專利名稱：井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地下礦井屮的通信系統(tǒng)，具體地說是涉及一種擴(kuò)頻技術(shù)的 井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
礦井通信擔(dān)負(fù)著礦山生產(chǎn)、安全、調(diào)度的重要任務(wù)，在礦井安全高效生產(chǎn)、
搶險(xiǎn)救災(zāi)中發(fā)揮著十分重要的作用。改善礦井無線通信系統(tǒng)，可以幫助礦山提 高生產(chǎn)率和安全性。
礦井一旦發(fā)生災(zāi)害，緊急報(bào)警，人員撤離，救護(hù)隊(duì)員尋找救護(hù)目標(biāo)等都需 要有良好的通訊系統(tǒng)作保證。但是，在發(fā)生災(zāi)害時(shí)，通常的有線通信信道可能 已被破壞，這就阻礙了救護(hù)隊(duì)員與被困人員的聯(lián)系，從而導(dǎo)致被困人員死亡和 財(cái)產(chǎn)的重大損失。如果能對(duì)被困人員的狀況、位置有準(zhǔn)確的了解，就可以指導(dǎo) 救護(hù)員盡快到達(dá)，避免不必要的傷亡。同時(shí)，救護(hù)員通過對(duì)救護(hù)地點(diǎn)的直接了 解，可保護(hù)他們自己盡可能地避開危險(xiǎn)地帶。為了保障礦井安全，提高礦井抗 災(zāi)變能力，我國煤礦的井下普遍裝備了諸如礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、瓦斯斷電儀、 攜帶式(包括頭燈式)報(bào)警儀、自救器等。但對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)而言，往往由于在管理 和維護(hù)環(huán)節(jié)上偶有疏忽，會(huì)使傳輸線通道發(fā)生短路、斷路及丟失現(xiàn)象，使監(jiān)控 系統(tǒng)無法正常工作，可靠性大大降低。另外， 一般在建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，用在傳
輸通道上的投資要占到整個(gè)系統(tǒng)投資的25% 30%。因此以無線方式通過地層 傳輸，使煤礦井下信號(hào)穿透上面的沉積巖層直接到煤礦地面中心站成為保障礦 井安全必要的措施。
透地通信是一項(xiàng)新出現(xiàn)的技術(shù)，國外一些公司已經(jīng)開發(fā)出一些商業(yè)化的透
地通信技術(shù)，其中比較著名的是澳大利亞一家公司開發(fā)的PED應(yīng)急指揮系統(tǒng)。
1999年我國山西大同煤礦也引入了這套系統(tǒng)。
1970年，美國煤礦部門(USBM)提出一種煤礦地下礦工向地面發(fā)出急救 信號(hào)的無線裝置。并且也發(fā)明了一種利用93米直徑的環(huán)行天線，可以從地面向 井下傳送緊急信號(hào)。但信號(hào)不能從地下傳向地面。
2005年深圳威迪泰通信技術(shù)有限國內(nèi)公司開發(fā)了一種井下無線通信系統(tǒng)， 能在發(fā)生重大事故時(shí)，迅速向井下發(fā)布相應(yīng)的緊急信息，并組織、指揮井下的 礦工安全、迅速地撤出危險(xiǎn)位置。
但這幾個(gè)系統(tǒng)有著顯著的缺點(diǎn)是
(1) 都是單向的無線設(shè)備。即只能由地面向井下或井下向地面發(fā)送數(shù)字信息。
(2) 電磁干擾大。
(3) 應(yīng)用范圍受到限制。
(4) 信道容量小。
2007年8月，美國的VIYAL ALERT透地通信成為世界上第一個(gè)能發(fā)送一 個(gè)超低頻，雙向聲音信號(hào)并且穿透90多米的系統(tǒng)。這個(gè)地下無線電裝置有超低 頻電磁傳播，頻率在3000-30000赫茲，用音頻壓縮器來傳送無線信號(hào)和數(shù)據(jù)信 號(hào)。這種信號(hào)傳播不受像巖石、混泥土、金屬和高密度的礦石的限制。這種系 統(tǒng)可以連接傳統(tǒng)的射頻(無線電頻率)來提高礦井上下的通信傳輸范圍。缺點(diǎn) 是該系統(tǒng)沒有信號(hào)定位能力，所以在建立該系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該預(yù)先知道地面和地下的 位置。并且穿透能力比較弱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有的井下無線透地通信系統(tǒng)所存在的上述缺陷，提供一種 便于提高礦山企業(yè)的事故預(yù)警和事故救援能力，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的高
性能的雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法通過下述技術(shù)方案予以 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)包括地面環(huán)形天線、地面電 視收發(fā)器、地面手持終端、地面定位裝置、井下環(huán)形天線、井下電視收發(fā)器、 井下手持終端，地面電視收發(fā)器連接地面環(huán)形天線，地面電視收發(fā)器連接地面 手持終端，地面手持終端連接一個(gè)定位裝置；井下電視收發(fā)器連接井下環(huán)形天 線，井下電視收發(fā)器連接井下手持終端；所述的地面環(huán)形天線和井下環(huán)形天線 之間設(shè)置直接序列擴(kuò)頻直通信系統(tǒng)；所述的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)包括與地面
用戶數(shù)據(jù)相連接的地面編碼器、與編碼器相連接的串/并轉(zhuǎn)換器、與串/并轉(zhuǎn)
