CN108564959A - 一种甚低频透地通讯的无线传输分系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，包含发射机和接收机；发射机首先将语音编码、短消息或数据进行自适应编码调制处理，得到甚低频调制输出信号，经功率放大及自动调谐后送往柔性发射天线发射，柔性发射天线用来产生和发送预定载频的甚低频信号；接收机利用高灵敏接收天线、可变增益低噪声放大单元组成微弱信号检测电路，接收来自发射机的甚低频信号，经自适应干扰抑制处理后进行解调和信道纠错译码，最后通过语音解码等处理后送往外部接口。总之，本发明增强微弱信号的能量，实现正常的通信需求，提高了透地通讯的稳定性，为矿山救灾通信提供一种新的方式。

Description

一种甚低频透地通讯的无线传输分系统

技术领域

本发明涉及透地通讯技术领域，具体是涉及一种甚低频透地通讯的无线传输分系统。

背景技术

我国是煤矿等各类矿山事故频发的国家之一，总体上来看，我国煤矿生产正走着一条高投入、高耗能、低产出、低回报的粗放型经济增长道路，安全问题尤其突出，经常发生矿难事故。

矿业是国民经济和社会发展的基础产业，但是矿山事故的发生，将造成重大人员和财产损失。事故的发生有多种原因，其中一个主要原因就是安全设施不到位，企业投入的安全设备资金不足，特别是一些中、小煤矿基础安全设施非常简陋。矿井一旦发生灾害，紧急报警、人员撤离、救护队员寻找救护目标等都需要有良好的通信系统作保证。

但是，在发生灾害时，平常用来通信的有线通信信道可能己被破坏，这就阻碍了救援工作的及时进行，导致被困人员生还的可能性降低和财产的重大损失。如果采用大地信道作为无线通信信道，被困人员通过调制的弹性波信号把自己的状况、位置告知救护人员，可以为救援工作争取时间，避免造成更大的伤亡。虽然大地信道对低频弹性波信号具有较弱的弱吸收效应，但是由于复杂的地质环境的影响，使得接收到的弹性波信号能量变得极其微弱，解决这个问题一方面可以采用现代通信理论，来提高弹性波信号的穿透能力，另一方面通过研究对接收到的微弱信号处理和提取的方法，运用先进的多路径信号分集接收技术，来增强微弱信号的能量，实现正常的通信需求，为矿山救灾通信提供一种新的方式。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种甚低频透地通讯的无线传输分系统。

本发明的技术方案是:一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，包含发射机和接收机，所述发射机包含语音编码单元，自适应编码调制单元，功率放大及自动调谐单元和发射天线；所述接收机包含高灵敏接收天线，可变增益低噪声放大单元，自适应干扰抑制单元，自适应解调译码单元和语音解码单元；所述发射机与所述接收机通过甚低频进行数据通信；所述语音编码单元、自适应编码调制单元、功率放大及自动调谐单元和发射天线依次通过无线连接进行数据传输；所述高灵敏接收天线、可变增益低噪声放大单元、自适应干扰抑制单元、自适应解调译码单元和语音解码单元依次通过无线连接进行数据传输，所述语音编码单元、自适应编码调制单元、语音解码单元和自适应解调译码单元与外部接口进行对应数据传输。

进一步地，所述语音编码单元采用码激励线性预测编码方案，该编码方法能够达到600bps的声码速率，同时保持较好的可懂度。

进一步地，所述自适应编码调制单元采用自适应码率前向纠错编码技术和变速率调制技术，以满足不同类型消息对误码率及传输时延指标的需求。

进一步地，所述高增益接收天线和可变增益低噪声放大单元等单元组成微弱信号检测电路，所述微弱信号检测电路设有独立的多层复合屏蔽装置。

更进一步地，所述多层复合屏蔽装置主要由主体上层和主体下层左右拼接而成，所述主体上层呈倒L型，分为复合横板和结构竖板，所述复合横板由上到下依次为绝缘橡胶层、铝合金层、屏蔽网层和复合层，所述复合层外侧呈波浪形，由内层的丁二烯橡胶和外层的铜片组成，复合横板的左端面设有连接凸块，所述结构竖板内侧面上端与所述复合横板焊接固定，内侧下端设有连接凹槽；所述主体下层与主体上层中心对称且结构相同，所述主体上层的连接凸块与主体下层的连接凹槽匹配吻合，所述主体上层的连接凹槽与主体下层的连接凸块匹配吻合，所述主体上层的复合层和主体下层的复合层匹配咬合，所述主体上层和主体下层的外侧面下端均设有一个装置固定块，该多层复合屏蔽装置可以对信号地和电源地进行隔离，在保持较小的尺寸和重量前提下，屏蔽甚低频外部干扰、提高信噪比。

