（电路与系统专业论文）基于ofdm技术的矿井通信基带调制系统的设计.pdf

摘要 摘要 我国煤炭资源丰富，分布广泛，因其价格低廉，在工业生产和日常生活得到 了广泛应用，使我国一跃成为是世界上最大的消费和生产国。如今随着经济的快 速发展，各行各业对煤炭需求量不断加大，煤炭行业在国民经济中所处的地位日 趋凸显。而煤矿井下生产危险性很大，经常能听到关于煤炭生产事故的种种报道， 使得社会各界对煤炭行业十分关注，这就要求对煤炭井下生产进行实时定位和状 态监测。无线通信技术是不可或缺的，特别是近几年来生产管理和信息技术的不 断发展，加上矿井无线通信对带宽、智能信息等的需求越来越多，使得无线通信 技术在矿井通信领域中应用的前景越来越好。 本文介绍了煤矿井下复杂的通信环境，以及电磁波在矿井中的传播特性，分 析了造成电磁波传播衰落的因素，阐明了矿井无线通信中最主要的是多径衰落问 题，并分析了多径衰落的成因及造成的不良影响，简单地介绍了矿井抗多径衰落 技术的现状，提出了基于o f d m 技术的矿井通信基带调制系统的设计。通过 o f d m 特有的抗多径衰落性能来解决矿井无线通信中严重多径衰落问题，提高系 统性能。 结合文中提出的设计系统，介绍了系统仿真性能指标，理论上分析了几种调 制方式下的频带利用率及误码率特性。然后，通过m a t l a b 软件对矿井环境参数进 行设置和仿真，采用q p s k 对数据进行调制解调，通过对不同条件下多径衰落误 码性能分析，得出误码率曲线，为矿井通信中解决多径衰落问题提供依据。最后， 采用d s p 技术实现o f d m 基带调制系统的设计，并对其外围硬件电路做了详细 地分析，提出o f d m 系统设计的方案，完成设计任务。 图3 8 表5 参4 8 关键词：矿井通信；正交频分复用；多径衰落；m a t l a b ；d s p 分类号：t n 9 2 9 4 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n ah a sr i c hc o a ld d s o d r c c s ，w h i c hu s e dw i d e l yi nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n d d a i l yl i f eb e c a u s eo ft h e i rl o wp r i c e s ，l e t0 1 1 1 c o u n t r yb e c o m et h ew o r l d sl a r g e s t c o n s u m e ra n dp r o d u c e r n o w , t h ed e m a n do fc o a li si n c r e a s e dr a p i d l yw i t ht h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，w h o s ep o s i t i o ni nt h en a t i o n a le c o n o m yi s s d f 吒v i d e n t u n d e r g r o u n dm i n i n gi sv e r yd a n g e r o u s ，t h ea c c i d e n to fc o a lp r o d u c t i o ni sf r e q u e n t l y h a p p e n e d , w h i c hm a k e st h ec o m m u n i t ym u c hc o n c e r n , a n dr e a l - t i m el o c a t i o na n d s t a t u sm o n i t o r i n gi sr e q u i r e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi se s s e n t i a l ，e s p e c i a l l yi n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , a sw e l la sm o r ea n dm o r en e e d so fb a n d w i d t ha n di n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o n , t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h em i n e f i e l dh a v eg r e a tp r o s p e c t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ec o a lm i l l ec o m p l e xc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，t h es i g n a li nt h em i n et u n