換器相連接的地面擴(kuò)頻調(diào)制器和D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；所述的直接序列擴(kuò)頻通信
系統(tǒng)包括與井下用戶數(shù)據(jù)相連接的井下擴(kuò)頻調(diào)制器，與井下擴(kuò)頻調(diào)制器相連接
的并/串轉(zhuǎn)換器，與并/串轉(zhuǎn)換器連接的A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；所述的地面用戶
數(shù)據(jù)與井下用戶數(shù)據(jù)之間連接誤碼率測(cè)試模塊。
本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法與現(xiàn)有技術(shù)相比較有如
下有益效果本發(fā)明的一個(gè)主要特征是采用直接序列擴(kuò)頻(直擴(kuò))和連接電視 收發(fā)器來進(jìn)行擴(kuò)頻通信。其中連接電視收發(fā)器可以進(jìn)行語音通信，而用直擴(kuò)數(shù) 字通信可以增加信號(hào)穿透能力。本發(fā)明直擴(kuò)通信系統(tǒng)的接收一般采用相關(guān)電視 接收器，并分成兩步，即解擴(kuò)和解調(diào)。在接收端，接收信號(hào)經(jīng)過數(shù)控振蕩器放
大混頻后，用與發(fā)射端相同且同步的由m序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼對(duì)中頻信
號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，把擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，然后再由基帶濾波器進(jìn)行解調(diào)， 最后恢復(fù)出原始信息序列。由于干擾和噪聲與偽隨機(jī)碼不相關(guān)，因此接收機(jī)的 相關(guān)解擴(kuò)相當(dāng)于對(duì)其進(jìn)行又一次擴(kuò)頻，將干擾和噪聲進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，降低了進(jìn) 入頻帶內(nèi)的干擾功率，同時(shí)使得解調(diào)器的輸入信噪比提高，從而提高系統(tǒng)的抗
干擾能力。本發(fā)明井下雙向的語音透地通信系統(tǒng)，包括透地的聲音通信，由兩 個(gè)收發(fā)器和與環(huán)形天線相匹配的阻抗組成，并配上定位裝置。每個(gè)收發(fā)器裝有 兩個(gè)不同的獨(dú)立的環(huán)形天線。 一個(gè)用來接收，另一個(gè)用來發(fā)送。每個(gè)收發(fā)器裝 兩個(gè)不同的獨(dú)立的環(huán)形天線。每個(gè)收發(fā)器連接一個(gè)手持終端，地面上的手持終 端配備一個(gè)定位裝置器。但這種傳送方式是半雙工的，即允許雙方都可以通信， 但不能同時(shí)傳送信號(hào)。兩個(gè)收發(fā)器之間的通信連接通過地面和地下的天線發(fā)送
的超低頻(3000-8000)信號(hào)。收發(fā)器利用一個(gè)單一的邊帶調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)聲音信 號(hào)。信號(hào)在收發(fā)器終端接受時(shí)被解調(diào)和過濾。 一個(gè)蜂巢過濾器削減60赫茲的噪 音。在發(fā)射端和接收端分別采用直接序列擴(kuò)頻。
通過采取上述方案，本發(fā)明的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法有以
下優(yōu)點(diǎn)(1)采用直擴(kuò)的數(shù)字無線通信系統(tǒng)，具有抗干擾、多路徑、低截獲率
等優(yōu)點(diǎn)。(2)采用電視收發(fā)器和環(huán)形天線，可以進(jìn)行雙向語音透地通信。(3) 配備定位裝置，可以克服VIYAL ALERT透地通信系統(tǒng)必須預(yù)先知道井下人員位 置才能進(jìn)行通信的問題。(4)硬件設(shè)計(jì)靈活、資源消耗少、調(diào)試修改方便。
本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法適用于礦業(yè)企業(yè)的事故 預(yù)警和事故救援領(lǐng)域。


本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法有如下附圖
圖1為本發(fā)明井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法原理結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)示 意圖4為本發(fā)明井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法發(fā)射部分原理框圖5為本發(fā)明井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法接收部分原理框圖。 其中1、地面環(huán)形天線；2、地面電視收發(fā)器；3、地面手持終端；4、地 面定位裝置；5、井下環(huán)形天線；6、井下電視收發(fā)器；7、井下手持終端；8、 編碼器；9、串/并轉(zhuǎn)換器；10、地面擴(kuò)頻調(diào)制器；11、地面PN碼發(fā)生器；12、 D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；13、地面射頻接口； 14、井下PN碼發(fā)生器；15、井下擴(kuò)頻
調(diào)制器；16、并/串轉(zhuǎn)換器；17、 A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；18、井下射頻接口； 19、
DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片；20、解擴(kuò)器；21、數(shù)字上變頻器；22、數(shù)字下變頻器；
23、誤碼率測(cè)試模塊；24、直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)；25、地面用戶數(shù)據(jù)；26、
井下用戶數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方 法技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
如圖1 —圖5所示，本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)，包括地面 環(huán)形天線1、地面電視收發(fā)器2、地面手持終端3、地面定位裝置4、井下環(huán)形 天線5、井下電視收發(fā)器6、井下手持終端7，所述的地面電視收發(fā)器2連接地 面環(huán)形天線1，地面電視收發(fā)器2連接地面手持終端3，地面手持終端3連接一 個(gè)定位裝置4;井下電視收發(fā)器6連接井下環(huán)形天線5，井下電視收發(fā)器6連接 井下手持終端7;所述的地面環(huán)形天線1和井下環(huán)形天線之間5設(shè)置直接序列擴(kuò) 頻直通信系統(tǒng)24;所述的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)24包括與地面用戶數(shù)據(jù)25相 連接的地面編碼器8、與編碼器8相連接的串/并轉(zhuǎn)換器9、與串/并轉(zhuǎn)換器9 相連接的地面擴(kuò)頻調(diào)制器10和D / A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12;所述的直接序列擴(kuò)頻通信 系統(tǒng)24包括與井下用戶數(shù)據(jù)26相連接的井下擴(kuò)頻調(diào)制器15，與井下擴(kuò)頻調(diào)制 器15相連接的并/串轉(zhuǎn)換器16，與并/串轉(zhuǎn)換器16連接的A / D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
17;所述的地面用戶數(shù)據(jù)25與井下用戶數(shù)據(jù)26之間連接誤碼率測(cè)試模塊23。 所述的地面擴(kuò)頻調(diào)制器10與地面PN碼發(fā)生器11連接;所述的井下擴(kuò)頻調(diào)
制器15與井下PN碼發(fā)生器14連接；地面電視收發(fā)器2和直徑60英尺的地面
環(huán)形天線1安裝在礦井通風(fēng)口處與井下環(huán)形天線5垂直。
所述的手持終端7是指手機(jī)、對(duì)講機(jī)或筆記本電腦等有收發(fā)信號(hào)功能的終
端設(shè)備。
所述的地面擴(kuò)頻調(diào)制器10包括通過接口與串并轉(zhuǎn)換器9連接的DSP數(shù)字信 號(hào)處理芯片19，從DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片19接收傳送模擬發(fā)送基帶信息和向 DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片19發(fā)送解擴(kuò)基帶信息的FPGA解擴(kuò)器20， FPGA解擴(kuò)器 20輸出端與四個(gè)數(shù)字上變頻器21連接，數(shù)字上變頻器21與D / A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 12連接，D / A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12的射頻接口 13通過透地信道向井下A / D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換器17發(fā)射信號(hào)。
所述的井下擴(kuò)頻調(diào)制器15包括通過接口與井下用戶數(shù)據(jù)26相連接的井下 DSP數(shù)字信號(hào)處理處理芯片19，從DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片19接收基帶信息和 向DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片19發(fā)送解擴(kuò)基帶信息的FPGA解擴(kuò)器20， FPGA解 擴(kuò)器20輸出端與數(shù)字下變頻器22連接，數(shù)字下變頻器22與A / D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 17連接，A / D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器17的射頻接口 18接收D / A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12射頻接 口 13通過透地信道發(fā)來的信號(hào)。
本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信方法包括如下歩聚
在發(fā)端，地面手持終端3向地面電視收發(fā)器2發(fā)出信號(hào)指令，地面電視收 發(fā)器2通過地面環(huán)形天線1發(fā)出用戶數(shù)據(jù)信息，編碼器8將一路串行的數(shù)據(jù)信 息經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換為N路并行的數(shù)據(jù)信息，然后分別用N個(gè)相互正交的PN碼對(duì) 每路信息進(jìn)行調(diào)制完成擴(kuò)頻，形成N路擴(kuò)頻的基帶信息，每路基帶信息再經(jīng)過基帶成形濾波、上變頻調(diào)制到同一中頻后，將N路信號(hào)合成送給射頻接口完成 發(fā)送；
