巖層通信的礦山通信機的實現
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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。
經過計算機仿真，得到系統參數在FPGA編程中實現，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，能夠實現短消息和語音通信。
1 硬件平臺
1.1 硬件實現
本通信系統的主要功能是實現短信息和語音的數字傳輸，采用半雙工模式，分為收發兩部分。
礦山通信機工作處于發送時，語音經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，采樣后的數據送到FPGA內進行解調，解調之后的數據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
模擬收發處理單元主要完成模擬信號發送、接收;數字處理單元完成話音及短消息數字信號采樣、處理;擴頻及解擴。
2 礦山通信機工作原理
2.1 發送方向
話音部分：FPGA收到話音編碼壓縮后的數據幀，幀長為45bits(每75ms)。
在話音數據幀格式轉換設計中采用FPGA的RAM模塊，數據幀寫入到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功放、輸出變壓器和天線發射出去。
2.2 接收方向
接收端接收到A/D采樣數據，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為38.4kHz，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計，對于突發信號來說，這是一種突發整體捕獲算法。
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;如果譯碼時發現符號錯誤個數大于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據類型為話音還是短消息，短消息數據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，可實現數據話音的無線通信。
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字語音通信機[J].無線電通信技術，2004，(1)：50-53.
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