基于UWB無(wú)線通信技術(shù)在礦井中的應(yīng)用研究

邸 鵬

（西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030022）

1 UWB應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 UWB連續(xù)離散型脈沖信號(hào)

瞬間尖波形電波是UWB通信的主要形式，通常情況下此類(lèi)脈沖的寬度被控制在1納米以下，從而達(dá)到了在短時(shí)間內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)脈沖的目的，繼而幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)百兆的數(shù)據(jù)信息傳輸目標(biāo)?，F(xiàn)階段能夠產(chǎn)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(yīng)用原理主要為以光導(dǎo)開(kāi)關(guān)為基礎(chǔ)，在其瞬間陡峭上升環(huán)節(jié)獲取到足量的連續(xù)離散型脈沖信號(hào)。通常情況下，產(chǎn)生激光連續(xù)離散型脈沖信號(hào)后所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度達(dá)到了皮秒量級(jí)，具有極為廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景；其次是電子方法。其應(yīng)用原理主要為半導(dǎo)體PN結(jié)反向加電，從而滿(mǎn)足其預(yù)期達(dá)到的雪崩狀態(tài)要求，讓其能夠在導(dǎo)通瞬間，獲取足夠的陡峭上升沿信號(hào)，達(dá)到對(duì)信號(hào)應(yīng)用的最終目的[1]。對(duì)其進(jìn)行整形處理后，將會(huì)獲得極短的脈沖，其也是現(xiàn)階段最為廣泛應(yīng)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(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生幾十至上百伏范圍內(nèi)的脈沖，其脈沖寬度被控制在1納米以下。由于其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中突顯出了諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，繼而使得其在當(dāng)下的高速無(wú)線通信領(lǐng)域內(nèi)具有極為廣闊的應(yīng)用前景，儼然已經(jīng)成為了主流的通信信號(hào)形式。而值基帶窄脈沖UWB技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域則多為低成本與低功耗的通信環(huán)節(jié)，且兼顧透視與成像等技術(shù)的未來(lái)發(fā)展。

1.2 UWB信號(hào)特點(diǎn)

第一是高分辨率與抗多徑。由于UWB連續(xù)離散型脈沖信號(hào)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(duì)不同路徑，其分辨率能夠根據(jù)實(shí)際需要將其降低至ns量級(jí)，突顯出了對(duì)信道多徑衰落不敏感的特性，因此若將其在室內(nèi)等具有多徑密集特征的場(chǎng)合使用，將展現(xiàn)出其極佳的抗多徑性能優(yōu)勢(shì)[2]。UWB自身定位精確度極高，且能夠?qū)﹄[蔽目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，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(shí)擴(kuò)頻信號(hào)是UWB的常見(jiàn)應(yīng)用方案，該系統(tǒng)的應(yīng)用突顯出了應(yīng)用層面的處理效果，且會(huì)在實(shí)際發(fā)射環(huán)節(jié)逐漸將原本較為微弱的無(wú)線電連續(xù)離散型脈沖信號(hào)，分布于具有寬闊特征的頻帶范圍內(nèi)，整體的輸出功率一般低于普通設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲。實(shí)際接受環(huán)節(jié)，其對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量將會(huì)逐漸被還原，并在持續(xù)解擴(kuò)環(huán)節(jié)下逐漸顯露出擴(kuò)頻增益。相較藍(lán)牙與其他信號(hào)傳輸方式，UWB的抗干擾性更強(qiáng)，這使得其在同等碼速背景條件下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更大。

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

第四是電能消耗極小。對(duì)于一般的無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于有連續(xù)發(fā)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(shí)發(fā)射，因此從整體角度看電能消耗量極小。

第五是具有較強(qiáng)保密性。UWB的應(yīng)用保密性?xún)?yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在跳時(shí)擴(kuò)頻與功率譜密度低兩方面，只在應(yīng)用時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻碼與傳統(tǒng)接收機(jī)無(wú)法接收數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用特征，使得其傳輸過(guò)程保密程度極高。

第六是發(fā)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(hào)發(fā)射任務(wù)，且將系統(tǒng)電源的工作時(shí)間最大限度的延長(zhǎng)，最大限度的降低了工作狀態(tài)下對(duì)于人體的輻射影響。

2 礦井下UWB的具體應(yīng)用（收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)）

從圖1中可以看到，基帶與射頻是收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的兩種組成部分，由于消除了原本具有復(fù)雜化應(yīng)用特征的射頻與中頻交換環(huán)節(jié)，因此若采取UWB收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)將能夠達(dá)到對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理的目的。數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，所發(fā)送的一系列信號(hào)在經(jīng)過(guò)處理器處理后，即可推進(jìn)到后續(xù)的編碼與交織處理進(jìn)程中，并在使用D/A轉(zhuǎn)換模式后實(shí)現(xiàn)脈沖成形與放大目標(biāo)，為后續(xù)發(fā)射進(jìn)程奠定基礎(chǔ)。所接收到的一系列連續(xù)離散型脈沖信號(hào)，通過(guò)使用天線濾波與匹配功能，即可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，無(wú)論是濾波的匹配、解調(diào)，還是信道估計(jì)與基帶處理，均能夠與數(shù)字信號(hào)處理器相匹配，繼而達(dá)到深度分析與完善目的。整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，僅僅依靠幾個(gè)關(guān)鍵芯片即可完成信號(hào)的收發(fā)任務(wù)。但同樣的，也應(yīng)看到現(xiàn)階段UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的不足之處，例如超窄波生成、脈沖檢測(cè)以及轉(zhuǎn)換速度等，想要進(jìn)一步將信號(hào)接收精度與轉(zhuǎn)換速度提升，還需相關(guān)人員聯(lián)系應(yīng)用環(huán)境實(shí)況進(jìn)行進(jìn)一步的研究。圖1為UWB收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖1 UWB收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)

