1煤礦井下電力線擴頻載波通信系統(tǒng)

1.1電力線擴頻通信系統(tǒng)示意圖

在發(fā)送單元里，使用偽隨機碼對信息碼序列實施頻譜擴展，生成的擴頻信號序列對載波（頻率為120kHz）進行載波調(diào)制，再通過放大后，由耦合電路傳輸給電力線。在接收單元，選頻電路發(fā)送頻率為120kHz的載波，通過載波解調(diào)恢復(fù)其原始的擴頻信號，再使用解擴電路對擴頻信號進行跟蹤、捕獲和自相關(guān)運算，恢復(fù)原信息碼完成解擴。

根據(jù)鎖相環(huán)理論，在接收單元中可對120kHz的載波使用同步濾波實施提純，有效改善擴頻通信系統(tǒng)的處理增益。

1.2擴頻處理增益

結(jié)合擴頻系統(tǒng)理論，處理增益Gp表現(xiàn)了擴頻系統(tǒng)具有的抗干擾能力優(yōu)劣[3]

（1）其中BRF為通過擴頻后信號的射頻帶寬,Bb為數(shù)字基帶信號帶寬。由式（1）可以看出，BRF/Bb越大，系統(tǒng)具有的抗干擾能力就越強。在地面高載頻通信中，為了充分顯示擴頻通信的優(yōu)勢，BRF/Bb可達數(shù)百甚至上千。但是目前井下電力線載波通信使用的信道處于中低頻窄帶，根據(jù)限制的試驗條件和信道帶寬，試驗取BRF為20kHz。此時信號帶寬Bb與信息速率Rb近似相等，可以Rb來表示。Rb的選擇要滿足礦井一般監(jiān)測信息傳輸速率和傳輸穩(wěn)定性的要求，在此試驗選取Rb為0.6kHz。所以，處理增益Gp約為15db。

1.3載波頻率f0的選擇載波頻率f0的選擇按照以下原則：

（1）避開工頻諧波。

（2）適當?shù)念l率范圍。載頻過高可導(dǎo)致輻射損耗的增加；過低則會影響信號的傳輸距離，同時造成調(diào)制后的信號低端出現(xiàn)較大的衰減。

（3）降低對井下其他通信裝置的干擾。通過研究其他煤礦載波信道公布的成果，試驗中選取120kHz為載波頻率（雖未能避開工頻諧波，但選取的載波頻率為工頻頻率的2400倍，因此可忽略工頻的影響）。

1.4擴頻碼速率與偽隨機碼長度的選擇

設(shè)Rc為偽隨機擴頻碼速率，也可用擴頻后碼速表示。擴頻碼對載波進行載波調(diào)制后，信號帶寬變?yōu)?0kHz，因此Rc就為10kHz。此時與Rb（0.6kHz）相對應(yīng)的偽隨機碼長度應(yīng)為選15位。

1.5電力線擴頻通信主要優(yōu)點

（1）抗干擾能力強。大量的實驗表明電力線擴頻通信對單頻、白噪聲等具有極強的抗干擾能力[4]。理論上也證明,抗干擾能力與頻譜展寬成正比。在工業(yè)干擾十分嚴重的礦井通信，這一優(yōu)點是非常重要的。

（2）易與其它通信裝置共用信道。由于擴頻通信具有較低的功率密度,對其它通信裝置不造成干擾,也不受其它信號的干擾,因此借助于已有的信道，能夠?qū)崿F(xiàn)信道的共用,減少建設(shè)投資的成本，增加通信效率。如使用的工業(yè)電信道和泄漏電纜等。

（3）具有碼分多址（CDMA）的功能。全部的通信用戶使用同一個頻帶,但分別使用擴頻碼不同的序列,并使它們之間具有極小的相關(guān)系數(shù),實現(xiàn)各用戶間的互不干擾,即形成了碼分多址,與時分多址和頻分多址相比，這種方式更方便、更為有效、更易于組網(wǎng)。

（4）使模擬信號與數(shù)字信號間具有較好的兼容性。擴頻通信系統(tǒng)不僅能傳輸數(shù)字信號,也能將模擬量使用A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,再實施擴頻通信,使系統(tǒng)具有較多且更方面的應(yīng)用功能。此外，擴頻通信系統(tǒng)還具有抗多徑效應(yīng)、抗衰落及精確測量等優(yōu)點。在遙控、探測、導(dǎo)航、電子對抗及空間通信等方面，擴頻通信得到了廣泛的應(yīng)用。

2應(yīng)用前景

2.1煤礦井下救護通信

在井下，隨時會有塌坊、冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生，有效的急救是減小損失的唯一方法，而可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是有效急救的前提。

無線通信是所有通信措施中最好、最有效的。但在此狀況下電波干擾會大幅度降低一般的通信方式的可靠性，而電力線擴頻載波通信擁有較強的抗衰減和抗干擾能力，因此使用該通信技術(shù)能很好的解決這一難題。

2.2基于擴頻載波通信的無線通信網(wǎng)

目前，雖然煤礦企業(yè)擁有較為完善的有線通信網(wǎng)絡(luò)，但如果生產(chǎn)現(xiàn)場的電纜出現(xiàn)損壞，就會中斷與集團中心間的通信，直接影響生產(chǎn)一線調(diào)度與集團調(diào)度中心的指揮，并且較難恢復(fù)被破壞的光纜。又因為煤礦大多都位于地形復(fù)雜的大山中，井下生產(chǎn)部門僅使用有線通信與外界聯(lián)絡(luò)，是極不可靠的，因此需要為有線通信建立起無線通信保障。

電力線擴頻通信技術(shù)的特點非常適用于中小型煤礦的通信。擴頻碼分多址技術(shù)在實際應(yīng)用中得到了充分的驗證，并獲得大范圍的推廣。擴頻載波通信與其它通信設(shè)備共用信道。此外礦區(qū)一般處于地理環(huán)境復(fù)雜，干擾源較多的地區(qū)，建立有線通信投資高，并且維護困難。而擴頻載波通信的優(yōu)點使其能夠?qū)o線通信網(wǎng)絡(luò)建在礦區(qū)。

同時，擴頻碼分多址技術(shù)形成較為靈活的通信網(wǎng)絡(luò)，只要得到允許或授權(quán)，沒有入網(wǎng)的用戶即可隨時入網(wǎng)，而無需重新布線。

2.3井下數(shù)據(jù)通信

煤礦井下數(shù)據(jù)大多來源于各種傳感器與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。一般的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的傳輸速率低于2400bps?？蓪⒕露鄠€監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的分站聯(lián)系在一起，與話音設(shè)備共用傳輸速率為64kbps的信道進行傳輸。然而，隨著煤炭業(yè)對新技術(shù)應(yīng)用的需要不斷加大，也提高了對監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，比如煤礦的采場礦壓和巷道參數(shù)實時監(jiān)測監(jiān)控體制需要同時對數(shù)百個傳感器實施動態(tài)數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計和處理，具有極大的數(shù)據(jù)量。目前因為受通信條件的限制，該系統(tǒng)實時性較差，其應(yīng)有的作用得不到充分的發(fā)揮。

3結(jié)語