基于光纖技術的煤礦通信系統分析

孫明智

（西山煤電（集團）有限責任公司大數據中心，山西 太原 030053）

引言

我國目前的煤礦通信系統還是以有線通信系統為主，但通信系統在運行過程中，需要借助電纜進行通信信號傳輸，由于井下作業環境十分惡劣，電纜長期處于潮濕的環境下，很可能出現被腐蝕或者受損現象，這極易威脅通信質量。在煤礦生產中，通信系統發揮著聯系井上人員和井下人員的重要作用，是保障安全高效生產的重要系統。一旦出現通信中斷的問題，必定會影響井下作業效率和作業安全。基于此，相關領域的學者提出設計自適應無線通信系統的理念。實踐證明，該通信系統能夠滿足遠距離通信要求，但實際應用中該系統極易受到提升機設備的干擾影響，產生通信質量不佳的問題。而光纖通信技術的抗干擾能力較強，且能改變電纜傳輸的局限性。因此，急需針對光纖通信系統的建設方法展開研究。

1 光纖通信系統的通信原理

光纖通信系統的信號傳輸過程如圖1 所示。

如圖1 所示，先由發射端發送被轉變為電信號的信息，之后由中繼器接收電信號并使電信號投放于激光束上，讓電信號的變化頻率與光的強度保持一致狀態，再由光纖傳輸電信號，在接收端完成信號接收和放大處理，最后將電信號轉變為具體通信信息直接輸出。在當前的煤礦生產中，對通信質量的要求較高，光纖通信既能滿足大量數據的實時通信要求，又能保障信息處理的高效性，可以有效彌補在傳統通信系統中的不足，因此可以被作為首先通信技術。

2 光纖通信系統的結構設計

2.1 系統組成

光纖通信系統組成如圖2 所示。

光纖通信系統組成包括電端機、光發信機、中繼器、光收信機和電端機等，其中，光發信機的作用是對電信號和光信號進行有效轉換，主要由調制器和光源共同組成，主要用于對電信號的有效轉換，并將已經調好的光信號號耦合到光纖中進行傳輸。這里所應用的電端機可以被看作電子通信設備；中繼器主要由光源、判決再生電路和光檢器共同組成，其作用主要表現為兩個方面，一方面用于補償光纖傳輸時的衰減信號，一方面用于對失真的波形進行整形操作；光收信機與光發信機的作用相同，均可完成對電信號和光信號的轉換，主要由光放大器和光檢測器共同組成，在系統運行中是先接收光信號，再將其轉換為電信號，最后將傳輸之后變得微弱的電信號進行放大處理，傳輸至接收端[1]。

2.2 系統軟件設計

1）人工神經網絡光纖通信技術的選擇。由于礦井通信的要求較為特殊，在面臨較為復雜的運行環境時，通信質量極易受到周邊環境影響，致使出現通信失真的問題。基于此類問題，在設計通信系統時，需要優先考慮如何提升通信系統的抗干擾能力。人工神經網絡均衡器屬于自適應譯碼器的一種，其主要作用為支持對非線性光纖通信信號的補償，可以有效降低通信失真問題對礦井通信質量的影響。均衡器應用的過程中分為三個層級，主要包括輸入層、輸出層和隱含層，其中的輸出層僅有一個節點，而隱含層則包含n個節點，這里將輸入向量和輸出向量分別設置成X和Y，并將隱含層的非線性激活函數設置為gh（），當輸入節點為k 時，其輸入向量則為xk，計算此函數隱含層節點的和時的計算公式如下：

均衡器輸出向量公式如下：

其中的xi屬于i 隱含節點輸入向量。進行上述訓練的主要目的是找到最后集合，保障光纖通信的均衡性。為使均衡器的應用效果能夠滿足礦井通信系統較為復雜的通信環境，還需進行多次調試，做到對均衡器模式的有效調整，確保當通信過程中，受到外部環境干擾，出現通信信號失真問題時，可以借助均衡器及時補償電信號，從根本上提升通信可靠性。

2）數據傳輸設計。當通過訓練確定好人工神經網絡模型的最佳值后，則可利用均衡器實現對煤礦井下通信數據的高效穩定傳輸。但需要特別注意的是，煤礦井下作業的條件十分復雜，很可能發生突發的干擾問題，致使出現通信信號不穩的現象。此時，也可借助人工神經網絡均衡器的自適應能力進行重新訓練與調整，使其滿足不同環境下的通信需求。需要注意的是，受到井下作業環境的影響，光纖色也呈現出不規律的形式，此時同樣可以借助人工神經網絡均衡器的補償作用對光纖通信的色散進行補償，保障光纖信號的傳輸效果[2]。

3 仿真驗證

為了驗證該光纖通信系統的通信效果，借助光學仿真軟件通過對程序的有效編寫對系統通信能力進行驗證。在仿真軟件中通過對不同煤礦作業環境的模擬，如對噪聲、干擾信息以及傳輸距離等的分別設置，驗證在不同環境下的通信效果。這里是借助示波器將仿真軟件中的通信語音信號以波形的方式呈現出來，通過對比輸入時的通信語音信號波形和輸出時的通信語音信號波形來判斷該光纖通信系統的通信效果。輸入和輸出時的通信語音信號波形如圖3 所示。

對比圖中的3-1 圖和3-2 圖的信號波形差異來看，輸入和輸出的信號波形差異較小，甚至可以忽略不計，這表示該光纖通信系統在較為惡劣的作業環境中也能保持良好的通信信號傳輸效果，究其原因是由于其中應用了人工神經網絡均衡器，其可根據光纖通信系統的實際運行環境進行自主調試，強大的自適應能力能夠實現對通信信號和光纖通信色散的有效補償，盡可能維持較好的通信效果。另外，光纖通信系統本身也較于電纜信號傳輸方式表現出了更強的信號傳輸穩定性，能夠有效規避由于電纜受損問題帶來的信號失真和通信中斷等問題，無論是從環境適應能力上，還是從信號傳輸可靠性方面來看，光纖通信系統均屬于煤礦通信中的首選。一些已有的應用實踐也表明，光纖通信系統具備通信誤碼率低、信號失真率低和信號傳輸延時率小的特性，在一些長距離的通信作業中也表現出了信號傳輸效果好的特性，這也充分證實了光纖通信系統更為適宜應用于礦井這種惡劣的通信環境中。

4 結語

圍繞光纖通信系統應用原理和系統組成進行分析，并探究了應用人工神經網絡提高通信系統自適應能力的方法，最后通過仿真驗證了該光纖通信系統的通信效果。結果表明，在輸入和輸出前后的通信語音信號變化較小，這意味著在通信信號傳輸過程中，并未因環境問題產生信號失真的現象。因此，證實該系統具備較好的環境適應能力，可以被應用于煤礦通信工作中，保持井下和井上的有效溝通，為礦井開采安全提供保障。