超寬帶(UWB)通信系統(tǒng)主要是指利用脈沖作為信息載體而實現(xiàn)的通信方式。與傳統(tǒng)的基于載波的通信系統(tǒng)相比，超寬帶系統(tǒng)把信息承載在低占空比的基帶脈沖中，系統(tǒng)中不再有傳統(tǒng)意義上的載波。隨著現(xiàn)代模擬信號處理技術聲表面波(Surface Acoustic Wave)器件的發(fā)展，已經(jīng)可以利用低成本、低功耗的聲表面波濾波器產(chǎn)生并檢測中心頻率為5.6 GHz、部分帶寬達到50%的線性調(diào)頻脈沖(Chirp)信號，能夠滿足FCC（即美國聯(lián)邦通信委員會）對UWB工作頻段和帶寬的要求。同時，信號經(jīng)過匹配濾波器后，信號寬度壓縮，多徑效應也被削減[1]，因此，Chirp信號可以作為一種全新的UWB信號，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，同時又可以滿足精確定位的要求。此外基于CSS（Chirp Spread Spectrum）已作為IEEE802.15.TG4a低速UWB通信的一個候選物理層標準，可以用于遠距離低速通信。
    現(xiàn)有的煤礦井下移動通信系統(tǒng)存在著設備制造成本高、抗干擾能力差、攜帶不方便、使用范圍局限性較大等問題。人們?yōu)榱烁纳频V井下通信落后的現(xiàn)象一直在不斷地探索和研究，以求能夠?qū)⒌孛嫔舷冗M的通信技術用于煤礦井下。由于礦井下自然條件比較復雜，電波在巷道中傳播有嚴重的多徑衰落，而且整機功耗受到易燃易爆環(huán)境的制約，從而使得礦井下無線移動通信的研究與應用遠遠落后于地面移動通信[2]。多年來人們一直在尋找一種低功耗和抗多徑能力強的傳輸方法。根據(jù)Chirp-UWB信號的特點，同時可滿足高速和低速通信的要求，該技術能為解決礦井下無線通信提供一種很好的選擇，有可能為礦井提供成本價格較低、易于維護、數(shù)據(jù)以及視頻無線接入等生產(chǎn)和安全監(jiān)測所需要的移動通信系統(tǒng)，構成礦井下綜合業(yè)務網(wǎng)的無線接入系統(tǒng)[3]。
1 Chirp信號數(shù)字特性
    Chirp信號的表達式為:

     此式可看作是Chirp信號的相關過程， 所以可以把Up-Chirp信號和DOWN-Chirp信號互相作為其匹配濾波器的沖擊響應，進行相干匹配濾波。
2 Chirp信號與傳統(tǒng)高斯脈沖信號的比較
       圖1是Chirp信號與高斯信號時域的比較，圖2是Chirp信號與高斯信號頻域的比較，在仿真中，選取的帶寬為6 GHz?？煽吹?，Chirp信號有較低的脈沖幅度，而且有較低的功率譜密度，但相關器的輸出信號有相同的波峰值。

    當利用傳統(tǒng)的高斯脈沖UWB去探測和通信時，接收到的信號含有周圍噪聲,并且會有嚴重的多徑干擾。為了解決這個問題，本文利用Chirp信號作為UWB通信的脈沖形式。Chirp信號有以下優(yōu)點：
    (1)產(chǎn)生UWB信號電路簡單，并且滿足FCC制定的室內(nèi)UWB設備輻射掩蔽;
    (2)由于它滿足正弦函數(shù)特性，所以易于實現(xiàn)多子帶系統(tǒng);
    (3)在非常寬的頻率范圍內(nèi)，可以不用考慮信號的群延遲特性;

