煤矿井下一种新型无线通信方法的研究_图文.doc

★煤炭科技・机电与信息化★ 煤矿井下一种新型无线通信方法的研究*陈 燕 萧英结 萧宝瑾 马红梅 太原理工大学信息工程学院,山西省太原市,030024 摘 要 介绍了目前煤矿井下无线通信的现状,分析了煤矿井下环境的特点以及对移动 通信系统的影响,针对煤矿井下人为噪声强的特点,提出一种新的通信方法反相对称一 扩频通信法,建立了此方法的MATLAB仿真模型,并通过理论分析和仿真试验验证了该方 法在井下移动通信中的优势。 ‘ 关键词 反相对称法扩频通信仿真模型 中图分类号TD65文献标识码 A A research on a novel radio communication system for use in underground coal mines Chen Yan,Xiao Yingzhe,Xiao Baoj in,Ma Hongmei School of Ination Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China Abstract This paper presents an account about the status--quo of radio communication sys・・ terns currently used in underground coal mines.The paper also presents an analysis of the main characters in underground coal mines environment and their impacts on mobile communication systems.In a hope to solve the problem of very strong noise in underground coal mine environ- ment resulting from productive activities,the paper proposes a novel communication ,i. e.PISSSCPhase-Inversion Symmetric-Spread Spectrum Communicationand establishes its MATLAB simulation model.Based on theoretical analysis and simulation tests.advantages of this communication in underground mobile communication are proved. Key words PIS ,SSC,simulation model 1煤矿井下环境对移动通信系统的影响 煤矿井下的噪声主要是机电设备产生的人为噪 声,由于机电设备一般都是24h连续工作,机电 设备配置量大、功率大、启动频繁,产生的电气噪 声频谱宽、电平高。这种人为噪声会严重影响通信 质量,使有用信号淹没在噪声中。因此要求井下通 信方法要具有良好的抗人为噪声的性能。传统的 CDMA无线通信系统以扩频通信SSC技术为 基础,SSC系统具有很强的抗窄带噪声干扰、抗多 径噪声干扰的能力,非常适合于环境恶劣、机电噪 声大的煤矿井下使用。 反相对称法Phase-Inversion Symmetric Meth- *国家自然科学基金资助项目,项目名称反相对称 法原理与嗥声相关性理论的研究,项目编号60872019。 煤矿井下一种新型无线通信方法的研究。 od,PISM是一种利用相邻信道噪声的相关性来消 除噪声的一种调制方法,能对抗人为噪声,在强噪 声环境下具有明显的优越性。将PISM与SSC相结 合,采用新的PIS-SSC系统结构,可以使人为噪声 进一步降低,提高井下无线通信的质量。 2PlS.SSC系统介绍 2.1系统工作原理 PIS-SSC系统结构图如图1所示。在发送端先 将信息码用扩频码发生器产生的扩频码序列进行扩 频调制,然后再进行PIS编码,最后再进行射频调 制并发送出去。在接收端将收到的宽带射频信号进 行射频解调,然后进行PIS解码,再用本地产生的 直扩码序列进行解扩,最后将所获得的信息码输 出。其中PIS编码与解码就是反相对称法,它是利 59 万方数据 用相邻时隙中噪声的相关性抑制噪声。 图1PIS-SSC系统结构图 1PIS编码。PIS编码过程如图2所示。设 at为原始二进制序列,将它与周期为丁的双极性 时钟脉冲P￡相乘,使它的每一个码元变为一对极 性相反的码元,这样得到的6￡即为PIS编码信号, 实际上6￡就是双相码,只是解码方法与一般双相 码有所不同。 ‘110l 0O l 0一 广 _J r J f0 ・一 图2PIS编码方法 2PIS解码。PIS解码方法如图3所示。将 射频解调出的信号汐￡按时隙分成两路,将第一路 信号延迟Vo后与周期为T的时钟脉冲声’￡相乘,第 二路直接与∥￡相乘并反相,然后将两路相加,得 到PIS解码后的信号口,￡、∥￡的波形图。 