在收端，用與發(fā)端相同的N個(gè)PN碼分別與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，與判 決門限比較獲取同步信息，比較相關(guān)之值大小獲得用戶數(shù)據(jù)，將恢復(fù)的N路數(shù) 據(jù)再進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換恢復(fù)為原始發(fā)送信息。
所述的A / D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器17采用AD6644對(duì)6MHZ中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的中頻數(shù)字化，時(shí)鐘為19.6608MHZ;所述的數(shù)字下變頻器22為AD6620， 數(shù)字下變頻器22包括頻率變換器、二階固定系統(tǒng)梳狀抽取濾波器、五階固定系 統(tǒng)梳狀抽取濾波器和一個(gè)系統(tǒng)可編程的抽取濾波器四個(gè)信號(hào)處理單元，數(shù)字下 變頻器22的初始化由DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片19完成，數(shù)字下變頻器22通過并 口向DSP數(shù)字信號(hào)修理芯片19輸出處理后的基帶數(shù)據(jù)；所述的D / A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 器12完成發(fā)射單元的多路合成數(shù)字中頻向模擬中頻的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為 19.6608MHZ;數(shù)字上變頻器21為AD6623，其包括頻率變換器、二階重插值級(jí) 聯(lián)積分梳狀濾波器、五階插值級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器和一個(gè)RAM系數(shù)濾波器4個(gè) 信號(hào)處理單元，4片數(shù)字上變頻器21組成16路直接序列擴(kuò)頻發(fā)射單元，每一路 分別從解擴(kuò)器20處獲得擴(kuò)頻基帶信息，進(jìn)行基帶成形濾波、插值和上變頻調(diào)制 蛭6MHZ的中頻，最后將16路中頻調(diào)制信號(hào)合成為一路，再經(jīng)D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 器12轉(zhuǎn)換后送給射頻接口。
所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片19采用TI公司的TMS320LC31能進(jìn)行浮點(diǎn) 運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理芯片，主頻可達(dá)60MHZ;在發(fā)射過程中，當(dāng)DSP數(shù)字信號(hào) 處理芯片19檢測(cè)到解擴(kuò)器20產(chǎn)生的申請(qǐng)數(shù)據(jù)的中斷信號(hào)時(shí)就將模擬基帶信息 通過數(shù)據(jù)總線送給解擴(kuò)器20;在接收過程中，DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片19通過解 擴(kuò)器20產(chǎn)生的中斷信號(hào)分別對(duì)己完成解擴(kuò)的各路數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，完成各路信息
的解調(diào)，并將解調(diào)出的各路信息進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換還原為發(fā)射時(shí)的一路串行信息。
所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片19在系統(tǒng)上電時(shí)負(fù)責(zé)完成4片數(shù)字上變頻器
21和數(shù)字下變頻器22的初始化，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，負(fù)責(zé)數(shù)字下變頻器22的 載波恢復(fù)。
所述的解擴(kuò)器20采用ALTERA公司的EP1S40B956C7，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣 列，它向DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片19發(fā)中斷申請(qǐng)，并獲得待發(fā)送的基帶信息；解 擴(kuò)器20將一路串行的基帶信息轉(zhuǎn)換為16路并行的基帶信息，并分別與16個(gè)互 相正交的PN碼相乘完成擴(kuò)頻，然后分別送給4片數(shù)字上變頻器21的16個(gè)數(shù)據(jù) 通道；在接收過程中，數(shù)字下變頻器22將下變頻、濾波后的基帶數(shù)據(jù)送給解擴(kuò) 器20，分別與16個(gè)本地正交PN碼進(jìn)行匹配，完成16路PN碼的捕獲跟蹤，實(shí) 現(xiàn)16路數(shù)據(jù)的解擴(kuò)。
實(shí)施例1 。
