煤礦井下一種新型無線通信方法的研究＊

陳 燕 蕭英喆 蕭寶瑾 馬紅梅

(太原理工大學信息工程學院,山西省太原市,030024)

1 煤礦井下環境對移動通信系統的影響

煤礦井下的噪聲主要是機電設備產生的人為噪聲,由于機電設備一般都是24 h連續工作,機電設備配置量大、功率大、啟動頻繁,產生的電氣噪聲頻譜寬、電平高。這種人為噪聲會嚴重影響通信質量,使有用信號淹沒在噪聲中。因此要求井下通信方法要具有良好的抗人為噪聲的性能。傳統的CDMA無線通信系統以擴頻通信(SSC)技術為基礎,SSC系統具有很強的抗窄帶噪聲干擾、抗多徑噪聲干擾的能力,非常適合于環境惡劣、機電噪聲大的煤礦井下使用。

反相對稱法(Phase-Inversion Symmetric Method,PISM)是一種利用相鄰信道噪聲的相關性來消除噪聲的一種調制方法,能對抗人為噪聲,在強噪聲環境下具有明顯的優越性。將PISM與SSC相結合,采用新的PIS-SSC系統結構,可以使人為噪聲進一步降低,提高井下無線通信的質量。

2 PIS-SSC系統介紹

2.1 系統工作原理

PIS-SSC系統結構圖如圖1所示。在發送端先將信息碼用擴頻碼發生器產生的擴頻碼序列進行擴頻調制,然后再進行PIS編碼,最后再進行射頻調制并發送出去。在接收端將收到的寬帶射頻信號進行射頻解調,然后進行PIS解碼,再用本地產生的直擴碼序列進行解擴,最后將所獲得的信息碼輸出。其中PIS編碼與解碼就是反相對稱法,它是利用相鄰時隙中噪聲的相關性抑制噪聲。

圖1 PIS-SSC系統結構圖

(1)PIS編碼。PIS編碼過程如圖2所示。設a(t)為原始二進制序列,將它與周期為T的雙極性時鐘脈沖p(t)相乘,使它的每一個碼元變為一對極性相反的碼元,這樣得到的b(t)即為PIS編碼信號,實際上b(t)就是雙相碼,只是解碼方法與一般雙相碼有所不同。

圖2 PIS編碼方法

(2)PIS解碼。PIS解碼方法如圖3所示。將射頻解調出的信號b’(t)按時隙分成兩路,將第一路信號延遲τ0后與周期為T的時鐘脈沖p’(t)相乘,第二路直接與p’(t)相乘并反相,然后將兩路相加,得到PIS解碼后的信號a’(t)、p’(t)的波形圖。

圖3 PIS解碼方法

2.2 系統性能分析

擴頻通信系統的傳輸帶寬比常規通信系統的傳輸帶寬擴展了100倍以上,在接收端解擴過程中,有用信號被恢復為擴頻前的窄帶信號,而噪聲與本地偽隨機碼不相關,其能量被擴展,降低了噪聲信號的電平,噪聲的影響就被大大削弱了。因此在相同傳輸速率和相同信號功率的條件下,抗噪聲干擾能力有了明顯提高。

理論研究和試驗證明,相鄰時隙的人為噪聲具有相關性,因此在進行PIS解碼時,將相鄰時隙的兩路噪聲相減,噪聲會被削弱。而兩路互反的信號相減,幅度會增加2倍。

3 系統建模與仿真

根據系統結構,采用MATLAB軟件進行系統建模和仿真。建立的系統基帶傳輸仿真模型如圖4所示。

圖4 PIS-SSC傳輸系統模型

發射端模型如圖5所示,其中碼元速率為64 kb/s。信道中的人為噪聲為導入的一段wav格式的單聲道音頻文件。系統采樣頻率為8000 Hz,8 bit/樣值。

圖5 PIS-SSC傳輸發射子系統

仿真結果如圖6所示,其中上半部分波形為發射端數據流,下半部分波形為接收端數據流。該仿真結果驗證了系統模型的可行性。

在相同信號功率以及碼元速率下,將PIS-SSC系統與一般的擴頻通信系統進行了對比實驗,誤碼率曲線圖如圖7所示。PIS-SSC系統的誤碼率要比一般的擴頻通信通信系統低要低,并且信噪比越高,該系統抗干擾的優勢越明顯。

圖6 系統數據流仿真結果

圖7 系統誤碼率曲線圖

4 結論

經過原理分析和仿真,驗證了反相對稱-擴頻通信方法在抗人為噪聲方面的優勢。這為將來實際應用提供了一定的基礎。

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[2] Chen Yan,Xiao Baojin,Qiao Xuegong,Ma Fuchang.Research of Spread Spectrum Communication System Based on Phase-Inversion Symmetric Method.IEEE CiSE 2009,December 11-13,2009,Wuhan,China

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