n e li nt h ec o m m u n i c a t i o na n dt h ef a c t o r s t h a ta f f e c tt h es i g n a lp r o p a g a t i o na r ea n a l y z e d t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mo fn l i n e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sc u r r e n t l yi s m u l t i - p a t hf a d i n g , w h o s eh a r m f u le f f e c t s a l e a n a l y z e d , t o o t h ed e s i g no fb a s eb a n dm o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do no f d mi s p r o p o s e da f t e rab r i e fi n t r o d u c t i o n t oa n t i - m u l t i p a t hf a d i n gt e c h n o l o g yi nm i n e m u l t i p a t hf a d m gi nm i n ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i ss o l v e db yu s i n go f d m a n t i - m u l t i p a t hf a d i n gp e r f o r m a n c e , w h i c hi m p r o v e ds y s t e mp e r f o m m c e c o m b i n e dw i t ht h e s y s t e md e s i g n w h i c hp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h e p e r f o r m a n c ei n d e xo fs y s t e ms i m u l a t i o ni si n t r o d u c e d , b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n db i t e r r o rr a t e ( b e r ) a 托a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yu n d e rs e v e r a lm o d u l a t i o n s t h e n ，t h e p a r a m e t e r so ft h em i l l ee n v i r o n m e n ti ss e ta n ds i m u l a t e db ym a t l a b ，q p s ki sa d o p t e d t om o d u l a t ea n dd e m o d u l a t e ，t h eb e rc u r v ei so b t a i n e db ya n a l y z i n gm u l t i - p a t hf a d i n g p e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w h i c hp r o v i d e dt h eb a s i sf o ra n t i - m u l t i p a t h f a d i n gi nm i l l ec o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , d s pi sa d o p t e dt od e s i g nt h eb a s eb a n d m o d u l a t i o ns y s t e m ，i t sp e r i p h e r a lh a r d w a r ec i r c u i t sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ，o f d m s y s t e md e s i g np l a ni sp r o p o s e da n dt h ed e s i g nt a s ki sc o m p l e t e d f i g u r e3 8t a b l e5r e f e r e n c e4 8 k e y w o r d s ：m i n ec o m m u n i c a t i o n s ，o f d m , m u l t i - p a t hf a d i n g ，m a t l a b , d s p c h i n e s eb o o k s e a t a l o g ：t n 9 2 9 4 1 1 1 1 绪论 1 1 研究的背景与意义 1 绪论 煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，由于其本身价格较低廉，人 们对此需求很大。