矿井透地通信中语音信号调制解调方式分析.pdf

第 4 3卷 第 7 期 2 0 1 7 年 7月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 3 No ．7 J u 1 ．2 0 1 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 7 0 0 6 9 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 7 ． 0 1 4 矿井透地通信中语音信号调制解调方式分析 殷 思雨 ， 陶晋 宜 ， 吕吉 ， 武睿 太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 根 据 不 同调 制 解调 方式特 点 ， 在 考 虑矿 井透 地通 信信 道特 性 的基础 上 ， 对二进 制振 幅键控 、 二进制 频移键控 、 二进制差分相移键控等调制方式在不同解调 方式下的误码率进行 了仿真对比， 结果表明 二进制 频移键控相干解调方式具有一定的抗噪声和抗频率选择性 衰落能力， 可有效降低语音信号在传输过程 中的 误 码 率 ， 提 高透地 通信 的 可靠性 和 准确性 ， 更 适合作 为 井 下无线 透地 通信 中语 音信 号的调 制 解调 方式 。 关键 词 透地 通信 ； 语 音信 号 ； 调 制 ；解调 ；二进 制频 移键 控 中 图分类 号 TD 6 5 5 文献标 志 码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 0 6 2 7 1 6 5 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 6 2 7 ． 1 6 5 4 ． 0 1 4 ． h t ml An a l y s i s o f mo d ul a t i o n a n d d e mod u l a t i o n mo de o f v o i c e s i g n a l i n mi n e t h r o u gh - t h e ， e a r t h c o mmu ni c a t i o n YI N S i y u， TAO J i n y i ， LYU J i ， WU Ru i S c h o o l o f El e c t r i c a l a n d P o we r En g i n e e r i n g，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r di n g t o c ha r a c t e r i s t i c s o f v a r i o us mo du l a t i o n a n d de m o d ul a t i on m o de s，bi t e r r o r r a t e o f 收稿 日期 2 0 1 7 0 4 0 7 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 5 2 5 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 山西省 自然科学基金资助项 目 2 0 1 3 0 1 1 0 1 9 2 。 作者简介 殷思雨 1 9 9 3 一 ， 女 ， 陕西西安人 ， 硕士研究生 ， 主要 研究方 向为电力 电子与信号处 理， E ma i l 1 0 5 6 6 7 2 8 1 8 q q ． c o rn。 引用格式 殷思雨 ， 陶晋宜 ， 吕吉 ， 等． 矿井透地通信中语音信号调制解 调方式 分析[ J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 7 6 9 7 2 ． YI N S i v u， TAO J i n y i ， LYU J i ， e t a 1 ．Ana l ys i s o f mo d u l a t i o n a n d de mo d u l a t i o n mo d e o f v o i c e s i g na l in mi n e t h r o u g h - t h e - e a r t h c o mmu n i c a t i o n [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 O 1 7 ， 4 3 7 6 9 - 7 2 ． [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] ZHANG J ，YUAN X，W ANG C，e t a 1 ．Co mp a r a t i v e a na l y s i s o f t WO c o i l a nd t hr e e - c o i l s t r uc t u r e s f or wi r e l e s s p o w e r t r a n s f e r [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n Po we r El e c t r o n i c s ，2 0 1 7 ， 3 2 1 3 4 1 3 5 2 ． S E0 D W ，LEE J H，L EE H S ．S t u d y o n t WO c o i 1 a n d f o u r - c o l 1 wi r e l e s s p o we r t r a n s f e r s y s t e ms u s i n g Z - p a r a m e t e r a p p r o a c h [ J ] ．