CN102811115B

CN102811115B - 一种延长弹性波透地通信距离的方法

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Publication number: CN102811115B
Application number: CN201210253886.1A
Authority: CN
Inventors: 郝建军; 王凤瑛; 丁晓明; 孙绪保; 颜斌
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: CN102811115A

Abstract

一种在不改变传输信号带宽的条件下有效延长弹性波透地通信距离的方法，属于透地通信技术领域，其特征是通过速率变换器以不同的输入和输出时钟完成对比特码元的时间扩展，将脉宽扩展为原来的M倍，本地PN码以与信源输出相同的速率产生和输出伪随机序列，并与做了时间扩展后的码元进行伪随机序列扩展；信号发送到接收单元后，同步单元解扩解调后的码元以速率fc输出至速率反变换器并以fs速率读出至终端输出单元。该方法能在不改变传输信号带宽的情况下获得较高的处理增益，在接收机灵敏度不变的情况下，本方法相当于延长了弹性波信号的透地通信距离。适用于非实时的数据通信，可有效地应用于矿山应急救灾通信。

Description

一种延长弹性波透地通信距离的方法

技术领域

本发明属于透地通信技术领域，具体涉及一种延长弹性波透地通信距离的方法。

背景技术

在煤矿及其它地下开采的矿井生产过程中，安全事故时有发生，如透水、瓦斯爆炸、火灾等，在造成人员伤亡和财产损失的同时，也破坏了现有通信信道，使井下和地面无法联系，无法得知井下人员的具体情况，影响救援的进度。透地通信由于其利用大地作为传输信道，信道特性稳定，不受事故影响，因而透地通信可成为救援的可靠支持手段。

目前的几种透地通信系统都是以电磁波为信息传输媒介，如澳大利亚矿山技术公司的PED系统、加拿大的Canary系统以及美国洛克希德-马丁公司的MagneLink系统等。PED系统从上世纪90年代末已经在几家煤矿安装运行，目前已经使用的电磁波透地通信的相关产品，其设备体积和功率都非常巨大，使用的是半径十几公里到几十公里的巨大环形天线，由于该系统的发送设备体积庞大，无法在井下巷道和工作面安装，因此只能实现单向通信；申请号为200810158220.1的专利介绍了一种使用弹性波作为透地通信手段的技术，但是目前尚没有见到弹性波透地通信的相关产品，而且采用弹性波传输信号会面临复杂的大地信道，同时，信号传输的能量损耗也主要有两项：是换能器与地层介质的耦合损耗和传输损耗。耦合效率可以通过设计紧密耦合换能装置来提高，而解决弹性波的传播损耗相对更难解决，因为传播损耗与地层地质结构和岩石岩性有关，一般情况下，弹性波信号传输衰减包括：界面反射损耗、介质吸收损耗、波前扩散损耗以及散射损耗，其中主要损耗是介质吸收和波前扩散。以介质吸收损耗为例，在地层介质中典型幅度衰减值为0.5~1dB/λ，如果弹性波波长2米，800米厚度的地层就会衰减200~400dB，这是通信所不能承受的。目前尚没有弹性波透地通信的相关产品，只有相关试验系统的测试报道，所使用的信号都是基带信号进行通信，受发射功率的限制，这类透地通信系统的通信距离只能达到一百多米，不能满足地下通信的需求。

发明内容

本发明目的是要解决在发生危险时实行抢险救援，同时现有通信系统受到影响时，借鉴扩展频谱通信的思想，将信源输出码元的脉宽进行时间扩展，再用扩展后的码元调制伪随机序列，以使接收端进行相关接收时获得额外的处理增益，提高接收灵敏度，在发送端发射功率不变的情况下，能相应地延长通信距离。

本发明目的是这样实现的，其特征在于实施步骤为：

1) 将信息源要发送的、意义相对完整的数据作为1段数据，本段数据的长度不超过L比特，将本段数据分成K帧，不足K帧用冗余帧填充，每帧数据的长度为N比特，不足N比特的由冗余位填充，其中N∈{8，16,32,64,128,256,512,1024}，在K帧数据开始前和结束后分别增加1帧数据，开始前增加的1帧数据称为起始标志帧，结束后增加的1帧数据称为结束标志帧；

