CN104767571A

CN104767571A - 一种甚低频透地通信系统

Info

Publication number: CN104767571A
Application number: CN201510131581.7A
Authority: CN
Inventors: 王凤瑛; 郝建军; 王长瑞; 赵海涛; 吴琳杨
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2015-07-08

Abstract

本发明公开了一种甚低频透地通信系统，包括地面设备和井下设备。地面设备和井下设备各自设有发送电路系统和接收电路系统，地面设备与井下设备通过大地信道以甚低频电磁波通信。发送电路系统包括依次连通的输入显示单元、RS编码单元、DSSS+OFDM调制单元、放大器和发射天线；接收电路系统包括依次连通的接收天线、放大器、DSSS+OFDM同步解调单元、RS解码单元和输出显示单元。甚低频透地通信系统既能克服大地介质对信号的严重衰减，又能抑制大地信道造成的衰落现象，实现透地应急通信，最大程度地满足地下灾后紧急救援中的即时通信。

Description

一种甚低频透地通信系统

技术领域

本发明涉及透地通信系统，尤其是一种甚低频透地通信系统。

背景技术

矿井、地铁和隧道等地下作业场合，环境危险复杂，时常发生安全事故，如透水、岩爆、塌方和井下瓦斯爆炸、火灾等。事故破坏现有的通信信道，导致地面人员无法及时了解地下被困人员的具体情况，影响灾后救援。

以大地介质为信道的透地通信，信道特性相对稳定，不易受事故的影响，可作为一种保持地面和地下联络的有效通信方式，实现灾害发生时的紧急通信，保持地面与地下灾后实时联系。

大地信道结构复杂，是一种比较恶劣的信道，大地介质对电磁波的衰减很大，电磁波在大地介质中传播时，半导电媒质要吸收电磁波的能量。频率越高，电磁波的振幅衰减越严重，穿透能力越弱，传播的距离也就越短。信道对不同频率的信号衰减不同，即大地信道传输特性的不理想会引起传输信号的衰落。对地层成分主要以砂岩为主的隧道、坑道、矿井环境甚至水和土壤等复杂近地信道，甚低频(3k-30kHz)信号有较强的穿透能力，传播相对稳定可靠。

针对透地通信中信号衰减严重和地层信道较强的衰落，希望有一种新型的甚低频透地通信系统，既能克服大地介质对信号的严重衰减，又能抑制大地信道造成的衰落现象，实现透地应急通信，最大程度地满足地下灾后紧急救援中的即时通信。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种甚低频透地通信系统。本甚低频透地通信系统用以实现透地简短信息的应急通信，针对大地介质对信号衰减严重的特点采用直接序列扩频技术来对抗衰减和干扰。

本发明采用如下技术方案：

一种甚低频透地通信系统，包括地面设备和井下设备，地面设备和井下设备各自设有发送电路系统和接收电路系统，地面设备的发送电路系统和接收电路系统通过大地信道以甚低频电磁波与井下设备的发送电路系统和接收电路系统通信；

所述发送电路系统采用直接序列扩频技术抑制信号衰减和信号干扰，发送电路系统采用正交频分复用技术将信道分成若干个正交子信道，将高速数据流转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子载波上进行传输；

所述接收电路系统与发送电路系统对应，对正交频分复用技术处理后的信号进行解调，对扩频信号解扩频。

进一步地，所述发送电路系统包括依次连通的输入显示单元、RS编码单元、DSSS+OFDM调制单元、放大器和发射天线。

进一步地，所述RS编码单元用于将输入显示单元输入的二进制数据进行RS编码，并将编码后的数据送至DSSS+OFDM调制单元。

进一步地，所述DSSS+OFDM调制单元包括依次连通的扩频模块、串并转换模块、调制映射模块、傅里叶逆变换模块、插入保护间隔模块、并串变换模块、及数模转换模块。

更进一步地，所述DSSS+OFDM调制单元对输入信号的处理采用如下步骤：

(1)扩频模块接收RS编码单元收入的信号，采用直接序列扩频，将基带脉冲数据信号直接与高速率的伪随机序列进行相乘/异或运算，实现扩频调制，将信号频带展宽；

(2)数据输出到调制映射模块，进行调制映射；

(3)调制映射输出数字序列经过串并变换模块进行串并转换，将高速数据流转换成并行的低速子数据流；

(4)各路信道的信号输入到傅里叶逆变换模块，进行傅里叶逆变换,将各路信号调制到相互正交的子载波上；

(5)变换后输出的数字信号至插入保护间隔模块，插入保护间隔；

(6)插入保护间隔的信号发送至并串变换模块，将多路信号叠加合并成1路信号，再输入给数模转换模块进行数模转换；

(7)从DSSS+OFDM调制单元输出信号至放大器放大后通过发射天线送入大地信道。

进一步地，所述接收电路系统包括依次连通的接收天线、放大器、DSSS+OFDM同步解调单元、RS解码单元和输出显示单元。

进一步地，所述DSSS+OFDM同步解调单元与DSSS+OFDM调制单元对应，包括依次连通的模数转换模块、串并变换模块、傅里叶变换模块、解调制映射模块、并串转换模块、及解扩频模块。

