孟慶輝， 張友能， 梅 蓉

(安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣系，安徽 淮南 232007)

0 引 言

井下作業(yè)是當(dāng)今最危險(xiǎn)的職業(yè)之一，幾乎每年都能在新聞報(bào)道中見到某地出現(xiàn)井下事故有多少人遇難等等。因此政府和企業(yè)將煤礦安全生產(chǎn)的信息化工作提上空前的高度。煤礦企業(yè)的通信系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年建設(shè)和發(fā)展，雖取得了較大的成效，但是缺乏成熟的井下移動(dòng)通訊解決方案。近些年來(lái)陸地?zé)o線通信理論和技術(shù)快速發(fā)展，但在井下的無(wú)線通信中還有許多問(wèn)題。其中最主要的是多徑衰落問(wèn)題和抗干擾問(wèn)題。這嚴(yán)重影響井下通信的可靠性和穩(wěn)定性。而正交頻分復(fù)用技術(shù)為礦井通信中的抗多徑衰落提供了新的研究思路。

1 礦井隧道的通信環(huán)境及其重要性

井下環(huán)境十分復(fù)雜，空氣濕度相對(duì)較高，含有多種易燃易爆氣體。急易引發(fā)火災(zāi)、爆炸和坍塌等災(zāi)難。而且當(dāng)井下發(fā)生事故時(shí)，因其環(huán)境特殊空間原本就小，采礦機(jī)械和電氣設(shè)備又占據(jù)一部分空間使得井下空間預(yù)顯狹窄。急易導(dǎo)致井下人員的傷殘和死亡。所以保證井下通信就有十分重要的意義。

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，在井下已經(jīng)多采用的自動(dòng)化設(shè)備的，以此來(lái)大量的減少井下工作人員，從而降低井下工作人員遇害幾率。而自動(dòng)化設(shè)備的操作控制，井下巷道遠(yuǎn)程監(jiān)控都離不開通信的支持。因?yàn)榫颅h(huán)境的特殊性，無(wú)線通信以其自身的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)將成為井下通信的主流技術(shù)。

井下巷道特殊的通信環(huán)境，使得無(wú)線電波在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生折射、反射、散射和衍射等多徑衰落現(xiàn)象。因此解決礦井隧道中無(wú)線通信時(shí)抗多徑衰落就顯得尤為重要。而影響井下通信環(huán)境主要因素如表1：

表1 井下通信環(huán)境影響因素

2 正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的單載波技術(shù)相比(如圖1)，正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)是一種有效的頻域里將載波的分成多個(gè)正交的子載波，同時(shí)將傳輸數(shù)據(jù)也分成多個(gè)子數(shù)據(jù)，每個(gè)子載波承擔(dān)一個(gè)子數(shù)據(jù)的調(diào)制方案。這種技術(shù)利用了多徑信道的分集特性，將信息碼元經(jīng)過(guò)串并變換分散到多個(gè)多個(gè)子信道上進(jìn)行并行傳輸。這種調(diào)制方案可以增大碼元周期，降低多徑效應(yīng)的干擾。同時(shí)利用循環(huán)前綴(CP)為保護(hù)間隔來(lái)減少消除符號(hào)干擾。而且由于各子載波的正交性，極大的降低了子載波間的干擾。體現(xiàn)出良好的抗多徑衰落特性。其主要特點(diǎn)如下：

圖1 單載波和多載波傳輸

圖2 正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)的系統(tǒng)組成圖

圖3 傅里葉反變換的多載波調(diào)制

圖4 常規(guī)多載波(FDM)與正交頻復(fù)用(OFDM)信道分配對(duì)比圖

(1)要依賴數(shù)字信號(hào)處理(DSP)來(lái)處理大量數(shù)據(jù)。但頻帶利用率高，帶寬大，抗脈沖噪聲好。

(2)可以對(duì)隨機(jī)出現(xiàn)的干擾信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的修正。并且在面對(duì)多種頻率而產(chǎn)生的問(wèn)題能自動(dòng)重建。

