矿井透地扩频通信系统方案的设计与仿真文档格式.doc
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建立完善的矿井及相关行业（军事、隧道等）移动通信系统对于提高现代矿井自动化程度，提高劳动生产率，加强安全防护等有着非常重要的意义。
矿井移动通信作为现代矿区通信技术的重要组成部分，现在函待开发、研究、完善和提高。
目前，矿井移动通信的主要形式有动力线载波通信、漏泄无线通信、感应通信和透地通信等。
动力线载波通信在矿井架线电机车上有些应用，但因传输阻抗匹配困难和抗干扰性能差，至今性能尚未完善。
泄漏通信是利用表面开孔的同轴电缆（漏泄电缆）在巷道中起到长天线的作用，实现移动电台之间或与基站之间的可逆耦合，获得较好的通信质量;
缺点是系统造价昂贵，需敷设专用传输线，信号接收局限在离导线30m以内，传输线架设和维护需花一定代价。
感应通信是利用电磁感应原理实现的通信，发话时移动通信机的磁性天线十分接近感应线且发射天线尺寸较大，因传输参数不稳定和干扰噪声大，国内使用情况普遍不好。
低频透地通信是一种以分层大地作为传播媒质，无线电波穿透大地的无线电通信方式。
该方式由于其传输媒质是分层大地，而且不受矿井灾害事故的影响，所以被认为是最可靠的应急通信手段而受到经营者的重视。
如果将该通信方式用于矿井正常的生产调度，将会大大降低通信系统成本，同时带来巨大的经济和社会效益。
另外，矿井一旦发生灾害，紧急报警，人员撤离，救护队员寻找救护目标等都需要有良好的通讯系统作保证。
但是，在发生灾害时，通常的有线通信信道可能已被破坏，这就阻碍了救护队员与被困人员的联系，从而导致被困人员死亡和财产的重大损失。
如果能对被困人员的状况、位置有准确的了解，就可以指导救护员尽快到达，避免不必要的伤亡。
同时，救护员通过对救护地点的直接了解，可保护他们自己尽可能地避开危险地带。
为了保障矿井安全，提高矿井抗灾变能力，我国煤矿的井下普遍装备了诸如矿井安全监测系统、瓦斯断电仪、携带式（包括头灯式）报警仪、自救器等。
但对于监控系统而言，往往由于在管理和维护环节上偶有疏忽，会使传输线通道发生短路、断路及丢失现象，使监控系统无法正常工作，可靠性大大降低。
因此以无线方式通过地层传输，使煤矿井下信号穿透上面的沉积岩层直接到煤矿地面中心站成为保障矿井安全必要的措施。
随着技术的发展，透地通信将会在遥感遥测、隧道通信、地铁通信、军事通信等领域得到广泛的应用。
2系统方案的提出
本文首先提出了矿井透地直接序列扩频通信方案，该设计方案的选择主要着眼于数字化和大规模集成电路的需要，它是矿井透地扩频数字通信系统的设计基础。
在介绍了方案的原理后，采用通信仿真软件SystemView进行了系统仿真，以说明该方案的可行性并验证其性能。
图1系统结构框图
2.1系统结构框图
本课题研究的透地扩频通信系统结构框图大体如图1所示，从图可以看出，实现本系统的重点是矿井透地扩频芯片，所以本课题将对以矿井透地扩频通信系统的芯片设计为研究内容。
2.2透地扩频芯片的原理框图
图2矿井透地扩频芯片原理框图
矿井透地扩频调制解调器原理框图如图2所示，在对方案进行系统仿真时应包括框图中的所有模块，而实际研究的部分则是虚线内的部分。
首先，数据源发出二进制数据流，该数据流与PN码发生器产生的伪随机序列进行扩频调制，得到较高速的数据信息流。
然后经过D/A转换、信号放大经过天线发射出去。
在接收端，信号经过窄带滤波、A/D转换后得到数字信号，然后送至数字匹配滤波器进行相关处理。
由于伪随机序列的自相关性，只有当本地伪码与接收信号的伪码相位一致时，相关峰值最大。
实际设计中，一般先根据实际环境设置一比较门限，当峰值超过比较门限时，就认为伪码相位己经达到了一致。
这时匹配滤波器输出的信号就是解扩后的信号，最后再经过数据生成模块就可以恢复出原始的二进制序列.