更进一步地，所述DSSS+OFDM同步解调单元对输入信号的处理采用如下步骤：

(1)来自放大器的信号输入模数转换模块，变换成数字信号输出至串并变换模块，串并变换模块对信号进行串并转换，将一路信号分成并行的多路信号；

(2)每一路信号送至去除保护间隔模块进行去保护间隔处理；

(3)去保护间隔后的并行信号送至傅里叶变换模块进行傅里叶变换，并将变换后的信号输出至解调制映射模块，此过程完成OFDM解调；

(4)解调后的信号经过并串变换模块将多路信号合并成串行的一路；

(6)信号发送给解扩频模块，用伪随机序列进行相关解扩后信号从DSSS+OFDM解调单元输出。

进一步地，所述RS解码单元用于将DSSS+OFDM同步解调单元输出的数据信号解码，并送至输出显示单元以文字和数据的形式显示。

进一步地，所述透地通信系统采用半双工通信方式。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

甚低频透地通信系统既能克服大地介质对信号的严重衰减，又能抑制大地信道造成的衰落现象，实现透地应急通信，最大程度地满足地下灾后紧急救援中的即时通信。

附图说明

图1为甚低频透地通信系统结构框图。

图2为DSSS+OFDM调制单元结构框图。

图3为DSSS+OFDM同步解调单元结构框图。

具体实施方式

结合附图1至3对本发明的具体实施方式做进一步说明：

本甚低频透地通信系统用以实现透地简短信息的应急通信，针对大地介质对信号衰减严重的特点采用直接序列扩频技术来对抗衰减和干扰。

直接序列扩频(DSSS)中的基带脉冲数据信号直接与高速率的伪随机序列(PN序列)进行相乘或异或运算，实现扩频调制，将信号频带展宽，再送入信道进行传输。而在接收端用本地产生与发送端相同的PN序列进行相关解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。

根据香浓定理C是信道容量，当信道的信息传输率R<C，B为信道带宽；S/N为信噪比，通常用分贝(dB)表示。定理表明信道容量C确定时，带宽和信噪比可以互换，也就是说增加带宽可以降低信噪比，提高系统的抗干扰能力。

表征扩频通信的抗干扰能力用扩频处理增益Gp表示，即用系统输出信噪比与输入信噪比的比值来表达：

Gp = \frac{{(S / N)}_{out}}{{(S / N)}_{in}} = \frac{B_{p}}{B_{s}}

Gp近似写为扩频后的扩频码带宽Bp和未扩频的基带信号的带宽Bs比值。基带信号的带宽与扩频后的带宽差距越大，扩频处理增益越大，则抗干扰能力越强。通常，Bp与Bs的比值从几十到几千不等，得到的结果是干扰信号在扩频接收器中被削弱了几十至几千倍不等。

扩频处理增益Gp也可以表示为扩频码速率Rp与信息速率Rs的比值。

Gp = \frac{{(S / N)}_{out}}{{(S / N)}_{in}} = \frac{R_{p}}{R_{s}}

由于信号带宽的扩展，即使信道信噪比很低，甚至在有用信号完全被噪声淹没的情况下系统仍然能正常通信。

为对抗大地信道造成的衰落现象，本发明采用正交频分复用技术。OFDM即正交频分复用技术，其基本原理为将信道分成若干个正交子信道，将高速数据流转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子载波上进行传输。高速数据流经过串并变换之后，每个子载波上的数据流速度较低，符号周期相对增加，这样，每个子信道中的衰落都可以看成是平坦衰落，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的符号间的干扰。

本甚低频透地通信系统包括发送电路系统和接收电路系统。如图1所示，发送电路系统和接收电路系统并行设置，地面设备和井下设备各自设有发送电路系统和接收电路系统，地面设备与井下设备通过大地信道连通通信。甚低频透地通信系统工作在甚低频波段(3kHz-30kHz)，以甚低频电磁波为载体。本甚低频透地通信系统借助于甚低频电磁波透过地层形成的大地信道来实现地面设备与井下设备通的通信。

发送电路系统包括依次连通的输入显示单元、RS编码单元、DSSS+OFDM调制单元、放大器和发射天线；其中，DSSS+OFDM调制单元用于信号的扩频和正交频分复用。

RS编码单元连接在输入显示单元和DSSS+OFDM调制单元之间，RS编码单元用于将输入显示单元输入的数字脉冲信号进行RS编码，并将编码后的数据送至DSSS+OFDM调制单元。其中，输入显示单元在键盘上输入的文字或数字以ASCII码形式输出的二进制数据给RS编码单元。

如图2所示，DSSS+OFDM调制单元采用数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP包括依次连通的扩频模块、调制映射模块、串并转换模块、傅里叶逆变换模块、及数模转换模块。

扩频模块采用直接序列扩频，将基带脉冲数据信号直接与高速率的伪随机序列进行相乘或异或运算。实现扩频调制，将信号频带展宽，再送入信道进行传输。假设用一个周期的伪随机序列对一个码元进行扩展，而伪随机序列的周期长度是128位，则扩频后的码片速率为扩频前码元速率的128倍。

