專利名稱：一種延長彈性波透地通信距離的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于透地通信技術領域，具體涉及一種延長彈性波透地通信距離的方法。
背景技術：
在煤礦及其它地下開采的礦井生產(chǎn)過程中，安全事故時有發(fā)生，如透水、瓦斯爆炸、火災等，在造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的同時，也破壞了現(xiàn)有通信信道，使井下和地面無法聯(lián)系，無法得知井下人員的具體情況，影響救援的進度。透地通信由于其利用大地作為傳輸信道，信道特性穩(wěn)定，不受事故影響，因而透地通信可成為救援的可靠支持手段。目前的幾種透地通信系統(tǒng)都是以電磁波為信息傳輸媒介，如澳大利亞礦山技術公司的PED系統(tǒng)、加拿大的Canary系統(tǒng)以及美國洛克希德-馬丁公司的MagneLink系統(tǒng)等。PED系統(tǒng)從上世紀90年代末已經(jīng)在幾家煤礦安裝運行，目前已經(jīng)使用的電磁波透地通信的 相關產(chǎn)品，其設備體積和功率都非常巨大，使用的是半徑十幾公里到幾十公里的巨大環(huán)形天線，由于該系統(tǒng)的發(fā)送設備體積龐大，無法在井下巷道和工作面安裝，因此只能實現(xiàn)單向通信；申請?zhí)枮?00810158220. I的專利介紹了一種使用彈性波作為透地通信手段的技術，但是目前尚沒有見到彈性波透地通信的相關產(chǎn)品，而且采用彈性波傳輸信號會面臨復雜的大地信道，同時，信號傳輸?shù)哪芰繐p耗也主要有兩項是換能器與地層介質的耦合損耗和傳輸損耗。耦合效率可以通過設計緊密耦合換能裝置來提高，而解決彈性波的傳播損耗相對更難解決，因為傳播損耗與地層地質結構和巖石巖性有關，一般情況下，彈性波信號傳輸衰減包括界面反射損耗、介質吸收損耗、波前擴散損耗以及散射損耗，其中主要損耗是介質吸收和波前擴散。以介質吸收損耗為例，在地層介質中典型幅度衰減值為O. 5 IdB/λ，如果彈性波波長2米，800米厚度的地層就會衰減20(T400dB，這是通信所不能承受的。目前尚沒有彈性波透地通信的相關產(chǎn)品，只有相關試驗系統(tǒng)的測試報道，所使用的信號都是基帶信號進行通信，受發(fā)射功率的限制，這類透地通信系統(tǒng)的通信距離只能達到一百多米，不能滿足地下通信的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是要解決在發(fā)生危險時實行搶險救援，同時現(xiàn)有通信系統(tǒng)受到影響時，借鑒擴展頻譜通信的思想，將信源輸出碼元的脈寬進行時間擴展，再用擴展后的碼元調(diào)制偽隨機序列，以使接收端進行相關接收時獲得額外的處理增益，提高接收靈敏度，在發(fā)送端發(fā)射功率不變的情況下，能相應地延長通信距離。本發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的，其特征在于實施步驟為
I)將信息源要發(fā)送的、意義相對完整的數(shù)據(jù)作為I段數(shù)據(jù)，本段數(shù)據(jù)的長度不超過L比特，將本段數(shù)據(jù)分成K幀，不足K幀用冗余幀填充，每幀數(shù)據(jù)的長度為N比特，不足N比特的由冗余位填充，其中N e {8，16，32，64，128，256，512，1024}，在K幀數(shù)據(jù)開始前和結束后分別增加I幀數(shù)據(jù)，開始前增加的I幀數(shù)據(jù)稱為起始標志幀，結束后增加的I幀數(shù)據(jù)稱為結束標志幀；2)將一幀數(shù)據(jù)以速率/5連續(xù)送入速率變換器的寄存器中，并在寫入控制信號的控制下將數(shù)據(jù)一幀一幀寫入速率變換
器的緩存中，一幀數(shù)據(jù)用式子-AU表示，其中<ντ =1//，表示