    圖4是AWGN信道下[5]、10 m范圍內(nèi)、傳輸6 000個數(shù)據(jù)比特時的系統(tǒng)誤碼率和信噪比關系曲線圖。從圖中可看出,在相同的信噪比下，Chirp-BOK UWB的誤碼率比2-PPM UWB小。另外，Chirp-BOK UWB系統(tǒng)應用的是低成本、低功耗的聲表面波器件，系統(tǒng)更簡單，易實現(xiàn)。
3 礦井下移動通信現(xiàn)狀
    礦井下移動通信是礦井調(diào)度員、電機車司機及其他工作人員之間進行通信聯(lián)絡的主要手段，在礦井安全、高效生產(chǎn)、搶險救災方面發(fā)揮著十分重要的作用。井下移動通信的理想模式是無線移動通信系統(tǒng)，希望做到在礦井下作業(yè)的任何人員，在任何時間、任何地點，都能與他們的通信對象保持及時有效的聯(lián)系。但是由于井下環(huán)境的特殊性，無線電波在巷道中的傳播遇到很大困難，井下移動通信只能借助于有線才能實現(xiàn)，例如漏泄通信、中頻感應通信等?，F(xiàn)有的煤礦井下移動通信系統(tǒng)存在著設備制造成本高、抗干擾能力差、攜帶不方便、使用范圍的局限性大等問題。一直以來，人們在為改善礦井下通信的落后現(xiàn)象不斷地探索和研究，尋求把地面上先進的通信技術用于煤礦井下的方法。
4 Chirp-UWB信號應用于煤礦井下通信
    由于Up-Chirp信號和DOWN-Chirp信號具有良好的自相關性以及匹配濾波后尖銳的時域特性,所以基于Chirp信號的UWB通信在WLAN中的應用已得到廣泛的研究。目前，基于CSS（Chirp Spread Spectrum）已作為IEEE802.15.TG4a低速UWB通信的一個候選物理層標準，可以用于遠距離低速通信。同時，通過增加Chirp信號帶寬B和減小時間寬度T，Chirp信號同樣可應用于高速的超寬帶通信系統(tǒng)。隨著UWB技術的發(fā)展，在Chirp信號UWB通信系統(tǒng)中，當傳輸速率為110 Mb/s時，在室內(nèi)衰落信道中的設計距離可達20 m左右，隨著速率的降低，距離可以進一步提高到150 m或更高。把它應用于礦井下時,可實現(xiàn)多種場合的無線接入服務[6],下面是其中主要的兩種無線接入服務。
    (1)短距離高速通信
    礦井下短距離高速數(shù)據(jù)的傳輸主要用于井下視頻監(jiān)測信號、機械設備振動故障監(jiān)測、地音信號、煤和瓦斯突出時的電磁輻射信號等信息的無線接入。這些信號所需要的采樣頻率較高,而且主要是對移動設備或移動地點的監(jiān)測。如井下煤層或巖層的離層視頻監(jiān)測,需把移動或相對固定的視頻監(jiān)測信息經(jīng)無線接入設備,進入井下綜合傳輸網(wǎng)絡,其接入的范圍可以在幾米到幾十米之內(nèi)。如果采用系統(tǒng)結(jié)構簡單、成本低的無載波的UWB系統(tǒng),在相同功率和距離的條件下,傳輸速率比其他無線系統(tǒng)要高得多。如藍牙發(fā)射機在平均發(fā)射功率為1 mW、速率為1 Mb/s、工作距離為10 m時,用在高速數(shù)據(jù)傳輸中(如數(shù)字化視頻信號)是比較勉強的。而3 dB帶寬為5.53 GHz、發(fā)射功率為0.55 mW的UWB發(fā)射機,能提供近200 Mb/s的數(shù)據(jù)速率和相同的覆蓋范圍,而如此小的發(fā)射功率對井下環(huán)境的移動通信裝置來說,可以大大延長電池的工作時間。
    (2)遠距離低速通信
    礦井下遠距離低速數(shù)據(jù)無線傳輸一般是指100 m以上的無線接入,通常用于井下移動電話、臨時地點或設備工況監(jiān)測和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測等。通過前面的仿真結(jié)果可知,UWB技術與常規(guī)無線通信一樣,提高發(fā)射功率或降低傳輸速率時,可實現(xiàn)遠距離的移動通信功能。如前所述,在礦井下可以不必考慮提高發(fā)射功率對其他窄帶系統(tǒng)的干擾,且降低傳輸速率仍然可滿足井下一般移動通信和數(shù)據(jù)傳輸對速率和距離的要求。但是要注意發(fā)射功率增大時仍然應該保證設備滿足煤礦井下本質(zhì)安全的要求。例如加拿大礦通公司生產(chǎn)的Flex煤礦井下漏泄通信系統(tǒng)中使用無線調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)接入主傳輸系統(tǒng),數(shù)據(jù)速率為9 600 b/s以下,井下的無線接入距離最大是100 m左右。UBW系統(tǒng)可在相同通信距離下提供幾兆到幾十兆波特率的無線接入速率,其性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)。
    超寬帶無線通信技術給我們帶來了一種全新的通信理念，把它用于礦井下無線通信更是一種新的探索，根據(jù)超寬帶技術低功耗、高數(shù)據(jù)率、抗多徑能力強、系統(tǒng)復雜性低等特點，特別是它既能滿足煤礦高速短距離通信又能滿足低速遠距離通信的優(yōu)勢，該技術有望成為礦井巷道無線通信的更好的選擇,相同的信噪比下，Chirp-BOK UWB比2-PPM UWB有較小的誤碼率。但將UWB應用于井下并不是技術的簡單平移，而是要根據(jù)礦井下的特殊環(huán)境研究出適合它的超寬帶無線通信系統(tǒng)，這還有很多問題需要解決。
參考文獻
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[4] LI Huan Bang, TAKIZAWA K. Pulsed DS-UWB with optional CS-UWB for various Applications [J].IEEE P802.15  Working Group for Wireless Personal Area Networks,2005(1).
[5]  張文杰，王艷芬. Chirp-UWB無線通信技術在煤礦井下的應用研究[J]. 工礦自動化, 2007(2):7-10.
[6] 王艷芬,于洪珍,張申.超寬帶無線通信技術在煤礦井下的應用探討[J]. 工礦自動化,2005(6):1-4.