(3)面對(duì)大量的外界電磁干擾，有很強(qiáng)抗多徑衰落特性。在礦井巷道惡劣的環(huán)境下，顯示出良好的適應(yīng)性。

圖5 OFDM系統(tǒng)模型的仿真流程圖

圖6 RS編碼前后誤碼率比較

圖7 不同子載波的誤碼特性

3 正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)的系統(tǒng)模型

如圖2 OFDM系統(tǒng)主要分為發(fā)送端和接收端兩個(gè)部分。在發(fā)送端信號(hào)發(fā)出，先經(jīng)串并轉(zhuǎn)換分為多個(gè)子信道，然后再進(jìn)行快速傅里葉反變換(IFFT)和相位、幅度的調(diào)制。將信號(hào)數(shù)據(jù)分成多個(gè)子數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。同時(shí)為減少多徑時(shí)延在彌散信道中符號(hào)間干擾加入CP保護(hù)間隔來(lái)使其正交。接著通過(guò)并串轉(zhuǎn)換，成型濾波器把信號(hào)傳送出去。

而在接收端將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，再經(jīng)過(guò)OFDM解調(diào)器解調(diào)轉(zhuǎn)換合并成初始信號(hào)進(jìn)行接收。

其中在發(fā)送端OFDM調(diào)制器進(jìn)行行分割調(diào)制數(shù)據(jù)時(shí)，采用了快速傅里葉反變換(IFFT)算法。如公式(1)。根據(jù)公式(1)傅里葉反變換(IFFT)累加了矩陣X(k)中所有的正弦和余弦信號(hào)，形成一時(shí)域信號(hào)?？梢钥闯鲞@是一組復(fù)雜的指數(shù)載波，其中信號(hào)陣列X(k)中，k的取值是0到N-1的N個(gè)數(shù)。從而會(huì)有N個(gè)采樣值的指數(shù)載波(如圖3)。 要注意這些指數(shù)載波必須是正交的。

n=0,1,···N-1

(1)

在接收端OFDM解調(diào)器中就是把發(fā)送端調(diào)制過(guò)程進(jìn)行的逆變換。采用的是快速傅里葉變換(FFT)算法公式(2)來(lái)解調(diào)出原來(lái)的信號(hào)。

k=0,1,…N-1

(2)

4 正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)系統(tǒng)性能的仿真分析

對(duì)正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)的系統(tǒng)的模擬仿真是對(duì)傳輸性能影響較大的重要指標(biāo)來(lái)進(jìn)行分析，找出最合適的技術(shù)來(lái)盡可能的提升傳輸性能。而影響較大的主要有以下兩點(diǎn)：

(1)頻帶利用率，就是在單位帶寬的頻帶上每秒可傳送的比特?cái)?shù)。它可以衡量傳輸技術(shù)對(duì)帶寬資源的利用率。理論上來(lái)說(shuō)，多徑傳輸?shù)膫鬏斔俣瓤隙ㄟh(yuǎn)大于單載波。而正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)的傳輸效果肯定比普通的多徑復(fù)用(FDM)技術(shù)要節(jié)省帶寬(如圖4)。

(2)誤碼率，它是指經(jīng)過(guò)通信系統(tǒng)傳輸后，接收到的數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤的碼字?jǐn)?shù)占總碼字?jǐn)?shù)的比例。對(duì)于傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)誤碼率肯定是越低越好。而系統(tǒng)仿真分析就是為了從多種不同的信息編碼和調(diào)制方案中找出誤碼率最低的方案。

在這里使用Matlab軟件可以很好的對(duì)誤碼率進(jìn)行仿真分析。如下圖5是對(duì)正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)系統(tǒng)模型的仿真具體流程。

如圖6在對(duì)信息編碼進(jìn)行仿真時(shí)，可以明顯看出對(duì)要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行RS編碼可以明顯的降低系統(tǒng)的誤碼率。所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要選擇合適的編碼。

如下圖7 隨著傳播路徑子載波數(shù)的增多系統(tǒng)的誤碼率在明顯的降低。這就可以顯示出正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)，具有有良好的抗多經(jīng)衰落的性能。但是傳播路徑子載波數(shù)的越多系統(tǒng)的復(fù)雜性也越大，要調(diào)制處理數(shù)據(jù)也越大?；诂F(xiàn)代處理數(shù)據(jù)的硬件，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的運(yùn)算速度，可以選擇合適多個(gè)路徑來(lái)傳遞信號(hào)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)仿真分析，可以看出正交頻復(fù)用(OFDM)技術(shù)只要選擇合適信息編碼和合適數(shù)目的傳播路徑就可以很好的降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。而且他還極大節(jié)省帶寬資料，所以從理論上分析它十分適合于礦井隧道的井下通信。