每比特數(shù)據(jù)所占用的時間，即數(shù)據(jù)周期，則Κ+2幀數(shù)據(jù)全部接收到緩沖中所需要的時間為
t, = [(K + 2)x 外名=[(K + 2)x F]xT,
這也是速率變換器接收K+2幀數(shù)據(jù)所需要的時間；
3)速率變換器中緩存的數(shù)據(jù)輸入和輸出是同時進行的，在I幀數(shù)據(jù)寫入速率變換器中的緩存后，速率變換器再以速率力+ —比特一比特的串行輸出這一幀數(shù)據(jù)，用
M Σ PNc {kTc — Lte)表示,而且有
ifNWW
V PNh-Me)= V PNXkX I/ fe-^J = V PNXkxMi1 ￡ - Me)= TPNc{kM% - Me)
ι αs-ιt-i
其中M為大于I的整數(shù)，表示時間擴展的倍數(shù)，表示速率變換器輸出的每位數(shù)據(jù)所
占用的時間，即輸出數(shù)據(jù)的周期，O <△匕<2；。則速率變換器全部發(fā)送完K+2幀數(shù)據(jù)所需要的時間為
J1= [{K + 2)χ//]-/" = [(K + 2)xiV]^- ft XM =taxM
即速率變換器全部發(fā)送完K+2幀數(shù)據(jù)所用的時間是全部接收完K+2幀數(shù)據(jù)所用時間的M倍，在速率變換器輸出每幀數(shù)據(jù)的同時，其它數(shù)據(jù)幀的接收存儲同步進行；
4)速率變換器輸出的、速率力的每幀數(shù)據(jù)與本地偽隨機噪聲碼(PN碼)發(fā)生器生成
的、速率為t，、周期為M的周期性偽隨機序列哎-從)進行模2加運算，則運算后
ΛM
得到的新序列PNl為
Σ pnM - Kh ΣΣ ρΝΜζ - O PKiiiK-棒 kX - J
其中序列PNl為一幀數(shù)據(jù)經(jīng)過運算后得到的新序列，其碼元(或碼片)速率力然后
將這些碼元進行相移鍵控(PSK)調(diào)制或頻移鍵控(FSK)調(diào)制輸出至換能器變換成相應的彈性波信號發(fā)射出去；
5)接收端接收到彈性波信號后，經(jīng)過檢波、放大和Α/D轉換后，由同步單元完成對偽隨機序列擴頻碼的解調(diào)，得到速家為r的序列PNl，然后將PNl序列與周期性的偽隨機序列
Zm^T} -Ais)每M個碼元做一次相關運算得到一位數(shù)據(jù)，當將NXM個碼元做N次相關
A-I
運算后，結果會得到速率為、幅度為M的一幀數(shù)據(jù)ΣΙ Σ ρ^ -- Δ/』=￡ ^[PNtIkTJM-- Δ‘)3
% -O I* .MtMHJ \^{l· mk-^* Ij
與速率變換器輸出的數(shù)據(jù)有如下關系
N^l Γ Αι+WIM
ΣI Σ [觀1 (k% / M — At, Jpn5 (k% / M - Me)] \ = Plle {k% — M6)
It-O [k^M+lJ JUl
與信源發(fā)送數(shù)據(jù)相比，除了速率不同以外，得到的數(shù)據(jù)幅度提高了 M-I倍，即增益提高T WlgM dB 6)將上述得到的一幀數(shù)據(jù)-Δ4),輸入到速率反變換器，并以的速率
JUl
一比特一比特的串行送出這一幀數(shù)據(jù)；
7)將其余K-I幀數(shù)據(jù)用從步驟I)到步驟6)同樣的方法處理，當接收端接收到全部K+2幀數(shù)據(jù)后，去除起始標志幀和結束標志幀,取出完整的數(shù)據(jù)作即可。本發(fā)明的優(yōu)點及積極效果有①由于考慮了透地通信的特殊性，同時借鑒了擴頻通信的思想，為遠距離透地通信提供了一種方法；②通過使用本方法，信號的處理增益可以提高IOlgM dB，因此可以延長通信距離而且在時間擴展后并不會展寬原始基帶信號的頻譜；目前隨著地下采煤巷道長度的延長，通過該發(fā)明可以進一步保證地下工人與地面調(diào)度室之間的正常通信。