E t r i J o u r n a l ， 2 0 1 6 ， 3 8 3 5 6 8 - 5 78 ． CHE0N S，KI M Y H ，KANG S Y，e t a 1 ． W i r e l e s s e ne r gy t r a ns f e r s y s t e m wi t h mul t i p l e c oi l s vi a c o up l e d m a g n e t i c r e s o n a n c e s [ J ] ．E t r i J o u r n a l ，2 0 1 2 ，3 4 4 52 7 5 35 ． 孙跃 ， 李云 涛 ， 叶兆 虹 ， 等． 三线 圈 I C P T系 统 中继线 圈的 位 置 优 化 [ J ] ． 电 工 技 术 学 报 ， 2 0 1 6 ， 3 1 1 3 1 6 4 - 1 71 ． S UN Yn e 。 L I Yu n t a o， YE Z h a o h o n g， e t a 1 ． Op t i mi z a t i o n f o r r e l a y c o i l l o c a t i o n o f 3 - c o i l i n d u c t i v e l y c o u p l e d p o we r t r a n s f e r s y s t e m [ J] ． [ 1 7 ] [ 1 8 ] Tr a ns a c t i o ns o f Chi n a E1 e c t r o t e c h ni c a 1 So c i e t y，20 16， 3 1 1 3 1 6 4 1 7 1 ． 罗斌 ， 刘婉 ， 钟晨 明， 等． 磁耦 合谐振 三线 圈无线 电能 传输 的交叉耦 合效应 及 电抗补 偿[ 1 3 ． 电力系统 自动 化 ， 2 0 1 5， 3 9 8 1 0 5 1 1 2 ． L UO Bi n， L I U W a n ， ZHONG C h e n mi n g ， e t a 1 ． Cr o s s c o u p l i n g e f f e c t a n d r e a c t a n c e c o mp e n s a t i o n me t h od f or t hr e e - c oi l ma gne t i c c ou pl i n g r e s o na n t w i r e l e s s p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m[ J ] ．Au t o ma t i o n o f El e c t r i c P o we r S y s t e ms ，2 0 1 5 ，3 9 8 1 0 5 1 1 2 ． 罗斌 ， 生茂 棠 ， 吴 仕闯 ， 等． 磁谐振 耦合 式单 中继线 圈 无线功率接力传输 系统 的建模 与分 析[ J ] ． 中国 电机 工 程 学 报 ， 2 0 1 3 ， 3 3 2 1 1 7 0 1 7 7 ． LUO Bi n，SHENG M a o t a n g，W U S h i c h u a n g，e t a 1 ． M o d e l i n g a n d a n a l y s i s o f ma g n e t i c r e s o n a n c e c o u p l i n g wi r e l e s s r e l a y p o we r t r a n s f e r s y s t e m wi t h s i n g l e i n t e r me d i a t e c o i l r e s o n a t o r [ J ] ． P r o c e e d i n g o f t h e CS EE。2 O 1 3 ， 3 3 2 1 1 7 0 1 7 7 ． 7 0 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 mo d u l a t i o n mo d e s i n c l u d i n g b i n a r y a mp l i t u d e s h i f t k e y i n g， b i n a r y f r e q u e n c y s h i f t k e y i n g a n d b i n a r y di f f e r e nt i a 1 ph a s e s hi f t k e y i ng u nde r d i f f e r e nt de mod ul a t i on mo de s we r e s i m ul a t e d a nd c o m p a r e d o n t he ba s i s o f c ha r a c t e r i s t i c s o f mi ne t hr o ug h t he e a r t h c o mm u ni c a t i o n c ha nne 1 ．