擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息傳輸處理技術(shù)。通過擴(kuò)頻使信號(hào)功率相當(dāng)均勻的分布在很寬的頻率范圍內(nèi)，具有類似于白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，使得該系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾性能、高保密性、低截獲概率性及良好的碼分多址通信性能。擴(kuò)頻系統(tǒng)的這些優(yōu)良性能，使得它在很多對(duì)信道帶寬利用率要求不高的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用，本文就是一個(gè)關(guān)于深井通信的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)背景

根據(jù)擴(kuò)頻碼控制的調(diào)制參數(shù)不同，擴(kuò)頻方式可分為：直接序列擴(kuò)頻（DS-SS），跳頻擴(kuò)頻（FH-SS）和跳時(shí)擴(kuò)頻（TH-SS）。本文介紹的系統(tǒng)采用的就是直接擴(kuò)頻，直接序列擴(kuò)頻通信是通過在發(fā)送端將數(shù)據(jù)信號(hào)和更高數(shù)據(jù)速率的位序列或填充碼組合而實(shí)現(xiàn)的。填充碼是冗余位組合，其可根據(jù)擴(kuò)展率將用戶數(shù)據(jù)分段。當(dāng)該位信號(hào)發(fā)送時(shí)，可以增加信號(hào)抗干擾的能力。如果在這種組合中有一個(gè)或多個(gè)位在傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)誤，那么由于發(fā)送的冗余性，原始數(shù)據(jù)也可以被恢復(fù)出來。圖1為直擴(kuò)系統(tǒng)的組成原理框圖。由信源輸出的信號(hào)a(t)是碼元持續(xù)時(shí)間為Ta的信息流，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼為c(t)，每一偽隨機(jī)碼寬度或者切普(Chip)寬度為Tc。將信碼a(t)與偽隨機(jī)碼c(t) 進(jìn)行模二加，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列，然后再用擴(kuò)頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。

在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)高放和混頻后，用于發(fā)端同步的偽隨機(jī)序列對(duì)中頻的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，將信號(hào)的頻帶恢復(fù)為信息序列a(t)的頻帶，為中頻調(diào)制信號(hào)。然后再進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔(t)，從而完成信息的傳輸。對(duì)于干擾信號(hào)和噪聲而言，由于與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在相關(guān)解擴(kuò)器的作用下，相當(dāng)于進(jìn)行了擴(kuò)頻。干擾信號(hào)和噪聲頻譜被擴(kuò)展后，其譜密度減低，這樣就大大降低了進(jìn)入信號(hào)通頻帶內(nèi)的干擾功率，使解調(diào)器的輸入信噪比和輸出信噪比提高，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

本文介紹的是一個(gè)井下通信系統(tǒng)。煤礦井下巷道和采掘工作面空間狹窄，大都呈隧道狀，采煤工作面長(zhǎng)可達(dá)幾百米，而礦井巷道長(zhǎng)可達(dá)數(shù)千米甚至十幾千米，寬、高僅為幾米。作業(yè)點(diǎn)分散,人員流動(dòng)性大，環(huán)境中存在著大量的有爆炸危險(xiǎn)的一氧化碳，瓦斯及煤塵等空氣混合體，事故隱患極大。因此，建立完善的煤礦井下無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)于提高礦井現(xiàn)代化生產(chǎn)、安全和管理水平有著非常重要的意義。

目前我國(guó)煤礦井下移動(dòng)通信的主要方式有動(dòng)力線載波通信、感應(yīng)通信、漏泄通信以及中低頻無線電。動(dòng)力線載波通信在傳輸距離，通話清晰度和抗干擾能力上都無法適應(yīng)現(xiàn)代化礦井的需要。感應(yīng)通信目前在我國(guó)部分煤礦得到使用，但通話質(zhì)量和通信距離都不夠理想。漏泄通信不能覆蓋到井下的每個(gè)地方。