2.3方案的理论分析
2.3.1直扩通信系统原理
本课题研究的是数字化矿井直扩透地通信系统，所以有必要对直扩方式工作原理进行介绍。
一般的直接序列扩展频谱系统的原理框图如图3所示。
数据源经过基带信号的编码器处理后，系统使用由m序列发生器产生的伪随机码（PNcode）对信息比特进行模2加得到扩频序列，然后用这个扩频序列对载波进行调制，最后经天线发射出去。
PN码的码速比原始信息码速度高很多，每一PN码的长度（即Chip宽度）很小。
直扩通信系统的接收一般采用相关接收，并分成两步，即解扩和解调。
在接收端，接收信号经过数控振荡器放大混频后，用与发射端相同且同步的由m序列发生器产生的伪随机码对中频信号进行相关解扩，把扩频信号恢复成窄带信号，然后再由基带滤波器进行解调，最后恢复出原始信息序列。
由于千扰和噪声与伪随机码不相关，因此接收机的相关解扩相当于对其进行又一次扩频，将千扰和噪声进行频谱扩展，降低了进入频带内的干扰功率，同时使得解调器的输入信噪比提高，从而提高系统的抗干扰能力。
另外，由于不同构造的PN码之间相关性很低，使得不相关的接收机很难发现和解出扩频序列中的信息。
码分多址（CDMA）就是采用这种机理区别不同用户的。
直接扩频方式是扩频应用中最典型和最常用的一种。
（发射系统）
（接收系统）
图3直扩通信原理框图
2.3.2匹配滤波器的MATLAB设计与仿真
（1）基本结构
扩频通信系统中的匹配滤波器不同于一般的匹配滤波器—积分、清洗检测器，也不同于数字传输系统中发送端基带成型抑制码间干扰、接收端匹配接收限制白噪声的匹配滤波器。
这里的匹配滤波器是指伪码序列匹配滤波器，功能是完成对扩频码的匹配滤波即实现对扩频调制信号的解扩过程。
对随机码的匹配滤波可以在中频进行，也可以在基带进行。
中频多采用模拟器件声表面波（SAW）匹配滤波器来实现，基带多采用数字集成电路来实现。
在本课题中，采用数字匹配滤波器，数字匹配滤波器结构简图如图4所示.主要包括输入数据移位寄存器序列，参考移位寄存器序列、模二加及累加器、比较器等单元。
N级参考寄存器中存放的是可编程扩频码c（T一t）处于等待状态;
N级移位寄存器中是接收码流，在速率为R。
的PN码时钟的作用下向右移位。
每向前移动一位，移位寄存器中的N位PN码元与参考寄存器中的N位参考码元对应位模二加，并行送入累加器，利用扩频码的自相关特性,当本地PN码与接收信号中的PN码不相关（匹配）时，相关值输出较小，其模值小于门限值:
当本地PN码与接收信号中的PN码相关（匹配）时，相关值输出最大，将相关值取模与门限比较可得扩频同步（相关峰）指示。
此时匹配滤波器的输出信号即为解扩后的基带信号。
图4基带数字匹配滤波器框图
（2）解扩原理及仿真
设用于扩频的扩频码c（t），长度为N，它可表示为:
（2.1）
式中
（2.2）
为门函数，为码元宽度，为伪码chip,取值为0或1，发送信息为，经扩频（编码）后，发送信号为
（2.3）
式中g（t）为门函数，类似于式（2.2）的定义，持续时间T=nTc。
若数字匹配滤波器对c（t）
相关（正相关或负相关，取决于传送信息），则滤波器的冲激相应为
（2.4）
冲激相应也是码长为N的编码序列，码型与扩频码型相同，编码序列和扩频码相反。
例如，发端用的扩频伪随机码c（t）为1110100，则用于解扩的数字匹配滤波器的编码应为0010111。
由此可得匹配滤波器的输出为
（2.5）由此可以看出，y（t）是一个相关函数，严格地讲，y（t）是码的两个部分相关的加权和，加权值为传递的信息。
其MATLAB仿真输出波形如下图5及图6所示（长度为63的m序列，调制信息为10101，数据信息速率为50Hz，即Tc=0.02s，扩频增益为63）。
从图3.5和3.6可以看出，当tTc时，此时匹配滤波器与接收到的信号不相关，y（t）的值较小。
