Chirp超宽带无线通信技术在矿井下的应用研究

摘 要： 针对目前矿井下无线通信状况，提出了把Chirp-超宽带无线通信技术应用到矿井下的设想。介绍了线性调频超宽带无线通信技术及其数字特性，得出相同的信噪比下Chirp-BOK UWB比2-PPM UWB有较小的误码率的结论，探讨了线性调频超宽带无线技术用于矿井下通信的可行性，并指出超宽带信号在矿井巷道中的传播特性研究对于设计矿井下UWB无线通信系统的重要性。
关键词： Chirp超宽带; 无线通信技术; 调频脉冲

超宽带(UWB)通信系统主要是指利用脉冲作为信息载体而实现的通信方式。与传统的基于载波的通信系统相比，超宽带系统把信息承载在低占空比的基带脉冲中，系统中不再有传统意义上的载波。随着现代模拟信号处理技术声表面波(Surface Acoustic Wave)器件的发展，已经可以利用低成本、低功耗的声表面波滤波器产生并检测中心频率为5.6 GHz、部分带宽达到50%的线性调频脉冲(Chirp)信号，能够满足FCC（即美国联邦通信委员会）对UWB工作频段和带宽的要求。同时，信号经过匹配滤波器后，信号宽度压缩，多径效应也被削减[1]，因此，Chirp信号可以作为一种全新的UWB信号，实现高速数据通信，同时又可以满足精确定位的要求。此外基于CSS（Chirp Spread Spectrum）已作为IEEE802.15.TG4a低速UWB通信的一个候选物理层标准，可以用于远距离低速通信。
现有的煤矿井下移动通信系统存在着设备制造成本高、抗干扰能力差、携带不方便、使用范围局限性较大等问题。人们为了改善矿井下通信落后的现象一直在不断地探索和研究，以求能够将地面上先进的通信技术用于煤矿井下。由于矿井下自然条件比较复杂，电波在巷道中传播有严重的多径衰落，而且整机功耗受到易燃易爆环境的制约，从而使得矿井下无线移动通信的研究与应用远远落后于地面移动通信[2]。多年来人们一直在寻找一种低功耗和抗多径能力强的传输方法。根据Chirp-UWB信号的特点，同时可满足高速和低速通信的要求，该技术能为解决矿井下无线通信提供一种很好的选择，有可能为矿井提供成本价格较低、易于维护、数据以及视频无线接入等生产和安全监测所需要的移动通信系统，构成矿井下综合业务网的无线接入系统[3]。
1 Chirp信号数字特性
Chirp信号的表达式为:

此式可看作是Chirp信号的相关过程， 所以可以把Up-Chirp信号和DOWN-Chirp信号互相作为其匹配滤波器的冲击响应，进行相干匹配滤波。
2 Chirp信号与传统高斯脉冲信号的比较
图1是Chirp信号与高斯信号时域的比较，图2是Chirp信号与高斯信号频域的比较，在仿真中，选取的带宽为6 GHz。可看到，Chirp信号有较低的脉冲幅度，而且有较低的功率谱密度，但相关器的输出信号有相同的波峰值。

当利用传统的高斯脉冲UWB去探测和通信时，接收到的信号含有周围噪声,并且会有严重的多径干扰。为了解决这个问题，本文利用Chirp信号作为UWB通信的脉冲形式。Chirp信号有以下优点：
(1)产生UWB信号电路简单，并且满足FCC制定的室内UWB设备辐射掩蔽;
(2)由于它满足正弦函数特性，所以易于实现多子带系统;
(3)在非常宽的频率范围内，可以不用考虑信号的群延迟特性;

