1煤礦井下電力線擴(kuò)頻載波通信系統(tǒng)

1.1電力線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)示意圖

在發(fā)送單元里，使用偽隨機(jī)碼對(duì)信息碼序列實(shí)施頻譜擴(kuò)展，生成的擴(kuò)頻信號(hào)序列對(duì)載波（頻率為120kHz）進(jìn)行載波調(diào)制，再通過放大后，由耦合電路傳輸給電力線。在接收單元，選頻電路發(fā)送頻率為120kHz的載波，通過載波解調(diào)恢復(fù)其原始的擴(kuò)頻信號(hào)，再使用解擴(kuò)電路對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行跟蹤、捕獲和自相關(guān)運(yùn)算，恢復(fù)原信息碼完成解擴(kuò)。

根據(jù)鎖相環(huán)理論，在接收單元中可對(duì)120kHz的載波使用同步濾波實(shí)施提純，有效改善擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的處理增益。

1.2擴(kuò)頻處理增益

結(jié)合擴(kuò)頻系統(tǒng)理論，處理增益Gp表現(xiàn)了擴(kuò)頻系統(tǒng)具有的抗干擾能力優(yōu)劣[3]

（1）其中BRF為通過擴(kuò)頻后信號(hào)的射頻帶寬,Bb為數(shù)字基帶信號(hào)帶寬。由式（1）可以看出，BRF/Bb越大，系統(tǒng)具有的抗干擾能力就越強(qiáng)。在地面高載頻通信中，為了充分顯示擴(kuò)頻通信的優(yōu)勢，BRF/Bb可達(dá)數(shù)百甚至上千。但是目前井下電力線載波通信使用的信道處于中低頻窄帶，根據(jù)限制的試驗(yàn)條件和信道帶寬，試驗(yàn)取BRF為20kHz。此時(shí)信號(hào)帶寬Bb與信息速率Rb近似相等，可以Rb來表示。Rb的選擇要滿足礦井一般監(jiān)測信息傳輸速率和傳輸穩(wěn)定性的要求，在此試驗(yàn)選取Rb為0.6kHz。所以，處理增益Gp約為15db。

1.3載波頻率f0的選擇載波頻率f0的選擇按照以下原則：

（1）避開工頻諧波。

（2）適當(dāng)?shù)念l率范圍。載頻過高可導(dǎo)致輻射損耗的增加；過低則會(huì)影響信號(hào)的傳輸距離，同時(shí)造成調(diào)制后的信號(hào)低端出現(xiàn)較大的衰減。

（3）降低對(duì)井下其他通信裝置的干擾。通過研究其他煤礦載波信道公布的成果，試驗(yàn)中選取120kHz為載波頻率（雖未能避開工頻諧波，但選取的載波頻率為工頻頻率的2400倍，因此可忽略工頻的影響）。

1.4擴(kuò)頻碼速率與偽隨機(jī)碼長度的選擇

設(shè)Rc為偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼速率，也可用擴(kuò)頻后碼速表示。擴(kuò)頻碼對(duì)載波進(jìn)行載波調(diào)制后，信號(hào)帶寬變?yōu)?0kHz，因此Rc就為10kHz。此時(shí)與Rb（0.6kHz）相對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)碼長度應(yīng)為選15位。

1.5電力線擴(kuò)頻通信主要優(yōu)點(diǎn)

（1）抗干擾能力強(qiáng)。大量的實(shí)驗(yàn)表明電力線擴(kuò)頻通信對(duì)單頻、白噪聲等具有極強(qiáng)的抗干擾能力[4]。理論上也證明,抗干擾能力與頻譜展寬成正比。在工業(yè)干擾十分嚴(yán)重的礦井通信，這一優(yōu)點(diǎn)是非常重要的。

（2）易與其它通信裝置共用信道。由于擴(kuò)頻通信具有較低的功率密度,對(duì)其它通信裝置不造成干擾,也不受其它信號(hào)的干擾,因此借助于已有的信道，能夠?qū)崿F(xiàn)信道的共用,減少建設(shè)投資的成本，增加通信效率。如使用的工業(yè)電信道和泄漏電纜等。