当t=Tc时，y（t）取最大值，有
（2.6）
表示匹配滤波器与输入信号相关（匹配），由此可以通过y（t）的值来判断匹配滤波器是否匹配，从而检测出一个码字或移位信息。
图5无噪声时匹配滤波器的输出
图5为理想情况下匹配滤波器的输出的相关峰值，图6为有噪声情况下匹配滤波器的输出。
由此可知，采用匹配滤波器能够实现解扩功能。
在扩频系统中，扩频码同步问题是技术难点之一，它包括扩频码的码字同步和扩频码的chip同步，只有在扩频码同步后才能完成扩频信号的解扩处理过程，因此扩频码的同步是关系到扩频信号解扩性能乃至整个系统性能好坏的关键，许多系统为此花费了大量的精力和财力。
由数字匹配滤波器的工作原理可知，N级参考寄存器中存放的扩频码处于等待状态，对接收码流进行连续地相关处理，每个取样间隔都输出一个相关值，一旦进入数字匹配滤波器的信号与之相匹配，就有一个相关峰输出，即表明收发双方的伪随机码同步，也表明接收到了相应的传输信号。
数字匹配滤波器在解扩的过程中自动完成伪随机码的同步，不需要搜索时间，也不需要另外的部件提供一个同步的伪随机码。
由此可见，采用数字匹配滤波器后，接收机不需要专门的扩频码同步电路，而是“实时”解扩，这样既免去了PN码的码同步单元，简化了电路，又使同步速度非常快，这正是在扩频通信同步捕捉中匹配滤波器法优于其它方法的原因。
利用匹配滤波器组进行解扩，还可以克服多径干扰甚至利用部分多径能量，提高系统的抗干扰能力，改善系统的误码性能。
位同步也是数字通信系统中不可缺少的一个方面，位同步捕获时间是一个重要指标，在高速或突发数据传输中成为一个关键性问题。
匹配滤波器输出的相关峰恰好与信息比特一一对应，因此可以从相关峰中获得位同步信号，为位同步的提取带来了极大的方便，进一步简化了系统。
图6有噪声时的匹配滤波器的输出
2.3.3具体方案的数学分析
设扩频调制前的数据为d（n），伪随机码为PN（n），扩频调制后的信号用两者的乘积
d（n）PN（n）来表示，那么设为调制后的信号（即为发射系统输出的信号），则
（2.7）
式中S为数据信号的功率。
经天线辐射到透地信道中，信号在传输过程中受到各种信号和干扰噪声的污染，有用信号在传输过程中一般要产生传输时延和损耗，为了下面分析的方便，我们忽略信号传输过程中产生的时延和损耗。
因而，进入接收机的信号加噪声可表示为:
（2.8）式中为所接收到的信号，J（n）为干扰信号，N（n）为噪声。
信号进入接收机后进行与发射端相反的反变换，即可恢复发射端传送的信息。
在本扩频接收机中，这个反变换就是解扩。
一般情况下都采用相关解扩，本系统采用匹配滤波器来完成信号的解扩。
因为我们所讨论的系统是线性的，所以我们就可以利用线性叠加的原理来分别求出其S，中各项的相应输出，最后求出总响应。
在此，我们仅对有用信号进行分析，在对有用信号进行分析时，我们假设其他干扰信号和信道噪声为零。
于是，我们可以将上式简化为:
（2.9）
这样,经过数字匹配滤波器相关运算后信号为：
（2.10）
一般为了解调方便，在m=n到m=n+63间隔内为PN码的一个完整周期长度。
可在此期间对一位数据进行调制，也就是说，一个数据位被63位扩频码进行扩频调制，则上式可写为:
（2.11）
其中，有效数据在此期间是不变的，对于不同的m,d（m）的值是1或-1，
表明了本地PN码与发送PN码的相关程度。
当两者对齐时，有最大的绝对值输出，此时输出就是相关峰的值;
当两者的相位没有对齐时，则达不到相关峰值。
另外，通过上式进行分析，我们可以看出，的输出符号就是这段时间内传输的数字信号d（m）的符号，所以在相关的同时就可以解扩出传输的数据。
3系统仿真
3.1系统仿真软件的介绍
通信技术的发展日新月异，通信系统的性能要求越来越高，系统愈加复杂，研发经费不断增加。