系統(tǒng)原理框圖

圖2和圖3分別為發(fā)射機(jī)原理框圖和接收機(jī)原理框圖，信號(hào)首先從計(jì)算機(jī)發(fā)出，通過數(shù)字調(diào)制板擴(kuò)頻編碼后轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)放大后送到天線發(fā)射出去。接收機(jī)是發(fā)射機(jī)的逆過程，模擬信號(hào)從天線接收下來后先進(jìn)行放大，然后送入數(shù)字解調(diào)板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后解擴(kuò)，解擴(kuò)后的信號(hào)送入?yún)f(xié)議處理板，協(xié)議處理板用于實(shí)現(xiàn)選呼，群呼及廣播協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，圖中LCD顯示板用于信息的顯示。數(shù)字調(diào)制板和數(shù)字解調(diào)板是整個(gè)系統(tǒng)的，分別進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)，解調(diào)是調(diào)制的逆過程，二者結(jié)構(gòu)相似，硬件電路也大同小異，只是輸入和輸出互換，所以本文主要介紹數(shù)字調(diào)制板。

數(shù)字調(diào)制板的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

該模塊的部分是FPGA，對(duì)數(shù)據(jù)的處理都是在此芯片內(nèi)完成。數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)的SPI口輸入，處理后經(jīng)DAC8501變?yōu)槟M信號(hào)，再經(jīng)OPA348放大后輸出。FPGA配置了JTAG口，用于調(diào)試程序時(shí)使用。AS口是在程序調(diào)試完成后，通過該口將程序?qū)懭隖PGA的專用配置芯片EPCS64中，EPCS64中的內(nèi)容掉電后不會(huì)丟失，以后上電后程序就會(huì)自動(dòng)進(jìn)FPGA中。晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘，為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，所以加了片7404。

主要模塊的電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的芯片F(xiàn)PGA依據(jù)編寫程序所需資源適當(dāng)選取，本系統(tǒng)選用EP2C35，EP2C35是ALTERA公司cyclone‖系列FPGA。CycloneII FPGA采用TSMC 90nm Low-K工藝，1.2V內(nèi)核電壓，比cyclone系列成本降低30%，邏輯容量多三倍，成本大約是相競(jìng)爭(zhēng)的低成本FPGA的一半，而速度快50％以上。EP2C35的邏輯單元為33216個(gè)，M4K RAM塊105個(gè)，RAM480K，嵌入式18×18乘法器35個(gè)，鎖相環(huán)4個(gè)，可以滿足設(shè)計(jì)需要。

SPI是串行外圍設(shè)備接口，是一種高速的、全雙工、同步串行外設(shè)接口。它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線SCK，主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO，主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS。由于SPI系統(tǒng)總線接口簡(jiǎn)單，可以節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I/O口線，提高設(shè)計(jì)的可靠性。所以當(dāng)傳輸速度要求不是太高時(shí)，使用SPI總線可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的性能。圖5 給出了SPI接口電路原理圖。

本文介紹了一個(gè)采用擴(kuò)頻編碼技術(shù)的井下通信系統(tǒng)，并對(duì)其調(diào)制器部分的硬件電路做了簡(jiǎn)單介紹。其實(shí)這可以看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)模型，發(fā)送端進(jìn)行編碼調(diào)制，接收端進(jìn)行譯碼，利用編碼來擴(kuò)展待傳輸?shù)男盘?hào)帶寬，以換取信噪比上的好處，從而可以在較低的信噪比下正確地傳送信息。該系統(tǒng)模型完全可以移植到其它設(shè)計(jì)上去，基本結(jié)構(gòu)不變，只是數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器及放大器要依據(jù)新系統(tǒng)的帶寬等要求來選擇，F(xiàn)PGA也應(yīng)依據(jù)新系統(tǒng)所需資源來選擇合適的型號(hào)，編碼也可以選用BCH碼或LDPC碼等其它碼，還可以視系統(tǒng)需要而加入RS232接口或USB接口等其它接口電路。