巖層通信的礦山通信機(jī)的實現(xiàn)

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　　【摘 要】 本文介紹了一種基于軟件無線電的甚低頻低碼率巖層通信技術(shù)，采用M元直擴(kuò)方式擴(kuò)頻調(diào)制和RS碼信道編碼技術(shù)。

　　經(jīng)過計算機(jī)仿真，得到系統(tǒng)參數(shù)在FPGA編程中實現(xiàn)，并在硬件平臺上得到驗證。

　　試驗結(jié)果證明礦山通信機(jī)功放利用效率高、話音音質(zhì)好，短消息傳輸正確。

　　【關(guān)鍵詞】 巖層通信 M元直擴(kuò) FPGA TR600

　　巖層通信作為一種特殊的無線通信技術(shù)，是以導(dǎo)電率很高的粘土、巖石為煤質(zhì)進(jìn)行通信的[1]。

　　由于巖層通信的媒介具有很強(qiáng)的衰減特性且因安全要求而功率受限[1]，該方案在計算機(jī)仿真和硬件平臺試驗中得到了驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)短消息和語音通信。

　　1 硬件平臺

　　1.1 硬件實現(xiàn)

　　本通信系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)短信息和語音的數(shù)字傳輸，采用半雙工模式，分為收發(fā)兩部分。

　　礦山通信機(jī)工作處于發(fā)送時，語音經(jīng)麥克風(fēng)進(jìn)入話音編解碼芯片，線性編碼后由語音壓縮芯片完成話音壓縮。

　　在FPGA內(nèi)完成短消息、話音比特流的調(diào)制，調(diào)制后的信號由功率放大器和輸出變壓器發(fā)送出去;接收模擬電路把模擬信號放大、濾波后送到A/D變化器進(jìn)行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)送到FPGA內(nèi)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)之后的數(shù)據(jù)分別以短信息或話音類型輸出到顯示模塊或揚聲器輸出。

　　接收部分A/D采樣率為76.8kbps。

　　1.2 單元板劃分及功能

　　模擬收發(fā)處理單元主要完成模擬信號發(fā)送、接收;數(shù)字處理單元完成話音及短消息數(shù)字信號采樣、處理;擴(kuò)頻及解擴(kuò)。

　　2 礦山通信機(jī)工作原理

　　2.1 發(fā)送方向

　　話音部分：FPGA收到話音編碼壓縮后的數(shù)據(jù)幀，幀長為45bits(每75ms)。

　　在話音數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換設(shè)計中采用FPGA的RAM模塊，數(shù)據(jù)幀寫入到RAM中，以比特流方式從RAM的讀取輸出。

　　擴(kuò)頻采用M元擴(kuò)頻(M=16)，即使用16條31位雙正交m序列尾部加0構(gòu)成32長的擴(kuò)頻碼，擴(kuò)頻后的碼片速率為4800chip/s，擴(kuò)頻處理增益為8。

　　短消息部分：液晶屏輸入的短消息通過RS232接口轉(zhuǎn)化寫入到FPGA的RAM緩存，RAM輸出比特速率為11.25bit/s。

　　采用(15，9)RS編碼，編碼后的速率為18.75bit/s。

　　擴(kuò)頻部分同樣采用M元擴(kuò)頻，利用16條1023位雙正交m序列尾部加0構(gòu)成1024長的擴(kuò)頻碼，擴(kuò)頻后的碼片速率為4800chip/s，擴(kuò)頻處理增益為256。

　　經(jīng)過擴(kuò)頻后話音和短消息的碼片速率一致，均為4800chip/s。

　　碼片成型將該碼片序列轉(zhuǎn)化成脈沖型波形信號后經(jīng)功放、輸出變壓器和天線發(fā)射出去。

　　2.2 接收方向

　　接收端接收到A/D采樣數(shù)據(jù)，送到匹配濾波器。

　　匹配濾波進(jìn)行波形處理應(yīng)可獲得較高的處理增益。

　　匹配濾波后進(jìn)行2：1下采樣，將采樣速率降低一倍變?yōu)?8.4kHz，每個碼片8個樣點。

　　對從匹配濾波器送來的信號進(jìn)行同步相關(guān)解擴(kuò)，所采用的本地擴(kuò)頻碼與發(fā)送設(shè)備中的擴(kuò)頻碼相同，也用與接收信號相同的采樣速率(38.4kHz)表示，即每個碼片8個樣點。