进一步地，所述自适应干扰抑制单元针对雷电干扰和工业干扰的不同时频特性，采用交织编码、陷波滤波和扩频技术进行干扰抑制处理，但干扰抑制处理不仅限于这三种技术，能提高系统抗干扰能力。

进一步地，所述发射天线采用了柔性环形发射天线，采用柔性环形发射天线具有体积小、高可靠性、成本低的优点，适合多种复杂环境下的使用。

进一步地，所述高灵敏接收天线采用了低频铁氧体磁棒接收天线，采用高灵敏接收天线具有尺寸小、重量轻，通信距离远，信号检测性能强，能适应多种复杂的工作环境。

进一步地，所述语音编码单元和语音解码单元与外部接口进行语音的传输；所述自适应编码调制单元和自适应解调译码单元与外部接口进行短消息和数据的传输。

一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其进行无线传输的方法如下:

S1:发射机将从外部接口接收到的语音进行语音编码，将语音编码、短消息或数据通过自适应编码调制单元处理得到甚低频调制输出信号，再将甚低频调制输出信号通过功率放大及自动调谐单元处理，处理后通过柔性发射天线发射；

S2:发射机的柔性发射天线产生和发送预定载频的电磁波，并通过接收机的高增益接收天线、可变增益低噪声放大单元组成微弱信号检测电路接收甚低频信号；

S3:接收机通过自适应干扰抑制单元处理后，经过自适应解调译码单元进行解调和信道纠错译码和语音解码单元处理后，将语音、短消息或数据送至外部接口。

本发明的有益效果是:

(1)本发明提供的无线传输分系统有效的提高了透地通讯的稳定性，增强微弱信号的能量，实现正常的通信需求，为矿山救灾通信提供一种新的方式。

(2)本发明的自适应干扰抑制单元采用交织编码、长纠错编码等技术降低雷电干扰的影响，提高了系统的通讯的稳定性和准确性。

(3)本发明采用的低频铁氧体磁棒接收天线，降低尺寸和重量，提高通信距离，进行最佳噪声匹配，进一步提高信号检测性能。

(4)本发明的语音编码单元重点降低噪声帧传输带宽，达到不明显降低话音可懂度同时减少传输带宽的目的，能够在较低码率下获得较好语音质量。

(5)本发明的多层复合屏蔽装置可以对信号地和电源地进行隔离，在保持较小的尺寸和重量前提下，屏蔽甚低频外部干扰、提高信噪比。

(6)本发明在保证透地通信系统性能的前提下进一步减小系统的尺寸与重量，供电电源装置采用新一代整流和调压元器件和电路，达到更高的功率体积比，同时采用可更换的安规高密度充电锂电池，延长续航时间，降低系统重量和体积。

附图说明

图1是甚低频透地通讯的无线传输分系统框图；

图2是码激励线性预测编码框图；

图3是低信噪比下导频联合编码辅助载波同步框图。

图4是多层复合屏蔽装置整体横剖结构示意图。

图5是多层复合屏蔽装置主体上层纵剖结构示意图。

其中，1-主体上层、2-主体下层、3-复合横板、31-绝缘橡胶层、32-铝合金层、33-屏蔽网层、34-复合层、341-外层、342-内层、35-连接凸块、4-结构竖板、41-连接凹槽、42-装置固定块。

具体实施方式

如图1所示，一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，包含发射机和接收机，发射机包含语音编码单元，自适应编码调制单元，功率放大及自动调谐单元和柔性环形发射天线，采用柔性环形发射天线具有体积小、高可靠性、成本低的优点，适合多种复杂环境下的使用，语音编码单元采用码激励线性预测编码方案，该编码方法能够达到600bps的声码速率，同时保持较好的可懂度，自适应编码调制单元采用自适应码率前向纠错编码技术和变速率调制技术，以满足不同类型消息对误码率及传输时延指标的需求；接收机包含低频铁氧体磁棒接收天线，可变增益低噪声放大单元，自适应干扰抑制单元，自适应解调译码单元和语音解码单元，采用高灵敏接收天线具有尺寸小、重量轻，通信距离远，信号检测性能强，能适应多种复杂的工作环境，低频铁氧体磁棒接收天线和可变增益低噪声放大单元组成微弱信号检测电路，微弱信号检测电路设有独立的多层复合屏蔽装置，自适应干扰抑制单元针对雷电干扰和工业干扰的不同时频特性，采用交织编码、陷波滤波和扩频技术进行干扰抑制处理，能提高系统抗干扰能力；发射机与接收机通过甚低频进行数据通信；语音编码单元、自适应编码调制单元、功率放大及自动调谐单元和发射天线依次通过无线连接进行数据传输；高灵敏接收天线、可变增益低噪声放大单元、自适应干扰抑制单元、自适应解调译码单元和语音解码单元依次通过无线连接进行数据传输，语音编码单元和语音解码单元与外部接口进行语音的传输；自适应编码调制单元和自适应解调译码单元与外部接口进行短消息和数据的传输。

