电流场矿井透地扩频通信系统设计与实现

摘要

由于我国每年都会发生很多煤矿、金矿等安全突发事件，国家越来越注重事故发生后人员紧急救援情况。如果发生突发事件，矿下的有线设备通常会被毁坏，地上施救人员无法使用传统的有线设备与矿下受困人员进行通信，导致很难实现被困员工的定位和营救。由此使得透地扩频无线通信系统特别重要。因为抗毁和效率高等优点，基于电流场理论的透地无线通信方式成为目前发展前景较好的通信方式。本文的主要任务是设计一套基于电流场理论的矿井透地扩频通信系统，包括功率发射机和接收机。
　　本文首先介绍系统的工作原理，包括电流场通信原理和扩频通信原理，分析并建立电流场通信的数学模型，并采用电偶极子作为传输收发天线；由于特殊的矿井环境因素以及对矿井信道的分析，透地通信频率局限在甚低频频段。
　　其次系统的设计可以分为数字部分和模拟部分。模拟部分实现模拟信号的处理，包括功率的放大、微弱信号的接收以及信号滤波等操作，进行电路设计时，使用Candence、Filterpro、LTspice等软件对电路仿真，分析不同参数的电路性能。最后利用 Altium Designed软件对电路图和 PCB进行绘制。数字部分的设计采用软件无线电的思想，以FPGA为核心，实现调制解调、扩频解扩以及滤波等过程，并配置AD/DA、语音编码解码等外围模块。调制方式采用BPSK，其具有频带利用率高、误码率低等特点；扩频方式采用两种实现方式：直接序列扩频和软扩频。为了体现应急通信的特点，系统同时具备短信通信和语音通信功能，由于语音的传输需要比较宽的带宽资源，并且由于矿井信道的限制，透地通信无法提供满足语音传输的带宽，因此系统无法直接传输语音信号，需要对语音信号进行压缩编码处理，分别使用不同的帧同步码以区分数字和语音信号。
　　最后是系统的功能调试以及外场测试。首先是在实验室内对各个模块进行在线调试，测试各个模块的性能，其次是在外场环境下测试系统的稳定性与可靠性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 透地扩频通信的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要内容和章节安排

第2章 电流场透地通信原理

2.1 传导电流场通信原理

2.2 矿井透地通信信道测试

2.3 本章小结

第3章 扩展序列频谱原理

3.1 扩频技术基本概念

3.2 直接序列扩频通信系统的原理

3.3 软扩频

3.4 扩频通信中的同步技术

3.5 本章小结

第4章 透地扩频通信系统的硬件电路设计

4.1 系统整体设计框图

4.2 数字处理模块

4.3 系统电源模块设计

4.4 功率放大电路模块设计

4.5 接收模块的设计

4.6 本章小结

第5章 透地扩频通信系统的软件程序设计

5.1 系统软件流程

5.2 串口收发模块设计与实现

5.3 信道编码与译码

5.4 扩频软件的设计与实现

5.5 载波同步模块的设计与实现

5.6 伪码同步的设计与实现

5.7 本章小结

第6章 系统测试

6.1 实验室测试

6.2 外场测试

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