CN109660280B - 基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统 - Google Patents

基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，其特征在于，所述通信系统设置于地震数据电源站之间，所述地震数据电源站设置有两组超宽带信号发射机和超宽带信号接收机，每一个电源站所设的两组发射机、接收机，用于与相邻的两个电源站之间通信，用于地震数据电源站之间的无线通信，电源站之间构成环形拓扑结构。本发明提供一种基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，对现有有线通信方式进行补充，地震数据电源站在正常工作状态下采用有线连接，当相邻的地震数据电源站间的有线电缆损坏时，启用UWB无线通信系统来保证数据的持续传输，提供补充的数据连接方式。

Description

基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统
技术领域
本发明涉及地震数据电源站的通信领域，具体涉及基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统。
背景技术
UWB(UltraWideBand)技术，也叫超宽带技术。是在较大的带宽上实现速率为100Mbps～1Gbps传输的技术。根据香农理论，无线信道的容量是与其占用的信道带宽成正比的，UWB能实现很高的数据率，是由于其占用很大的带宽。根据美国FCC对UWB技术的定义，相对带宽大于0.2或带宽超过500MHz的系统都可看作UWB系统，并分配3.1-10.6GHz频段作为UWB系统可使用的频段，在该频段内，UWB设备的发射功率需低于-41.3dBm/MHz，以便与其他无线通信系统共存。UWB在10m以内的范围实现无线传输，是应用于无线个域网(WPAN)的一种近距离无线通信技术。
IEEE802.15.3a从2003年对UWB的技术方案进行标准化。UWB的物理层实现中，主要存在两种技术方案：通过正交频分调制的多频带OFDM方案、基于CDMA技术的直接排序方案。将脉冲扩展至一定的频率范围，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的一种无载波通信技术，较其它的技术快很多，并且功耗小很多。
基于UWB技术的特点，将其应用到地震电源站中。现有技术中地震数据电源站之间的通信方式采用有线通信来接收地震波数据，将测量节点的数据通过有线电缆收集到电源站中，处理后向主机发送测量数据，现有技术的通信方式存在以下缺点：
1、现有的地震数据电源站在接收地震波数据的过程中，一旦出现电缆损坏等问题，电源站接收到的数据就会变得不完整，无法从中再提取出有用的数据，或者接收到的数据会影响判断。
2、损坏的线路的检修工作也十分繁琐，从断点处之后的节点都需要进行排查，耗费人力物力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在现有的有线通信的基础上提供一种基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，对现有有线通信方式进行补充，地震数据电源站在正常工作状态下采用有线连接，当相邻的地震数据电源站间的有线电缆损坏时，启用UWB无线通信系统来保证数据的持续传输，提供补充的数据连接方式。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，所述通信系统设置于地震数据电源站之间，所述地震数据电源站设置有超宽带信号发射机和超宽带信号接收机，多组超宽带信号发射机和超宽带信号接收机构成拓扑网络结构，用于地震数据电源站之间的无线通信。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述超宽带信号发射机包括脉冲发生器、信号调制器、发射天线，所述脉冲发生器产生窄脉冲信号；所述信号调制器与脉冲发生器连接，所述信号调制器将要传输的信息寄载在窄脉冲上，输出超宽带信号；所述发射天线与信号调制器连接，所述发射天线将超宽带信号发送至所述超宽带信号接收机，供所述超宽带信号接收机接收。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述超宽带信号发射机还包括设置在所述信号调制器后的功率放大器。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述信号调制器采用的调制方式为脉幅调制或者脉位调制。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述超宽带信号接收机采用相干检测的接收方式，包括接收天线、低噪声放大器、RF滤波器、相干解调器，所述接收天线用于接收超宽带信号发射机发送的超宽带信号；所述低噪声放大器和RF滤波器依次与所述接收天线连接，用于将天线接收到的微弱信号进行滤波放大；所述相干解调器与所述RF滤波器连接，所述相干解调器将超宽带信号变换为数字信号后输出。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述相干解调器内包括参考信号发生器和模数转换器，所述参考信号发生器产生的参考信号与经过滤波放大后的超宽带信号相乘积分后发送到模数转换器，所述模数转换器对其进行积分采样判决，采样后输出差分信号。