近些年来，随着全球经济快速发展，石油，天然气等能源的价 格大幅上涨，导致全球煤炭需求量迅速增长，伴随而来的是价格的逐步攀升，国 内煤炭需求的旺盛，使得煤炭行业受到越来越多的社会关注。由于井下环境恶劣， 加上有易燃易爆气体，这增加了采煤的危险性，导致煤炭生产事故的时常发生， 这要求矿井底下要有很好的实时定位和状态监测能力。而矿井通信的有效性和可 靠性对整个煤炭行业的生产和运作来说至关重要。随着煤炭生产的日趋现代化， 对通信手段和需求也日益增多。为了保证通信信息传递的及时性和准确性，越来 越多的新技术在矿井通信中得到了应用。 煤炭的安全生产，不仅能保障井下工作人员的生命安全，也能为国家挽回因 煤炭生产事故而带来的经济损失，这就得依赖于矿井无线通信技术的发展。而矿 井无线通信是矿井通信领域所研究的新课题，有成本低廉、建设工程周期短、设 备维护方便等特点。但实际应用中仍存在一些缺点，其中最主要的是多径衰落现 象。它严重影响了矿井无线通信的质量，矿井下多径衰落问题是实现矿井无线通 信必需解决的问题之一。 基于这样的现实，本文提出了基于o f d m 技术的基带调制系统的设计。通过 m a t l a b 软件对矿井环境参数进行设置和仿真，通过仿真结果得出该技术能够提高 矿井通信质量，尤其是因多径衰落导致的信号抗干扰能力差，通信受影响等缺点。 然后采用d s p 技术来实现o f d m 基带调制系统的设计，提出设计的方案，完成 设计任务。 1 2o f d m 技术的发展 o f d m ( 正交频分复用- - - o r o l o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术作 为一种高频谱利用率的调制技术是于上世纪5 0 - - 6 0 年代提出来的，它是采用频分 复用( f d m ) 的思想，即让多路子信道的频谱发生重叠但又各子信道之间相互不 影响的方法来并行传送数据1 1 1 。这样可以不需要高速均衡器，既简化了系统结构， 又可以提高频谱利用率，还可以有效地消除噪声和克服多径衰落1 2 1 。 1 9 6 6 年，r o b e r tw c h a n g 提出了一个理论方法，就是在受限信道中进行同步 安徽理工大学硕士学位论文 传输无符号间传输干扰( i s i ) 和载波问干扰( i c i ) 的数据流。随后，他在1 9 7 0 年获得第一个有关o f d m 的美国专利。大约在同一时间，s f l t z b e r g 执行了对 o f d m 系统性能分析。直到这个时候，我们需要大量子载波振荡器来执行并行调 制和解调。 关于o f d m 技术的历史巨大突破在1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 和e m e b e l t 使用 离散傅立叶变换( d f t ) ，以高效执行基带调制解调，这消除了系统的子载波振荡 器数量的依赖，从而使得系统执行起来更方便，更实用，更高效1 3 l 。 这个时候好多提案都是提出在频域中加入保护区间，在时域中采用升余弦窗 来克服i s i 和i c i ，直到1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u i z 引入循环前缀( c y c f i ep r e f i x ， c p ) 或循环延伸，很好地解决了这一问题【4 l 。他们的想法就是在符号间放置o f d m 符号的周期扩展，而不是在频域中插入空的保护间隔，当c p 的长度长于信道脉 冲响应时，它可以有效地执行循环卷积，保证了信道的正交。很明显，引入c p 的长度与信号能量损失成正比【5 l 。 1 9 8 1 年，h i r o s a k i 采用d f t 完成的o f d m 调制技术，试验成功了1 6 q a m 多 路并行传送1 9 2 k b i f f s 的电话线m o d e m 。 而此时，包含d f t 和c p 技术的o f d m 系统以及数字信号处理( d s p ) 技术的 发展，使得o f d m 成为电信领域的重要组成部分。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 技术 在宽带数据通信方面得到了广泛的应用【6 l 。进入2 1 世纪的今天，随着4 1 3 的崛起 与壮大，o f d m 技术必然会更加绽放其光芒，成为核心技术。 。 1 3 本文主要的研究内容和章节安排 本文的重点是介绍了o f d m 的理论基础及在矿井无线通信中的应用，分析其 调制解调与信号处理原理，提出了o f d m 基带调制系统的基本设计思路及设计方 法，同时仿真了o f d m 技术在矿井巷道中抗多径衰落的效果并提出了基于o f d m 技术的矿井通信基带调制系统的硬件实现方案。 本文章节内容安排如下： 。 第一章，主要介绍了论文研究的背景及意义，简明阐述了o f d m 技术的特点 及发展现状。