2) 将一帧数据以速率连续送入速率变换器的寄存器中，并在写入控制信号的控制下将数据一帧一帧写入速率变换器的缓存中，一帧数据用式子表示，其中：，，表示每比特数据所占用的时间，即数据周期，则K+2帧数据全部接收到缓冲中所需要的时间为：

这也是速率变换器接收K+2帧数据所需要的时间；

3) 速率变换器中缓存的数据输入和输出是同时进行的，在1帧数据写入速率变换器中的缓存后，速率变换器再以速率一比特一比特的串行输出这一帧数据，用表示，而且有：

其中：M为大于1的整数，表示时间扩展的倍数，表示速率变换器输出的每位数据所占用的时间，即输出数据的周期，。则速率变换器全部发送完K+2帧数据所需要的时间为：

即速率变换器全部发送完K+2帧数据所用的时间是全部接收完K+2帧数据所用时间的M倍，在速率变换器输出每帧数据的同时，其它数据帧的接收存储同步进行；

4) 速率变换器输出的、速率为的每帧数据与本地伪随机噪声码（PN码）发生器生成的、速率为、周期为M的周期性伪随机序列进行模2加运算，则运算后得到的新序列PN1为：

其中：序列PN1为一帧数据经过运算后得到的新序列，其码元（或码片）速率为，然后将这些码元进行相移键控（PSK）调制或频移键控（FSK）调制输出至换能器变换成相应的弹性波信号发射出去；

5) 接收端接收到弹性波信号后，经过检波、放大和A/D转换后，由同步单元完成对伪随机序列扩频码的解调，得到速率为的序列PN1，然后将PN1序列与周期性的伪随机序列每M个码元做一次相关运算得到一位数据，当将N×M个码元做N次相关运算后，结果会得到速率为、幅度为M的一帧数据：

与速率变换器输出的数据有如下关系：

与信源发送数据相比，除了速率不同以外，得到的数据幅度提高了M-1倍，即增益提高了dB：

6) 将上述得到的一帧数据，输入到速率反变换器，并以的速率一比特一比特的串行送出这一帧数据；

7) 将其余K-1帧数据用从步骤1)到步骤6)同样的方法处理，当接收端接收到全部K+2帧数据后，去除起始标志帧和结束标志帧，取出完整的数据作即可。

本发明的优点及积极效果有：①由于考虑了透地通信的特殊性，同时借鉴了扩频通信的思想，为远距离透地通信提供了一种方法；②通过使用本方法，信号的处理增益可以提高dB，因此可以延长通信距离而且在时间扩展后并不会展宽原始基带信号的频谱；；③目前随着地下采煤巷道长度的延长，通过该发明可以进一步保证地下工人与地面调度室之间的正常通信。

附图说明

图1是弹性波透地通信系统发送单元和接收单元信号处理流程图。

图2是速率变换器结构图。

图3是速率反变换器结构图。

图4是数据速率变换、伪随机序列扩展及一次相干积分运算结果示意图。

其中，图2是速率变换器结构图，速率变换器接收来自信息源的比特流并在时钟信号clock1的控制下，一位一位输入到输入寄存器，然后在写时钟的驱动下，以帧为单位从输入寄存器写入到一个双口RAM的缓冲存储器，双口RAM既可以是独立的RAM器件如IDT7026，也可以是可编程逻辑器件（如FPGA）内的RAM；在RAM输出端，在读出控制信号的控制下，从RAM中读出一帧数据至输出寄存器，这帧数据再在时钟Clock2的驱动下输出。本发明中采用可编程控制器件实现16位1024个存储单元的双口RAM模块的Verilog代码如下：

