多進(jìn)制正交擴(kuò)頻技術(shù)在礦井下的應(yīng)用

常樹(shù)龍，李 珂

（1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽(yáng) 471099；2.陜西烽火電子股份有限公司 陜西 寶雞 710075）

傳統(tǒng)的通信設(shè)備和技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用到煤礦井下。主要原因是礦井下的特殊環(huán)境。井下巷道是由巖壁自稱的相對(duì)封閉的限定空間，電磁波的傳播受到巖壁的限制，傳輸衰減很大，而發(fā)射功率又受到易爆環(huán)境的制約。因此，無(wú)電磁干擾、低功耗和短距離的無(wú)線通信方式是礦井無(wú)線通信系統(tǒng)的最佳選擇。除此之外，井下通信設(shè)備應(yīng)符合以下基本要求：本質(zhì)安全型、體積小，發(fā)射功率小，抗干擾能力強(qiáng)，防護(hù)性能好，電源電壓波動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)，抗故障能力強(qiáng)，信道容量大，成本低廉等。

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、截獲率低、碼分多址、信號(hào)隱蔽、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此它從出現(xiàn)至今得到迅速發(fā)展并且它的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。特別大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微處理器技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到了新的高潮。目前，它已廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、定位、測(cè)距、跟蹤、遙控、電子對(duì)抗及移動(dòng)通信等領(lǐng)域[1]。但是，由于其頻帶利用率不高，因而應(yīng)用受到了一定的限制。多進(jìn)制正交碼擴(kuò)頻[2]系統(tǒng)是利用一個(gè)正交擴(kuò)頻序列傳輸log2M（M為進(jìn)制數(shù)）比特信息的擴(kuò)頻系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)的直擴(kuò)系統(tǒng)相比，在相同的信息速率和系統(tǒng)帶寬條件下具有更高的擴(kuò)頻增益，能夠有效地解決傳輸帶寬和處理增益之間的矛盾。多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)在美國(guó)的JTIDS系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)IS-95蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WCDMA和IMT-2000中都有廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前對(duì)于礦井下特殊環(huán)境進(jìn)行的近距離無(wú)線通信的應(yīng)用研究主要有藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)，超寬帶（UWB）技術(shù)、無(wú)線傳感器（ZigBee）技術(shù)等。我國(guó)采用的傳統(tǒng)井下無(wú)線通信技術(shù)主要有“泄漏”技術(shù)和超低頻穿透技術(shù)，但因其通信距離短、設(shè)備成本高，并且具有必須單獨(dú)組網(wǎng)等缺點(diǎn)，目前僅在礦井機(jī)車調(diào)度方面有一定應(yīng)用。因此，提出采用多進(jìn)制正交擴(kuò)頻技術(shù)在礦井下進(jìn)行應(yīng)用。

1 多進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)

1.1 擴(kuò)頻系統(tǒng)基本原理

擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)理論是信息論中的Shannon公式，即

式（1）中，C為系統(tǒng)的信道容量，單位是：bit/s；B為系統(tǒng)的信道寬度，單位是：Hz；S為信號(hào)的功率，單位是：W；N為噪聲功率，單位是：W。

Shannon公式表明了信道在無(wú)差錯(cuò)傳輸時(shí)的最大信息傳輸速率與用于傳輸信息的系統(tǒng)帶寬B和信道中的信噪比S/N關(guān)系。Shannon公式還表明，在信道容量一定的情況下，可以不同的信道帶寬B和信噪比S/N來(lái)進(jìn)行互換。即在信噪比很低時(shí)，只要相應(yīng)地增加帶寬，也能實(shí)現(xiàn)可靠的通信。擴(kuò)頻通信就是通過(guò)一種調(diào)制方法使得傳輸?shù)男盘?hào)的帶寬增加很大的倍數(shù)，以至于在信噪比很低的情況下實(shí)現(xiàn)可靠的通信。增大后的帶寬通常比原來(lái)未經(jīng)過(guò)調(diào)制時(shí)的信號(hào)帶寬大很多。因此，將信號(hào)帶寬擴(kuò)展到幾百倍，甚至上千倍的寬帶信號(hào)來(lái)傳輸信息，就可以提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力，在強(qiáng)干擾的條件下仍能保證可靠安全地通信。其原理框圖如圖1所示。

圖1 擴(kuò)頻系統(tǒng)原理框圖Fig，1 Block diagram of spread spectrum systems

并不是所有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都包含有圖1的所有部分，但擴(kuò)頻和解擴(kuò)調(diào)制是必不可少的。

1.2 多進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)