图4是AWGN信道下[5]、10 m范围内、传输6 000个数据比特时的系统误码率和信噪比关系曲线图。从图中可看出,在相同的信噪比下，Chirp-BOK UWB的误码率比2-PPM UWB小。另外，Chirp-BOK UWB系统应用的是低成本、低功耗的声表面波器件，系统更简单，易实现。
3 矿井下移动通信现状
矿井下移动通信是矿井调度员、电机车司机及其他工作人员之间进行通信联络的主要手段，在矿井安全、高效生产、抢险救灾方面发挥着十分重要的作用。井下移动通信的理想模式是无线移动通信系统，希望做到在矿井下作业的任何人员，在任何时间、任何地点，都能与他们的通信对象保持及时有效的联系。但是由于井下环境的特殊性，无线电波在巷道中的传播遇到很大困难，井下移动通信只能借助于有线才能实现，例如漏泄通信、中频感应通信等。现有的煤矿井下移动通信系统存在着设备制造成本高、抗干扰能力差、携带不方便、使用范围的局限性大等问题。一直以来，人们在为改善矿井下通信的落后现象不断地探索和研究，寻求把地面上先进的通信技术用于煤矿井下的方法。
4 Chirp-UWB信号应用于煤矿井下通信
由于Up-Chirp信号和DOWN-Chirp信号具有良好的自相关性以及匹配滤波后尖锐的时域特性,所以基于Chirp信号的UWB通信在WLAN中的应用已得到广泛的研究。目前，基于CSS（Chirp Spread Spectrum）已作为IEEE802.15.TG4a低速UWB通信的一个候选物理层标准，可以用于远距离低速通信。同时，通过增加Chirp信号带宽B和减小时间宽度T，Chirp信号同样可应用于高速的超宽带通信系统。随着UWB技术的发展，在Chirp信号UWB通信系统中，当传输速率为110 Mb/s时，在室内衰落信道中的设计距离可达20 m左右，随着速率的降低，距离可以进一步提高到150 m或更高。把它应用于矿井下时,可实现多种场合的无线接入服务[6],下面是其中主要的两种无线接入服务。
(1)短距离高速通信
矿井下短距离高速数据的传输主要用于井下视频监测信号、机械设备振动故障监测、地音信号、煤和瓦斯突出时的电磁辐射信号等信息的无线接入。这些信号所需要的采样频率较高,而且主要是对移动设备或移动地点的监测。如井下煤层或岩层的离层视频监测,需把移动或相对固定的视频监测信息经无线接入设备,进入井下综合传输网络,其接入的范围可以在几米到几十米之内。如果采用系统结构简单、成本低的无载波的UWB系统,在相同功率和距离的条件下,传输速率比其他无线系统要高得多。如蓝牙发射机在平均发射功率为1 mW、速率为1 Mb/s、工作距离为10 m时,用在高速数据传输中(如数字化视频信号)是比较勉强的。而3 dB带宽为5.53 GHz、发射功率为0.55 mW的UWB发射机,能提供近200 Mb/s的数据速率和相同的覆盖范围,而如此小的发射功率对井下环境的移动通信装置来说,可以大大延长电池的工作时间。
(2)远距离低速通信
矿井下远距离低速数据无线传输一般是指100 m以上的无线接入,通常用于井下移动电话、临时地点或设备工况监测和环境参数监测等。通过前面的仿真结果可知,UWB技术与常规无线通信一样,提高发射功率或降低传输速率时,可实现远距离的移动通信功能。如前所述,在矿井下可以不必考虑提高发射功率对其他窄带系统的干扰,且降低传输速率仍然可满足井下一般移动通信和数据传输对速率和距离的要求。但是要注意发射功率增大时仍然应该保证设备满足煤矿井下本质安全的要求。例如加拿大矿通公司生产的Flex煤矿井下漏泄通信系统中使用无线调制解调器将数据接入主传输系统,数据速率为9 600 b/s以下,井下的无线接入距离最大是100 m左右。UBW系统可在相同通信距离下提供几兆到几十兆波特率的无线接入速率,其性能明显优于现有系统。
超宽带无线通信技术给我们带来了一种全新的通信理念，把它用于矿井下无线通信更是一种新的探索，根据超宽带技术低功耗、高数据率、抗多径能力强、系统复杂性低等特点，特别是它既能满足煤矿高速短距离通信又能满足低速远距离通信的优势，该技术有望成为矿井巷道无线通信的更好的选择,相同的信噪比下，Chirp-BOK UWB比2-PPM UWB有较小的误码率。但将UWB应用于井下并不是技术的简单平移，而是要根据矿井下的特殊环境研究出适合它的超宽带无线通信系统，这还有很多问题需要解决。
参考文献
[1] 贺鹏飞,吕英华，张洪欣，等.基于Chirp-BOK调制的超宽带无线通信系统研究[J].南京邮电大学学报,2006,26
(2):21-25.
[2] KOKKE Y, ASHII S, KOHNO R. Chirp UWB system with software define receiver for industrial mobile ranging and autonomous Control[C]. //2004 UWBST & IWUWBS. May 2004:381-385.
[3] 祝明波,常文革. 一种高性能超宽带线性调频信号源[J].现代雷达,2002,24(1):67-70.
[4] LI Huan Bang, TAKIZAWA K. Pulsed DS-UWB with optional CS-UWB for various Applications [J].IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks,2005(1).
[5] 张文杰，王艳芬. Chirp-UWB无线通信技术在煤矿井下的应用研究[J]. 工矿自动化, 2007(2):7-10.
[6] 王艳芬,于洪珍,张申.超宽带无线通信技术在煤矿井下的应用探讨[J]. 工矿自动化,2005(6):1-4.