Module daul_ ram (clk, data_in, rd_address, read, data_out, write_address, write);

input clk;

input [15:0] data_in;

input [9:0] rd_address;

input read;

input [9:0] wr_address;

input write;

output [15:0] dataout;

wire clk;

wire [15:0] datain;

wire [9:0] rd_address;

wire read;

wire [9:0] wr_address;

wire write;

reg [15:0] dataout;

reg [15:0] mem; [3:0]

always (posedge clk) begin;

if (write)

mem[write_address]<= data_in;

if (read)

data_out <= mem [write_address];

end

endmodule

其中，图4中的(1)表示原始信源数据，速率为，(2)表示的是经过速率变换器后的信源数据，其速率变为，(3)表示本地产生的伪随机序列码，其速率为，(4)表示经过本地伪随机序列码扩展后的信源数据，其速率为，(5)是经过接收单元进行相干积分运算后的数据，其速率变为，(6)表示经过相干积分运算后数据的幅度，幅度已经是原信源数据幅度的M倍。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

一种延长弹性波透地通信距离的方法，包括下列具体步骤：

步骤1：取1024比特作为1段意义完整的数据，将其分成64帧，每帧16比特，在64帧开始前增加一个起始标志帧，在最后增加一个结束标志帧，这样所有数据一共是66帧，即1056比特；

步骤2：将这段共1056比特的数据以比特速率为200bit/s、连续送到图2所示的速率变换器，整个发送过程时间共需：1056(bit)÷200(bit/s)=5280ms，即速率变换器全部收到66帧数据共需5280 ms；

步骤3：在1帧数据写入图2的速率变换器中的缓存后，速率变换器再以速率=25bit/s一比特一比特的串行输出这一帧数据，这里取M=8，则速率变换器全部发送完66帧数据所需要的时间为：5280 ms×8=42240 ms。如图4中，(1)是取原始数据1056比特中的两位数据“10”，经过速率变换器变换后得到图4中的(2)，其中数据没有变化，只是每位数据所占用的时间变长了；

步骤4：速率变换器输出数据中的两位数据“10”，如图4中(2)所示，本地PN码发生器生成的速率为=200bit/s、周期为M=8的伪随机序列“11010101”，如图4中(3)所示。速率变换器输出速率为25bit/s的两位数据“10”与本地生成的周期伪随机序列码进行模2加运算，得到扩展的序列“00101010 11010101”，如图4中(4)所示，该序列的频率为=200bit/s，然后将序列的每个码元经过PSK或FSK调制输出至换能器并变换成相应的弹性波信号发射出去；

步骤5：接收端接收到弹性波信号后，经过检波、放大和A/D转换后，由同步单元完成对伪随机序列扩频码的解调，得到速率为200bit/s的序列PN1，即得到的实际上是图4中(4)所示的序列，然后将PN1序列与速率为200bit/s的周期性伪随机序列每8个码元做一次相干积分运算，

结果会得到速率为25bit/s、幅度为原始数据幅度8倍的数据，见图中(5)所示。这样与原始数据相比，除了速率不同以外，得到的数据幅度比原始数据的幅度提高了7倍，即增益提高了dB= dB ≈ 9dB；

步骤6：将步骤5中得到的数据输入到图3中速率反变换器，并以200bit/s的速率一比特一比特的串行送出数据，就可以得到速率为25bit/s的原始数据；

步骤7：将其余的1054位数据用与步骤4)到步骤6)处理相同的方法处理，直到接收端接收到全部66帧数据，也就是接收到全部的1056位数据，然后去除起始标志帧和结束标志帧，取出完整的数据作即可。

Claims

1.一种延长弹性波透地通信距离的方法，其特征在于实施步骤为：

1)将信息源要发送的、意义相对完整的数据作为1段数据，本段数据的长度不超过L比特，将本段数据分成K帧，不足K帧用冗余帧填充，每帧数据的长度为N比特，最后一帧若不足N比特的由冗余比特填充，其中N∈{8，16,32,64,128,256,512,1024}，在K帧数据开始前和结束后分别增加1帧数据，开始前增加的1帧数据称为起始标志帧，结束后增加的1帧数据称为结束标志帧；