本發(fā)明所述的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)包括地面電視收發(fā)器2、地面 環(huán)形天線l、定位裝置4、地面用戶數(shù)據(jù)25、編碼器8、 PN碼發(fā)生器ll、地面擴(kuò)頻 調(diào)制器IO、 D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器12、地面射頻接口13、井下射頻接口18、 A/D數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換器17、并/串轉(zhuǎn)換器16、擴(kuò)頻調(diào)制器15、井下PN碼發(fā)生器14、井下用戶數(shù) 據(jù)26、誤碼率測(cè)試模塊23、井下環(huán)形天線5、井下電視收發(fā)器6、井下手持終端7， 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的接收一般采用相關(guān)電視接收器，并分成兩步，即解擴(kuò)和解調(diào)。 在接收端，接收信號(hào)經(jīng)過數(shù)控振蕩器放大混頻后，用與發(fā)射端相同且同步的由m 序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，把擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成窄帶 信號(hào)，然后再由基帶濾波器進(jìn)行解調(diào)，最后恢復(fù)出原始信息序列。由于干擾和 噪聲與偽隨機(jī)碼不相關(guān)，因此接收機(jī)的相關(guān)解擴(kuò)相當(dāng)于對(duì)其進(jìn)行又一次擴(kuò)頻， 將干擾和噪聲進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，降低了進(jìn)入頻帶內(nèi)的干擾功率，同時(shí)使得解調(diào)器
的輸入信噪比提高，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采 用的技術(shù)方案是，提供一種井下雙向的語音透地通信系統(tǒng)，包括透地的聲音通 信，由兩個(gè)收發(fā)器和與環(huán)形天線相匹配的阻抗組成，并配上定位裝置。每個(gè)收 發(fā)器裝有兩個(gè)不同的獨(dú)立的環(huán)形天線。 一個(gè)用來接收，另一個(gè)用來發(fā)送。每個(gè) 收發(fā)器裝兩個(gè)不同的獨(dú)立的環(huán)形天線。每個(gè)收發(fā)器連接一個(gè)手持終端，地面上 的手持終端配備一個(gè)定位裝置器。這種傳送方式是半雙工的，即允許雙方都可 以通信，但不能同時(shí)傳送信號(hào)。兩個(gè)收發(fā)器之間的通信連接通過地面和地下的
天線發(fā)送的超低頻(3000-8000)信號(hào)。收發(fā)器利用一個(gè)單一的邊帶調(diào)節(jié)器來調(diào) 節(jié)聲音信號(hào)。信號(hào)在收發(fā)器終端接受時(shí)被解調(diào)和過濾。 一個(gè)蜂巢過濾器削減60
赫茲的噪音。在發(fā)射端和接收端分別采用直接序列擴(kuò)頻。
所述的手持終端7是指手機(jī)、對(duì)講機(jī)或筆記本電腦等有收發(fā)信號(hào)功能的終 端設(shè)備。
本發(fā)明井下雙向語音透地通信的原理如圖l所示，由兩個(gè)收發(fā)器和與環(huán)形天 線相匹配的阻抗組成，并配上定位裝置。每個(gè)收發(fā)器裝兩個(gè)不同的獨(dú)立的環(huán)形 天線。每個(gè)收發(fā)器連接一個(gè)手持終端，地面上的手持終端配備一個(gè)定位裝置器。 上面框內(nèi)是地面部分，下面是井下部分。
圖2是透地?cái)U(kuò)頻通信系統(tǒng)，從圖上可以看出，先將一路串行的數(shù)據(jù)信息經(jīng)串 /并轉(zhuǎn)換為#路并行的數(shù)據(jù)信息,然后分別用#個(gè)相互正交的PN碼對(duì)每路信息進(jìn) 行調(diào)制完成擴(kuò)頻，形成l路擴(kuò)頻的基帶信息，每路基帶信息再經(jīng)過基帶成形濾波、 上變頻調(diào)制到同一中頻后，再將iV路信號(hào)合成送給射頻接口完成發(fā)送。在井下部 分，用與發(fā)端相同的^個(gè)PN碼分別與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，與判決門限比較獲 取同步信息，比較相關(guān)之值大小獲得用戶數(shù)據(jù)，將恢復(fù)的#路數(shù)據(jù)再進(jìn)行并/串轉(zhuǎn) 換，即恢復(fù)出原始發(fā)送信息。這樣，整個(gè)系統(tǒng)所需的傳輸帶寬就降低為原來的l
/見地面收發(fā)器和60英尺的環(huán)形天線裝在通風(fēng)口和地下的天線垂直。用電視收 發(fā)器和手持無線電廣播設(shè)備進(jìn)行一系列聲音傳播。兩種設(shè)備在真實(shí)時(shí)間工作和 允許民用波段來進(jìn)行雙向聲音透地通信，地下的手持無線電廣播裝置可以在地 下電視收發(fā)器幾百英尺處進(jìn)行工作。
本發(fā)明的一個(gè)主要特征是采用直接序列擴(kuò)頻(直擴(kuò))和連接電視收發(fā)器來 進(jìn)行擴(kuò)頻通信。其中連接電視收發(fā)器可以進(jìn)行語音通信，而用直擴(kuò)數(shù)字通信可
