基于UWB無線通信技術(shù)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(xù)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(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)脈沖的目的，繼而幫助實現(xiàn)數(shù)百兆的數(shù)據(jù)信息傳輸目標。現(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，其應用原理主要為以光導開關為基礎，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。通常情況下，產(chǎn)生激光連續(xù)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(fā)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(jié)反向加電，從而滿足其預期達到的雪崩狀態(tài)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(xiàn)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(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。由于其在實際應用過程中突顯出了諸多應用優(yōu)勢，繼而使得其在當下的高速無線通信領域內(nèi)具有極為廣闊的應用前景，儼然已經(jīng)成為了主流的通信信號形式。而值基帶窄脈沖UWB技術(shù)的應用領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)的未來發(fā)展。

1.2 UWB信號特點

第一是高分辨率與抗多徑。由于UWB連續(xù)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(jù)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(nèi)等具有多徑密集特征的場合使用，將展現(xiàn)出其極佳的抗多徑性能優(yōu)勢[2]。UWB自身定位精確度極高，且能夠?qū)﹄[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(tǒng)的應用突顯出了應用層面的處理效果，且會在實際發(fā)射環(huán)節(jié)逐漸將原本較為微弱的無線電連續(xù)離散型脈沖信號，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備應用過程中所產(chǎn)生的噪聲。實際接受環(huán)節(jié)，其對應的信號能量將會逐漸被還原，并在持續(xù)解擴環(huán)節(jié)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)來說，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。

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

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發(fā)射任務，且將系統(tǒng)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(tài)下對于人體的輻射影響。

2 礦井下UWB的具體應用（收發(fā)機結(jié)構(gòu)）

從圖1中可以看到，基帶與射頻是收發(fā)機結(jié)構(gòu)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(huán)節(jié)，因此若采取UWB收發(fā)機結(jié)構(gòu)將能夠達到對模擬信號進行處理的目的。數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，所發(fā)送的一系列信號在經(jīng)過處理器處理后，即可推進到后續(xù)的編碼與交織處理進程中，并在使用D/A轉(zhuǎn)換模式后實現(xiàn)脈沖成形與放大目標，為后續(xù)發(fā)射進程奠定基礎。所接收到的一系列連續(xù)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(zhuǎn)化，無論是濾波的匹配、解調(diào)，還是信道估計與基帶處理，均能夠與數(shù)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(tǒng)中，僅僅依靠幾個關鍵芯片即可完成信號的收發(fā)任務。但同樣的，也應看到現(xiàn)階段UWB系統(tǒng)設計方面的不足之處，例如超窄波生成、脈沖檢測以及轉(zhuǎn)換速度等，想要進一步將信號接收精度與轉(zhuǎn)換速度提升，還需相關人員聯(lián)系應用環(huán)境實況進行進一步的研究。圖1為UWB收發(fā)機結(jié)構(gòu)。

圖1 UWB收發(fā)機結(jié)構(gòu)

3 礦井中UWB應用優(yōu)勢分析

3.1 抗多徑的性能優(yōu)勢

該優(yōu)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(huán)節(jié)的重要障礙，若應用傳統(tǒng)無線技術(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(xiàn)象存在不敏感的特征表現(xiàn)。從實驗結(jié)構(gòu)來看，UWB信號的衰落始終控制在5dB以內(nèi)，抗多徑的應用優(yōu)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(shù)應用效果更佳。

3.2 系統(tǒng)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(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(tǒng)長時間穩(wěn)定工作狀態(tài)方面表現(xiàn)出了極佳的應用優(yōu)勢，其同樣也是適宜當下礦井下本質(zhì)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(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系。而UWB瞬態(tài)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(xù)推進災后救援進程提供了諸多便利條件。

3.4 加大發(fā)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(shù)所對應的最大傳輸距離在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?qū)⒄w的傳輸效率最大限度的降低，為更好的實現(xiàn)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(tǒng)，將UWB技術(shù)作為發(fā)射與接收機所主要應用的技術(shù)類型，此類UWB產(chǎn)品并沒有復雜射頻轉(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，在對脈沖做數(shù)字調(diào)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(wǎng)絡接入卡售價較為昂貴，因此具有低成本開發(fā)與安裝優(yōu)勢的系統(tǒng)，市場接受更為容易，這也是UWB技術(shù)在中小型煤礦中推行起來較為容易的主要原因。

4 結(jié)束語

綜上所述，從實際的UWB技術(shù)應用情況來看，目前僅僅將此技術(shù)與雷達相結(jié)合，規(guī)模性的通信系統(tǒng)研究推進速度較為緩慢。因此，相關人員更需要明確此技術(shù)的應用優(yōu)勢，發(fā)掘其市場潛力，繼而奠定UWB技術(shù)在礦井下大規(guī)模應用的堅實基礎。