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述相干解调器内还包括低通滤波器，所述低通滤波器用于滤除积分采样判决中信道的噪声。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述相干解调器内设置多组低通滤波器和多组数模转换器，多组所述低通滤波器将超宽带信号分成若干个频率子带，然后利用数量相同的模数转换器对这些频率子带进行采样，最后将频率自带合成一组超宽带信号。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述拓扑网络结构为环形拓扑网络结构，每个地震数据电源站都与相邻的两个地震数据电源站相连。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括相邻的两个数据电源站之间采用双向通信的方式连接，即相邻两个地震数据电源站之间设置至少两组超宽带信号发射机和超宽带信号接收机。
本发明的有益效果：
其一、在现有的地震数据电源站之间设置基于超宽带技术的通信系统，实现对有线通信的补充。现有的地震数据电源站的通信方式采用线通信来接收地震波数据，将测量节点的数据通过有线电缆收集到电源站中，处理后向主机发送测量数据，当某个电源站或者电源站之间的通信导线出现问题需要维修时，电源站接收到的数据就会变得不完整，无法从中再提取出有用的数据，或者接收到的数据会影响判断，所以这是就需要一种其它的通信方式对其进行补足，当有线电缆出现损坏时，基于超宽带技术的通信系统可以提供一种补充的数据连接方式，实现短距离高速无线通信，保证数据的完整性。
其二、由于地震数据电源站之间的通信带宽要达到100M，在现有的通信方式中，只有超宽带技术能够满足此类需求，超宽带技术系统结构的实现比较简单，能够满足告诉的数据传输，理论上超宽带技术可达1Gbit/s的速率，这样在实际中实现100Mbit/s以上的速率是完全可能的；且功率低，超宽带技术通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号，仅在发射窄脉冲时消耗少量能量，在短距离应用中，UWB的发射功率通常低于1mw；抗干扰能力强：超宽带技术通信采用调时序列，能够抗多径衰落多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化，而UWB系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成。
其三、当地震数据电源站之间的有线电缆出现损坏时，对损坏的线路的检修工作也十分繁琐，从断点处之后的节点都需要进行排查，耗费人力物力，新增基于超宽带技术的通信系统后，只需对开启基于超宽带技术的通信系统的相邻两个地震数据电源站之间的电缆进行排查，能够快速判断出电缆损坏位置，对损坏位置及时维修。
附图说明
图1是本发明的总体拓扑结构图；
图2是本发明的超宽带信号发射机电路图；
图3是本发明的超宽带信号接收机电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统的一实施例，所述基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统设置于地震数据电源站之间，用于对现有的有线通信方式进行补充，在有线通信之间的地震数据电源站正常工作时，所述地震数据电源站通信系统关闭，当有线通信系统之间的线路损坏或对地震数据电源站有线通信系统进行维修时，所述基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统开启。
所述地震数据电源站内设置有超宽带信号发射机和超宽带信号接收机，多组超宽带信号发射机和超宽带信号接收机构成拓扑网络结构，用于地震数据电源站之间的无线通信，所述拓扑网络结构为环形拓扑网络结构，位于两侧的地震数据电源站连接外部环装网络，位于中间位置的每个地震数据电源站都与相邻的两个地震数据电源站相连，相邻的两个数据电源站之间采用双向通信的方式连接，即相邻两个地震数据电源站之间设置至少两组超宽带信号发射机和超宽带信号接收机，例如在地震数据电源站1.1与地震数据电源站1.2之间设置有两组超宽带信号发射机和超宽带信号接收机，在地震数据电源站1.1上设置有超宽带信号发射机A在地震数据电源站1.2上设置有与超宽带信号发射机A匹配的超宽带信号接收机A，在地震数据电源站1.2上设置有超宽带信号发射机B在地震数据电源站1.1上设置有与超宽带信号发射机B匹配的超宽带信号接收机B，这样就实现了地震数据电源站1.1与地震数据电源站1.2之间的双向通信。
参照图2所示，所述超宽带信号发射机包括脉冲发生器，所述脉冲发生器产生窄脉冲信号，所述窄脉冲信号采用高斯脉冲变形，应满足一下条件：
1、脉冲宽度要窄：由傅里叶变化可知，信号在时域上持续时间越短，频带范围越宽，因此要实现大带宽，就必须压缩脉宽，典型的脉宽为几百皮秒；
2、脉冲重复频率要高，以实现数据的高速传输；
3、输出功率受限：为了避免干扰其他通信系统，必须限制脉冲的辐射功率；
4、脉冲输出要稳定：在高速率的数据传输情况下，为了保证接收端准确地捕获和解调，脉冲输出必须稳定，否则会导致误码率急剧上升。