圖I是彈性波透地通信系統(tǒng)發(fā)送單元和接收單元信號處理流程圖。圖2是速率變換器結構圖。圖3是速率反變換器結構圖。圖4是數(shù)據(jù)速率變換、偽隨機序列擴展及一次相干積分運算結果示意圖。其中，圖2是速率變換器結構圖，速率變換器接收來自信息源的比特流并在時鐘信號clockl的控制下，一位一位輸入到輸入寄存器，然后在寫時鐘的驅動下，以幀為單位從輸入寄存器寫入到一個雙口 RAM的緩沖存儲器，雙口 RAM既可以是獨立的RAM器件如IDT7026，也可以是可編程邏輯器件(如FPGA)內(nèi)的RAM ;在RAM輸出端，在讀出控制信號的控制下，從RAM中讀出一幀數(shù)據(jù)至輸出寄存器，這幀數(shù)據(jù)再在時鐘Clock2的驅動下輸出。本發(fā)明中采用可編程控制器件實現(xiàn)16位1024個存儲單元的雙口 RAM模塊的Verilog代碼如下
Module daul_ ram (elk, data_in, rd_address, read, data_out, write_address,write);
input elk;
input [15:0] data_in;input [9:0] rd_address;input read;input [9:0] wr_address;input write; output [15:0] dataout; wire elk; wire [15:0] datain; wire [9:0] rd—address; wireread;
wire [9:0] wr_address;wirewrite;
reg [15:0] dataout; reg [15:0] mem; [3:0] always @ (posedge elk) begin; if (write)
mem[write_address]<= data—in;if (read)
data—out <= mem [wri te_address];end
endmodule
其中，圖4中的(I)表示原始信源數(shù)據(jù)，速率為Λ，(2)表示的是經(jīng)過速率變換器后的
信源數(shù)據(jù)，其速率變?yōu)棣?, (3)表示本地產(chǎn)生的偽隨機序列碼,其速率為Λ , (4)表示經(jīng)過
本地偽隨機序列碼擴展后的信源數(shù)據(jù)，其速率為/ , (5)是經(jīng)過接收單元進行相干積分運
算后的數(shù)據(jù)，其速率變?yōu)橛郑?6)表示經(jīng)過相干積分運算后數(shù)據(jù)的幅度，幅度已經(jīng)是原信源數(shù)據(jù)幅度的M倍。
具體實施例方式以下結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。一種延長彈性波透地通信距離的方法，包括下列具體步驟
步驟I :取1024比特作為I段意義完整的數(shù)據(jù)，將其分成64幀，每幀16比特，在64幀開始前增加一個起始標志幀，在最后增加一個結束標志幀，這樣所有數(shù)據(jù)一共是66幀，即1056比特；
步驟2 :將這段共1056比特的數(shù)據(jù)以比特速率為200bit/s、連續(xù)送到圖2所示的速
率變換器，整個發(fā)送過程時間共需1056 (bit) +200 (bit/s) =5280ms,即速率變換器全部收到66幀數(shù)據(jù)共需5280 ms ；
步驟3 :在I幀數(shù)據(jù)寫入圖2的速率變換器中的緩存后，速率變換器再以速率HM =25bit/s 一比特一比特的串行輸出這一幀數(shù)據(jù)，這里取M=8，則速率變換器全部發(fā)送完66幀數(shù)據(jù)所需要的時間為5280 msX8=42240 ms。如圖4中，(I)是取原始數(shù)據(jù)1056比特中的兩位數(shù)據(jù)“10”，經(jīng)過速率變換器變換后得到圖4中的(2)，其中數(shù)據(jù)沒有變化，只是每位數(shù)據(jù)所占用的時間變長了 ；步驟4:速率變換器輸出數(shù)據(jù)中的兩位數(shù)據(jù)“10”，如圖4中⑵所示，本地PN碼發(fā)生