假设一个周期的伪随机序列的长度是128位，扩频前码元速率为90Baud，则扩频后的码片速率为扩频前码元速率的128倍，即11520c/s。

数据输出到调制映射模块，进行调制映射。调制输出数字序列经过串并变换模块实现串并转换。

OFDM即正交频分复用技术，其基本原理为将信道分成若干个正交子信道，将高速数据流转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子载波上进行传输。高速数据流经过串并变换之后，每个子载波上的数据流速度较低，符号周期相对增加，这样，每个子信道中的衰落都可以看成是平坦衰落，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的符号间的干扰。如将一路串行数字序列信号分成并行的32路。串并变换后其中的一路速率变为原来的1/32。设ODFM符号发射时钟周期为Ts，Ts＝1/11520s。子载波数为32，选择载波之间的频率间隔为360hz，即可使各载波在整个OFDM信号的符号周期内满足正交性。总的带宽是N/2Ts＝5760Hz。

各路输入到IFFT(傅里叶逆变换)模块，进行32点傅里叶逆变换，变换后输出的数字信号至插入保护间隔模块，插入保护间隔(例如可以取四分之一个符号间隔，码速率变换原来的五分之四)。

插入保护间隔的信号发送至并串变换模块，将32路信号叠加合并成1路信号。再输入给数模转换模块进行数模转换。如附图1所示，从DSSS+OFDM调制单元输出信号输入给放大器模块放大后通过发射天线送入大地信道。

接收电路系统包括依次连通的接收天线、放大器、DSSS+OFDM同步解调单元、RS解码单元和输出显示单元；其中，DSSS+OFDM同步解调单元用于信号的OFDM解调和解扩频。

接收天线将接收到的电磁波信号输入给放大器，经放大后发送到DSSS+OFDM解调单元进行处理。

如图3所示，所述DSSS+OFDM同步解调单元采用数字信号处理器DSP。来自放大器的信号输入给A/D变换单元，经采样后变换成的数字信号，此信号从A/D单元输出至串并变换模块，串并变换模块对信号进行串并转换，将一路信号分成并行的32路，每一路信号送至去除保护间隔模块进行去保护间隔处理，再将去保护间隔后的并行信号送至FFT模块进行32点FFT变换，经FFT变换后的32路输出信号输出至解调制映射模块完成解调，输出信号经过并串变换模块将32路信号合并成串行的一路，发送给解扩频，与本地128位扩频码序列进行相关解扩后信号从DSSS+OFDM解调单元输出。

RS解码单元连接在DSSS+OFDM同步解调单元和输出显示单元之间，RS解码单元用于将DSSS+OFDM同步解调单元输出的信号解码，并送至输出显示单元以文字和数据的形式显示。

透地通信系统采用半双工通信方式，平时通信双方默认在接收状态，只有在按“发送”键时才发送信号。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims

1.一种甚低频透地通信系统，包括地面设备和井下设备，其特征在于，地面设备和井下设备各自设有发送电路系统和接收电路系统，地面设备的发送电路系统和接收电路系统通过大地信道以甚低频电磁波与井下设备的发送电路系统和接收电路系统通信；

2.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通信系统，其特征在于，所述发送电路系统包括依次连通的输入显示单元、RS编码单元、DSSS+OFDM调制单元、放大器和发射天线。

3.根据权利要求2所述的一种甚低频透地通信系统，其特征在于，所述RS编码单元用于将输入显示单元输入的二进制数据进行RS编码，并将编码后的数据送至DSSS+OFDM调制单元。

4.根据权利要求2所述的一种甚低频透地通信系统，其特征在于，所述DSSS+OFDM调制单元包括依次连通的扩频模块、串并转换模块、调制映射模块、傅里叶逆变换模块、插入保护间隔模块、并串变换模块、及数模转换模块。

5.根据权利要求2所述的一种甚低频透地通信系统，其特征在于，所述DSSS+OFDM调制单元对输入信号的处理采用如下步骤：

(2)数据输出到调制映射模块，进行调制映射；

6.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通信系统，其特征在于，所述接收电路系统包括依次连通的接收天线、放大器、DSSS+OFDM同步解调单元、RS解码单元和输出显示单元。

7.根据权利要求6所述的一种甚低频透地通信系统，其特征在于，所述DSSS+OFDM同步解调单元与DSSS+OFDM调制单元对应，包括依次连通的模数转换模块、串并变换模块、傅里叶变换模块、解调制映射模块、并串转换模块、及解扩频模块。

8.根据权利要求7所述的一种甚低频透地通信系统，其特征在于，所述DSSS+OFDM同步解调单元对输入信号的处理采用如下步骤：

(2)每一路信号送至去除保护间隔模块进行去保护间隔处理；

9.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通信系统，其特征在于，所述RS解码单元用于将DSSS+OFDM同步解调单元输出的数据信号解码，并送至输出显示单元以文字和数据的形式显示。

10.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通信系统，其特征在于，所述透地通信系统采用半双工通信方式。