專利名稱：一種延長(zhǎng)彈性波透地通信距離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于透地通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種延長(zhǎng)彈性波透地通信距離的方法。
背景技術(shù)：
在煤礦及其它地下開(kāi)采的礦井生產(chǎn)過(guò)程中，安全事故時(shí)有發(fā)生，如透水、瓦斯爆炸、火災(zāi)等，在造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí)，也破壞了現(xiàn)有通信信道，使井下和地面無(wú)法聯(lián)系，無(wú)法得知井下人員的具體情況，影響救援的進(jìn)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(shù)公司的PED系統(tǒng)、加拿大的Canary系統(tǒng)以及美國(guó)洛克希德-馬丁公司的MagneLink系統(tǒng)等。PED系統(tǒng)從上世紀(jì)90年代末已經(jīng)在幾家煤礦安裝運(yùn)行，目前已經(jīng)使用的電磁波透地通信的 相關(guān)產(chǎn)品，其設(shè)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(shè)備體積龐大，無(wú)法在井下巷道和工作面安裝，因此只能實(shí)現(xiàn)單向通信；申請(qǐng)?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(shù)，但是目前尚沒(méi)有見(jiàn)到彈性波透地通信的相關(guān)產(chǎn)品，而且采用彈性波傳輸信號(hào)會(huì)面臨復(fù)雜的大地信道，同時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)哪芰繐p耗也主要有兩項(xiàng)是換能器與地層介質(zhì)的耦合損耗和傳輸損耗。耦合效率可以通過(guò)設(shè)計(jì)緊密耦合換能裝置來(lái)提高，而解決彈性波的傳播損耗相對(duì)更難解決，因?yàn)閭鞑p耗與地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖石巖性有關(guān)，一般情況下，彈性波信號(hào)傳輸衰減包括界面反射損耗、介質(zhì)吸收損耗、波前擴(kuò)散損耗以及散射損耗，其中主要損耗是介質(zhì)吸收和波前擴(kuò)散。以介質(zhì)吸收損耗為例，在地層介質(zhì)中典型幅度衰減值為O. 5 IdB/λ，如果彈性波波長(zhǎng)2米，800米厚度的地層就會(huì)衰減20(T400dB，這是通信所不能承受的。目前尚沒(méi)有彈性波透地通信的相關(guān)產(chǎn)品，只有相關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試報(bào)道，所使用的信號(hào)都是基帶信號(hào)進(jìn)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(dá)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(xiǎn)時(shí)實(shí)行搶險(xiǎn)救援，同時(shí)現(xiàn)有通信系統(tǒng)受到影響時(shí)，借鑒擴(kuò)展頻譜通信的思想，將信源輸出碼元的脈寬進(jìn)行時(shí)間擴(kuò)展，再用擴(kuò)展后的碼元調(diào)制偽隨機(jī)序列，以使接收端進(jìn)行相關(guān)接收時(shí)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(yīng)地延長(zhǎng)通信距離。本發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，其特征在于實(shí)施步驟為
I)將信息源要發(fā)送的、意義相對(duì)完整的數(shù)據(jù)作為I段數(shù)據(jù)，本段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不超過(guò)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(zhǎng)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(kāi)始前和結(jié)束后分別增加I幀數(shù)據(jù)，開(kāi)始前增加的I幀數(shù)據(jù)稱為起始標(biāo)志幀，結(jié)束后增加的I幀數(shù)據(jù)稱為結(jié)束標(biāo)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(xiě)入控制信號(hào)的控制下將數(shù)據(jù)一幀一幀寫(xiě)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?cái)?shù)據(jù)所占用的時(shí)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(shí)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(shí)間；
3)速率變換器中緩存的數(shù)據(jù)輸入和輸出是同時(shí)進(jìn)行的，在I幀數(shù)據(jù)寫(xiě)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(shí)間擴(kuò)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(shí)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(shí)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(shí)間是全部接收完K+2幀數(shù)據(jù)所用時(shí)間的M倍，在速率變換器輸出每幀數(shù)據(jù)的同時(shí)，其它數(shù)據(jù)幀的接收存儲(chǔ)同步進(jìn)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(jī)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(jī)序列哎-從)進(jìn)行模2加運(yùn)算，則運(yùn)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(guò)運(yùn)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(jìn)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(yīng)的彈性波信號(hào)發(fā)射出去；
5)接收端接收到彈性波信號(hào)后，經(jīng)過(guò)檢波、放大和Α/D轉(zhuǎn)換后，由同步單元完成對(duì)偽隨機(jī)序列擴(kuò)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(jī)序列
Zm^T} -Ais)每M個(gè)碼元做一次相關(guān)運(yùn)算得到一位數(shù)據(jù)，當(dāng)將NXM個(gè)碼元做N次相關(guān)
A-I