器生成的速率為Λ =200bit/s、周期為Μ=8的偽隨機序列“11010101”，如圖4中(3)所示。
速率變換器輸出速率為25bit/s的兩位數(shù)據(jù)“10”與本地生成的周期偽隨機序列碼進行模
2加運算，得到擴展的序列“00101010 11010101”，如圖4中(4)所示，該序列的頻率為Λ
=200bit/s，然后將序列的每個碼元經(jīng)過PSK或FSK調(diào)制輸出至換能器并變換成相應的彈性波信號發(fā)射出去；
步驟5 :接收端接收到彈性波信號后，經(jīng)過檢波、放大和Α/D轉換后，由同步單元完成對偽隨機序列擴頻碼的解調(diào)，得到速率為200bit/s的序列PN1，即得到的實際上是圖4中(4)所示的序列，然后將PNl序列與速率為200bit/s的周期性偽隨機序列每8個碼元做一次相干積分運算，
σ I“- μ )] [=_ / 3 -私 Wi m / 8 -氧.4
IJUllAi*!J IwI
結果會得到速率為25bit/s、幅度為原始數(shù)據(jù)幅度8倍的數(shù)據(jù)，見圖中(5)所示。這樣與原始數(shù)據(jù)相比，除了速率不同以外，得到的數(shù)據(jù)幅度比原始數(shù)據(jù)的幅度提高了 7倍，即增益提高了dB= IOlgS dB ^ 9dB ；
步驟6 :將步驟5中得到的數(shù)據(jù)輸入到圖3中速率反變換器，并以200bit/s的速率一比特一比特的串行送出數(shù)據(jù)，就可以得到速率為25bit/s的原始數(shù)據(jù)；
步驟7 :將其余的1054位數(shù)據(jù)用與步驟4)到步驟6)處理相同的方法處理，直到接收端接收到全部66幀數(shù)據(jù)，也就是接收到全部的1056位數(shù)據(jù)，然后去除起始標志幀和結束標志幀，取出完整的數(shù)據(jù)作即可。
權利要求
1.一種延長彈性波透地通信距離的方法，其特征在于實施步驟為 1)將信息源要發(fā)送的、意義相對完整的數(shù)據(jù)作為I段數(shù)據(jù)，本段數(shù)據(jù)的長度不超過L比特，將本段數(shù)據(jù)分成K幀，不足K幀用冗余幀填充，每幀數(shù)據(jù)的長度為N比特，最后一幀若不足N比特的由冗余比特填充，其中N G {8，16，32，64，128, 256,512, 1024}，在K幀數(shù)據(jù)開始前和結束后分別增加I幀數(shù)據(jù)，開始前增加的I幀數(shù)據(jù)稱為起始標志幀，結束后增加的I幀數(shù)據(jù)稱為結束標志幀；2)將一幀數(shù)據(jù)以速率/5連續(xù)送入速率變換器的寄存器中，并在寫入控制信號的控制下將數(shù)據(jù)一幀一幀寫入速率變換器的緩存中，一幀數(shù)據(jù)用式子 表示，其中 表示每比特數(shù)據(jù)所占用的時間，即數(shù)據(jù)周期，則K+2幀數(shù)據(jù)全部接收到緩沖中所需要的時間為
全文摘要
一種在不改變傳輸信號帶寬的條件下有效延長彈性波透地通信距離的方法，屬于透地通信技術領域，其特征是通過速率變換器以不同的輸入和輸出時鐘完成對比特碼元的時間擴展，將脈寬擴展為原來的M倍，本地PN碼以與信源輸出相同的速率產(chǎn)生和輸出偽隨機序列，并與做了時間擴展后的碼元進行偽隨機序列擴展；信號發(fā)送到接收單元后，同步單元解擴解調(diào)后的碼元以速率fc輸出至速率反變換器并以fs速率讀出至終端輸出單元。該方法能在不改變傳輸信號帶寬的情況下獲得較高的處理增益，在接收機靈敏度不變的情況下，本方法相當于延長了彈性波信號的透地通信距離。適用于非實時的數(shù)據(jù)通信，可有效地應用于礦山應急救災通信。
文檔編號H04B13/02GK102811115SQ20121025388
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權日2012年7月23日
發(fā)明者郝建軍, 王鳳瑛, 丁曉明, 孫緒保, 顏斌 申請人:山東科技大學