煤矿井下一种新型无线通信方法的研究＊

陈 燕 萧英喆 萧宝瑾 马红梅

(太原理工大学信息工程学院,山西省太原市,030024)

1 煤矿井下环境对移动通信系统的影响

煤矿井下的噪声主要是机电设备产生的人为噪声,由于机电设备一般都是24 h连续工作,机电设备配置量大、功率大、启动频繁,产生的电气噪声频谱宽、电平高。这种人为噪声会严重影响通信质量,使有用信号淹没在噪声中。因此要求井下通信方法要具有良好的抗人为噪声的性能。传统的CDMA无线通信系统以扩频通信(SSC)技术为基础,SSC系统具有很强的抗窄带噪声干扰、抗多径噪声干扰的能力,非常适合于环境恶劣、机电噪声大的煤矿井下使用。

反相对称法(Phase-Inversion Symmetric Method,PISM)是一种利用相邻信道噪声的相关性来消除噪声的一种调制方法,能对抗人为噪声,在强噪声环境下具有明显的优越性。将PISM与SSC相结合,采用新的PIS-SSC系统结构,可以使人为噪声进一步降低,提高井下无线通信的质量。

2 PIS-SSC系统介绍

2.1 系统工作原理

PIS-SSC系统结构图如图1所示。在发送端先将信息码用扩频码发生器产生的扩频码序列进行扩频调制,然后再进行PIS编码,最后再进行射频调制并发送出去。在接收端将收到的宽带射频信号进行射频解调,然后进行PIS解码,再用本地产生的直扩码序列进行解扩,最后将所获得的信息码输出。其中PIS编码与解码就是反相对称法,它是利用相邻时隙中噪声的相关性抑制噪声。

图1 PIS-SSC系统结构图

(1)PIS编码。PIS编码过程如图2所示。设a(t)为原始二进制序列,将它与周期为T的双极性时钟脉冲p(t)相乘,使它的每一个码元变为一对极性相反的码元,这样得到的b(t)即为PIS编码信号,实际上b(t)就是双相码,只是解码方法与一般双相码有所不同。

图2 PIS编码方法

(2)PIS解码。PIS解码方法如图3所示。将射频解调出的信号b’(t)按时隙分成两路,将第一路信号延迟τ0后与周期为T的时钟脉冲p’(t)相乘,第二路直接与p’(t)相乘并反相,然后将两路相加,得到PIS解码后的信号a’(t)、p’(t)的波形图。

图3 PIS解码方法

2.2 系统性能分析

扩频通信系统的传输带宽比常规通信系统的传输带宽扩展了100倍以上,在接收端解扩过程中,有用信号被恢复为扩频前的窄带信号,而噪声与本地伪随机码不相关,其能量被扩展,降低了噪声信号的电平,噪声的影响就被大大削弱了。因此在相同传输速率和相同信号功率的条件下,抗噪声干扰能力有了明显提高。

理论研究和试验证明,相邻时隙的人为噪声具有相关性,因此在进行PIS解码时,将相邻时隙的两路噪声相减,噪声会被削弱。而两路互反的信号相减,幅度会增加2倍。

3 系统建模与仿真

根据系统结构,采用MATLAB软件进行系统建模和仿真。建立的系统基带传输仿真模型如图4所示。

图4 PIS-SSC传输系统模型

发射端模型如图5所示,其中码元速率为64 kb/s。信道中的人为噪声为导入的一段wav格式的单声道音频文件。系统采样频率为8000 Hz,8 bit/样值。

图5 PIS-SSC传输发射子系统

仿真结果如图6所示,其中上半部分波形为发射端数据流,下半部分波形为接收端数据流。该仿真结果验证了系统模型的可行性。

在相同信号功率以及码元速率下,将PIS-SSC系统与一般的扩频通信系统进行了对比实验,误码率曲线图如图7所示。PIS-SSC系统的误码率要比一般的扩频通信通信系统低要低,并且信噪比越高,该系统抗干扰的优势越明显。

图6 系统数据流仿真结果

图7 系统误码率曲线图

4 结论

经过原理分析和仿真,验证了反相对称-扩频通信方法在抗人为噪声方面的优势。这为将来实际应用提供了一定的基础。

[1] 陈湘源.煤矿无线通信系统的现状与发展[J].工矿自动化,2009(1)

[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

[3] 唐琬.扩频通信在强噪声环境中的应用[J].电子工程师,2006(12)

[4] 萧宝谨,黄双林,萧英喆.时域反相对称法及其抗噪声性能[J].通信学报,2008(9)