图3PIS解码方法 2.2系统性能分析 扩频通信系统的传输带宽比常规通信系统的传 输带宽扩展了100倍以上,在接收端解扩过程中, 有用信号被恢复为扩频前的窄带信号,而噪声与本 地伪随机码不相关,其能量被扩展,降低了噪声信 号的电平,噪声的影响就被大大削弱了。因此在相 同传输速率和相同信号功率的条件下,抗噪声干扰 能力有了明显提高。 60 理论研究和试验证明,相邻时隙的人为噪声具 有相关性,因此在进行PIS解码时,将相邻时隙的 两路噪声相减,噪声会被削弱。而两路互反的信号 相减,幅度会增加2倍。 3系统建模与仿真 根据系统结构,采用MATLAB软件进行系统 建模和仿真。建立的系统基带传输仿真模型如图4所示。 ●柑t时 奉■PN序升 图4PIS-SSC传输系统模型 发射端模型如图5所示,其中码元速率为64 kb/s。信道中的人为噪声为导入的一段way格式 的单声道音频文件。系统采样频率为8000Hz,8 bit/样值。 反相对称_日 图5PI孓SSC传输发射子系统 仿真结果如图6所示,其中上半部分波形为发 射端数据流,下半部分波形为接收端数据流。该仿 真结果验证了系统模型的可行性。 在相同信号功率以及码元速率下,将PIS-SSC 系统与一般的扩频通信系统进行了对比实验,误码 率曲线图如图7所示。PIS-SSC系统的误码率要比 一般的扩频通信通信系统低要低,并且信噪比越 高,该系统抗干扰的优势越明显。 2 O .2 2 O .2 00.10.20.30.40.5 图6系统数据流仿真结果 下转第64页 中国煤炭第36卷第2期2010年2月 万方数据 则将RAM中内容不为0的地址发送给上层分站。 CPU处理程序部分代码如下所示。 //***串口模拟显示卡号程序***// void displayeardnumuint dat { uchar i,j,x,yf uchar led[-4-] xdat100; ydat/100; led[03tableCx103; //卡号个位 led[1-1--table[x/10]; //卡号十位 led[-2]table[y10-]; //卡号百位 led[3]table[y/10]; //卡号千位 foriO;il; CLK0; 3结束语 基于NRF24E1芯片和W77E58处理器的电子 标签与读卡器的设计应用于井下人员定位系统,经 多个煤矿井下测试证明,该系统能够同时识别30个以5m/s速度移动的电子标签。漏检率低于 5,误码率低于1,符合国家标准的要求。实 践表明,本系统应用灵活,可靠性高,运行效果良 好,且具有良好的可移置性。 参考文献 f1]杨君,尚洁.利用单片机实现载波侦听多址接人[J]. 电子工程师,2004,3010 [2]戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精 讲FM].北京电子工业出版社,2006 [3]李朝清.单片机应用与接13技术[M].北京北京航 空航天大学出版社,1994 [4]陈邦嫒.射频通信电路[M].北京科学出版社, 2002 作者简介张秀娟1962一,女,山东栖霞人,博 士,教授,现任教于山东科技大学信息学院,主要研究方 向嵌入式系统的软硬件设计及计算机应用。 -tr任编辑路强 上接第60页 主 锝 留 咄 4结论 图7系统误码率曲线图 经过原理分析和仿真,验证了反相对称一扩频 通信方法在抗人为噪声方面的优势。这为将来实际 应用提供了一定的基础。 64 参考文献 [13陈湘源.煤矿无线通信系统的现状与发展[J].工矿 自动化,20091 [2]Chen Yan,Xiao Baojin。Qiao Xuegong,Ma Fuchang. Research of Spread Spectrum Communication System Based on Phase-Inversion Symmetric .IEEE CiSE 2009,December 11-13,2009,Wuhan,China [3]唐琬.扩频通信在强噪声环境中的应用[J].电子工 程师,200612 [4]萧宝谨,黄双林,萧英吉吉.时域反相对称法及其抗噪声 性能[J].通信学报,20089 作者简介陈燕1977一,女,山西朔州人,讲师, 在读博士,现任教于太原理工大学信息工程学院,研究方 向信号检测,数字通信与编码。 责任编辑路强 中国煤炭第36卷第2期2010年2月 5 5 4 5 3 5 2 5 l 5 Ol 万方数据 煤矿井下一种新型无线通信方法的研究 作者陈燕 , 萧英喆 , 萧宝瑾 , 马红梅 作者单位太原理工大学信息工程学院,山西省太原市,030024 刊名 中国煤炭 英文刊名CHINA COAL 年,卷期2010,362 参考文献4条 1. 陈湘源 煤矿无线通信系统的现状与发展 20091 2. Chen Yan. Xiao Baojin. Qiao Xuegong. Ma FuchangResearch of Spread Spectrum Communication System Based on Phase-Inversion Symmetric 2009 3. 唐琬 扩频通信在强噪声环境中的应用 200612 4. 萧宝谨 . 黄双林 . 萧英喆 时域反相对称法及其抗噪声性能 20089 本文链接http//