以增加信號(hào)穿透能力，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。A /D轉(zhuǎn)換器采用 AD公司的AD6644，它的最高采樣率可達(dá)65MSPS，分辨率為14位。由AD6644直接對(duì) 6MHz中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的中頻數(shù)字化，采樣時(shí)鐘為19. 6608 MHz;數(shù)字 下變頻器選用AD公司的AD6620，其內(nèi)部信號(hào)處理單元由4個(gè)部分組成頻率變換 器、二階固定系數(shù)梳狀抽取濾波器(CIC2)、五階固定系數(shù)梳狀抽取濾波器(C IC5 : 和一個(gè)系數(shù)可編程的抽取濾波器(RCF) ， AD6620的初始化由DSP TMS30LC31完 成，AD6620通過并口向DSP輸出處理后的基帶數(shù)據(jù)；系統(tǒng)中，AD9772A完成發(fā)射單 元的多路合成數(shù)字中頻向模擬中頻的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為19. 6608MHz;數(shù)字上 變頻器采用AD公司的AD6623(內(nèi)部的信號(hào)處理包括以下4個(gè)部分:頻率變換器、 二階重插值級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(rCIC2)、五階插值級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(C IC5: 以及一個(gè)RAM系數(shù)濾波器(RCF))，系統(tǒng)中共采用4片AD6623組成16路直接序 列擴(kuò)頻發(fā)射單元，每一路分別從FPGA處取得擴(kuò)頻基帶信息，進(jìn)行基帶成形濾波、 插值和上變頻調(diào)制到6MHz的中頻，最后將16路中頻調(diào)制信號(hào)合成為一路，再經(jīng)D /A轉(zhuǎn)換后送給射頻發(fā)射單元接口； DSP采用TI公司的TMS320LC31 (哈佛結(jié)構(gòu))， 它是一種能進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理芯片，主頻可達(dá)60MHz。 TMS320LC31主 要完成的功能是:在發(fā)射過程中，由程序產(chǎn)生模擬的基帶信息，當(dāng)DSP檢測(cè)到FPGA 產(chǎn)生的申請(qǐng)數(shù)據(jù)的中斷信號(hào)時(shí)就將模擬基帶信息通過數(shù)據(jù)總線送給FPGA;在接
收過程中，DSP通過FPGA產(chǎn)生的中斷信號(hào)分別對(duì)已完成解擴(kuò)的各路數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，
完成各路信息的解調(diào)，并將解調(diào)出的各路信息進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換還原為發(fā)射時(shí)的一
路串行信息。此外，DSP在系統(tǒng)上電時(shí)負(fù)責(zé)完成AD6623禾口AD6620的初始化，在 運(yùn)行過程中，還要負(fù)責(zé)AD6620的載波恢復(fù)；FPGA采用的是ALTERA公司的 EP1S40B956C7， FPGA向DSP發(fā)中斷申請(qǐng)，獲得待發(fā)送的基帶信息。在FPGA中，將 一路串行的基帶信息轉(zhuǎn)換為16路并行的基帶信息，并分別與16個(gè)互相正交的PN 碼相乘完成擴(kuò)頻，然后分別送給四片AD6623的16個(gè)數(shù)據(jù)通道。在接收過程中， 數(shù)字下變頻器AD6620將下變頻、濾波后的基帶數(shù)據(jù)送給FPGA，分別與16個(gè)本地 正交PN進(jìn)行匹配，完成16路PN碼的捕獲跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)16路數(shù)據(jù)的解擴(kuò)。
權(quán)利要求
1、一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)，包括地面環(huán)形天線(1)、地面電視收發(fā)器(2)、地面手持終端(3)、地面定位裝置(4)、井下環(huán)形天線(5)、井下電視收發(fā)器(6)、井下手持終端(7)，其特征在于所述的地面電視收發(fā)器(2)連接地面環(huán)形天線(1)，地面電視收發(fā)器(2)連接地面手持終端(3)，地面手持終端(3)連接一個(gè)定位裝置(4)；井下電視收發(fā)器(6)連接井下環(huán)形天線(5)，井下電視收發(fā)器(6)連接井下手持終端(7)；所述的地面環(huán)形天線(1)和井下環(huán)形天線之間(5)設(shè)置直接序列擴(kuò)頻直通信系統(tǒng)(24)；所述的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(24)包括與地面用戶數(shù)據(jù)(25)相連接的地面編碼器(8)、與編碼器(8)相連接的串/并轉(zhuǎn)換器(9)、與串/并轉(zhuǎn)換器(9)相連接的地面擴(kuò)頻調(diào)制器(10)和D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(12)；所述的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(24)包括與井下用戶數(shù)據(jù)(26)相連接的井下擴(kuò)頻調(diào)制器(15)，與井下擴(kuò)頻調(diào)制器(15)相連接的并/串轉(zhuǎn)換器(16)，與并/串轉(zhuǎn)換器(16)連接的A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(17)；所述的地面用戶數(shù)據(jù)(25)與井下用戶數(shù)據(jù)(26)之間連接誤碼率測(cè)試模塊(23)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)，其特征在于 所述的地面擴(kuò)頻調(diào)制器(10)與地面PN碼發(fā)生器(11)連接；所述的井下擴(kuò)頻 調(diào)制器(15)與井下PN碼發(fā)生器(14)連接；地面電視收發(fā)器(2)和直徑60 英尺的地面環(huán)形天線(1)安裝在礦井通風(fēng)口處與井下環(huán)形天線(5)垂直。