信号调制器：与所述脉冲发生器连接，所述信号调制器将要传输的信息寄载在窄脉冲上，输出超宽带信号，与正弦窄带系统的根本区别在于信息的载体不同。
所述超宽带信号发射机没有产生载波的本地振荡器和基带到射频的上混频器，调制是直接改变窄脉冲信号的参数来实现的，因此射频部分仅需要发射天线与脉冲发生器连接即可，所述发射天线将超宽带信号发送至所述超宽带信号接收机。
所述信号调制器采用的调制方式为脉幅调制或者脉位调制，所述脉幅调制是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息，即脉冲序列中个脉冲的幅度收调制信号的控制，脉冲极性不变和位置固定，传输的信息寄载在脉冲的幅度上；所述脉位调制是通过用码元信息控制脉冲信号时延，即脉冲序列中的各脉冲的相对位置收调制信号控制，使各脉冲的相对位置随调制信号变化，此时脉冲序列中脉冲的幅度和极性都保持不变。
本实施例中，所述超宽带信号发射机还包括设置在所述信号调制器后的功率放大器，当脉冲信号幅度较小，小于100mv时，则需要功率放大器得到放大电路后经发射天线发射。
参照图3所示，所述超宽带信号接收机采用相干检测的接收方式，与传统的载波通信系统的接收机的结构相比，超宽带信号接收机结构相对简单，无需本振、锁相环、混频器等模块电路，主要包括接收天线，用于接收超宽带信号发射机发送的超宽带信号；与所述接收天线依次连接的低噪声放大器和滤波器，用于将天线接收到的微弱信号进行滤波放大；与所述滤波器连接的相干解调器，所述相干解调器将超宽带信号变换为数字信号后输出，经过相关解调器处理后为差分信号，将差分信号发送至比较器，将差分信号转为单端信号，之后发送至FPGA，由FPGA进行计算，所述FPGA接收到单端信号，提取数据包，对数据进行串并转换，二进制补码转换。
所述相干解调器内包括参考信号发生器和模数转换器，所述参考信号发生器产生的参考信号与经过滤波放大后的超宽带信号相乘积分后发送到模数转换器，所述模数转换器对进行其积分采样判决，采样后输出差分信号。
所述相干解调器内还包括低通滤波器，所述低通滤波器用于滤除积分采样判决中信道的噪声。
所述模数转换器需要高达十几乃至几十GHz的采样率，为了实现超宽带信号的数字接收，可以采用信道化采样的方法来实现高速A/D变换，所述相干解调器内设置多组低通滤波器和多组模数转换器，多组所述低通滤波器将超宽带信号分成若干个频率子带，然后利用数量相同的模数转换器对这些频率子带进行采样，最后将频率子带合成一组超宽带信号。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，其特征在于，所述通信系统设置于地震数据电源站之间，所述地震数据电源站设置有超宽带信号发射机和超宽带信号接收机；
所述超宽带信号发射机包括脉冲发生器、信号调制器、发射天线，所述脉冲发生器产生窄脉冲信号；所述信号调制器与脉冲发生器连接，所述信号调制器将要传输的信息寄载在窄脉冲上，输出超宽带信号；所述发射天线与信号调制器连接，所述发射天线将超宽带信号发送，供所述超宽带信号接收机接收；
所述超宽带信号接收机采用相干检测的接收方式，包括接收天线、低噪声放大器、RF滤波器、相干解调器，所述接收天线用于接收超宽带信号发射机发送的超宽带信号；所述低噪声放大器和RF滤波器依次与所述接收天线连接，用于将天线接收到的微弱信号进行放大滤波 ；所述相干解调器与所述RF滤波器连接，所述相干解调器将超宽带信号变换为数字信号后输出；
多组超宽带信号发射机和超宽带信号接收机构成拓扑网络结构，所述拓扑网络结构为环形拓扑网络结构，每个地震数据电源站都与相邻的两个地震数据电源站相连，相邻的两个数据电源站之间采用双向通信的方式连接，即相邻两个地震数据电源站之间设置至少两组超宽带信号发射机和超宽带信号接收机，用于地震数据电源站之间的无线通信。
2.如权利要求1所述的基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，其特征在于，所述超宽带信号发射机还包括设置在所述信号调制器后的功率放大器。
3.如权利要求1所述的基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，其特征在于，所述信号调制器采用的调制方式为脉幅调制或者脉位调制。
4.如权利要求1所述的基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，其特征在于，所述相干解调器内包括参考信号发生器和模数转换器，所述参考信号发生器产生的参考信号与经过放大滤波 后的超宽带信号相乘积分后发送到模数转换器，所述模数转换器对其进行积分采样判决，采样后输出差分信号。
5.如权利要求4所述的基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，其特征在于，所述相干解调器内还包括低通滤波器，所述低通滤波器用于滤除积分采样判决中信道的噪声。
6.如权利要求5所述的基于超宽带技术的地震数据电源站通信系统，其特征在于，所述相干解调器内设置多组低通滤波器和多组数模转换器，多组所述低通滤波器将超宽带信号分成若干个频率子带，然后利用数量相同的模数转换器对这些频率子带进行采样，最后将频率子带合成一组超宽带信号。
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