如图4和5所示，多层复合屏蔽装置主要由主体上层1和主体下层2左右拼接而成，主体上层1呈倒L型，分为复合横板3和结构竖板4，复合横板3由上到下依次为绝缘橡胶层31、铝合金层32、屏蔽网层33和复合层34，复合层34外侧呈波浪形，由内层342的丁二烯橡胶和外层341的铜片组成，复合横板3的左端面设有连接凸块35，结构竖板4内侧面上端与复合横板3焊接固定，内侧下端设有连接凹槽41；主体下层2与主体上层1中心对称且结构相同，主体上层1的连接凸块35与主体下层2的连接凹槽41匹配吻合，主体上层1的连接凹槽41与主体下层2的连接凸块35匹配吻合，主体上层1的复合层34和主体下层2的复合层34匹配咬合，主体上层1和主体下层2的外侧面下端均设有一个装置固定块42，该多层复合屏蔽装置可以对信号地和电源地进行隔离，在保持较小的尺寸和重量前提下，屏蔽甚低频外部干扰、提高信噪比。

一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其进行无线传输的方法如下:

S1:发射机将从外部接口接收到的语音进行语音编码，将语音编码、短消息或数据通过自适应编码调制单元处理得到甚低频调制输出信号，再将甚低频调制输出信号通过功率放大及自动调谐单元处理，处理后通过柔性发射天线发射；

S2:发射机的柔性发射天线产生和发送预定载频的电磁波，并通过接收机的高增益接收天线、可变增益低噪声放大单元组成微弱信号检测电路接收甚低频信号；

S3:接收机通过自适应干扰抑制单元处理后，经过自适应解调译码单元进行解调和信道纠错译码和语音解码单元处理后，将语音、短消息或数据送至外部接口。

本发明的关键技术有以下几点:1)低频铁氧体磁棒天线技术；2)语音编码压缩技术；3)微弱信号低噪声放大技术；4)透地通信信道干扰抑制技术；5)无线透地收发信装置便携化技术；6)低信噪比下导频联合编码辅助载波同步技术。下面结合附图对本发明关键技术做进一步的详述：

1)低频铁氧体磁棒天线技术

新材料有源接收天线主要是研究利用新型磁性材料磁场传感器、基于Metglas/PMNT的磁电型磁传感器等新材料技术设计高灵敏度的有源宽带甚低频接收天线，降低尺寸和重量，提高通信距离。同时，对有源天线内部，以及天线与信号检测电路低噪声放大器之间进行最佳噪声匹配，以进一步提高信号检测性能。

2)语音编码压缩技术

码激励线性预测编码技术框图如图2所示。码激励线性预测语音编码技术能够在较低码率下获得较好语音质量。在常规的激励线性预测编码的参数设计、码本的设计和搜索，以及码本增益量化技术基础上，语音预处理过程中采用语音端点检测技术将语音和噪声分开，在后续分别处理传输，重点降低噪声帧传输带宽，达到不明显降低话音可懂度同时减少传输带宽的目的。

3)微弱信号低噪声放大技术

采用低噪声器件的基础上，优化电路设计，通过平衡放大电路得到一组正反向噪声，进行主动的内部噪声抵消。由于频率较低，普通的屏蔽盒难以隔离具有较强穿透力的甚低频外部干扰。为微弱信号检测电路专门研究设计独立的多层复合屏蔽装置，对信号地和电源地进行隔离，在保持较小的尺寸和重量前提下，屏蔽甚低频外部干扰、提高信噪比。对于供电电源，在电源外置的基础上，优化设计屏蔽装置外部和内部的多重滤波、稳压装置，以降低电源干扰。

4)透地通信信道干扰抑制技术

研究表明，透地通信系统存在如下干扰：一是雷电干扰，即雷击放电所产生的电磁辐射，干扰强度大，具有脉冲特性，且发生频度较高；二是工业干扰，即供电系统工频干扰和机电噪声干扰，这类干扰呈现窄带特性，尤其是处在接收端附近的工业干扰具有较大的能量，且干扰频率通常是变化的。上述干扰如不加处理会显著增大误码率。