3 礦井中UWB應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

3.1 抗多徑的性能優(yōu)勢(shì)

該優(yōu)勢(shì)使得其在井下巷道中的信號(hào)傳播較為容易。作為當(dāng)下無(wú)線通信環(huán)節(jié)的重要障礙，若應(yīng)用傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)很容易受到多徑衰落條件的限制，繼而影響到整體的無(wú)線傳輸特性。而由于UWB頻率極高與占空比較低的自身特點(diǎn)，使得其分辨率極高，無(wú)論是在何種路徑條件下均可將其降低至ns量級(jí)，針對(duì)信道多徑衰落現(xiàn)象存在不敏感的特征表現(xiàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)來(lái)看，UWB信號(hào)的衰落始終控制在5dB以?xún)?nèi)，抗多徑的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)使得UWB在密集性較強(qiáng)的多徑場(chǎng)合中，相較其他無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用效果更佳。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用耗費(fèi)功耗較低

瓦斯是礦井下存在的常見(jiàn)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(dāng)下所應(yīng)用電臺(tái)的耗電通常被控制在幾百mW至幾十W的范圍內(nèi)，而若采取UWB系統(tǒng)，由于并不涉及載波使用，因此能夠?qū)⒑碾娏渴冀K控制在幾百μW至幾十mW范圍內(nèi)，整體來(lái)看，其耗電量?jī)H為原本的百分之一。較低功耗的應(yīng)用特性，使得其在維持系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作狀態(tài)方面表現(xiàn)出了極佳的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其同樣也是適宜當(dāng)下礦井下本質(zhì)安全設(shè)計(jì)需求的前提條件。

3.3 穿透力較強(qiáng)，災(zāi)后救援效果較好

所應(yīng)用的基帶窄脈沖形式，相較一般的無(wú)線通信信號(hào)，在應(yīng)用衰減范圍內(nèi)存在著明顯的不同之處。使用天線所發(fā)射的正弦電磁波以球面波為主，其在此處的自由空間內(nèi)部，衰減效果與距離的平方之間呈反比例關(guān)系。而UWB瞬態(tài)脈沖本身的定向性較強(qiáng)，無(wú)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(hào)的傳輸焦慮易更遠(yuǎn)，且能夠順利將災(zāi)后垮塌障礙物迅速穿透，為后續(xù)推進(jìn)災(zāi)后救援進(jìn)程提供了諸多便利條件。

3.4 加大發(fā)射功率同時(shí)增加傳播距離

由于受FCC限制條件影響，使得若采取UWB技術(shù)所對(duì)應(yīng)的最大傳輸距離在10米左右。而若將UWB技術(shù)融入至礦井下信號(hào)傳輸系統(tǒng)，則可以脫離FCC條件限制，在將發(fā)射功率提高后即可達(dá)到傳輸距離增大的目的。正是由于這一特點(diǎn)，在井下煤礦信息傳遞需求量較小的實(shí)際條件下，能夠?qū)⒄w的傳輸效率最大限度的降低，為更好的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離條件下的多類(lèi)型場(chǎng)合的無(wú)線介入服務(wù)目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.5 便于維修與推廣

維修起來(lái)較為簡(jiǎn)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(fù)雜的無(wú)線信號(hào)接收器與通信系統(tǒng)，將UWB技術(shù)作為發(fā)射與接收機(jī)所主要應(yīng)用的技術(shù)類(lèi)型，此類(lèi)UWB產(chǎn)品并沒(méi)有復(fù)雜射頻轉(zhuǎn)換電路的需求，只需要采取數(shù)字模式即可產(chǎn)生需求的連續(xù)離散型脈沖信號(hào)，在對(duì)脈沖做數(shù)字調(diào)制后，即可將所使用的電路集成至相應(yīng)芯片上。再加上一般的網(wǎng)絡(luò)接入卡售價(jià)較為昂貴，因此具有低成本開(kāi)發(fā)與安裝優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)，市場(chǎng)接受更為容易，這也是UWB技術(shù)在中小型煤礦中推行起來(lái)較為容易的主要原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，從實(shí)際的UWB技術(shù)應(yīng)用情況來(lái)看，目前僅僅將此技術(shù)與雷達(dá)相結(jié)合，規(guī)模性的通信系統(tǒng)研究推進(jìn)速度較為緩慢。因此，相關(guān)人員更需要明確此技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，發(fā)掘其市場(chǎng)潛力，繼而奠定UWB技術(shù)在礦井下大規(guī)模應(yīng)用的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。