　　解擴(kuò)時在輸入信號每個碼片的中點抽一個樣點(8：1)與M個本地PN碼進(jìn)行相關(guān)運算，然后根據(jù)所得相關(guān)值的絕對值(或平方值)的大小進(jìn)行符號判決。

　　捕獲階段可采用相鄰15個碼元進(jìn)行歸一化最大相關(guān)值統(tǒng)計，對于突發(fā)信號來說，這是一種突發(fā)整體捕獲算法。

　　設(shè)r(n)=s(n)+v(n)為帶有零均值高斯白噪聲v(n)的接收信號，每個碼片8個樣點;，，

　　為M個符號所對應(yīng)的三進(jìn)制雙正交PN碼序列，擴(kuò)頻碼長度都為N。

　　先設(shè)120N個相關(guān)能量移位寄存器：

　　C(k)，C(k)，，C(k)，k=0，1，2，，120N-1(每個4比特);再設(shè)另一組存儲符號粗判結(jié)果的移位寄存器s(i)，i=0，1，2，，120N-1(每個4比特);將它們清零后，開始下述相關(guān)能量累加和符號粗判結(jié)果緩存。

　　(1)采用M個相關(guān)器都同時計算它們的PN碼與在第n時刻已到達(dá)的8N個輸入信號樣點的相關(guān)能量：

　　(2)比較這M個相關(guān)能量大小，進(jìn)行符號粗判，設(shè)粗判結(jié)果為m0，將它暫存于s(0)=m;而將相應(yīng)的相關(guān)能量存于。

　　(3)采用同樣的方法計算在第n+i時刻時已達(dá)的8N個輸入信號樣點的M個相關(guān)能量，并將粗判結(jié)果符號和相應(yīng)的相關(guān)能量緩存于兩組寄存器中，即：s(i)=，，。

　　(4)對于前15個符號初判結(jié)果的最大相關(guān)能量進(jìn)行累加：

　　如果Sum大于某個門限，則進(jìn)入(6)中;否則進(jìn)行下一步;

　　(5)將兩組移位寄存器進(jìn)行一次移位，即

　　s(i-1)=s(i)，C(i-1)=C(i)，;

　　然后按照前面同樣的方法繼續(xù)計算再下一時刻的符號粗判結(jié)果和最大相關(guān)量，分別存于S(120N-1)、C(120N-1)之中。

　　(6)從寄存器中取出對前15個符號的初判結(jié)果，即s(120N-1-14)， s(120N-1-13)，s(120N-1-12)進(jìn)行RS碼譯碼;如果譯碼時發(fā)現(xiàn)符號錯誤個數(shù)大于3，則回到第(5)中;否則結(jié)束捕獲，輸出譯碼結(jié)果。

　　上述捕獲過程需用到240N個4比特的移位寄存器，最多可能需要240×8192=1，966，080個4比特的移位寄存器。

　　捕獲解擴(kuò)后判斷出數(shù)據(jù)類型為話音還是短消息，短消息數(shù)據(jù)RS解碼采用的是硬判決編碼器。

　　話音、短消息幀格式轉(zhuǎn)化為發(fā)送過程的逆過程，使接收端能夠正常的接收到話音或短消息。

　　3 礦山通信機(jī)試驗結(jié)果

　　在本試驗條件下，傳輸距離80米時的理論電壓衰減值達(dá)74 dB，傳輸距離60米的實際電壓衰減值達(dá)70 dB。

　　4 結(jié)語

　　本文介紹了基于巖層通信的礦山通信機(jī)的實現(xiàn)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)話音的無線通信。

　　試驗結(jié)果與設(shè)計基本一致，性能滿足要求，該方案可行。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]田紅心，郭保娟，向新，易克初.基于軟件無線電的數(shù)字語音通信機(jī)[J].無線電通信技術(shù)，2004，(1)：50-53.

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