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巖層通信的礦山通信機的實現(xiàn)
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【摘 要】 本文介紹了一種基于軟件無線電的甚低頻低碼率巖層通信技術，采用M元直擴方式擴頻調制和RS碼信道編碼技術。
經(jīng)過計算機仿真，得到系統(tǒng)參數(shù)在FPGA編程中實現(xiàn)，并在硬件平臺上得到驗證。
試驗結果證明礦山通信機功放利用效率高、話音音質好，短消息傳輸正確。
【關鍵詞】 巖層通信 M元直擴 FPGA TR600
巖層通信作為一種特殊的無線通信技術，是以導電率很高的粘土、巖石為煤質進行通信的[1]。
由于巖層通信的媒介具有很強的衰減特性且因安全要求而功率受限[1]，該方案在計算機仿真和硬件平臺試驗中得到了驗證，能夠實現(xiàn)短消息和語音通信。
1 硬件平臺
1.1 硬件實現(xiàn)
本通信系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)短信息和語音的數(shù)字傳輸，采用半雙工模式，分為收發(fā)兩部分。
礦山通信機工作處于發(fā)送時，語音經(jīng)麥克風進入話音編解碼芯片，線性編碼后由語音壓縮芯片完成話音壓縮。
在FPGA內完成短消息、話音比特流的調制，調制后的信號由功率放大器和輸出變壓器發(fā)送出去;接收模擬電路把模擬信號放大、濾波后送到A/D變化器進行采樣，采樣后的數(shù)據(jù)送到FPGA內進行解調，解調之后的數(shù)據(jù)分別以短信息或話音類型輸出到顯示模塊或揚聲器輸出。
接收部分A/D采樣率為76.8kbps。
1.2 單元板劃分及功能
模擬收發(fā)處理單元主要完成模擬信號發(fā)送、接收;數(shù)字處理單元完成話音及短消息數(shù)字信號采樣、處理;擴頻及解擴。
2 礦山通信機工作原理
2.1 發(fā)送方向
話音部分：FPGA收到話音編碼壓縮后的數(shù)據(jù)幀，幀長為45bits(每75ms)。
在話音數(shù)據(jù)幀格式轉換設計中采用FPGA的RAM模塊，數(shù)據(jù)幀寫入到RAM中，以比特流方式從RAM的讀取輸出。
擴頻采用M元擴頻(M=16)，即使用16條31位雙正交m序列尾部加0構成32長的擴頻碼，擴頻后的碼片速率為4800chip/s，擴頻處理增益為8。
短消息部分：液晶屏輸入的短消息通過RS232接口轉化寫入到FPGA的RAM緩存，RAM輸出比特速率為11.25bit/s。
采用(15，9)RS編碼，編碼后的速率為18.75bit/s。
擴頻部分同樣采用M元擴頻，利用16條1023位雙正交m序列尾部加0構成1024長的擴頻碼，擴頻后的碼片速率為4800chip/s，擴頻處理增益為256。
經(jīng)過擴頻后話音和短消息的碼片速率一致，均為4800chip/s。
碼片成型將該碼片序列轉化成脈沖型波形信號后經(jīng)功放、輸出變壓器和天線發(fā)射出去。
2.2 接收方向
接收端接收到A/D采樣數(shù)據(jù)，送到匹配濾波器。
匹配濾波進行波形處理應可獲得較高的處理增益。
匹配濾波后進行2：1下采樣，將采樣速率降低一倍變?yōu)?8.4kHz，每個碼片8個樣點。
對從匹配濾波器送來的信號進行同步相關解擴，所采用的本地擴頻碼與發(fā)送設備中的擴頻碼相同，也用與接收信號相同的采樣速率(38.4kHz)表示，即每個碼片8個樣點。
解擴時在輸入信號每個碼片的中點抽一個樣點(8：1)與M個本地PN碼進行相關運算，然后根據(jù)所得相關值的絕對值(或平方值)的大小進行符號判決。
捕獲階段可采用相鄰15個碼元進行歸一化最大相關值統(tǒng)計，對于突發(fā)信號來說，這是一種突發(fā)整體捕獲算法。
設r(n)=s(n)+v(n)為帶有零均值高斯白噪聲v(n)的接收信號，每個碼片8個樣點;，，
為M個符號所對應的三進制雙正交PN碼序列，擴頻碼長度都為N。
先設120N個相關能量移位寄存器：
C(k)，C(k)，，C(k)，k=0，1，2，，120N-1(每個4比特);再設另一組存儲符號粗判結果的移位寄存器s(i)，i=0，1，2，，120N-1(每個4比特);將它們清零后，開始下述相關能量累加和符號粗判結果緩存。
(1)采用M個相關器都同時計算它們的PN碼與在第n時刻已到達的8N個輸入信號樣點的相關能量：
(2)比較這M個相關能量大小，進行符號粗判，設粗判結果為m0，將它暫存于s(0)=m;而將相應的相關能量存于。
(3)采用同樣的方法計算在第n+i時刻時已達的8N個輸入信號樣點的M個相關能量，并將粗判結果符號和相應的相關能量緩存于兩組寄存器中，即：s(i)=，，。
(4)對于前15個符號初判結果的最大相關能量進行累加：
如果Sum大于某個門限，則進入(6)中;否則進行下一步;
(5)將兩組移位寄存器進行一次移位，即
s(i-1)=s(i)，C(i-1)=C(i)，;
然后按照前面同樣的方法繼續(xù)計算再下一時刻的符號粗判結果和最大相關量，分別存于S(120N-1)、C(120N-1)之中。
(6)從寄存器中取出對前15個符號的初判結果，即s(120N-1-14)， s(120N-1-13)，s(120N-1-12)進行RS碼譯碼;如果譯碼時發(fā)現(xiàn)符號錯誤個數(shù)大于3，則回到第(5)中;否則結束捕獲，輸出譯碼結果。
上述捕獲過程需用到240N個4比特的移位寄存器，最多可能需要240×8192=1，966，080個4比特的移位寄存器。
捕獲解擴后判斷出數(shù)據(jù)類型為話音還是短消息，短消息數(shù)據(jù)RS解碼采用的是硬判決編碼器。
話音、短消息幀格式轉化為發(fā)送過程的逆過程，使接收端能夠正常的接收到話音或短消息。
3 礦山通信機試驗結果
在本試驗條件下，傳輸距離80米時的理論電壓衰減值達74 dB，傳輸距離60米的實際電壓衰減值達70 dB。
4 結語
本文介紹了基于巖層通信的礦山通信機的實現(xiàn)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)話音的無線通信。
試驗結果與設計基本一致，性能滿足要求，該方案可行。
參考文獻
[1]田紅心，郭保娟，向新，易克初.基于軟件無線電的數(shù)字語音通信機[J].無線電通信技術，2004，(1)：50-53.
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