管道应急声通信的信号设计

王晓　高勇

摘 要： 管道声通信是用于矿难发生时的一种应急通信，在有线和无线通信链路中断后可以作为应急通信的一种补充手段。但在以往的管道声脉冲信号编码中存在信息的传输效率低并且没有检错纠错能力的问题。这里提出了一种基于S模式信号格式的管道声脉冲信号编码方式，该方式能提高声信息的传输效率且具有检错纠错能力，在拥有上述优点的同时也没增加信号的编码复杂度，而且这种编码方式可以提高管道应急声通信的性能。

关键字： 管道声脉冲信号； 信号编码； S模式信号格式； 应急通信

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0079?04

Abstract： Pipe acoustic communication is an emergency communication which is used when mine accident occurs. When the wired and wireless communication link breaks， it can be used as an effective supplement means of emergency communication. However， because previous coding of pipe acoustic pulse signal has problems of low transmission efficiency， and lacks of error detection and correction ability， a pipe acoustic pulse signal encoding method based on S mode signal format has been proposed in this paper， which can improve the transmission efficiency of signal， and meanwhile possess the ability of error detection and correction. What′s more， this method doesnt increase complexity of signal encoding and the performance of pipe acoustic communication is improved.

Keywords： pipe acoustic pulse signal； signal coding； S mode signal format； emergency communication

0 引 言

煤矿是我国能源供应的重要部分，开采煤矿时因地质条件复杂、高瓦斯、埋藏深、违章操作等原因而导致煤矿安全事故在国内外时有发生。在大多数情况下，许多遇难者并不是死于第一时间，而是死于回撤的途中或次生的灾害中[1]。这是由于发生安全事故后，井下通信系统瘫痪，导致被搜救人员无法及时与搜救人员取得联系，使得搜救过程变得很困难。

在现有的矿井通信系统中，主要以有线通信为主、无线通信为辅。但是当矿难发生时，有线通信和无线通信的链路很容易受到损坏，导致无法进行及时有效的通信。在文献[2]中提出利用不易损坏的刚性管道建立井下和地面之间声通信的链路，它可以作为应急通信的一种有效手段。但是以往管道声信号的编码方式是类似于莫尔斯电码的格式编码，用6个声脉冲表示bit“1”，用3个声脉冲表示bit“0”。这样的编码效率比较低，同时没有检错纠错码字，使得信号的抗干扰能力有限。

在二次雷达中，S模式信号的出现广受欢迎，它在飞机防撞系统和飞机应答系统中相对于A/C模式有许多优点。本文提出基于S模式信号格式编码的管道声脉冲信号，当有声脉冲时表示bit“1”，没有声脉冲时表示bit“0”，同时还加有校验位。这使得编码的效率和抗干扰能力得到提高。通过计算机仿真验证了本文信号编码的可行性，以及与以往的信号编码进行对比发现该信号的编码方式有一定的优越性。

1 管道应急声通信系统简介

管道应急声通信系统如图1所示。开发人员首先制定通信码本，当矿难发生后，求救人员通过码本得知自己想要发送的信息，通过发信机发出信息，发信机将信息编码后驱动物体敲击管道。接收端采用高灵敏度定向拾音器与刚性管道封闭接触，以拾取微弱的声脉冲信号，再通过计算机或者单片机进行有用信号的提取并转换成相应的信息传输给信宿[3]。

2 信息编码

信息编码的好坏在整个通信系统中起着很大的作用，以往的管道应急声通信系统的编码方式主要是类似于莫尔斯信号的编码格式。莫尔斯信号是一种不均匀的电码，它的原理是以长短信号的不同组合代表数字或字符。用“·”（点）表示短信号；用“-”（划）表示长信号。点和划统称为基本码。莫尔斯报文由特定的信息元素构成，其5种字符的不同组合形成信息元素，在时域波形上表现为不同时宽的二值时间序列。从波形上看，莫尔斯信号很像数字通信中的振幅键控二元调制信号[4]。

