扩频通信技术发展状况及其在煤矿的应用

【摘要】目前，我国的煤矿井下通信主要采用有线通信方式，该通信方式存在很多不足。文章对将扩频通信技术引入到煤矿井下通信中进行了探讨。介绍了扩频通信的原理、优点和在国内外的发展状况，最后对该技术在煤矿行业的应用现状及发展趋势进行了分析。

【关键词】扩频通信技术；煤矿；井下通信

煤炭一直是我国的主要能源，我国的煤炭资源大都埋藏较深，需要采用井工开采。在井工开采中，通信工作非常重要，它关系到煤矿的安全生产和矿工的生命安全，必须引起高度重视。扩频通信技术是近几十年来逐渐发展起来的一种比较先进的通信技术，具有抗干扰能力强等诸多优点。本文拟在回顾我国煤矿井下通信发展状况的基础上，对将扩频通信技术引入到煤矿井下通信中进行探讨。

1.目前我国煤矿井下通信中存在的问题

目前，我国的矿井移动通信系统主要由三种通信形式组成，即泄漏无线通信、感应通信和动力线载波通信。泄漏通信电线铺设复杂，费用昂贵，信号接收范围窄，只局限在离导线40 m以内的范围，而且还需要敷设专用传输线，这些缺点限制了该系统的推广应用；感应通信信号不稳定且有大量杂音，因而也无法成为井下的主流通信系统。动力线载波通信系统目前在架线电机车上有一定的应用，但同样存在很多的这样或那样的缺点不足，难以广泛应用。

目前，我国大多数井工开采的煤矿，井下通信都是采用有线网络的方式，但是煤矿的井下环境恶劣，通信电缆容易受到腐蚀，从而影响到通信信号甚至使信号中断。另外，当井下发生事故时，通信电缆有可能被损坏，从而通信也会受到影响。而如果采用移动通信，上述缺点就可以克服。由此可见，建立一个完善的煤矿井下移动通信系统对于保障煤矿生产安全和提高煤矿开采劳动生产率都具有非常重要的意义。而扩频通信技术就是一种无线通信方式。

2.扩频通信的原理

2.1 扩频通信的基本原理

扩频通信的全称是扩展频谱通信，其基本原理如下：原始信号本身与射频信号存在着一定的频带差。信号扩展后的带宽与扩展前的带宽之比叫做GP，它是整个通信系统中非常重要参数，一般，通过一种特定的调制方法，可以将发信端的原始信号带宽扩展，然后将扩展后的信号发送出去，在另一端进行接收。信号接收以后，再在接收端把接收到的信号复原为原始信号带宽来说，该数值应在10以上。

信息论创始人香农提出了著名的香农公式C=WLgZ，L=P/N，即信道容量C是一个常数，带宽W和信号噪声比P/N，可以交替使用，增加带宽可以降低系统的信噪比。换言之，相同的发射功率，在低信噪比的情况下增加带宽，可靠地传输信息，即使在信号被噪声彻底覆盖淹没的情况下，只要维持相应的带宽增量，其仍然可以保持一个相对稳定的信道，这便是扩频技术的基本思路和理论基础。电路交换是数据通信的一种重要的交换方式。

此交换方式主要是指将2台计算机或者终端在实现相互的通信时，使用同一条实际的物理链路，在整个通信过程中都会使用该链路实现对信息的传输。此外，还不允许其它的计算机或者是其它终端设备同时共享此电路。

就目前而言，被大家熟知的直接序列扩频技术，是一个利用伪随机码（PN码）发送信息的选择，然后直接进行调制，PN码速率Rb是远远比传送信息的速率Ri大的，因此Rb为调制后信号的速率，即无线电设备发出的信号频带比原来的初始信号扩大了RB/RI倍。接收器所使用的解扩技术能够实现高精度的信号减少直至还原，以此获得可靠的信息传输，如图1所示。

2.2 直接序列扩频通信系统

直接序列扩频是一种安全可靠抗干扰能力强的无线序列传输方式，简称直扩方式（DS法）。它利用一种高速率的扩频序列将信号的频谱在发射端进行拓展，同时在接收端使用相同的扩频码序列进行解扩，从而把处理过的信号变成原来的初始信号。其工作原理大致如下，其中接收端收到发射信号以后，利用PN码同步收集发送到PN码精确相位，然后产生出跟发送端PN码相位完全一致的伪码相位，用来作为本地的解扩信号，以便及时恢复数据信息，从而使得整个系统的接收工作能够顺利完成。如图2所示。

3.扩频通信系统的优点

作为新兴的通信体系，扩频通信是未来通信行业的一个重要研究发展方向，也是一种趋势。相比传统通信方式，它具有很多无法超越的优点。主要体现在以下几个方面：

（1）超强的抗干扰能力，无论是抗白噪声干扰，还是抗单频干扰或是抗其它干扰方式，它都体现出了很强的能力，特别是其频谱扩展的越宽，抗干扰能力越强的特点，对于长期受噪声污染的煤矿业来说是难能可贵的。

（2）易于实现CDMA。同一个频带，不同的扩频码序列，另用户间互不影响，关联甚微，这就构成了优于频分多址、时分多址的码分多址。

（3）可以和其它通讯设备系统共用信道，不但不互相干扰，还可以提高效率减少成本投资，实现信道复用。

4.国外国内扩频通信发展状况及其在煤矿行业的应用

早在上世纪四十年代，信息论的创始人香农就指出：信道的最大传输能力，可以用较大的信号频带宽度和较小的信噪比来实现，信号的功率即使低于噪声功率，仍然能够可靠通信。

20世纪五六十年代，随着通信技术的飞速发展和大规模集成电路与微处理器的出现，扩频技术才进入了实际研究和应用开发阶段，进入20世纪八十年代，它已广泛应用于军事领域，其后又应用于跟踪、导航、雷达、遥控等许多领域。全球导航系统GPS是扩频通信的重要应用，美国从上世纪七十年代末开始，历时20多年，耗资数百亿美元，才完成该系统。实践证明，GPS对人类活动影响极大，应用价值极高，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题。近十多年来，由于民用通信特别是陆地移动通信的迅速发展，企业家们又把目光瞄向了CDMA（码分多址），实际上许多著名的大型通信企业，都参加了CDMA产品的角逐，现已建成若干CDMA商用和民用移动通信网。

目前，该技术在煤矿采掘业中的应用尚处于起步甚至空白阶段。近年来陆续有一些国际与国内高校对该项目进行研究，但他们只是停留在对原有的一些通信技术进行些许改进方面，缺乏原始创新。我国是一个煤矿开采大国，对该项目进行研究意义深远。它的完成，即将标志着井下移动通信进入了一个新的阶段和层次，将对矿井的经济效益和安全起着巨大的推动作用。泄漏扩频通信和矿井地面穿透通信的研究是目前扩频通信井下研究应用的两大方向，如果这两个项目能够顺利研究实现，那么其产生创造的价值将是无法估量的。

参考文献

[1]孙克辉，周家令，牟俊.多用户混沌序列扩频通信系统设计与性能分析[J].电子与信息学报，2007（10）.

[2]臧金华，郜新平.浅谈煤矿井下通信系统的特点及要求[J].中州煤炭，2005（2）.