擴(kuò)頻通信技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及其在煤礦的應(yīng)用

【摘要】目前，我國的煤礦井下通信主要采用有線通信方式，該通信方式存在很多不足。文章對將擴(kuò)頻通信技術(shù)引入到煤礦井下通信中進(jìn)行了探討。介紹了擴(kuò)頻通信的原理、優(yōu)點和在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，最后對該技術(shù)在煤礦行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】擴(kuò)頻通信技術(shù)；煤礦；井下通信

煤炭一直是我國的主要能源，我國的煤炭資源大都埋藏較深，需要采用井工開采。在井工開采中，通信工作非常重要，它關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)和礦工的生命安全，必須引起高度重視。擴(kuò)頻通信技術(shù)是近幾十年來逐漸發(fā)展起來的一種比較先進(jìn)的通信技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點。本文擬在回顧我國煤礦井下通信發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，對將擴(kuò)頻通信技術(shù)引入到煤礦井下通信中進(jìn)行探討。

1.目前我國煤礦井下通信中存在的問題

目前，我國的礦井移動通信系統(tǒng)主要由三種通信形式組成，即泄漏無線通信、感應(yīng)通信和動力線載波通信。泄漏通信電線鋪設(shè)復(fù)雜，費用昂貴，信號接收范圍窄，只局限在離導(dǎo)線40 m以內(nèi)的范圍，而且還需要敷設(shè)專用傳輸線，這些缺點限制了該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用；感應(yīng)通信信號不穩(wěn)定且有大量雜音，因而也無法成為井下的主流通信系統(tǒng)。動力線載波通信系統(tǒng)目前在架線電機(jī)車上有一定的應(yīng)用，但同樣存在很多的這樣或那樣的缺點不足，難以廣泛應(yīng)用。

目前，我國大多數(shù)井工開采的煤礦，井下通信都是采用有線網(wǎng)絡(luò)的方式，但是煤礦的井下環(huán)境惡劣，通信電纜容易受到腐蝕，從而影響到通信信號甚至使信號中斷。另外，當(dāng)井下發(fā)生事故時，通信電纜有可能被損壞，從而通信也會受到影響。而如果采用移動通信，上述缺點就可以克服。由此可見，建立一個完善的煤礦井下移動通信系統(tǒng)對于保障煤礦生產(chǎn)安全和提高煤礦開采勞動生產(chǎn)率都具有非常重要的意義。而擴(kuò)頻通信技術(shù)就是一種無線通信方式。

2.擴(kuò)頻通信的原理

2.1 擴(kuò)頻通信的基本原理

擴(kuò)頻通信的全稱是擴(kuò)展頻譜通信，其基本原理如下：原始信號本身與射頻信號存在著一定的頻帶差。信號擴(kuò)展后的帶寬與擴(kuò)展前的帶寬之比叫做GP，它是整個通信系統(tǒng)中非常重要參數(shù)，一般，通過一種特定的調(diào)制方法，可以將發(fā)信端的原始信號帶寬擴(kuò)展，然后將擴(kuò)展后的信號發(fā)送出去，在另一端進(jìn)行接收。信號接收以后，再在接收端把接收到的信號復(fù)原為原始信號帶寬來說，該數(shù)值應(yīng)在10以上。

信息論創(chuàng)始人香農(nóng)提出了著名的香農(nóng)公式C=WLgZ，L=P/N，即信道容量C是一個常數(shù)，帶寬W和信號噪聲比P/N，可以交替使用，增加帶寬可以降低系統(tǒng)的信噪比。換言之，相同的發(fā)射功率，在低信噪比的情況下增加帶寬，可靠地傳輸信息，即使在信號被噪聲徹底覆蓋淹沒的情況下，只要維持相應(yīng)的帶寬增量，其仍然可以保持一個相對穩(wěn)定的信道，這便是擴(kuò)頻技術(shù)的基本思路和理論基礎(chǔ)。電路交換是數(shù)據(jù)通信的一種重要的交換方式。

此交換方式主要是指將2臺計算機(jī)或者終端在實現(xiàn)相互的通信時，使用同一條實際的物理鏈路，在整個通信過程中都會使用該鏈路實現(xiàn)對信息的傳輸。此外，還不允許其它的計算機(jī)或者是其它終端設(shè)備同時共享此電路。