研究雷电噪声和接收信号的统计特性，在此基础上采用最大似然估计方法识别雷电干扰，并进行干扰抑制等处理；同时采用交织编码、长纠错编码等技术降低雷电干扰的影响。针对工业干扰大功率和频率可变的特点，首先采用窄带干扰模式识别技术动态识别当前干扰频率，接着采用自适应级联陷波滤波器组滤除干扰，陷波滤波后信号频谱出现的选择性衰落采用扩频技术进行补偿。

5)无线透地收发信装置便携化技术

在保证透地通信系统性能的前提下进一步减小系统的尺寸与重量，重点研究发信功率放大器、发信天线、接收天线以及供电电源装置的轻量化设计技术。

发信功率放大器采用新型高功率密度放大器件、高效低损耗放大电路、面变压器输出、优化被动散热、温控高低频桥臂动态交替等技术，降低功放电路本身以及功放散热装置的尺寸和重量。发信天线采用分布式加载的甚低频的宽带便携式柔性发信天线、自适应宽带匹配、天线尺寸重量结合损耗与阻抗特性的结构综合优化等技术，以提高便携性。接收天线方面，主要是利用新型磁性材料磁场传感器、基于Metglas/PMNT的磁电型磁传感器等新材料技术以及结构优化技术降低尺寸和重量。供电电源装置采用新一代整流和调压元器件和电路，达到更高的功率体积比，同时采用可更换的安规高密度充电锂电池，延长续航时间，降低系统重量和体积。

6)低信噪比下导频联合编码辅助载波同步技术

低信噪比下导频联合编码辅助载波同步框图如图3所示。由于接收信号信噪比低，传统Costas环载波同步方法会有较大的跟踪误差，导致系统性能急剧下降。针对低信噪比下载波同步困难的问题，首先采用对数似然估计方法提取载波相位的粗估计值，在此基础上利用解调、输出信号反馈环进行编码辅助的载波精同步。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，包含发射机和接收机，所述发射机包含语音编码单元，自适应编码调制单元，功率放大及自动调谐单元和发射天线；所述接收机包含高灵敏接收天线，可变增益低噪声放大单元，自适应干扰抑制单元，自适应解调译码单元和语音解码单元；所述发射机与所述接收机通过甚低频进行数据通信；所述语音编码单元、自适应编码调制单元、功率放大及自动调谐单元和发射天线依次通过无线连接进行数据传输；所述高灵敏接收天线、可变增益低噪声放大单元、自适应干扰抑制单元、自适应解调译码单元和语音解码单元依次通过无线连接进行数据传输，所述语音编码单元、自适应编码调制单元、语音解码单元和自适应解调译码单元与外部接口进行对应数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，所述语音编码单元采用码激励线性预测编码方案。

3.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，所述自适应编码调制单元采用自适应码率前向纠错编码技术和变速率调制技术。

4.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，所述高增益接收天线和可变增益低噪声放大单元组成微弱信号检测电路，所述微弱信号检测电路设有独立的多层复合屏蔽装置。

5.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，所述自适应干扰抑制单元针对雷电干扰和工业干扰的不同时频特性，采用交织编码、陷波滤波和扩频技术进行干扰抑制处理。

6.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，所述自适应编码单元和自适应解调译码单元直接将短消息和数据传输至外部接口。

7.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，所述发射天线采用了柔性环形发射天线。

8.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，所述高灵敏接收天线采用了低频铁氧体磁棒接收天线。

9.根据权利要求1所述的一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，所述语音编码单元和语音解码单元与外部接口进行语音的传输；所述自适应编码调制单元和自适应解调译码单元与外部接口进行短消息和数据的传输。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种甚低频透地通讯的无线传输分系统，其特征在于，其进行无线传输的方法如下:

S1:发射机将从外部接口接收到的语音进行语音编码，将语音编码、短消息或数据通过自适应编码调制单元处理得到甚低频调制输出信号，再将甚低频调制输出信号通过功率放大及自动调谐单元处理，处理后通过柔性发射天线发射；

S2:发射机的柔性发射天线产生和发送预定载频的电磁波，并通过接收机的高增益接收天线、可变增益低噪声放大单元组成微弱信号检测电路接收甚低频信号；

S3:接收机通过自适应干扰抑制单元处理后，经过自适应解调译码单元进行解调和信道纠错译码和语音解码单元处理后，将语音、短消息或数据送至外部接口。