The r e s u l t s s h ow t ha t t he bi n a r y f r e q ue nc y s h i f t ke y i n g c o he r e nt d e mod ul a t i o n m o d e c a n r e d uc e t he bi t e r r o r r a t e i n t r a ns mi s s i on p r oc e s s o f v oi c e s i gn a l e f f e c t i v e l y，a n d i mpr o ve r e l i a bi l i t y a nd a c c u r a c y o f t he t hr o ug h t he e a r t h c o m mun i c a t i o n wi t h c e r t a i n a bi l i t y t o r e s i s t no i s e a n d f r e q u e nc y s e l e c t i v e f a d i ng， whi c h i s mor e s u i t a b l e f o r modu l a t i on a n d de modu l a t i on o f vo i c e s i g na l i n mi ne t hr o ug h t he e a r t h c o m mun i c a t i o n． Ke y wo r ds t hr o ug h t h e e a r t h c o mm u ni c a t i o n； vo i c e s i g na l ； mo du l a t i o n； d e mo du l a t i o n； b i n a r y f r e q ue n c y s hi f t k e y i ng 0 引言 井 下工 作环 境 复 杂 ， 需 要 安 全 、 可 靠 、 灵 活 的通 信系统 ， 确保在发生 突发事故时最大程度地帮助实 现 抢 险救灾 。但 发 生 灾 害 事 故 时 ， 井 下 有线 信 道 被 破 坏 ， 井下 工作 人员 无法 与地 面 取得联 系 ， 延误 救援 时间 。透地通信是一种 以地层为通信信道 的无线通 信技术， 不受煤矿灾害的影响， 能实现双向通信 ， 是 煤 矿 灾后应 急 救援 的重 要通 信手 段l 1 ] 。 为使 透 地 通信 达 到 更 好 的效 果 ， 许 多 学 者将 研 究 重点 集 中在 提高 天 线 利 用 率 、 增 大 信 道 容 量 等方 面【 ， 而关 于语 音 信 号调 制 解 调方 式 的 研究 较 少{ 。文献E 5 ] 对 语音信号进行调制时没有考虑 大 地媒质和地 面形状等 因素对信号衰减产生的影 响， 且利用 的大地模型较为理想 ， 与实际信道存在出入 。 本 文从 不 同调 制解 调 方 式 特 点 出发 ， 在 考 虑 实 际 信 道 中存 在 多径 衰落 的基 础 上 ， 对 原 始 语 音 信 号 经 混 合 激 励 线 性 预 测 Mi x e d Ex c i t a t i o n L i n e a r P r e d i c t i o n ， ME L P 压 缩 编 码 处 理 后 的数 字 信 号 ] 在 不 同调制 解 调方 式 下 误 码 率进 行 仿 真 对 比 ， 从 而 确定矿井透地通信中最佳语音信号调制解调方式。 1语 音信 号调 制解 调 方式 通 过对 载 波 的振 幅 、 频率 和 相位 进行 键控 ， 数 字 调 制 方 式 可 相 应 分 为 振 幅 键 控 Amp l i t u d e S h i f t Ke y i n g ， AS K 、 频 移 键控 F r e q u e n c y S h i f t Ke y i n g ， F S K 和 差 分 相 移 键 控 D i f f e r e n t i a l P h a s e S h i f t Ke y i n g ， DP S K 。在理 想 状 态 下 ， AS K 具 有 频 带 利 用 率较 高 的优 点 ， 但 抗 噪声性 能 差 ， 对 信 道特性 变 化 较 敏感 ； F S K抗 噪 声 能 力 较 强 ， 不 受 信 道 参 数 变 化 的 影 响 ， 但 占 用 频 带 较 宽 ； DP S K 抗 噪 声 能 力 比 AS K 和 F S K 强 ， 不易 受信 道特 性变 化 的影 响Ⅲ 7 ] 。 在矿井透地通信系统中， 电磁波传播媒质为地 层 ， 地壳表层为导电率较高的覆盖层 ， 覆盖层表面有 砂 土 、 粘 土或砂 质 粘 土 ， 其 下还 有 沉 积 岩 ， 导 致 电 磁 波在传输过 程中发生很大衰减及畸变 】 。同时 ， 信 道 中还有来 自工业 和 自然 的各 种 干 扰 ， 因此要 求 选 取的调制方式具有较强的抗噪声能力凹 ] 。井下信道 环境恶劣 、 复杂 ， 信号在传输过程中很可能会发生振 幅 变化或 因 多径 传 播 导 致 相位 偏 移 ， 使 得 接 收 端 无 法有 效识 别原 始 语 音信 号 。因此 ， 在透 地 通 信 系 统 中对载波的振幅和相位进行键控的调制方式可靠性 较低 。而在 F S K调制方式下 ， 只要将各载波频率之 间的差异设 置较大 ， 即可保证接收端有效识别信号 。 但需 要 注 意 的 是 ， 采 用 多 进 制 频 移 键 控 Mu l t i p l e F r e q u e n c y S h i f t Ke y i n g ， MF S K 虽可进 一 步降低 误 码 率 ， 但频 带 宽度会 变得更 大 ， 其本 质就 是通 过增 加 带 宽来 降低 误码 率 。因此 ， 应选 取 二 进 制频 移 键 控 B i n a r y F r e q u e n c y S h i f t Ke y i n g ， 2 F S K调 制 方 式 。 二进 制数 字调 制 的误 码率 与 采用 的解调 方式 相 关 ， 2 F S K 信号 常 用 的解 调 方 法 有 相 干解 调 和 包 络 1 ／r一、 检波。 