多進(jìn)制擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本思想是：分配給用戶一組正交擴(kuò)頻序列作為擴(kuò)頻碼字來(lái)傳輸信息，根據(jù)要發(fā)送的每log2M比特信息數(shù)據(jù)，選取M條擴(kuò)頻碼中的某一條擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，形成發(fā)射信號(hào)發(fā)送。接收機(jī)有M個(gè)解擴(kuò)相關(guān)器，使用與發(fā)送端相對(duì)應(yīng)的本地?cái)U(kuò)頻偽碼，選取解擴(kuò)相關(guān)器的最大輸出相對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列作為發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。從信息傳輸?shù)慕嵌瓤?，因?yàn)槊總€(gè)擴(kuò)頻序列集中了k比特信息的能量，因而比傳統(tǒng)擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)，多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的帶寬為具有相同處理增益的二進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)帶寬的log2M，能有效解決傳輸帶寬與處理增益的矛盾，更適合于帶寬有嚴(yán)格限制而又需要高數(shù)據(jù)速率的環(huán)境。

圖2 多進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)的發(fā)射原理框圖Fig，2 Transmitter block diagram of M-ary orthogonal spread spectrum systems

多進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)的發(fā)射模型如圖2所示。多進(jìn)制擴(kuò)頻本質(zhì)上是將分組編碼與直接序列擴(kuò)頻相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展。通過(guò)所要傳輸?shù)拿枯斎氲亩M(jìn)制數(shù)據(jù)按k比特進(jìn)行分組，每個(gè)數(shù)據(jù)組選取擴(kuò)頻序列陣中的一個(gè)擴(kuò)頻碼字送到調(diào)制器。在接收端將接收到的信號(hào)與2k正交的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)找出最大相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻碼，來(lái)把信息序列解擴(kuò)出來(lái)。其解調(diào)模型如圖3所示。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波之后送入M個(gè)相關(guān)器中，通過(guò)對(duì)這些相關(guān)器的輸出進(jìn)行最大值判決從而得到對(duì)應(yīng)的k比特信息，再經(jīng)過(guò)并/串變換得到所傳輸?shù)男畔⑿蛄?。由于多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)使用多條相互正交的偽隨機(jī)序列作為擴(kuò)頻碼，所以在其接收端也需要相同數(shù)量的相關(guān)器。

擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益的大小決定了系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱。在擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度固定時(shí)，M值越大，則系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益越大，M值越大，系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益越大，但是對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，M值越大伴隨系統(tǒng)復(fù)雜度的提高。當(dāng)M較大時(shí)，相關(guān)器數(shù)量較大時(shí)，就會(huì)增加接收機(jī)的復(fù)雜度，應(yīng)綜合考慮性能要求和復(fù)雜度限制。

圖3 多進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)的接收端原理框圖Fig，3 Receiver block diagram of M-ary orthogonal spread spectrum systems

2 正交擴(kuò)頻碼

正交擴(kuò)頻碼的特性直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能。選擇擴(kuò)頻碼一般要遵循的原則[3]：易于產(chǎn)生；具有隨機(jī)性；具有盡可能長(zhǎng)的周期，以保證其保密性；具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)和良好的互相關(guān)函數(shù)，以便于接收和跟蹤以及多用戶使用。

目前，擴(kuò)頻碼主要對(duì)m序列、Gold碼序列和沃什（Walsh）函數(shù)。應(yīng)用最廣泛的是m序列。在實(shí)際工程應(yīng)用中，m序列既可以用硬件產(chǎn)生，也可以用軟件產(chǎn)生，然后存在存儲(chǔ)器中通過(guò)相應(yīng)的時(shí)鐘輸出。線性反饋移位寄存器產(chǎn)生m序列的原理圖如圖4所示。根據(jù)不同長(zhǎng)度的m序列，來(lái)選取相應(yīng)的本原多項(xiàng)式來(lái)產(chǎn)生m序列。

圖4 線性反饋移位寄存器原理圖Fig，4 Block diagram of schematic linear feedback shift register

由一條長(zhǎng)度為n的m序列經(jīng)過(guò)循環(huán)移位可以得到n條m序列，這些m序列稱為m序列的位移序列。由于m序列的自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)二值函數(shù)，所以其位移序列具有良好的自相關(guān)特性，可以采用m序列的位移序列作為多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼組。

m序列有很好的自相關(guān)特性，但其互相關(guān)特性較差。而在擴(kuò)頻系統(tǒng)的應(yīng)用中是要提供一種不同于頻分多址和時(shí)分多址接入的方法以共享有限的信道資源。其實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)不同的用戶分配了一個(gè)不同的擴(kuò)頻碼，以便在接收時(shí)能夠分離出不同的用戶。如果擴(kuò)頻系統(tǒng)中所使用的擴(kuò)頻碼的互相關(guān)特性較差的話，在解擴(kuò)后將會(huì)較高的誤碼率。Gold碼和和Walsh函數(shù)具有較好的互相關(guān)特性。正交擴(kuò)頻碼的選取正趨向于長(zhǎng)碼字和多維數(shù)發(fā)展，首先應(yīng)保證所選碼字有很好的互相關(guān)特性以減小信道內(nèi)的碼間串?dāng)_，其次要容易捕獲同步。

