摘 要： 為了提高礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，首先采用電磁波理論和信息論對(duì)透地信道進(jìn)行深入分析；提出采用擴(kuò)頻技術(shù)是解決透地通信接收信號(hào)微弱和干擾嚴(yán)重的有效方法，并建立了基于SystemView的通信系統(tǒng)仿真模型。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果和系統(tǒng)的誤碼率特性分析表明，該系統(tǒng)可以有效抑制干擾，實(shí)現(xiàn)信號(hào)可靠傳輸，為礦井移動(dòng)通信的發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 透地通信；大地媒質(zhì)；天線設(shè)計(jì)；擴(kuò)頻技術(shù)；仿真
透地通信是一種以分層大地作為傳輸媒質(zhì)，利用無(wú)線電波直接穿透大地來(lái)實(shí)現(xiàn)地面與井下信息交流的無(wú)線通信技術(shù)。透地通信的傳輸介質(zhì)是分層大地，因此當(dāng)?shù)V井突發(fā)坍塌、井底透水等災(zāi)害事故時(shí)，通信設(shè)施不會(huì)遭到太大的損害，被認(rèn)為是最可靠的應(yīng)急救援通信手段。然而透地信道的干擾、嚴(yán)重衰減以及弱信號(hào)接收困難等問(wèn)題的存在，使得透地通信系統(tǒng)的研究進(jìn)展十分緩慢。根據(jù)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可以在很低的功率譜密度條件下可靠地工作，甚至信號(hào)電平在一定噪聲的“淹沒(méi)”下也能有效通信的特點(diǎn)，本文將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用到礦井透地通信系統(tǒng)中，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的仿真模型，給出了仿真結(jié)果，證明了本文方法的有效性和優(yōu)越性。
1 礦井透地信道特性分析
1.1 透地信道的衰減特性
本文中把透地通信信號(hào)的傳輸媒質(zhì)（大地）看作是均勻的、電導(dǎo)率有限的媒質(zhì)，這種假設(shè)有利于建立信號(hào)沿礦井無(wú)線通道傳輸過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。
由式（6）可得：媒質(zhì)電導(dǎo)率?滓與發(fā)送端電磁波頻率f的大小決定了電磁波信號(hào)穿透地層的深度。各地礦井的煤層深度不同，因此其電導(dǎo)率?滓也不同，從而使得其穿透深度也不同；電磁波的頻率f越高，幅值衰減就越嚴(yán)重，穿透能力越弱，傳播距離就越短。根據(jù)以上的分析可知：在透地通信系統(tǒng)中必須保證電磁波工作在甚低頻段（VLF3～30 kHz）。
1.2 透地信道的干擾特性
信道中的干擾是決定通信質(zhì)量好壞的最主要因素，并且透地通信系統(tǒng)中有些設(shè)備的靈敏度極高。事實(shí)上，礦井無(wú)線通信的干擾主要包括工業(yè)和自然的各種干擾電平。
地面上的長(zhǎng)波、高壓輸電線和超聲波波段的無(wú)線電廣播臺(tái)是常見(jiàn)的工業(yè)干擾源。陰雨天氣時(shí)，雷電放電在巖層中感應(yīng)出的寬頻譜電磁場(chǎng)、大地恒定電場(chǎng)的波動(dòng)都會(huì)對(duì)透地通信系統(tǒng)造成很大影響，是很常見(jiàn)的天然干擾源。
地下礦井通道里的主要干擾源是電力電纜網(wǎng)絡(luò)和各種機(jī)電設(shè)備。這些網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備可能會(huì)產(chǎn)生巨大的脈沖電流流散到周圍的巖層中，這些電流在各個(gè)方向的分量將對(duì)透地通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾。
2 礦井透地通信系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)
由于透地通信系統(tǒng)中使用的信號(hào)頻率極低以及各種干擾可能通過(guò)不同途徑到達(dá)接收點(diǎn)，因此要想實(shí)現(xiàn)穿透地層的無(wú)線電信號(hào)可靠傳輸，設(shè)計(jì)良好的發(fā)射和接收天線裝置是極其重要的。
在礦井低頻無(wú)線通信中，一般是利用電磁波的近區(qū)到中間區(qū)的場(chǎng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。當(dāng)天線裝置的經(jīng)典計(jì)算推廣到半導(dǎo)電媒質(zhì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致對(duì)天線裝置效能估計(jì)的非單值性。
由天線知識(shí)可知，天線上的電流是按照有耗長(zhǎng)線的規(guī)律分布的。當(dāng)天線尺寸較小時(shí)，若用終端開(kāi)路形式，天線的有效長(zhǎng)度只有實(shí)際長(zhǎng)度的一半，輻射能力減弱，需要在天線回路中串入較大的電感才能調(diào)諧。串入大電感將引起較大的功率損耗，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的效率降低，并且大功率的發(fā)射裝置將引起較多的電能消耗，這對(duì)礦難發(fā)生后的救援十分不利。若天線采用終端短路形式，則電流的分布比較均勻，輻射能力增強(qiáng)，而且輸入阻抗的電抗分布為小感抗，容易和發(fā)送裝置匹配[3]。