基于莫尔斯电码原理，管道声脉冲信号设计模型如图2所示，信息编码主要由同步头和信息组组成。这里规定连续两次敲击的时间间隔称为码间隔，设时间为T；相邻两个码元之间的时间间隔为字间隔，其时间为[3T；]4位（或其他）“0”、“1”码元构成一个信息组，它们之间的间隔为组间隔，其时间为5T；靠近“同步头”的码元与“同步头”之间的间隔为句间隔，规定其时间为7T。四种间隔之间的长度关系[5]为1[∶]3[∶]5[∶]7。

在该编码中，用9个管道声脉冲代表同步头，用6个管道声脉冲代表“1”，用3个管道声脉冲代表“0”，每4位组成一个信息组，采用ASCII码编码方式，如图2所示，第一个信息组代表数字“6”，第二个信息组代表数字“2”。对于这些不同的数字在码本里面代替不同的信息，如：“电力中断”、“通风不好”、“被困位置”等重要信息。

3 信息编码的改进

从管道脉冲声信号的编码方式来看，它的同步头比较长，并且表示“0”、“1”码元的脉冲个数比较多，这样使得数据传输的效率比较低，有很大一部分冗余信息，并且没有纠错码字，使得传输的数据的正确率得不到保障。针对以往管道声脉冲信号的编码缺陷，本文提出基于S模式信号格式的管道声信号编码。S模式应答信号的格式如图3所示[6]，它由前导脉冲和数据块两部分组成，前导脉冲总长为8 μs，它包含四个位置固定的脉冲，并且每个脉冲宽度为0.5 μs。数据块中每个码元的宽度为1 μs，在1 μs中先为高电平后为低电平则表示bit“1”，先为低电平后为高电平则表示bit“0”。为了保证数据的正确性，56 b或112 b的数据块中的后24 b是基于多项式的一种改进循环冗余代码计算出来的，具有错误检测和错误校正的特性。

类似S模式应答信号格式，管道声脉冲信号编码设计格式如图4所示，由于管道声脉冲信号与方波有一定的差异，所以设计的编码格式与S模式应答信号格式略有不同。此处敲击管道产生声脉冲的时间长度为0.1 s，为了避免相邻两次敲击时间过短造成相互干扰，所以设计连续两次敲击的中间停止期为0.4 s，连续两次敲击的上一个敲击开始与下一个敲击开始的间隔构成一个周期且[T=]0.5 s。先有0.1 s的声脉冲后停止0.4 s则表示bit“1”，若停止期为0.5 s则表示bit“0”。前导脉冲格式如图4所示，它的总长度为4 s，包含4个位置固定的声脉冲，固定时间点分别为0.0 s，1.0 s，2.0 s和3.0 s，每个声脉冲的宽度同样也是0.1 s。这种固定位置的前导声脉冲的主要作用是确认管道声信号的出现和估计获得信号的到达时间。每个信息组含有7个码元，它是一个（7，4）循环码，具有较强的检错纠错能力，且编译码设计简单，能够提高信号的正确率。在实际应用中可根据自己的需要设计含有一个或多个信息组的编码。

4 性能仿真

4.1 脉冲信号的处理

管道应急声脉冲通信的收信机是通过拾音器从管道上获取声脉冲信号，信号通过A/D转换（采样率为44.1 kHz）后送入计算机进行处理。 如图5所示为一组实测管道声信号，通过图5可以看出数据的信噪比较低，但是仍然可以看出声脉冲信号的幅度还是比噪声的幅度高很多。

在对声脉冲进行检测时，首先根据接收到的脉冲信号的特点设定一个门限值，本文选取的门限值th=0.52，将大于阈值的信号判为1，小于阈值的信号判为0，由于在声脉冲持续的0.1 s时间内，有大于门限和小于门限的信号点，所以处理后的波形如图6所示，它在有声脉冲信号的地方具有高低电平不停变换的特点。

根据图6所示的波形特点，本文检测信号的端点是通过计算信号从0跃变到1或从1跃变到0时，它的连0或者连1个数。由于声脉冲信号持续时间为0.1 s，通过采样频率[fs=]44 100 Hz计算出0.1 s的时间段的点数为[N=]4 410，当数据中连0或者连1的个数小于[N2]时判为1，大于[N2]时判为0。处理后检测到端点的时域波形如图7所示。从端点的检测结果来看，信号的4个前导脉冲位置刚好和标准的前导匹配，即4个前导过后从5 s开始就是信息组的起始端点。

