基于扩频技术的井下通信系统设计

第第页基于扩频技术的井下通信系统设计扩频技术是一种信息传输处理技术。通过扩频使信号功率相当匀称的分布在很宽的频率范围内，具有类似于白噪声的统计特性，使得该系统有很强的抗干扰性能、高保密性、低截获概率性及良好的码分多址通信性能。扩频系统的这些优良性能，使得它在无数对信道带宽利用率要求不高的场合得到广泛的应用，本文就是一个关于深井通信的实现系统。

设计背景

按照扩频码控制的调制参数不同，扩频方式可分为：挺直序列扩频（ds-ss），跳频扩频（fh-ss）和跳时扩频（th-ss）。本文介绍的系统采纳的就是挺直扩频，挺直序列扩频通信是通过在发送端将数据信号和更高数据速率的位序列或填充码组合而实现的。填充码是冗余位组合，其可按照扩展率将用户数据分段。当该位信号发送时，可以增强信号抗干扰的能力。假如在这种组合中有一个或多个位在传输过程中发生错误，那么因为发送的冗余性，原始数据也可以被复原出来。图1为直扩系统的组成原理框图。由信源输出的信号a(t)是码元持续时光为ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t)，每一伪随机码宽度或者切普(chip)宽度为tc。将信码a(t)与伪随机码c(t)举行模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的信号。

在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用于发端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号举行相关解扩，将信号的频带复原为信息序列a(t)的频带，为中频调制信号。然后再举行解调，复原出所传输的信息a(t)，从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声而言，因为与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于举行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其谱密度减低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的输入信噪比和输出信噪比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。

本文介绍的是一个井下通信系统。煤矿井下巷道和采掘工作面空间狭窄，大都呈隧道状，采煤工作面长可达几百米，而矿井巷道长可达数千米甚至十几千米，宽、高仅为几米。作业点簇拥,人员流淌性大，环境中存在着大量的有爆炸危急的一氧化碳，瓦斯及煤尘等空气混合体，事故隐患极大。因此，建立完美的煤矿井下无线和移动通信系统对于提高矿井现代化生产、平安和管理水平有着十分重要的意义。

目前我国煤矿井下移动通信的主要方式有动力线载波通信、感应通信、漏泄通信以及中低频。动力线载波通信在传输距离，通话清楚度和抗干扰能力上都无法适应现代化矿井的需要。感应通信目前在我国部分煤矿得到用法，但通话质量和通信距离都不够抱负。漏泄通信不能笼罩到井下的每个地方。

为了削减地质条件对无线通信信号的衰减，通常采纳低频通信直至超低频通信。中低频通信穿透能力强，如用超低频信号可穿透岩层几百米，可在大面积范围内对深处的坑道实施指挥与控制，加上它对电离层扰动不敏感，即使发生大爆炸也不会严峻干扰它，这使它在极端恶劣环境条件下成为提供大面积应急指挥控制通信的一种重要手段，在紧张状况发生时，能够快速有效地与井下的工作人员举行通讯。所以本系统就是采纳这种通信方式，中频信号仅22hz。

系统原理框图

图2和图3分离为放射机原理框图和接收机原理框图，信号首先从计算机发出，通过数字调制板扩频编码后转换为模拟信号，模拟信号放大后送到天线放射出去。接收机是放射机的逆过程，模拟信号从天线接收下来后先举行放大，然后送入数字解调板转换为数字信号后解扩，解扩后的信号送入协议处理板，协议处理板用于实现选呼，群呼及广播协议的实现，图中显示板用于信息的显示。数字调制板和数字解调板是囫囵系统的核心，分离举行扩频调制和解调，解调是调制的逆过程，二者结构相像，硬件也大同小异，只是输入和输出互换，所以本文主要介绍数字调制板。

数字调制板的硬件结构框图数字调制板的硬件结构框图4所示。

数字调制板从计算机接收数据并接收来自天线的状态信息，主要完成对信号的扩频编码调制，调制后的信号经数模转换和放大滤波后送入下一级功放电路。计算机和调制器间采纳spi口举行数据传输，扩频编码调制采纳turbo码，来自天线的状态信息用于指示天线的短路或断路等通信状态。该模块的核心部分是，对数据的处理都是在此芯片内完成。数据从计算机的spi口输入，处理后经8501变为模拟信号，再经opa348放大后输出。fpga配置了jtag下载口，用于调试程序时用法。as下载口是在程序调试完成后，通过该口将程序写入fpga的专用配置芯片epcs64中，epcs64中的内容掉电后不会走失，以后上电后程序就会自动下载进fpga中。晶振提供系统时钟，为了增加驱动能力，所以加了片7404。

主要模块的电路设计

系统的核心芯片fpga依据编写程序所需资源适当选取，本系统选用ep2c35，ep2c35是ara公司cyclone‖系列fpga。cycloneiifpga采纳tsmc90nmlow-k工艺，1.2v内核，比cyclone系列成本降低30%，规律容量多三倍，成本大约是相竞争的低成本fpga的一半，而速度快50％以上。ep2c35的规律单元为33216个，m4kram块105个，ram480k，18×18乘法器35个，锁相环4个，可以满足设计需要。

spi是串行外围设备接口，是一种高速的、全双工、同步串行外设接口。它可以使与各种外围设备以串行方式举行通信以交换信息。该接口普通用法4条线：串行时钟线sck，主机输入/从机输出数据线miso，主机输出/从机输入数据线mosi和低电平有效的从机挑选线ss。因为spi系统接口容易，可以节约无数常规电路中的接口器件和i/o口线，提高设计的牢靠性。所以当传输速度要求不是太高时，用法spi总线可以简化电路设计，提高系统的性能。图5给出了spi接口电路原理图。

jtag是一种国际标准测试协议（ieee1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件如、fpga器件等都支持jtag协议。标准的jtag接口是4线：tms、tck、tdi、tdo，分离为模式挑选、时钟、数据输入和数据输出线。jtag编程方式是在线编程，便利调试，从而大大加快工程进度。jtag下载电路6所示。

as是主动串行编程模式，在as模式下，pof数据流挺直下载到基于flash的串行设备中。由于fpga是基于sram架构的，掉电以后，全部存储在sram中的配置数据都会走失，所以每次上电必需重新加载，很不便利。epcs64本质上是一块专用flash，用于保存fpga的配置信息,它在掉电后，里面内容不会走失，在fpga上电的时候，自动从配置芯片里面读出配置内容，这样上电后即可用法。所以当设计完成后通常将程序通过as口固化到片外配置芯片，以后每次上电后程序就会自动下载进fpga中，图7给出了衔接电路。

数模转换器和运算分离选用ti公司的dac8501和opa348。dac8501是16比特串行输入数模转换器，带宽350khz，工作电压2.7v～5.5v，惟独8个管脚，体积很小，十分适合本次设计要求。opa348是一种具有极低功耗的放大器，供电惟独45a，带宽1mhz，工作电压2.1v～5.5v，sot23-8封装，外围电路容易，调试便利。电路原理图8所示。

总结

本文介绍了一个采纳扩频编码技术的井下通信系统，并对其调制器部分的硬件电路做了容易介绍。其实这可以看作是一个容易的通信系统模型，发送端举行编码调制，接收端举行译码，利用编码来扩展待传输的信号带宽，以换