Gold碼是m序列的復(fù)合碼，它是由兩個(gè)碼長(zhǎng)相等、碼時(shí)鐘速率相等的m序列優(yōu)選對(duì)進(jìn)行模2相加組成的。Walsh函數(shù)是一種非正弦的完備正交函數(shù)集[4]。由于它的可能取值為：+1和-1（或0和1），比較方便用來(lái)表達(dá)和處理信號(hào)。它具有理想的互相關(guān)特性，兩兩之間的互相關(guān)函數(shù)值為“0”。 Walsh函數(shù)可用哈達(dá)碼（Hadamard）矩陣表示。哈達(dá)碼矩陣是由+1和-1元素構(gòu)成的正交方陣。2階的哈達(dá)碼矩陣H2為：

N階哈達(dá)碼矩陣的關(guān)系式為

式（3）中，HˉN為HN取反。

3 礦井下通信

3.1 實(shí)現(xiàn)模型

對(duì)于礦井下特殊的通信環(huán)境，采用正交擴(kuò)頻通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

正交擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在發(fā)射端，用正交碼產(chǎn)生器產(chǎn)生2k個(gè)正交的擴(kuò)頻序列碼[5]，對(duì)不同的信息數(shù)據(jù)采用不同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，然后經(jīng)過(guò)插值濾波以形成數(shù)字基帶信號(hào)，再把數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字載波調(diào)制后發(fā)射出去。在接收端經(jīng)過(guò)模數(shù)變換后的中頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻將中頻信號(hào)化為低頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行處理，最后再與正交碼組進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算取出其峰值所對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻碼序列，按照與發(fā)端對(duì)應(yīng)的方法將不同擴(kuò)頻碼序列分別譯出k個(gè)信息比特就可完成信號(hào)的解調(diào)。

3.2 仿真結(jié)果

針對(duì)礦井下通信的實(shí)現(xiàn)模型，進(jìn)行仿真，這里正交碼選用Walsh碼。信道為加性高斯白噪聲，擴(kuò)頻方式采用直擴(kuò)技術(shù)[6-7]。圖6給出了M=8，不同碼片長(zhǎng)度N=8和N=16條件下的仿真結(jié)果圖。

圖5 正交擴(kuò)頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖Fig，5 Realization diagram of orthogonal spreading system

圖6 8個(gè)正交擴(kuò)頻碼系統(tǒng)仿真性能曲線Fig，6 Simulation performance curve of orthogonal spreading systems with eight orthogonal spreading codes

由圖6可知，在相同誤碼率時(shí)用16位正交碼擴(kuò)頻的系統(tǒng)所需信噪比8位正交碼擴(kuò)頻系統(tǒng)低3 dB。這是因?yàn)橛?6位正交碼擴(kuò)頻時(shí)，它的處理增益是用8位正交碼進(jìn)行擴(kuò)頻的處理增益的兩倍，即10lg2≈3 dB。這與理論結(jié)果相符。

DQPSK調(diào)制方式，由于其占用帶寬低、抗噪性能高和解調(diào)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。這里將DQPSK調(diào)制方式和正交擴(kuò)頻技術(shù)結(jié)合在一起使用。圖7是其系統(tǒng)仿真曲線。由圖7可以看出，系統(tǒng)具有更好的抗噪性能，所需信噪比很低。

因此，多進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)很適合在礦井下完成通信。具有更好的抗噪性能和更遠(yuǎn)的傳輸距離。

圖7 DQPSK系統(tǒng)的正交擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真曲線Fig，7 Simulation performance curve of orthogonal spreading systems with DQPSK modulation

4 結(jié) 論

文中介紹了多進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理，研究了其在礦井下的應(yīng)用價(jià)值。由仿真結(jié)果可以看出，多進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很好的抗噪性能和環(huán)境適應(yīng)性，占用帶寬較窄，有更廣闊的應(yīng)用前景。

[1]查光明，熊賢祚.擴(kuò)頻通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

[2]Gilhosen K S，Jacobs I M，Padovan I R，et al.On the capacity of a cellular CDMA system[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，1991，40（2）:303-312，

[3]曾一凡，李暉.擴(kuò)頻通信原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]鄔國(guó)揚(yáng)，孫獻(xiàn)璞.蜂窩通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[5]李維英，李建東，陳育斌.高速多進(jìn)制正交擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的編碼和調(diào)制[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，8（4）：524-527.LI Wei-ying，LI Jian-dong，CHEN Yu-bin.Implementation of coding and modulation of a n M-ary orthogonal spread spectrum system[J].Journal of Xidian University，2000，8（4）：524-527.

[6]WU Jen-shi，LIU Ming-luen，MA Hsi-pin.A 2，6-V， 44-MHz All-Digital QPSK Direct-Sequence Spread-Spectrum Transceiver IC[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，1997，32（10）:1499-1510.

[7]DS/CDMA M-ary orthogonal signaling in a shadowed Rayleigh channel[J].Mobile Communications，1996:347-357.