而o f d m 技术应用在矿井通信中来解决多径衰落的方案不是很多， 本文希望通过对o f d m 矿井基带调制系统的设计，为矿井中抗多径衰落系统的设 计提供一定的依据。 第二章，研究了矿井无线通信的环境特点，电磁波在其中传输的特性，简单 阐述了多径衰落的成因和消除它的技术，分析了本文系统采用基于o f d m 技术抗 一2 l 绪论 多径衰落的原因。最后通过对几种矿井无线通信技术的介绍，让大家对矿井无线 通信技术有了一定的了解。 第三章，详细分析了o f d m 原理和关键技术，主要内容有o f d m 系统的基 本框架和工作原理；分析了同步、频偏估计、信道估计等算法及相应的d s p 实现。 第四章，o f d m 系统性能仿真。首先介绍了系统仿真性能指标，理论上分析 了几种调制方式下的频带利用率及误码率特性。然后，通过m a n a b 软件对矿井环 境参数进行设置和仿真，采用q p s k 对数据进行调制解调，测试误码率。最后， 通过对不同条件下多径衰落误码性能分析，得出误码率曲线，为矿井通信中解决 多径衰落问题提供依据。 第五章，系统的d s p 实现，采用d s p 技术实现o f d m 基带调制系统的设计， 并对其外围硬件电路几个基本模块进行了详细地阐述和时序分析，提出o f d m 系 统设计的方案，完成设计任务。 第六章，归纳，概括和总结了本次论文所做的工作，以及达到的效果，为今 后o f d m 技术进一步发展指明了方向。 一3 一 2 矿井无线通信技术 2 矿井无线通信技术 无线通信( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 是通过电磁波信号在自由空间中进行 信息交换的一种通信方式。近年来，无线通信作为信息通信领域中的一员， 其发展速度之快，应用范围之广，大家都是有目共睹的，因为它有一系列强 大而完善的配套技术：像扩频技术；窄带技术；m i m o 技术等，此外，还有 一个原因就是无线通信维修和维护相当于方便和简单。矿井通信环境明显不 同于常规环境，电磁波的传播受多种因素的影响川：非自由的电磁波传播空间、 巷道的走向、截面几何尺寸、巷道壁结构、煤岩层材料电磁参数、大功率机电设 备、动力电缆与铁轨、流动的运输机车、液压金属支柱、巷道内分布的各种气体 等，电磁波传播特性异常复杂多变。此外，矿井无线通信对于煤矿井下安全生产 和突发事故的抢险救灾起着非常重要的作用。因此，研究矿井无线通信特点及相 关技术是一个十分重要的课题。 2 1 矿井无线通信环境分析 煤矿井下工作环境非常特殊，无论是巷道，还是采掘的工作面，空间都 非常狭窄，呈现隧道形状，数千米甚至十几千米的矿井巷道加上无规则的采 煤工作面，使得无线电波的传播是非自由空问的，因而无线电波在矿井下的 传播具有其特殊性，不同于无线电波在地面和空间的传输1 8 1 ，如图1 所示。另 外，煤矿机械化、自动化程度大幅度提高，生产设备及人员流动频繁，作业点相 对分散，环境中不安定因素多，存在着大量一氧化碳、瓦斯等爆炸性气体，因此， 通过建立和完善一个安全的煤矿井下无线通信系统，可以提高矿井现代化生产、 安全和管理水平，提高生产效率和安全性1 9 1 。 一5 一 安徽理工大学硕士学位论文 图1 矿井巷道 f i g 1m i n et u n n e l 矿井底下工作环境的特殊性，使得对矿井无线通信领域的研究变得十分有意 义。从矿井巷道中信号的严重受损，以及系统设备，如设备的体积、天线尺寸长 度等实际考虑。矿井通信迫使我们重新思考地面无线通信传输模式。总体来说无 线电波在地面传输受以下三个方面的影响： ( 1 ) 大尺度衰落：电磁波自由空间传播损耗。 ( 2 ) 阴影衰落：由于地形起伏不平、建筑物和其他障碍物阻挡，使得电磁波的 传播路线被阻挡，在阻挡后面，会形成电磁波的阴影区，在那里信号场强 较弱，在接收信号时场强产生变化而引起衰落【埘。 ( 3 ) 多径衰落：是指接收端接收的信号因传输路径不同产生相位变化以及时延 而造成的衰落。 而以上三种衰落同样也存在于矿井无线通信系统中，而且产生的影响更大， 因为巷道中的土壤和巷道壁会吸收和反射电磁波，使得它的传播途径变得更复杂， 再加上煤矿机电设备工作产生的电磁干扰，使通信环境变得更加恶劣。巷道壁的 粗糙不平滑使得电磁波的传输途径杂乱，产生多径衰落，这也是矿井无线通信中 最主要的干扰，同时也是本文讨论的重点【l l l 。 为了更好地解决多径衰落问题，需要先对矿井无线通信信道的特点进行分析。 本文从以下四个主要因素出发：即路径损耗，反射折射，多径衰落以及噪声。 6 2 矿井无线通信技术 1 路径损耗：巷道中的物质在电磁波传输时会吸收电磁波，产生路径损耗。 损耗的多少与传播频率的大小、巷道土壤的结构、岩石的特性有关。在相同的土 壤环境中，传输相同距离，较低频率传播损耗要比较高频率的小。 2 反射，折射：矿井中的通信绝大部分是井下与地面的通信。这表明通信链路 跨越井下和地面。当电磁波从井下向地面传输时，部分将被反射回地下，部分折 射到地面上的其他的接收媒介上。而从地面传输到地下设备时也是相似。 3 多径衰落：是指接收端接收的信号因传输路径不同产生相位变化以及时延 而造成的衰落。