運(yùn)算后，結(jié)果會(huì)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(guān)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(dāng)接收端接收到全部K+2幀數(shù)據(jù)后，去除起始標(biāo)志幀和結(jié)束標(biāo)志幀,取出完整的數(shù)據(jù)作即可。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果有①由于考慮了透地通信的特殊性，同時(shí)借鑒了擴(kuò)頻通信的思想，為遠(yuǎn)距離透地通信提供了一種方法；②通過(guò)使用本方法，信號(hào)的處理增益可以提高IOlgM dB，因此可以延長(zhǎng)通信距離而且在時(shí)間擴(kuò)展后并不會(huì)展寬原始基帶信號(hào)的頻譜；目前隨著地下采煤巷道長(zhǎng)度的延長(zhǎng)，通過(guò)該發(fā)明可以進(jìn)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(hào)處理流程圖。圖2是速率變換器結(jié)構(gòu)圖。圖3是速率反變換器結(jié)構(gòu)圖。圖4是數(shù)據(jù)速率變換、偽隨機(jī)序列擴(kuò)展及一次相干積分運(yùn)算結(jié)果示意圖。其中，圖2是速率變換器結(jié)構(gòu)圖，速率變換器接收來(lái)自信息源的比特流并在時(shí)鐘信號(hào)clockl的控制下，一位一位輸入到輸入寄存器，然后在寫(xiě)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，以幀為單位從輸入寄存器寫(xiě)入到一個(gè)雙口 RAM的緩沖存儲(chǔ)器，雙口 RAM既可以是獨(dú)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(hào)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(shí)鐘Clock2的驅(qū)動(dòng)下輸出。本發(fā)明中采用可編程控制器件實(shí)現(xiàn)16位1024個(gè)存儲(chǔ)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(guò)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(jī)序列碼,其速率為Λ , (4)表示經(jīng)過(guò)
本地偽隨機(jī)序列碼擴(kuò)展后的信源數(shù)據(jù)，其速率為/ , (5)是經(jīng)過(guò)接收單元進(jìn)行相干積分運(yùn)
算后的數(shù)據(jù)，其速率變?yōu)橛郑?6)表示經(jīng)過(guò)相干積分運(yùn)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(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。一種延長(zhǎng)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(kāi)始前增加一個(gè)起始標(biāo)志幀，在最后增加一個(gè)結(jié)束標(biāo)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(gè)發(fā)送過(guò)程時(shí)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(xiě)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(shí)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(guò)速率變換器變換后得到圖4中的(2)，其中數(shù)據(jù)沒(méi)有變化，只是每位數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間變長(zhǎng)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(jī)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(jī)序列碼進(jìn)行模
2加運(yùn)算，得到擴(kuò)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(gè)碼元經(jīng)過(guò)PSK或FSK調(diào)制輸出至換能器并變換成相應(yīng)的彈性波信號(hào)發(fā)射出去；
步驟5 :接收端接收到彈性波信號(hào)后，經(jīng)過(guò)檢波、放大和Α/D轉(zhuǎn)換后，由同步單元完成對(duì)偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻碼的解調(diào)，得到速率為200bit/s的序列PN1，即得到的實(shí)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(jī)序列每8個(gè)碼元做一次相干積分運(yùn)算，
σ I“- μ )] [=_ / 3 -私 Wi m / 8 -氧.4
IJUllAi*!J IwI
結(jié)果會(huì)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(jiàn)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(biāo)志幀和結(jié)束標(biāo)志幀，取出完整的數(shù)據(jù)作即可。
權(quán)利要求
1.一種延長(zhǎng)彈性波透地通信距離的方法，其特征在于實(shí)施步驟為 1)將信息源要發(fā)送的、意義相對(duì)完整的數(shù)據(jù)作為I段數(shù)據(jù)，本段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不超過(guò)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(zhǎng)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(kāi)始前和結(jié)束后分別增加I幀數(shù)據(jù)，開(kāi)始前增加的I幀數(shù)據(jù)稱為起始標(biāo)志幀，結(jié)束后增加的I幀數(shù)據(jù)稱為結(jié)束標(biāo)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(xiě)入控制信號(hào)的控制下將數(shù)據(jù)一幀一幀寫(xiě)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?cái)?shù)據(jù)所占用的時(shí)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(shí)間為
全文摘要
一種在不改變傳輸信號(hào)帶寬的條件下有效延長(zhǎng)彈性波透地通信距離的方法，屬于透地通信技術(shù)領(lǐng)域，其特征是通過(guò)速率變換器以不同的輸入和輸出時(shí)鐘完成對(duì)比特碼元的時(shí)間擴(kuò)展，將脈寬擴(kuò)展為原來(lái)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(jī)序列，并與做了時(shí)間擴(kuò)展后的碼元進(jìn)行偽隨機(jī)序列擴(kuò)展；信號(hào)發(fā)送到接收單元后，同步單元解擴(kuò)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(hào)帶寬的情況下獲得較高的處理增益，在接收機(jī)靈敏度不變的情況下，本方法相當(dāng)于延長(zhǎng)了彈性波信號(hào)的透地通信距離。適用于非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信，可有效地應(yīng)用于礦山應(yīng)急救災(zāi)通信。
文檔編號(hào)H04B13/02GK102811115SQ20121025388
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:山東科技大學(xué)