礦井巷道中應(yīng)急通信系統(tǒng)研究范文

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1井下巷道應(yīng)急調(diào)制技術(shù)

礦井供電由地面變電所和井下中央變電所構(gòu)成。地面變電所電源來(lái)自35KV電網(wǎng)，被變壓后沿兩趟架空線被送往礦區(qū)，經(jīng)井筒由高壓電纜被送到地下的中央變電所及高壓用戶，再進(jìn)行一次變壓器變壓可以把電力送到低電壓用戶，如井底車(chē)場(chǎng)、采區(qū)低壓設(shè)備等。井下主運(yùn)輸大巷工程設(shè)備包括井底固定設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備等，鋪設(shè)在巷道中的電力線相互交錯(cuò)，利用電力線作為信息傳輸通道雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但是，也有很多困難。在礦井下使用電力線來(lái)傳輸應(yīng)急信號(hào)所受到的主要干擾包括：1）電力線網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)大，啟動(dòng)和停止大型設(shè)備（例如采煤機(jī)、液壓支架、運(yùn)輸輸送帶）經(jīng)常給電網(wǎng)造成巨大影響；2）設(shè)備的連接線和電路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜;3）變電站、開(kāi)關(guān)柜、可控硅等對(duì)電網(wǎng)造成的寬頻帶、大強(qiáng)度的干擾。由香農(nóng)公式可得：對(duì)于給定的有噪聲信道，至少存在一種編碼方式，可以使信道的傳輸速率無(wú)限接近信道容量，而同時(shí)保證傳輸速率達(dá)到任意小。可以對(duì)于一定的信道容量（C）,用增大傳輸帶寬（B）來(lái)獲得較低的信噪比（S/N），即信息差錯(cuò)率。擴(kuò)頻通信技術(shù)正是利用這一原理用高速率的擴(kuò)頻碼來(lái)達(dá)到擴(kuò)展待傳輸數(shù)字信息帶寬的目地。這一公式指明了擴(kuò)頻通信的優(yōu)越性，即用擴(kuò)展頻譜的方法來(lái)降低對(duì)信噪比的要求，使信號(hào)傳輸更為可靠，同時(shí)降低單位帶寬上的功率譜密度。信息數(shù)據(jù)流在傳輸過(guò)程中為多個(gè)載波并行，采用數(shù)學(xué)上每一個(gè)載波相互正交的可以重疊的正交子載波，這些子載波相比傳統(tǒng)的多載波系統(tǒng)具有較高的頻譜效率，是一種多載波高速調(diào)制技術(shù)，稱(chēng)為正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。多載波正交技術(shù)通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉子信道的方式，發(fā)送方將關(guān)閉信號(hào)衰落和信號(hào)噪聲比超過(guò)閾值的信道所在子載波，避免衰落引發(fā)的誤碼。當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率很高時(shí),如實(shí)現(xiàn)快速均衡則其復(fù)雜性和成本都難以接受,采用使每個(gè)子信道的速率較低以實(shí)現(xiàn)均衡較為簡(jiǎn)單[3]。

2應(yīng)急信號(hào)傳輸系統(tǒng)

在系統(tǒng)調(diào)制端，串行碼元序列經(jīng)基帶調(diào)制和串/并轉(zhuǎn)換分別被調(diào)制在N個(gè)子載波上。發(fā)送端所發(fā)送的子載波信息碼序列由待傳遞的信息碼序列與高速率的偽噪聲碼序列進(jìn)行模二加后（波形相乘）得到復(fù)合碼序列，用它來(lái)直接控制射頻信號(hào)的某個(gè)參量（通常是載波相位），由此得到的一個(gè)直接序列擴(kuò)展頻譜信號(hào)。各巷道內(nèi)的通信設(shè)備之間的信息傳輸時(shí)，校驗(yàn)碼是由核心控制芯片發(fā)出，供給擴(kuò)展模塊與寬帶偽隨機(jī)序列調(diào)制的窄帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展頻帶、提高抗噪聲的能力。鑒于偽噪聲碼的多樣性，擴(kuò)頻可以在同一時(shí)間使用多個(gè)偽噪聲碼。正交小波基可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的正弦載波，合適的正交小波基，可以減少系統(tǒng)的干擾。在接收端，接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣的轉(zhuǎn)換器具有相同的采樣頻率。循環(huán)前綴部分在接收端被去除，然后進(jìn)行解調(diào)。由于循環(huán)前綴的存在，所有的子信道是獨(dú)立的。并行數(shù)據(jù)在接收端經(jīng)耦合電路和解調(diào)后轉(zhuǎn)換為頻域的子載波分量，并恢復(fù)到數(shù)據(jù)碼元序列的原始信號(hào)。使用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，展寬的擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成原來(lái)的消息，從而取得直接序列擴(kuò)頻信號(hào)。如果接收信號(hào)中被檢測(cè)到有錯(cuò)誤，信號(hào)重發(fā)的請(qǐng)求信號(hào)被疊加在預(yù)先指定的負(fù)載波上來(lái)生成重發(fā)信號(hào)。接收機(jī)實(shí)際上是一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻點(diǎn).然后在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分。其他載波在該區(qū)域由于與所積分的信號(hào)正交，因此不會(huì)對(duì)這個(gè)積分結(jié)果產(chǎn)生影響。如果每個(gè)子信道都可以正確解調(diào)出源信號(hào)，將其合并后就能夠恢復(fù)發(fā)送端高速串行碼元序列。

3實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試的三相交流信號(hào)傳輸情況，對(duì)基于多載波擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行測(cè)試，如下所述。數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試終端和開(kāi)關(guān)柜之間的直線距離約200米。與以太網(wǎng)RJ-45接口，用于連接計(jì)算機(jī)的調(diào)制解調(diào)器，然后連接到電源插座。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)如下所示（單位：Mbps）：平均吞吐量：1.30;最大吞吐量：1.86;最低吞吐量：0.61。從測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)大多吞吐量的范圍在1Mbps～2Mbps之間。三相耦合信號(hào)強(qiáng)于單相耦合信號(hào);針對(duì)復(fù)雜的情況下，測(cè)試效果還是相當(dāng)不錯(cuò)的。這證明了在礦山巷道中基于多載波擴(kuò)頻的信號(hào)傳輸是完全可行的。

4結(jié)束語(yǔ)

煤礦井下巷道的工作環(huán)境非常復(fù)雜，設(shè)備移動(dòng)頻繁，利用電力線傳輸信息具有經(jīng)濟(jì)、安全和高效等優(yōu)點(diǎn)，本文中，巷道內(nèi)電力線被用作應(yīng)急`信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)。利用擴(kuò)頻技術(shù)將原始的信號(hào)的頻譜擴(kuò)展，然后進(jìn)行傳輸，它提高了信號(hào)在巷道內(nèi)傳輸?shù)目垢蓴_能力。擴(kuò)頻被用作抗干擾性影響的方法具有特殊的優(yōu)越性，對(duì)它與多載波技術(shù)的結(jié)合的研究，為巷道內(nèi)應(yīng)急`通信系統(tǒng)建設(shè)提供一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。基于正交頻分復(fù)用電力線通信技術(shù)不僅應(yīng)急救援時(shí)能充分利用已有的電力設(shè)施建立有效的信息通道，而且平時(shí)能作為井下寬帶接入手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻和電力的“四網(wǎng)合一”，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，為應(yīng)急事故處理，建立有效的信息通道。

作者：王文星單位：華北水利水電大學(xué)