在靠近地表时，由于不规则的岩石，还有植物的根须，都会影响 电磁波的传输路径，使得多径衰落更为明显。 4 噪声：所有实际信道都不可能完全避免噪声，当然井下巷道也不例外，但 井下噪声频率一般都比较低。 当然，矿井无线通信的环境是非常恶劣的。只有克服上述问题，才能使矿井 无线通信技术得以广泛应用。 2 2 巷道中电磁波特眭 矿井通信不同于地面通信，它的地质环境和生产环境都比较复杂，对通信频 率造成的影响更大。近些年来，许多学者做了许多研究和实验，把电磁波在巷道 中传播形式近似为带阻型1 1 2 l ，如图2 所示。 乏 楚 懈 0 0 3o 333 03 0 03 0 0 03 0 0 0 0 频率m h z 图2 巷道中电磁波的特性 f i g 2e l e c t r o m a g n e t i cw a v e sc h a r a c t e d s t i c so fm i n e 在图中可以看出，衰减一开始随频率的上升而增大，而在3 - 3 0 m h z 之间时 出现一个峰值，随后，开始逐渐减小。这样的现象，可以通过波导理论来解释。 在高频的情况下，巷道特殊结构和煤炭的电介质特性可以类似于波导。而波导属 于高通滤波器，所以高频信号可以有效地传输。 7 安徽理工大学硕士学位论文 2 3 矿井抗多径衰落现状 由前面的分析中得出，由于矿井通信环境的独特性，使得多径传播成为矿井 无线通信最为主要的传播方式。它的存在会导致接收信号相互重叠，相互干扰， 造成接收端接收的信息发生错误，直接影响了矿井通信的质量1 1 3 1 。 目前抗多径衰落方案一般采用空间分集和时间分集技术。空间分集接收适用 于相位干扰型衰落，但对绕射和衍射衰落，墙壁和其他物体吸收衰落的消除效果 不明显，而且还会增加系统的硬件复杂度。另一种是以r a k e 分集技术为主的时 间分集，其基本原理为：传输信号受到不同物体的反射、折射和衍射后，形成多 路信号，在到达接收机时每路信号载波具有不同的相位和时延，形成多径信号。 如果时延超过一个伪码的码片时延，接收端则可将这些信号载波区别开来。将这 些不同的信号载波分别经过不同的延时，同步后合并在一起，从而可以把原有的 干扰信号变成有用信号。由于多径信号的能量不均等，如果路径数过多会导致 r a k e 的接收性能的明显下降f 1 4 1 。 而o f d m 技术所不同是，它本身就有多径信道的分集特性i 嘲。它的原理是： 将发送的信息码元经过串并变换、降低速率后，分散到多个子信道上进行并行传 输。这样不仅使码元周期变大用来克服多径衰落的影响；同时它采用循环前缀 ( c p ) 技术，降低了符号间干扰，各子载波间的正交性也得到了保证，有效地减 、 少了子载波相互间的干扰1 1 6 1 。 综上所述，o f d m 技术具有良好的抗多径衰落性能，适用于多径衰落信道中 的高速数据传输，而矿井巷道正是o f d m 的“用武之地 ，它能能够很好地解决 矿井通信中的多径衰落，为矿井无线通信的最终实现做出了贡献。 2 4 现代矿井无线通信技术 近来几年，矿井通信技术迅猛的发展，一些先进设备和技术不断地涌现出来， 逐步改变了以前的格局，向着数字化、程控化的方向发展，这使得通信的可靠性 和稳定性得到了增加；同时矿井通信网正在积极努力实现语音、图像和数据“三 合一”。但毕竟用于矿井通信的设备和技术发展比较慢，再加上矿井中特殊环境条 件，使得一些矿井通信技术都存在其优点和弊端1 1 7 1 。 1 矿山井巷泄漏通信系统 以漏泄电缆作为传播媒介，是这几年来世界上采用的最先进的矿井通信技术 之一，在我国国内也得到了应用。目前它主要实现的是语音调度。 - 8 - 2 矿井无线通信技术 漏泄通信是利用漏泄电缆作为无线通信系统中的天线，实现无线高频信号在 地下巷道中的传输和均衡分布，从而实现井上与井下人员及井下车辆之间的无线 移动通信。 在巷道架设一泄漏电缆充当传输线和天线，它可以传送射频无线电信号并向 周围辐射，可使其周围形成一连续的无线电波泄漏场，使得在巷道的任何截面都 有无线电波的场强。该电缆和移动电台的天线进行双向可逆的通信，这样可以将 电磁波在移动电台和基地台之间的复杂的远距离传播，转化为移动电台下泄漏电 缆之间的简单的近距离传播。在电缆的一定长度上加设中间继电放大器，补偿信 号因远距离传输而损失的能量【阍。 整个设备所需要的设备有：基地台、稳压电源、双向中继器、漏泄电缆、功 率分配器、射频汇接器、负载盒、手持机、有f 无线交换终端。一 在调度室安放基地台，从基地台将漏缆甩到井下，每几百米安放一个双向中 继器，在巷道分叉的地方安放功率分配器，在网络终端安装负载盒使网络的阻抗 匹配。 这种技术现在比较成熟，同时也在矿山井下得到了广泛的使用，它的特点是： 通话质量好，功能较完善，在基地台和移动台之间可以进行寻呼、组呼和全呼， 可靠性高，组网能力强。缺点是：漏缆的成本很高，当系统过分庞大时，噪声加 大，导致信噪比下降，且只能实现单工或半双工通信1 1 9 1 。 漏缆技术是极为成熟的技术，在语音通信的基础上，完全可以在此信道上实 现通信，文字，数据信息的交换。现在也已经有这样的系统设计开发出来了。 