将图7的端点检测后的波形进行整形处理，处理的原则是，如果信号为高电平的持续时间大于3 000点，则默认为此处可能有0.1 s的声脉冲信号，进一步检测高电平之后的低电平持续时间是不是为0.4 s左右，如果成立，则这0.5 s的时间段判为高电平，其余判为低电平。信号处理后的结果如图8所示，由于一个周期为0.5 s，从整形后的波形中可以得到信号的译码为101010100011010 ，前8个码元刚好满足前导脉冲的编码准则，后7 b则为（7，4）循环码，经过检错和纠错过后得到传输的信息码字为0011，即为数字3。

4.2 信号的传输效率比较

假设传输[n]个信息组，则本文中信号的传输效率为[n（1.75n+2），]而以往管道信号编码的传输效率与信息组中“0”、“1”的个数紧密相关，当传输的信息组中的码元全为“0”时传输效率最高为[n（3n+2.25），]当信息组中的码元全为“1”时传输效率最低为[n（6n+2.25）。]通过计算机仿真编码效率如图9所示，当信息组个数从1～100变化时，本文的编码效率用“*”表示，当n很大时，效率将近为56%，而原始编码效率在图中用“+”表示全传输码元“0”，用“o”表示全传输码元“1”，n很大时它的效率近似在17%～33%之间。比较两者得出本文中的信息编码格式比原始编码的效率高很多。

4.3 信号的抗干扰性能

对于接收到的信号能否正确解码，它的首要关键点是正确识别前导脉冲。在通信环境比较好时，前导脉冲能够很好的识别出来，如4.1节中对信号的仿真。但是有时候在通信的过程中，难免会遇到突发噪声，导致某些信号被噪声淹没，如图10（a）所示在突发噪声下有一个前导脉冲被淹没。由于在信号的编码中有四个位置固定的脉冲，检测前导脉冲的准则是：

（1） 找到四个位置固定0.0 s，1.0 s，2.0 s，3.0 s的声脉冲；

（2） 每个脉冲的宽度大约为0.1 s左右；

（3） 找到4个脉冲中的2个或者2个以上就认为有前导脉冲成立[7]。

由上面的准则可知，即使遇到突发噪声时丢掉1～2个声脉冲，信号的前导脉冲也能够很好地恢复和识别。前导脉冲恢复后的波形为图10（b）。这种前导脉冲的特性能够有效提高信号的抗干扰性。

另一方面，每个信息组都是一个（7，4）循环码编码后的信号，它的最小距离[d=4，]能够检测长度为3或者更短的突发错误，同时能够纠正1个错误[8]。这种编码方式简单，检错纠错能力强，能够有效地提高信号的抗干扰能力。

5 结 语

本文针对以往管道应急声通信的信号编码方式存在的不足，提出了基于S模式应答信号格式的管道声信号的编码方式，此编码设计简单，接收的信号也很好处理，相比于文献[2]的编码方式有一定的优势，如效率高并且具有检错和纠错能力，这种编码方式使得管道应急声通信的性能得到有效的提高，通过实验仿真也证实了此编码格式的正确性和可行性。这对管道应急声通信应用于矿井安全能起到积极的推进作用。

参考文献

[1] 张峰，顾伟.无线Mesh技术在矿井下应急通信系统中的应用[J].中国矿业，2010，19（11）：106?108.

[2] 唐志良，高勇.一种用于矿井极限通信的新方法[J].煤矿安全，2010，41（12）：72?75.

[3] 何涛，高勇.低信噪比环境中管道声通信的信息识别[J].通信技术，2012，45（7）：14?19.

[4] 段秀铭.基于PICI6F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究[D].鞍山：鞍山科技大学，2006.

[5] 唐志良.地下设施应急声通信技术研究[D].成都：四川大学，2011.

[6] 姚伟涛，张军.S模式ADS_B信号处理算法研究[J].天津职业技术师范大学学报，2012，22（3）：24?27.

[7] 张俊强，张益萍.ACAS接收机S模式信号处理算法及实现[J].航空电子技术，2009，40（4）：10?14.

[8] 李冬霞，中倩文.循环冗余码仿真实验系统设计[J].武汉大学学报，2012，58（S2）：228?232.