的“淹沒”下也能有效通信的特點，本文將擴頻技術(shù)應用到礦井透地通信系統(tǒng)中，并設(shè)計出系統(tǒng)的仿真模型，給出了仿真結(jié)果，證明了本文方法的有效性和優(yōu)越性。

1 礦井透地信道特性分析

1.1 透地信道的衰減特性

本文中把透地通信信號的傳輸媒質(zhì)（大地）看作是均勻的、電導率有限的媒質(zhì)，這種假設(shè)有利于建立信號沿礦井無線通道傳輸過程的數(shù)學模型。

依據(jù)上面的假設(shè)，可得平面電磁波的復數(shù)形式麥克斯韋（Maxwell）方程為[1]：

其中，γ為傳播方向的矢徑；E0為常矢量，代表電場矢量的起始振幅與極化方向；β為幅值衰減系數(shù)；α為相位衰減系數(shù)。

由式（3）可知，電磁波的振幅沿傳播方向按 e-βγ呈指數(shù)規(guī)律衰減。其中，

其中，μ（H/m）為媒質(zhì)的磁導率（與空氣中的磁導率 4π×10-7H/m 基本相等），σ（S/m）為媒質(zhì)的電導率，ε（F/m）為媒質(zhì)的介電常數(shù)，ω為發(fā)送電磁波的角頻率[2]。在透地通信中，為了使發(fā)送信號到達地下接收點時具有較高的功率（即要使β盡量?。l(fā)射頻率應較低，而大地媒質(zhì)的介電常數(shù)又較大，滿足 σ>>ωε，即1，從而可得 α、β的簡化表達式為：

由式（6）可得：媒質(zhì)電導率σ與發(fā)送端電磁波頻率f的大小決定了電磁波信號穿透地層的深度。各地礦井的煤層深度不同，因此其電導率σ也不同，從而使得其穿透深度也不同；電磁波的頻率f越高，幅值衰減就越嚴重，穿透能力越弱，傳播距離就越短。根據(jù)以上的分析可知：在透地通信系統(tǒng)中必須保證電磁波工作在甚低頻段（VLF3～30 kHz）。

1.2 透地信道的干擾特性

信道中的干擾是決定通信質(zhì)量好壞的最主要因素，并且透地通信系統(tǒng)中有些設(shè)備的靈敏度極高。事實上，礦井無線通信的干擾主要包括工業(yè)和自然的各種干擾電平。

地面上的長波、高壓輸電線和超聲波波段的無線電廣播臺是常見的工業(yè)干擾源。陰雨天氣時，雷電放電在巖層中感應出的寬頻譜電磁場、大地恒定電場的波動都會對透地通信系統(tǒng)造成很大影響，是很常見的天然干擾源。

地下礦井通道里的主要干擾源是電力電纜網(wǎng)絡(luò)和各種機電設(shè)備。這些網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備可能會產(chǎn)生巨大的脈沖電流流散到周圍的巖層中，這些電流在各個方向的分量將對透地通信系統(tǒng)造成嚴重的干擾。

2 礦井透地通信系統(tǒng)天線設(shè)計

由于透地通信系統(tǒng)中使用的信號頻率極低以及各種干擾可能通過不同途徑到達接收點，因此要想實現(xiàn)穿透地層的無線電信號可靠傳輸，設(shè)計良好的發(fā)射和接收天線裝置是極其重要的。

在礦井低頻無線通信中，一般是利用電磁波的近區(qū)到中間區(qū)的場實現(xiàn)信號傳輸。當天線裝置的經(jīng)典計算推廣到半導電媒質(zhì)時，會導致對天線裝置效能估計的非單值性。

由天線知識可知，天線上的電流是按照有耗長線的規(guī)律分布的。當天線尺寸較小時，若用終端開路形式，天線的有效長度只有實際長度的一半，輻射能力減弱，需要在天線回路中串入較大的電感才能調(diào)諧。串入大電感將引起較大的功率損耗，從而使得整個系統(tǒng)的效率降低，并且大功率的發(fā)射裝置將引起較多的電能消耗，這對礦難發(fā)生后的救援十分不利。若天線采用終端短路形式，則電流的分布比較均勻，輻射能力增強，而且輸入阻抗的電抗分布為小感抗，容易和發(fā)送裝置匹配[3]。

根據(jù)以上分析，本文選擇90 m長的終端短路單極天線作為發(fā)射和接收天線，天線長度應滿足l<<λ。因此，可以將天線視作水平電偶極子。

3 透地擴頻通信系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)方案的原理

擴頻通信是基于信息論和抗干擾理論的信息傳輸方式，它的理論依據(jù)是信息論中的香農(nóng)（Shannon）公式：

其中，C為信道容量 （信息傳輸速率），B為信號頻帶寬度，S為信號功率，N為白噪聲功率。由式（7）可以看出，信道容量C為常數(shù)時，帶寬B與信噪比S/N可以互換，既可以通過增加帶寬來降低系統(tǒng)對信噪比S/N的要求，也可以通過增加信號功率降低信號的帶寬。但是，由信息論的理論知，當B增加到一定數(shù)值后，信道容量C是有上限值的。