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)，其特征在于 所述的手持終端(7)是指手機(jī)、對(duì)講機(jī)或筆記本電腦等有收發(fā)信號(hào)功能的終端 設(shè)備。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)，其特征在于所述的地面擴(kuò)頻調(diào)制器(10)包括通過接口與串并轉(zhuǎn)換器(9)連接的DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片(19)，從DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片(19)接收傳送模擬發(fā)送基帶信 息和向DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片(19)發(fā)送解擴(kuò)基帶信息的FPGA解擴(kuò)器(20)， FPGA解擴(kuò)器(20)輸出端與四個(gè)數(shù)字上變頻器(21)連接，數(shù)字上變頻器(21) 與D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(12)連接，D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(12)的射頻接口 (13)通 過透地信道向井下A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(17)發(fā)射信號(hào)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)，其特征在于 所述的井下擴(kuò)頻調(diào)制器(15)包括通過接口與井下用戶數(shù)據(jù)(26)相連接的井 下DSP數(shù)字信號(hào)處理處理芯片(19)，從DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片(19)接收基 帶信息和向DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片(19)發(fā)送解擴(kuò)基帶信息的FPGA解擴(kuò)器(20)， FPGA解擴(kuò)器(20)輸出端與數(shù)字下變頻器(22)連接，數(shù)字下變頻器(22)與 A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(17)連接，A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(17)的射頻接口 (18)接收 D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(12)射頻接口 (13)通過透地信道發(fā)來的信號(hào)。
6、 如權(quán)利要求1所述的一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信方法，其特征在于 所述的方法包括如下步聚在發(fā)端，地面手持終端(3)向地面電視收發(fā)器(2)發(fā)出信號(hào)指令，地面 電視收發(fā)器(2)通過地面環(huán)形天線(1)發(fā)出用戶數(shù)據(jù)信息，編碼器(8)將一 路串行的數(shù)據(jù)信息經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換為N路并行的數(shù)據(jù)信息，然后分別用N個(gè)相互 正交的PN碼對(duì)每路信息進(jìn)行調(diào)制完成擴(kuò)頻，形成N路擴(kuò)頻的基帶信息，每路 基帶信息再經(jīng)過基帶成形濾波、上變頻調(diào)制到同一中頻后，將N路信號(hào)合成送 給射頻接口完成發(fā)送；在收端，用與發(fā)端相同的N個(gè)PN碼分別與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，與判 決門限比較獲取同步信息，比較相關(guān)之值大小獲得用戶數(shù)據(jù)，將恢復(fù)的N路數(shù) 據(jù)再進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換恢復(fù)為原始發(fā)送信息。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信方法，其特征在于所述的A / D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(17)采用AD6644對(duì)6MHZ中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的中頻數(shù)字化，時(shí)鐘為19.6608MHZ;所述的數(shù)字下變頻器(22)為 AD6620,數(shù)字下變頻器(22)包括頻率變換器、二階固定系統(tǒng)梳狀抽取濾波器、 五階固定系統(tǒng)梳狀抽取濾波器和一個(gè)系統(tǒng)可編程的抽取濾波器四個(gè)信號(hào)處理單 元，數(shù)字下變頻器(22)的初始化由DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片(19)完成，數(shù)字 下變頻器(22)通過并口向DSP數(shù)字信號(hào)修理芯片(19)輸出處理后的基帶數(shù) 