巖層通信的礦山通信機的實(shí)現
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【摘 要】 本文介紹了一種基于軟件無(wú)線(xiàn)電的甚低頻低碼率巖層通信技術(shù)，采用M元直擴方式擴頻調制和RS碼信道編碼技術(shù)。
經(jīng)過(guò)計算機仿真，得到系統參數在FPGA編程中實(shí)現，并在硬件平臺上得到驗證。
試驗結果證明礦山通信機功放利用效率高、話(huà)音音質(zhì)好，短消息傳輸正確。
【關(guān)鍵詞】 巖層通信 M元直擴 FPGA TR600
巖層通信作為一種特殊的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是以導電率很高的粘土、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的衰減特性且因安全要求而功率受限[1]，該方案在計算機仿真和硬件平臺試驗中得到了驗證，能夠實(shí)現短消息和語(yǔ)音通信。
1 硬件平臺
1.1 硬件實(shí)現
本通信系統的主要功能是實(shí)現短信息和語(yǔ)音的數字傳輸，采用半雙工模式，分為收發(fā)兩部分。
礦山通信機工作處于發(fā)送時(shí)，語(yǔ)音經(jīng)麥克風(fēng)進(jìn)入話(huà)音編解碼芯片，線(xiàn)性編碼后由語(yǔ)音壓縮芯片完成話(huà)音壓縮。
在FPGA內完成短消息、話(huà)音比特流的調制，調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，采樣后的數據送到FPGA內進(jìn)行解調，解調之后的數據分別以短信息或話(huà)音類(lèi)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;數字處理單元完成話(huà)音及短消息數字信號采樣、處理;擴頻及解擴。
2 礦山通信機工作原理
2.1 發(fā)送方向
話(huà)音部分：FPGA收到話(huà)音編碼壓縮后的數據幀，幀長(cháng)為45bits(每75ms)。
在話(huà)音數據幀格式轉換設計中采用FPGA的RAM模塊，數據幀寫(xiě)入到RAM中，以比特流方式從RAM的讀取輸出。
擴頻采用M元擴頻(M=16)，即使用16條31位雙正交m序列尾部加0構成32長(cháng)的擴頻碼，擴頻后的碼片速率為4800chip/s，擴頻處理增益為8。
短消息部分：液晶屏輸入的短消息通過(guò)RS232接口轉化寫(xiě)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。
擴頻部分同樣采用M元擴頻，利用16條1023位雙正交m序列尾部加0構成1024長(cháng)的擴頻碼，擴頻后的碼片速率為4800chip/s，擴頻處理增益為256。
經(jīng)過(guò)擴頻后話(huà)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化成脈沖型波形信號后經(jīng)功放、輸出變壓器和天線(xiàn)發(fā)射出去。
2.2 接收方向
接收端接收到A/D采樣數據，送到匹配濾波器。
匹配濾波進(jìn)行波形處理應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(gè)碼片8個(gè)樣點(diǎn)。
對從匹配濾波器送來(lái)的信號進(jìn)行同步相關(guān)解擴，所采用的本地擴頻碼與發(fā)送設備中的擴頻碼相同，也用與接收信號相同的采樣速率(38.4kHz)表示，即每個(gè)碼片8個(gè)樣點(diǎn)。
解擴時(shí)在輸入信號每個(gè)碼片的中點(diǎn)抽一個(gè)樣點(diǎn)(8：1)與M個(gè)本地PN碼進(jìn)行相關(guān)運算，然后根據所得相關(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(gè)碼元進(jìn)行歸一化最大相關(guān)值統計，對于突發(fā)信號來(lái)說(shuō)，這是一種突發(fā)整體捕獲算法。
設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(gè)碼片8個(gè)樣點(diǎn);，，
為M個(gè)符號所對應的三進(jìn)制雙正交PN碼序列，擴頻碼長(cháng)度都為N。
先設120N個(gè)相關(guān)能量移位寄存器：
C(k)，C(k)，，C(k)，k=0，1，2，，120N-1(每個(gè)4比特);再設另一組存儲符號粗判結果的移位寄存器s(i)，i=0，1，2，，120N-1(每個(gè)4比特);將它們清零后，開(kāi)始下述相關(guān)能量累加和符號粗判結果緩存。
(1)采用M個(gè)相關(guān)器都同時(shí)計算它們的PN碼與在第n時(shí)刻已到達的8N個(gè)輸入信號樣點(diǎn)的相關(guān)能量：
(2)比較這M個(gè)相關(guān)能量大小，進(jìn)行符號粗判，設粗判結果為m0，將它暫存于s(0)=m;而將相應的相關(guān)能量存于。
(3)采用同樣的方法計算在第n+i時(shí)刻時(shí)已達的8N個(gè)輸入信號樣點(diǎn)的M個(gè)相關(guān)能量，并將粗判結果符號和相應的相關(guān)能量緩存于兩組寄存器中，即：s(i)=，，。
(4)對于前15個(gè)符號初判結果的最大相關(guān)能量進(jìn)行累加：
如果Sum大于某個(gè)門(mén)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計算再下一時(shí)刻的符號粗判結果和最大相關(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(gè)符號的初判結果，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(shí)發(fā)現符號錯誤個(gè)數大于3，則回到第(5)中;否則結束捕獲，輸出譯碼結果。
上述捕獲過(guò)程需用到240N個(gè)4比特的移位寄存器，最多可能需要240×8192=1，966，080個(gè)4比特的移位寄存器。
捕獲解擴后判斷出數據類(lèi)型為話(huà)音還是短消息，短消息數據RS解碼采用的是硬判決編碼器。
話(huà)音、短消息幀格式轉化為發(fā)送過(guò)程的逆過(guò)程，使接收端能夠正常的接收到話(huà)音或短消息。
3 礦山通信機試驗結果
在本試驗條件下，傳輸距離80米時(shí)的理論電壓衰減值達74 dB，傳輸距離60米的實(shí)際電壓衰減值達70 dB。
4 結語(yǔ)
本文介紹了基于巖層通信的礦山通信機的實(shí)現，可實(shí)現數據話(huà)音的無(wú)線(xiàn)通信。
試驗結果與設計基本一致，性能滿(mǎn)足要求，該方案可行。
參考文獻
[1]田紅心，郭保娟，向新，易克初.基于軟件無(wú)線(xiàn)電的數字語(yǔ)音通信機[J].無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，2004，(1)：50-53.
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