k d l t i i 型井巷漏泄通信信号系统适合于斜井人车或顺槽无极绳绞车跟车 员在跟车途中随时与绞车司机进行信号传送和语音联络，以保证行车安全；系统 也适用于竖井巡检员在罐笼中随时与绞车司机进行信号与话音联络，以提高工作 效率。此外，本系统也适用于井巷内需要既传送信号又进行无线通信的其他场合。 其系统结构如图3 所示。 安徽理工大学硕士学位论文 a 图3k d l t - u 型并巷漏泄通信信号系统结构图 一 f i g3s t r u c t u r eo fk d l t - i i l e a kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 2 井下d , 大灵通 这两个技术也是主要针对语音通信，现阶段都已经是研制成功的技术，都是 由现有的网络运营商提供的技术，小灵通是中国电信的小灵通技术，大灵通是中 国联通的c d m a 技术。这两种技术是把井上现有的通信方案移植到井下，完成的 功能也大致相同。并增加了适应生产指挥、应急通信的调度功能，提供多样化的 语音、短信息、定位信息及数据传输业务。 主要的设备是手持机和井下基站，辅助设备有基站控制器等。 k t 3 0 井下小灵通( 矿用无线调度通讯系统) 是针对矿区井下作业环境和安全 生产要求而研制的多功能无线调度通信( 小灵通p h s ) 系统。系统可以实现所有有 线、无线用户的调度功能，井下手机与手机之间，井下手机与调度电话之间，井 下手机与地面手机之间，井下手机与地面固定电话间均可实现双向通话，还能根 据生产需要对无线用户及所带的固定用户混合组网、统一编号。 该系统与紫方公司的z f 一2 0 0 0 有线调度系统可以无缝衔接，真正实现有线、 无线一体化调度，所有无线用户的调度性能与有线系统一致。 一l o 2 矿井无线通信技术 特别值得一提的是，k t 3 0 井下小灵通( 矿用无线调度通讯系统) 可以与有线 调度系统设备共用一套交换核心，无须单独加装交换系统控制单元及用户板( 即 调度交换主机) 等调度交换设备，是真正意义上的有线无线一体化调度通信系统， 极大地为用户节约了设备成本。与其它系统采用的“数字调度( 即调度交换机+ p h s 无线交换机一) 的组网模式( 因其无法实现对无线用户的调度，所以只能称之 为无线通信系统) 有着本质上的不同，k t 3 0 小灵通拓扑结构如图4 所示。 矿用基童占 矿用墓站 8 a 5 e 善帆b a s , a c a 勰 图4 t 3 0 小灵通拓扑结构图 f i g4t o p o l o g ys t r u c t u r eo ft 3 0p h s 系统的主要参数情况如下： 系统容量 系统总容量为1 7 1 2 门： 矿用墓站矿甩基站 8 a 9 目a nb q 9 e s 螽妇 安徽理工大学硕士学位论文 调度用户基本容量为3 2 - 5 1 2 门( 有线+ 无线) ，可根据需要扩容； 中继容量为4 0 个e 1 中继接d 1 2 8 线环路中继，每个e 1 口可连接一台基站 控制器； 每个基站控制器控制的范围可达1 6 个基站。 传输距离 e 1 口( 无线调度交换机与基站控制器) 的传输距离1 5 k m ； u 口( 基站控制器与基站) 的传输距离3 k m ； 基站无线覆盖范围不小于2 0 0 m ，手机在基站无线覆盖范围内实现无线通信。 井下大灵通和小灵通虽然都已经投入使用，但是这种井下技术比较年轻，而 且使用的是现有的运营商的技术，系统较为复杂，设备与维护成本都比较高，而 且信号有待于进一步提高。 3 井下光纤电视系统 矿井光纤通信是一种崭新的技术，它是以矿用光缆为传输媒介进行信息的传 输，其特点是：容量大、无干扰、频带宽、本质安全、重量轻巧、耐水耐火、抗 拉性好、损耗低，特别适宜在环境恶劣的煤矿井下进行无中继远距离传输，而且 传输距离越远性价比越优于电缆传输。k j 2 8 光纤工业电视系统是中国矿业大学研 发的先进的矿井下工业电视系统i 捌。 k j 2 8 系统是根据煤矿井下特殊环境，选择光纤摄像仪、视频光端机及矿用光 缆的型号，他们都是适用于采煤工作面的本安型实用新产品。该系统能够实现可 靠的工业电视监视，达到了国内领先水平。系统的主要设备及框图如图5 【2 l 】： 2 矿井无线通信技术 图5k j 2 8 光纤电视系统 f i g51 0 2 8f i b e rt e l e v i s i o ns y s t e m 因为光纤的固有优点，使得其为井下传输信号的良导体。更可实现语音，数 字信号的传输。 然而，基于光纤的视频监控系统即便有那么多优点，也存在如下问题： ( 1 ) 要在煤矿井下实现电视技术有一定的难度，因为井下光线暗，照明度低， 还有因挖掘产生的粉尘，灰尘会覆盖在摄像头表面，使得电视的图像质量受到很 大的影响。 ( 2 ) 工业电视为进行实时监视，图像一般不经过处理就直接在电视上播放，这 样画面比较模糊，对监视对象的运动和纹理等特性不能清晰展现。 ( 3 ) 目前在煤矿中使用的电视监视系统，基本不能存储图像，就算有些能存储 的，也因为设备简单，技术限制，图像再现的质量不高。所以一旦有突发事故， 要想调出当时图像很难，这也增加了对事故处理、事故责任人的寻找和技术分析 的难度。同时，所存储的电视图像没有经过高级视频压缩处理，图像数据量大， 存储困难。 ( 4 ) 煤矿井下不像地面宽广平坦，像一些特殊点的视频监视实现就比较困难， 由于光纤的网络结构较笨拙，布网比较困难，而且井下作业可能造成光纤断裂， 从而使得整个光纤网络受到破坏，又加上矿井中存在像一氧化碳、瓦斯等易燃易 一1 3 安徽理工大学硕士学位论文 爆气体，导致无法焊接，所以一旦网络被破坏就很难恢复，还有就是光纤电视系 统设备造价贵，成本高。 4 矿井无线视频通信系统 利用无线扩频微波进行通信，现已实现视频和语音信号的传送，进一步可实 现对数字信号的传送。这样的系统不仅功能强大，而且成本较低。 有学者针对隧道、矿井等环境，详细研究了微波传播特性，得出了完善的微 波研究方法，并提出了3 g 左右的微波是最适合在这样的环境中传播的。 利用无线扩频微波进行的视频通信现已在铁路隧道中得到了很好的应用，其 网络拓扑结构如图6 所示。将该系统移植于矿井下，并采用h 2 6 4 的压缩编码格 式，可方便地解决并下的视频监控难题。 该系统有其明显的优点，但是目前在井下还没有实际的应用。对隧道中的电 波特性还要进一步探索，对于各个模块也要进一步开发。 拳翠 | ；，蠹篡二、一一 黧 唧。墨魄髑碾弼，1 髭铡壤 噍虫嚣。一k 一一7 ，- 支 繇。挂虿苓一。 宠 睾 瓢焱 笋绶缓 s 夕对飞黛 l ，燃接入赢 琴警搿 琴 包曼警会 衫一触苫磁硪拳一撼 8 ：禽磁黧乞黧趟函鬣息删 f i g 6n e t w o r kt o p o l o g ys t n l c t u r e 1 4 3o f d m 基本原理与关键技术 3o f d m 原理与关键技术 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , o f d m ) 是无线 通信中以多载波调制形式出现的一种新技术t 2 2 】。o f d m 是将高速率的数据流，经 过串并转换变成多路低速率数据流进行并行传输，然后再对它们进行调制，最后 进行各路载波的叠加后发送。o f d m 调制各路载波的方式有很多种，可以根据不 同的信道特征选取相应的调制方法，常见的调制方法有d p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、 6 4 q a m 等l 。 o f d m 技术的核心思想是：在有效的频域内将信道分成若干路相互正交子信 道，用一路子载波对一路正交子信道进行调制，各子载波进行并行传输，在满足 各子载波间相互正交的前提下允许它们的频谱部分重叠，这样就算频谱各自混叠 也能把数据信息提取出来。o f d m 技术的主要特点是阻l ： ( 1 ) 频带利用率高、有效覆盖面积大、抗脉冲噪声特性好，在较窄的带宽下 能传输大量的数据，但是要依赖于数字信号处理器( d s p ) 来高速处理数据，实 现起来较传统的f d m a 系统复杂； ( 2 ) 能够快速修正随时出现的干扰信号以及使用多种频率带来的一些问题并 能够自动重建： ( 3 ) 对传输信道上的多路径外界信号有较强的抗干扰能力，对恶劣环境下的 通信有较好的适应性。 o f d m 技术将信号分为多个子载波传输，每个子载波只携带很小一部分数 据。虽然无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，具有频率选择性，但分离后 的子信道相对平坦且信号带宽小于信道带宽，可以大大降低波形问的干扰。同时 使码元周期变长，这样多径衰落对信号的干扰就更小了。因此o f d m 技术提高了 载波频谱利用率和通信稳定性，增强了通信抗干扰能力。 3 1o f d m 基本原理 o f d m 技术与一般的频分复用( f d m ) 技术不同，在于各子信道在时间上是 相互正交的，在频率上是相互重叠的，如图7 所示。采用这种方式，o f d m 系统 比f d m 节省许多的带宽。如图8 所示。 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 i 1 w 沙 渺 l 呱( t ) 彬w w t 殆0l23和 图7o f d m 频带分为多个相互重叠且正交的子载波频带 f i g 7s e v e r a lo v e r l a p p i n ga n do r t h o g o n a ls u b - c a r r i e rb a n d 信道1 234567891 0 1 嘞 ! 频率 图8 常规f d m 与o f d m 信道分配 f i g 8c h a n n e la l l o c a t i o no fc o n v e n t i o n a lf d m a n do f d m o f d m 系统框图如图9 所示，上面部分是发射端框图：数字信号由发送端转 换成多路子载波后，进行幅度和相位的调制，进入离散傅里叶反变换模块( i f f r ) 将数据从频域向时域上转变。对应的下面部分是接收端框图，它是将射频( 1 强) 信号与基带信号进行混频处理，再用离散傅里叶变换( f f t ) 分解频域信号，采 集出子载波的幅度和相位并转换成数字信号1 2 5 1 。 