據(jù)；所述的D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(12)完成發(fā)射單元的多路合成數(shù)字中頻向模擬 中頻的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為19.6608MHZ;數(shù)字上變頻器(21)為AD6623， 其包括頻率變換器、二階重插值級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器、五階插值級(jí)聯(lián)積分梳狀 濾波器和一個(gè)RAM系數(shù)濾波器4個(gè)信號(hào)處理單元，4片數(shù)字上變頻器(21)組 成16路直接序列擴(kuò)頻發(fā)射單元，每一路分別從解擴(kuò)器(20)處獲得擴(kuò)頻基帶信 息，進(jìn)行基帶成形濾波、插值和上變頻調(diào)制蛭6MHZ的中頻，最后將16路中頻 調(diào)制信號(hào)合成為一路，再經(jīng)D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(12)轉(zhuǎn)換后送給射頻接口。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信方法，其特征在 于所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片(19)采用TI公司的TMS320LC31能進(jìn)行 浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理芯片，主頻可達(dá)60MHZ;在發(fā)射過程中，當(dāng)DSP數(shù)字 信號(hào)處理芯片(19)檢測(cè)到解擴(kuò)器(20)產(chǎn)生的申請(qǐng)數(shù)據(jù)的中斷信號(hào)時(shí)就將模 擬基帶信息通過數(shù)據(jù)總線送給解擴(kuò)器(20);在接收過程中，DSP數(shù)字信號(hào)處理 芯片(19)通過解擴(kuò)器(20)產(chǎn)生的中斷信號(hào)分別對(duì)已完成解擴(kuò)的各路數(shù)據(jù)進(jìn) 行接收，完成各路信息的解調(diào)，并將解調(diào)出的各路信息進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換還原為發(fā) 射時(shí)的一路串行信息。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信方法，其特征在于 所述的DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片(19)在系統(tǒng)上電時(shí)負(fù)責(zé)完成數(shù)字上變頻器(21) 和數(shù)字下變頻器(22)的初始化，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，負(fù)責(zé)數(shù)字下變頻器(22) 的載波恢復(fù)。
10、根據(jù)權(quán)利要求7所述的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信方法，其特征在于: 所述的解擴(kuò)器(20)采用ALTERA公司的EP1S40B956C7，它向DSP數(shù)字信號(hào) 處理芯片(19)發(fā)中斷申請(qǐng)，并獲得待發(fā)送的基帶信息；解擴(kuò)器(20)將一路 串行的基帶信息轉(zhuǎn)換為16路并行的基帶信息，并分別與16個(gè)互相正交的PN碼 相乘完成擴(kuò)頻，然后分別送給4片數(shù)字上變頻器(21)的16個(gè)數(shù)據(jù)通道；在接 收過程中，數(shù)字下變頻器(22)將下變頻、濾波后的基帶數(shù)據(jù)送給解擴(kuò)器(20)， 分別與16個(gè)本地正交PN碼進(jìn)行匹配，完成16路PN碼的捕獲跟蹤，實(shí)現(xiàn)16 路數(shù)據(jù)的解擴(kuò)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種地下礦井中的通信系統(tǒng)，具體地說是涉及一種擴(kuò)頻技術(shù)的井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法。本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)地面電視收發(fā)器連接地面環(huán)形天線，地面電視收發(fā)器連接地面手持終端，地面手持終端連接一個(gè)定位裝置；井下電視收發(fā)器連接井下環(huán)形天線，井下電視收發(fā)器連接井下手持終端；所述的地面環(huán)形天線和井下環(huán)形天線之間設(shè)置直接序列擴(kuò)頻直通信系統(tǒng)。通過采取上述方案，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)采用直擴(kuò)的數(shù)字無線通信系統(tǒng)，具有抗干擾、多路徑、低截獲率，可以進(jìn)行雙向語音透地通信。本發(fā)明一種井下雙向語音直擴(kuò)透地通信系統(tǒng)及方法適用于礦業(yè)企業(yè)的事故預(yù)警和事故救援領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H04B1/00GK101359934SQ20081004619
公開日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者劉蘊(yùn)絡(luò), 周賢偉, 苗許娜, 黃秋香 申請(qǐng)人:西部礦業(yè)股份有限公司