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【摘 要】 本文介绍了一种基于软件无线电的甚低频低码率岩层通信技术，采用M元直扩方式扩频调制和RS码信道编码技术。
经过计算机仿真，得到系统参数在FPGA编程中实现，并在硬件平台上得到验证。
试验结果证明矿山通信机功放利用效率高、话音音质好，短消息传输正确。
【关键词】 岩层通信 M元直扩 FPGA TR600
岩层通信作为一种特殊的无线通信技术，是以导电率很高的粘土、岩石为煤质进行通信的[1]。
由于岩层通信的媒介具有很强的衰减特性且因安全要求而功率受限[1]，该方案在计算机仿真和硬件平台试验中得到了验证，能够实现短消息和语音通信。
1 硬件平台
1.1 硬件实现
本通信系统的主要功能是实现短信息和语音的数字传输，采用半双工模式，分为收发两部分。
矿山通信机工作处于发送时，语音经麦克风进入话音编解码芯片，线性编码后由语音压缩芯片完成话音压缩。
在FPGA内完成短消息、话音比特流的调制，调制后的信号由功率放大器和输出变压器发送出去;接收模拟电路把模拟信号放大、滤波后送到A/D变化器进行采样，采样后的数据送到FPGA内进行解调，解调之后的数据分别以短信息或话音类型输出到显示模块或扬声器输出。
接收部分A/D采样率为76.8kbps。
1.2 单元板划分及功能
模拟收发处理单元主要完成模拟信号发送、接收;数字处理单元完成话音及短消息数字信号采样、处理;扩频及解扩。
2 矿山通信机工作原理
2.1 发送方向
话音部分：FPGA收到话音编码压缩后的数据帧，帧长为45bits(每75ms)。
在话音数据帧格式转换设计中采用FPGA的RAM模块，数据帧写入到RAM中，以比特流方式从RAM的读取输出。
扩频采用M元扩频(M=16)，即使用16条31位双正交m序列尾部加0构成32长的扩频码，扩频后的码片速率为4800chip/s，扩频处理增益为8。
短消息部分：液晶屏输入的短消息通过RS232接口转化写入到FPGA的RAM缓存，RAM输出比特速率为11.25bit/s。
采用(15，9)RS编码，编码后的速率为18.75bit/s。
扩频部分同样采用M元扩频，利用16条1023位双正交m序列尾部加0构成1024长的扩频码，扩频后的码片速率为4800chip/s，扩频处理增益为256。
经过扩频后话音和短消息的码片速率一致，均为4800chip/s。
码片成型将该码片序列转化成脉冲型波形信号后经功放、输出变压器和天线发射出去。
2.2 接收方向
接收端接收到A/D采样数据，送到匹配滤波器。
匹配滤波进行波形处理应可获得较高的处理增益。
匹配滤波后进行2：1下采样，将采样速率降低一倍变为38.4kHz，每个码片8个样点。
对从匹配滤波器送来的信号进行同步相关解扩，所采用的本地扩频码与发送设备中的扩频码相同，也用与接收信号相同的采样速率(38.4kHz)表示，即每个码片8个样点。
解扩时在输入信号每个码片的中点抽一个样点(8：1)与M个本地PN码进行相关运算，然后根据所得相关值的绝对值(或平方值)的大小进行符号判决。
捕获阶段可采用相邻15个码元进行归一化最大相关值统计，对于突发信号来说，这是一种突发整体捕获算法。
设r(n)=s(n)+v(n)为带有零均值高斯白噪声v(n)的接收信号，每个码片8个样点;，，
为M个符号所对应的三进制双正交PN码序列，扩频码长度都为N。
先设120N个相关能量移位寄存器：
C(k)，C(k)，，C(k)，k=0，1，2，，120N-1(每个4比特);再设另一组存储符号粗判结果的移位寄存器s(i)，i=0，1，2，，120N-1(每个4比特);将它们清零后，开始下述相关能量累加和符号粗判结果缓存。
(1)采用M个相关器都同时计算它们的PN码与在第n时刻已到达的8N个输入信号样点的相关能量：
(2)比较这M个相关能量大小，进行符号粗判，设粗判结果为m0，将它暂存于s(0)=m;而将相应的相关能量存于。
(3)采用同样的方法计算在第n+i时刻时已达的8N个输入信号样点的M个相关能量，并将粗判结果符号和相应的相关能量缓存于两组寄存器中，即：s(i)=，，。
(4)对于前15个符号初判结果的最大相关能量进行累加：
如果Sum大于某个门限，则进入(6)中;否则进行下一步;
(5)将两组移位寄存器进行一次移位，即
s(i-1)=s(i)，C(i-1)=C(i)，;
然后按照前面同样的方法继续计算再下一时刻的符号粗判结果和最大相关量，分别存于S(120N-1)、C(120N-1)之中。
(6)从寄存器中取出对前15个符号的初判结果，即s(120N-1-14)， s(120N-1-13)，s(120N-1-12)进行RS码译码;如果译码时发现符号错误个数大于3，则回到第(5)中;否则结束捕获，输出译码结果。
上述捕获过程需用到240N个4比特的移位寄存器，最多可能需要2408192=1，966，080个4比特的移位寄存器。
捕获解扩后判断出数据类型为话音还是短消息，短消息数据RS解码采用的是硬判决编码器。
话音、短消息帧格式转化为发送过程的逆过程，使接收端能够正常的接收到话音或短消息。
3 矿山通信机试验结果
在本试验条件下，传输距离80米时的理论电压衰减值达74 dB，传输距离60米的实际电压衰减值达70 dB。
4 结语
本文介绍了基于岩层通信的矿山通信机的实现，可实现数据话音的无线通信。
试验结果与设计基本一致，性能满足要求，该方案可行。
参考文献
[1]田红心，郭保娟，向新，易克初.基于软件无线电的数字语音通信机[J].无线电通信技术，2004，(1)：50-53.
岩层通信的矿山通信机的实现