一1 6 一 3o f d m 基本原理与关键技术 3 1 1 串并转换 图9o f d m 系统框图 f i g , 9o f d ms y s t e mb l o c kd i a g r a m 串行数据流是指符号能连续传输，它们的频谱较宽，可占据整个可用带宽， 它是数据传输的典型形式。而并行数据传输系统中，由于多个符号被同时传输， 这样可以提高频谱利用率，又不会因为个别符号的出错影响整体性能。 在o f d m 系统中，符号传播速率的大小是一定的，输入的比特流须经过串并 变换，转换成可以传输的o f d m 符号。采用自适应调制模式，就是说每个子载波 的调制模式是可变的，这样每个子载波分配到的数据段的长度不同。在接收端进 行相应的解调，恢复出原始的串行数据。 o f d m 符号在多径信道中传输时会产生频率选择性衰落，这会导致某几组子 载波有很大衰减，发生误码，也影响了邻近子载波上发射的信息，导致在每个符 号中出现一连串的比特错误。目前多采用数据加扰技术提高系统性能，方法就是 随机分配连续的数据比特到各个子载波上，而在接收端只要进行对应的逆过程就 可以解出信号。这样使得前向纠错编码的误码率( b e r ) 得以降低，提高系统的 总体性能1 2 6 1 。 表l 对单载波和多载波传输方式进行了比较，可以看出多载波调制可以更好 地抑制符号间干扰( i s i ) 。这里，代表子载波个数，瓦表示一个o f d m 符号的 持续时间。 一1 7 安徽理工大学硕士学位论文 表l 单载波和多载波传输方式的比较 t a b l e lt r a n s m i s s i o nm o d eo f s i n g l ec a r t i e ra n dm u l t i - c a r r i e r 。淤 单载波多载波 系统参数 符号时间t s n瓦 速率 n i s1 珏 总频带带宽 2 n i s 2 n t s + o 5 n t s ( 设保护带宽= o 5 t s ) i s i 敏感度 较敏感较不敏感 3 1 2 子载波调制 一个o f d m 符号由多个经相位或幅度调制的子载波组成。其中，子载波的个 数用表示，o f d m 符号的周期为r ，4 ( i = o ，l ，2 ，n 1 ) 是分配给各 个子信道的数据符号，第i 个子载波的频率用z 表示，矩形函数r e c t ( t ) = l ， t 2 ，则o f d m 符号可以由下面的式子表示： ) = k 侯n - 14 r e c t ( 一t 2 ) e x p j 2 硝( ) ) ， ( 3 - 1 ) s ( t ) = 0 ， ， r + 这里的s ( t 1 的实部为o f d m 符号的同相分量，虚部为o f d m 符号的正交分 量，在实际系统中，同相分量与相应子载波的c o s 分量，正交分量则乘以s i l l 分量， 来构成最后的子信道以及合成的o f d m 符号。图1 0 所示是o f d m 系统基本模型 框图，其中z = z + 髟。在接收端通过相应的逆过程，恢复回数据信息，完成子 载波解调。 - 1 8 - 3o f d m 基本原理与关键技术 一歹1j c r e x p ( 地，) e x p ( 御) 出= 器：三： ( 3 - 2 ) z = ；曼“o x p 。2 万事( f l ) ) 篓( ? 万亍i ( f 一) ) 出( 3 。) = ；篓嘭r e x p ( j 2 万等( f _ ) ) 出= 哆 “ 一1 9 安徽理工大学硕士学位论文 图1 lo f d m 符号内包含4 个子载波的情况 f i g 11o f d ms y m b o lc o n t a i n s4s u b - c a r d e r 3 1 3 离散傅里叶变换( d f t ) 在信号处理中，大多采用离散傅里叶变换( d f t ) 来进行大量数据的处理， 快速傅里叶变换( f f t ) 是d f t 计算应用的一种快速数学方式，正因其效率高， 使得o f d m 技术得到了飞速发展1 2 7 。 o f d m 信号数据量比较大，进行调制解调工作量很大，所以可以采用离散傅 里叶逆变换来实现。令式3 3 中乞= o ，忽略矩形函数，并对s ( f ) 进行速率为7 n 的抽样，得： 甄= s ( k t i n j v - i ( j 。警) ( n - 1 ) ( k t n ) = d j e x p o k n - 1 ( 3 - 4 ) i f f i o 甄= s 。兰等i ( t 这里，瓯可以等效成d ，的离散傅里叶逆变换( i d f t ) 。在接收的时候，只需 对& 进行逆变换，即d f t 得： 4 = n - i & ( 等) ( n - 1 ) e x p o b i t n ； 记= ( 一m p y l h ( a ，b ) - 一m p y h l ( a , b ) ) b i t n ；( 3 - 3 2 ) c = 一p a c k 2 ( r c ，一) ； 其中，一d o t p 2 、一m p y l h 、一m p y h l 以及一p a c k 2 都是6 4 系列d s p 自带的内 联指令，基本上在一个周期内完成，右移是为了防止越界。 由伪随机序列的特性可知： 1+