因此，在通信系统的设计开发过程中，可以先建立相应的方案模型，通过计算机软件仿真对系统进行多种方案设计和参数实验，得到最佳方案，通信系统仿真可加快研发进度和节省项目投资。
目前，电子设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomatic）技术已经成为电子设计的潮流。
为了使繁杂的电子设计过程更加便捷，出现了许多针对不同层次应用的EDA软件。
美国Elanix公司推出的基于PC机Windows平台的SystemView动态系统仿真软件，是目前国际上较优秀的系统设计和仿真软件。
（1）SystemView的简介
SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求.SystemView以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供另外一个嵌入式的分析引擎。
使用SystemView你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统放着模型。
用户只需要使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试，而不必学习复杂的计算机程序编制，也不必担心程序中是否存在编程错误。
SystemView是一个完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。
它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。
最有特色的是，它可以很方便地进行各种滤波器的设计。
系统备有通信、逻辑、数字信号处理（DSP）、射频/模拟、码分多址个人通信系统（CDMA/PCS）.数字视频广播（DVB）系统、自适应滤波器、第三代无线移动通信系统等专业库可供选择，适合于各种专业设计人员.该系统支持外部数据的输入和输出。
支持用户自己编写代码（C/C++），兼容MATLAB软件。
同时，提供了与硬件设计工具的接口，支持Xilinx公司的FPGA芯片和TI公司的DSP芯片，它已大量地应用于现代数字信号处理、通信系统及控制系统地设计与仿真等领域。
（2）SystemView的特点
①强大的仿真设计功能
利用SystemView软件，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，可用于线性或非线性控制系统的设计和仿真。
其特色是，利用它可以从各种不同角度，以不同方式，按要求设计多滤波器，并可自动完成滤波器的各种指标——如幅频特性﹑传递函数﹑根轨迹图等之间的转换。
它还可以实时的仿真各种位真（BitTrue）的DSP结构，并进行各种系统的时域和频域分析﹑谱分析以及各种逻辑电路﹑射频/模拟电路进行理论分析和仿真分析等。
②丰富的库资源
SystemView的基本库中包括多种信号源，接收窗﹑加法器﹑乘法器﹑各种函数运算器等。
另外，它还带有各种专业库如通信﹑逻辑﹑数字信号处理﹑射频/模拟等以备选择，特别适合于现代通信系统设计﹑仿真和方案论证。
随着现代通信技术的不断发展，无线通信技术以日趋完善。
利用SystemView带有IS-95和3GPP-FDD扩展库，即可十分方便地完成第二代无线移动通信Q-CDMA系统以及第三代无线移动通信WCDMA系统的设计和仿真。
SystemView还专门提供了对Turbo编码的系统仿真功能。
数字电视业务是近年来发展起来的一个新领域，利用SystemView带来的DVB库可以对其信号传输方式等进行分析和仿真。
③在报告中方便地加入SystemView的结论