根據(jù)以上分析，本文選擇90 m長(zhǎng)的終端短路單極天線作為發(fā)射和接收天線，天線長(zhǎng)度應(yīng)滿足l<<?姿。因此，可以將天線視作水平電偶極子。
3 透地?cái)U(kuò)頻通信系統(tǒng)方案
3.1 系統(tǒng)方案的原理
擴(kuò)頻通信是基于信息論和抗干擾理論的信息傳輸方式，它的理論依據(jù)是信息論中的香農(nóng)（Shannon）公式：
根據(jù)前面的分析可知，在透地通信系統(tǒng)中，天線的輻射效率很低，而且透地信道的衰減十分嚴(yán)重，使得接收點(diǎn)的信號(hào)十分微弱。VS、HS較小使得N較大，N值的變大將使通信十分不可靠，以致于N>1時(shí)無(wú)法進(jìn)行通信。解決此問(wèn)題的方法有兩種：增大信號(hào)體積VS和減少每次傳輸?shù)男畔⒘縄。具體的措施有：
（1）增大TS，通過(guò)傳輸延時(shí)換取可靠性。顯然這不滿足生產(chǎn)調(diào)度及礦難救援的要求。
（2）增大信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍HS，即增大發(fā)信功率PS，也就是用較大的功率消耗換取可靠性。但礦難發(fā)生時(shí)井底下的電能有限。
（3）增大信號(hào)帶寬BS，也就是用增大頻帶換取可靠性。這是解決透地通信系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)送、接收問(wèn)題的有效途徑，這樣做將使通信系統(tǒng)的誤碼率顯著下降。
而擴(kuò)頻通信就是用帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)送信息所需最小帶寬的信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，以達(dá)到使通信誤碼率下降的目的。
3.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)框圖及分析
根據(jù)以上對(duì)透地信道和天線特性的分析，本文在設(shè)計(jì)透地通信系統(tǒng)時(shí)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS），其原理框圖如圖1所示[5]。
4.2 仿真結(jié)果及分析
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各參數(shù)的設(shè)置在圖2中已注明。圖3所示為仿真系統(tǒng)一次運(yùn)行時(shí)SystemView分析窗口的運(yùn)行結(jié)果。
從圖3（a）和圖3（g）可以看出，發(fā)送信號(hào)經(jīng)透地信道傳輸后，在接收端能夠得到不失真的原始信號(hào)，只是存在一定的時(shí)間延遲。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案是否具有較高的可靠性和可行性，再?gòu)南到y(tǒng)誤碼率的角度進(jìn)行分析。多次仿真結(jié)果的BER/SNR曲線如圖4所示。
從圖4可知，信噪比與系統(tǒng)的誤碼率成反比例，說(shuō)明本文的方案是可行的，可以實(shí)現(xiàn)可靠的透地通信。
本文提出的直接序列擴(kuò)頻方法能有效解決透地通信中干擾嚴(yán)重和弱信號(hào)接收問(wèn)題，基于該擴(kuò)頻方法的礦井透地通信系統(tǒng)的應(yīng)用將使礦井生產(chǎn)的安全系數(shù)、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度得到顯著提高，較大程度上滿足礦井安全生產(chǎn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)的需求，推動(dòng)礦井移動(dòng)通信的發(fā)展，同時(shí)使通信系統(tǒng)成本大大降低，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)
[1] 張清毅，朱建銘．透地通信信道特性的研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，14（1）：36-40.
[2] 劉凌志.無(wú)線電波在大地媒質(zhì)中的傳播特性研究[D]．西安：西安科技大學(xué)，2004.
[3] 陶晉宜.甚低頻電磁波穿透地層礦井通信系統(tǒng)天線裝置的研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30（2）：139-143.
[4] 司徒夢(mèng)天.解決地下通信技術(shù)難題的方案及關(guān)鍵設(shè)備[J]．中國(guó)工程科學(xué)，2001，18（7）：64-69.
[5] 韋惠民．?dāng)U頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.
[6] 劉正瓊.基于SystemView的擴(kuò)頻通信仿真與分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（7）：843-845.
[7] PIERRE L E. Summary study of underground communications technologies[R]. Ottawa， Ontario， Canada： CANMET Mining and Mineral Sciences Laboratories，2009.