2)将一帧数据以速率f_s连续送入速率变换器的寄存器中，并在写入控制信号的控制下将数据一帧一帧写入速率变换器的缓存中，一帧数据用式子表示，其中：0＜Δt_s＜T_s，T_s＝1/f_s，表示每比特数据所占用的时间，即数据周期，则K+2帧数据全部接收到缓冲中所需要的时间为：

t_a＝[(K+2)×N]÷f_s＝[(K+2)×N]×T_s

这也是速率变换器接收K+2帧数据所需要的时间；

3)速率变换器中缓存的数据输入和输出是同时进行的，在1帧数据写入速率变换器中的缓存后，速率变换器再以速率f_c＝f_s÷M逐比特的串行输出这一帧数据，用表示，而且有：

Σ_{k = 1}^{N} {PN}_{c} ({kT}_{c} - Δ t_{c}) = Σ_{k = 1}^{N} {PN}_{c} (k \times 1 / f_{c} - Δ t_{c}) = Σ_{k = 1}^{N} {PN}_{c} (k \times M / f_{s} - Δ t_{c}) = Σ_{k = 1}^{N} {PN}_{c} (k {MT}_{s} - Δ t_{c})

其中：M为大于1的整数，表示时间扩展的倍数，T_c表示速率变换器输出的每位数据所占用的时间，即输出数据的周期，0＜Δt_c＜T_c，则速率变换器全部发送完K+2帧数据所需要的时间为：

t_b＝[(K+2)×N]÷f_c＝[(K+2)×N]÷f_s×M＝t_a×M

4)速率变换器输出的、速率为f_c的每帧数据与本地伪随机噪声码(PN码)发生器生成的、速率为f_s、周期为M的周期性伪随机序列进行模2加运算，则运算后得到的新序列PN1为：

Σ_{k = 1}^{NM} {PN}_{1} (k T_{s} - Δ t_{s}) = Σ_{k_{c} = 1}^{N} Σ_{k_{s} = 1}^{M} {{PN}_{c} (k_{c} T_{c} - Δ t_{c}) &CirclePlus; {PN}_{s} [((k_{c} - 1) M + k_{s}) T_{s} - Δ t_{s}]}

其中：序列PN1为一帧数据经过运算后得到的新序列，其码元(或码片)速率为f_s，然后将这些码元进行相移键控(PSK)调制或频移键控(FSK)调制输出至换能器变换成相应的弹性波信号发射出去；

5)接收端接收到弹性波信号后，经过检波、放大和A/D转换后，由同步单元完成对伪随机序列扩频码的解调，得到速率为f_s的序列PN1，然后将PN1序列与周期性的伪随机序列每M个码元做一次相关运算得到一位数据，当将N×M个码元做N次相关运算后，结果会得到速率为f_c、幅度为M的一帧数据：

Σ_{k_{1} = 0}^{N - 1} {Σ_{k = k_{1} M + 1}^{(k_{1} + 1) M} [{PN}_{1} (k T_{s} - Δ t_{s}) {PN}_{s} (k T_{s} - Δ t_{s})} = Σ_{k_{1} = 0}^{N - 1} {Σ_{k = k_{1} M + 1}^{(k_{1} + 1) M} [{PN}_{1} (k T_{c} / M - Δ t_{c}) {PN}_{s} (k T_{c} / M - Δ t_{c})]}

与速率变换器输出的数据有如下关系：

Σ_{k_{1} = 0}^{N - 1} {Σ_{k = k_{1} M + 1}^{(k_{1} + 1) M} [{PN}_{1} (k T_{c} / M - Δ t_{c}) {PN}_{s} (k T_{c} / M - Δ t_{c})]} = M Σ_{k = 1}^{N} {PN}_{c} (k T_{c} - Δ t_{c})

与信源发送数据相比，除了速率不同以外，得到的数据幅度提高了M-1倍，即增益提高了10lgM dB：

6)将上述得到的一帧数据输入到速率反变换器，并以f_s的速率一比特一比特的串行送出这一帧数据；

7)将其余K-1帧数据用从步骤1)到步骤6)同样的方法处理，当接收端接收到全部K+2帧数据后，去除起始标志帧和结束标志帧，取出完整的数据作即可。