SystemView通过Notes很容易地在屏幕上对系统进行描述和说明，生成的SystemView系统和输出的波形可以方便地通过使用复制（copy）和粘贴（paste）命令插入到微软的word等文字处理软件中进行编辑。
④提供基于组织结构图方式的设计
通过利用图符和MetaSystem（子系统）对象的无限制分层结构功能，SystemView能容易地建立复杂的系统。
用户首先可以定义一些简单的功能组，再通过对这些简单功能组的连接进而实现一个大系统，利用系统提供的子系统结构功能可以将这个大系统形成一个对应的新子系统，这样，单一的图符就可以代表一个复杂系统。
MetaSystem的操作方法与系统提供的其他图符的使用方法类同，只要用鼠标单击一下该子系统，就会出现一个特定的窗口来显示出复杂的MetaSystem结构。
但是在SystemView的学习版中没有SystemView图符功能，必须升级理
SystemView的分析窗口是一个能够对系统波形进行详细检查的交互式可视环境。
分析窗口还提供了一个能对仿真生成的数据进行先进的块处理操作的接受计算机。
SystemView还提供了一个真实而灵活的窗口，用以检查系统波形。
内部数据的图形放大﹑缩小﹑滚动﹑谱分析﹑标尺以及滤波等全都是通过敲击鼠标实现的。
⑧可扩展性
SystemView允许用户插入自己用C/C++编写的用户代码库，插入的用户库自动集成到SystemV到专业版才有此功能。
⑤多速率系统和并行系统
SystemView可以对具有多种数据采样率输入的系统进行合并，以简化FIR滤波器的执行，这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的通信系统的设计与仿真，该特性有效地提高了整个系统的仿真速度，而在局部又不会降低仿真的精度，同时还降低了系统对计算机硬件配置的要求。
⑥完善的滤波器和线性系统设计
SystemView包含一个功能强大的﹑很容易使用的图形模板设计环境，便于模拟和数字以及离散和连续时间系统的设计，同时还包含大量的FIR/IIR滤波器类型和FFT类型，并提供了便于用DSP实现滤波器或线性系统的参数。
⑦先进的信号分析和数据块处iew中，如同系统内建的库一样使用。
⑨完善的自我诊断功能
SystemView能自动执行系统连接检查，并显示连接的出错信息和指出出错的图符，这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。
总之，SystemView的设计者希望它成为一种强有力的基于个人计算机的动态通信系统仿真工具，以达到在不具备先进仪器的条件下同样也能完成复杂的通信系统设计与仿真的目的。
3.2系统的仿真模型
根据前面提出的直扩通信系统数字化设计的框图，可以建立SystemView的仿真模型。
为了便于系统的设计﹑分析和实现，我们采用了模块化的设计思路。
将整个系统划分为8个模块，每个模块对应不同的功能。
从图7可以看出这些模块的连接情况。
从图8中还可以看到，为了便于观察各点的波形，在各模块的输出中加入了波形显示模块。
在进行系统分析时，可以根据需要调用任一数据波形进行观察和处理。
8个模块分别为：
随即数据产生模块﹑伪随即序列产生模块﹑扩频调制模块﹑信道模拟模块﹑匹配滤波器模块﹑捕获模块﹑数据生成模块﹑误码率测试模块。
其中，每一模块又由许多SystemView的库单元（Token）或者子模块（MetaSystem）构成，它们的任务是完成该模块的仿真功能。
3.3系统的仿真模型
（1）随机数产生模块
该模块的作用是仿真数据源，产生测试试用数据。
由于仅用来做测试，对数据无特殊要求，所以一般可用随机
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