就目前而言，被大家熟知的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，是一個利用偽隨機(jī)碼（PN碼）發(fā)送信息的選擇，然后直接進(jìn)行調(diào)制，PN碼速率Rb是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳送信息的速率Ri大的，因此Rb為調(diào)制后信號的速率，即無線電設(shè)備發(fā)出的信號頻帶比原來的初始信號擴(kuò)大了RB/RI倍。接收器所使用的解擴(kuò)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的信號減少直至還原，以此獲得可靠的信息傳輸，如圖1所示。

2.2 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

直接序列擴(kuò)頻是一種安全可靠抗干擾能力強(qiáng)的無線序列傳輸方式，簡稱直擴(kuò)方式（DS法）。它利用一種高速率的擴(kuò)頻序列將信號的頻譜在發(fā)射端進(jìn)行拓展，同時在接收端使用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，從而把處理過的信號變成原來的初始信號。其工作原理大致如下，其中接收端收到發(fā)射信號以后，利用PN碼同步收集發(fā)送到PN碼精確相位，然后產(chǎn)生出跟發(fā)送端PN碼相位完全一致的偽碼相位，用來作為本地的解擴(kuò)信號，以便及時恢復(fù)數(shù)據(jù)信息，從而使得整個系統(tǒng)的接收工作能夠順利完成。如圖2所示。

3.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的優(yōu)點

作為新興的通信體系，擴(kuò)頻通信是未來通信行業(yè)的一個重要研究發(fā)展方向，也是一種趨勢。相比傳統(tǒng)通信方式，它具有很多無法超越的優(yōu)點。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）超強(qiáng)的抗干擾能力，無論是抗白噪聲干擾，還是抗單頻干擾或是抗其它干擾方式，它都體現(xiàn)出了很強(qiáng)的能力，特別是其頻譜擴(kuò)展的越寬，抗干擾能力越強(qiáng)的特點，對于長期受噪聲污染的煤礦業(yè)來說是難能可貴的。

（2）易于實現(xiàn)CDMA。同一個頻帶，不同的擴(kuò)頻碼序列，另用戶間互不影響，關(guān)聯(lián)甚微，這就構(gòu)成了優(yōu)于頻分多址、時分多址的碼分多址。

（3）可以和其它通訊設(shè)備系統(tǒng)共用信道，不但不互相干擾，還可以提高效率減少成本投資，實現(xiàn)信道復(fù)用。

4.國外國內(nèi)擴(kuò)頻通信發(fā)展?fàn)顩r及其在煤礦行業(yè)的應(yīng)用

早在上世紀(jì)四十年代，信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)就指出：信道的最大傳輸能力，可以用較大的信號頻帶寬度和較小的信噪比來實現(xiàn)，信號的功率即使低于噪聲功率，仍然能夠可靠通信。

20世紀(jì)五六十年代，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展和大規(guī)模集成電路與微處理器的出現(xiàn)，擴(kuò)頻技術(shù)才進(jìn)入了實際研究和應(yīng)用開發(fā)階段，進(jìn)入20世紀(jì)八十年代，它已廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其后又應(yīng)用于跟蹤、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙控等許多領(lǐng)域。全球?qū)Ш较到y(tǒng)GPS是擴(kuò)頻通信的重要應(yīng)用，美國從上世紀(jì)七十年代末開始，歷時20多年，耗資數(shù)百億美元，才完成該系統(tǒng)。實踐證明，GPS對人類活動影響極大，應(yīng)用價值極高，它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題。近十多年來，由于民用通信特別是陸地移動通信的迅速發(fā)展，企業(yè)家們又把目光瞄向了CDMA（碼分多址），實際上許多著名的大型通信企業(yè)，都參加了CDMA產(chǎn)品的角逐，現(xiàn)已建成若干CDMA商用和民用移動通信網(wǎng)。

目前，該技術(shù)在煤礦采掘業(yè)中的應(yīng)用尚處于起步甚至空白階段。近年來陸續(xù)有一些國際與國內(nèi)高校對該項目進(jìn)行研究，但他們只是停留在對原有的一些通信技術(shù)進(jìn)行些許改進(jìn)方面，缺乏原始創(chuàng)新。我國是一個煤礦開采大國，對該項目進(jìn)行研究意義深遠(yuǎn)。它的完成，即將標(biāo)志著井下移動通信進(jìn)入了一個新的階段和層次，將對礦井的經(jīng)濟(jì)效益和安全起著巨大的推動作用。泄漏擴(kuò)頻通信和礦井地面穿透通信的研究是目前擴(kuò)頻通信井下研究應(yīng)用的兩大方向，如果這兩個項目能夠順利研究實現(xiàn)，那么其產(chǎn)生創(chuàng)造的價值將是無法估量的。

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