建立通信系統(tǒng)的目的是傳輸消息，消息中信息的多少用信息量I表示，消息要實現(xiàn)傳送必須首先轉(zhuǎn)換成電信號，接收到的電信號具有一定的帶寬BS、持續(xù)時間TS和功率PS，同時信道中也有其他干擾功率Pn[4]。

其中，VS為信號體積，HS為信號的動態(tài)范圍，N代表單位信號體積所荷載的信息量。系統(tǒng)的可靠性會隨著N的增大而降低，且Nmax=1，當N>1信息就不能正確接收?？梢姡ㄐ畔到y(tǒng)的有效性和可靠性是相互矛盾的。

根據(jù)前面的分析可知，在透地通信系統(tǒng)中，天線的輻射效率很低，而且透地信道的衰減十分嚴重，使得接收點的信號十分微弱。VS、HS較小使得N較大，N值的變大將使通信十分不可靠，以致于N>1時無法進行通信。解決此問題的方法有兩種：增大信號體積VS和減少每次傳輸?shù)男畔⒘縄。具體的措施有：

（1）增大TS，通過傳輸延時換取可靠性。顯然這不滿足生產(chǎn)調(diào)度及礦難救援的要求。

（2）增大信號的動態(tài)范圍HS，即增大發(fā)信功率PS，也就是用較大的功率消耗換取可靠性。但礦難發(fā)生時井底下的電能有限。

（3）增大信號帶寬 BS，也就是用增大頻帶換取可靠性。這是解決透地通信系統(tǒng)中信號發(fā)送、接收問題的有效途徑，這樣做將使通信系統(tǒng)的誤碼率顯著下降。

而擴頻通信就是用帶寬遠遠大于發(fā)送信息所需最小帶寬的信號傳輸數(shù)據(jù)，以達到使通信誤碼率下降的目的。

3.2 擴頻通信系統(tǒng)框圖及分析

根據(jù)以上對透地信道和天線特性的分析，本文在設(shè)計透地通信系統(tǒng)時采用直接序列擴頻技術(shù) （DSSS），其原理框圖如圖1所示[5]。

圖1 直擴通信系統(tǒng)原理框圖

編碼器的作用是對數(shù)據(jù)源的基帶信號進行處理，然后與M序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機碼進行模2加，從而得到擴頻序列，以對載波進行調(diào)制，最后把信號由天線發(fā)射出去。在接收端，需要經(jīng)過解擴和解調(diào)才能恢復出原始序列。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 仿真模型的建立

本文采用基于Windows平臺的SystemView通信系統(tǒng)仿真軟件[6-7]。系統(tǒng)總體仿真模型如圖2所示。

4.2 仿真結(jié)果及分析

系統(tǒng)運行時，各參數(shù)的設(shè)置在圖2中已注明。圖3所示為仿真系統(tǒng)一次運行時SystemView分析窗口的運行結(jié)果。

從圖 3（a）和圖 3（g）可以看出，發(fā)送信號經(jīng)透地信道傳輸后，在接收端能夠得到不失真的原始信號，只是存在一定的時間延遲。

為了進一步驗證該設(shè)計方案是否具有較高的可靠性和可行性，再從系統(tǒng)誤碼率的角度進行分析。多次仿真結(jié)果的BER/SNR曲線如圖4所示。

從圖4可知，信噪比與系統(tǒng)的誤碼率成反比例，說明本文的方案是可行的，可以實現(xiàn)可靠的透地通信。

圖4 系統(tǒng)誤碼率仿真曲線

本文提出的直接序列擴頻方法能有效解決透地通信中干擾嚴重和弱信號接收問題，基于該擴頻方法的礦井透地通信系統(tǒng)的應用將使礦井生產(chǎn)的安全系數(shù)、生產(chǎn)效率和自動化程度得到顯著提高，較大程度上滿足礦井安全生產(chǎn)、搶險救災的需求，推動礦井移動通信的發(fā)展，同時使通信系統(tǒng)成本大大降低，帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

[1]張清毅，朱建銘.透地通信信道特性的研究[J].電波科學學報，1999，14（1）：36-40.

[2]劉凌志.無線電波在大地媒質(zhì)中的傳播特性研究[D].西安：西安科技大學，2004.

[3]陶晉宜.甚低頻電磁波穿透地層礦井通信系統(tǒng)天線裝置的研究[J].太原理工大學學報，2007，30（2）：139-143.

[4]司徒夢天.解決地下通信技術(shù)難題的方案及關(guān)鍵設(shè)備[J].中國工程科學，2001，18（7）：64-69.

[5]韋惠民.擴頻通信技術(shù)及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[6]劉正瓊.基于 SystemView的擴頻通信仿真與分析[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2006（7）：843-845.

[7]PIERRE L E.Summary study of underground communications technologies [R]. Ottawa， Ontario， Canada： CANMET Mining and Mineral Sciences Laboratories，2009.