（3）具有碼分多址（CDMA）的功能。全部的通信用戶使用同一個(gè)頻帶,但分別使用擴(kuò)頻碼不同的序列,并使它們之間具有極小的相關(guān)系數(shù),實(shí)現(xiàn)各用戶間的互不干擾,即形成了碼分多址,與時(shí)分多址和頻分多址相比，這種方式更方便、更為有效、更易于組網(wǎng)。

（4）使模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)間具有較好的兼容性。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)不僅能傳輸數(shù)字信號(hào),也能將模擬量使用A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,再實(shí)施擴(kuò)頻通信,使系統(tǒng)具有較多且更方面的應(yīng)用功能。此外，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)還具有抗多徑效應(yīng)、抗衰落及精確測量等優(yōu)點(diǎn)。在遙控、探測、導(dǎo)航、電子對(duì)抗及空間通信等方面，擴(kuò)頻通信得到了廣泛的應(yīng)用。

2應(yīng)用前景

2.1煤礦井下救護(hù)通信

在井下，隨時(shí)會(huì)有塌坊、冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生，有效的急救是減小損失的唯一方法，而可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是有效急救的前提。

無線通信是所有通信措施中最好、最有效的。但在此狀況下電波干擾會(huì)大幅度降低一般的通信方式的可靠性，而電力線擴(kuò)頻載波通信擁有較強(qiáng)的抗衰減和抗干擾能力，因此使用該通信技術(shù)能很好的解決這一難題。

2.2基于擴(kuò)頻載波通信的無線通信網(wǎng)

目前，雖然煤礦企業(yè)擁有較為完善的有線通信網(wǎng)絡(luò)，但如果生產(chǎn)現(xiàn)場的電纜出現(xiàn)損壞，就會(huì)中斷與集團(tuán)中心間的通信，直接影響生產(chǎn)一線調(diào)度與集團(tuán)調(diào)度中心的指揮，并且較難恢復(fù)被破壞的光纜。又因?yàn)槊旱V大多都位于地形復(fù)雜的大山中，井下生產(chǎn)部門僅使用有線通信與外界聯(lián)絡(luò)，是極不可靠的，因此需要為有線通信建立起無線通信保障。

電力線擴(kuò)頻通信技術(shù)的特點(diǎn)非常適用于中小型煤礦的通信。擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中得到了充分的驗(yàn)證，并獲得大范圍的推廣。擴(kuò)頻載波通信與其它通信設(shè)備共用信道。此外礦區(qū)一般處于地理環(huán)境復(fù)雜，干擾源較多的地區(qū)，建立有線通信投資高，并且維護(hù)困難。而擴(kuò)頻載波通信的優(yōu)點(diǎn)使其能夠?qū)o線通信網(wǎng)絡(luò)建在礦區(qū)。

同時(shí)，擴(kuò)頻碼分多址技術(shù)形成較為靈活的通信網(wǎng)絡(luò)，只要得到允許或授權(quán)，沒有入網(wǎng)的用戶即可隨時(shí)入網(wǎng)，而無需重新布線。

2.3井下數(shù)據(jù)通信

煤礦井下數(shù)據(jù)大多來源于各種傳感器與監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。一般的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的傳輸速率低于2400bps。可將井下多個(gè)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的分站聯(lián)系在一起，與話音設(shè)備共用傳輸速率為64kbps的信道進(jìn)行傳輸。然而，隨著煤炭業(yè)對(duì)新技術(shù)應(yīng)用的需要不斷加大，也提高了對(duì)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，比如煤礦的采場礦壓和巷道參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控體制需要同時(shí)對(duì)數(shù)百個(gè)傳感器實(shí)施動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)和處理，具有極大的數(shù)據(jù)量。目前因?yàn)槭芡ㄐ艞l件的限制，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，其應(yīng)有的作用得不到充分的發(fā)揮。

3結(jié)語