2 F S K相 干 解调的 误 码率 为寺 e r f c ／ 百 7 - ， 其 、 V 厶 中 e r f c 为 误 差 函 数 ， r为 解 调 器 输 入 端 信 噪 比 ； 1 2 F S K包络检波的误码率为寺e x p 一r ／ 2 { Io 3 。根据 厶 误码 率表 达式 ， 在 2 F S K调 制方 式下 ， 采用 相 干解 调 时误 码率 较 低 。因此 ， 选 择 相 干 解 调 作 为语 音 信 号 的解 调方 式 。 2仿真 分析 采用 S y s t e mVi e w仿真软件 “ 。 对原始语音信 号 经 ME L P压缩 编码 编码 速 率为 2 ． 4 k b i t ／ s 处理 后的数字信号进行调制解调仿真 。调制信号为伪随 机序列 P N S e q ， 设置其振 幅为 0 ． 5 V、 偏 置为 0 ． 5 V、 频 率 为 2 4 0 0 Hz 、 电平 数 为 2 。仿 真 时 间为 0 ． 3 S ， 采 样 点数 为 7 2 0 0 1 。 由于 井 下环 境 复 杂 ， 噪声 来 源 广泛 ， 为便于分析 ， 采用高斯 白噪声来模拟信 道 噪 2 0 1 7年 第 7期 殷 思雨 等 矿 井透 地通 信 中语音 信 号调制 解调 方 式分析 ．7 1 ． 声 。高斯 白噪声的初始值设置要使其频谱能量和数 据能量相同， 设初始信噪比为 0 ， 然后通过噪声逐次 衰减来提高信噪比嘲。 2 ． 1 不 同调 制解调 方 式 下误 码 率 二 进 制 振 幅 键 控 B i n a r y A mp l i t u d e S h i f t Ke y i n g ， 2 As K 调制方式采用的载波为振幅 7 V、 频 率 8 8 0 0 Hz 、 初相位 0的正弦波。在 2 AS K调制方 式下， 分别采用包络检波和相干解调 时误码率 曲线 如图 1所示 。可看出采用 2 AS K包络检波时误码率 高于 2 AS K相干解调的误码率 ， 尤其在信噪 比较 小 时， 差异明显 ； 当信 噪比较大 时， 2种解调方式下 的 误 码 率趋 于一 致 。 ， 图 1 2 AS K 调 制 方 式 F不 同解 调 时误 码 率 曲线 Fi g ． 1 B i t e r r o r r a t e c u r v e s o f d i f f e r e n t d e mo d u l a t i o n u n d e r 2 ASK mod ul a t i o n mo de 2 F S K调制 方式采 用 的 2个 载波分别 为振 幅 7 V、 频率 4 0 0 0 Hz 、 初相位 0的正弦波和振幅 7 V、 频率 8 8 0 0 Hz 、 初相位 0的正 弦波。在 2 F S K 调制 方式下 ， 分别采用包络检波和相干解调时误码 率曲 线如 图 2所 示 。可 看 出 当 信 噪 比 较 小 时 ， 采 用 2 F S K相 干解 调时误 码 率较低 。 0- 3 5 0 l 3 O O ．2 5 豁 0 ． 1 O 0 ．0 5 U 2 4 6 1 o l 2 1 4 l 6 l 信 噪比／ d B 图 2 2 F S K 调制方式 下不 同解 调时误码 率曲线 Fi g．2 Bi t e r r o r r a t e c ur ve s o f d i f f e r e nt d e mo dul a t i o n u nde r 2 F S K mo d u l a t i o n mo d e 二 进 制 差 分 相 移 键 控 B i n a r y Di f f e r e n t i a l P h a s e S h i f t Ke y i n g ， 2 DP S K 调 制 方 式 采 用 的 2个 载波分别 为振幅 7 V、 频率 4 8 0 0 Hz 、 初相位 0的正 弦波和振幅 7 V、 频率 4 8 0 0 Hz ． 初相位 1 8 0 。 的正弦 波 。在 2 DP S K调制方式 下， 分别采 用相干解 调加 码反 变换 和差 分 相 干 解 调 时 误 码 率 曲 线 如 图 3所 示 。可看 出采用 2 DP S K 相 干 解 调加 码 反 变 换 时误 码率较低， 但在大信噪 比条件下 ， 2 种解调方式下的 误码 率趋 于一 致 。 图 3 2 DP S K调制方式下不 同解调时误码率 曲线 Fi g ． 3 Bi t e r r o r r a t e c u r v e s o f d i f f e r e n t d e mo d u l a t i o n u n d e r 2 DPSK modu l a t i o n mo de 2 AS K 相干解 调 、 2 F S K 相 干 解 调 和 2 DP S K 相 干解 调加 码反 变换 方 式 下 误 码率 曲线 如 图 4所 示 。 可看 出 2 D P S K相 干解 调 加 码反 变 换 方 式下 误 码 率 最小 ， 即抗噪声性能最好 ， 其次是 2 F S K相干解调方 式 。但该仿真中没有考虑多径信道 的情况 ， 而在实 际矿井信道 中， 信号在传播过程中往往存在时延和 不 同程 度 的衰 减 。 因此 ， 还 应 进～ 步探 究 在 发 生 多 径 衰 落 时 2 D P S K 相 干解 调 加 码反 变 换 和 2 F S K 相 干 解调 方式 的抗 噪声 性 能 。 图 4 2 AS K相干解调 、 2 F S K相干解调 、 2 D P S K相干解调 加码反变换方式下误码率 曲线 F i g ． 4 Bi t e r r o r r a t e c u r v e s o f 2 AS K c o h e r e n t de modu l a t i on，2 FS K c o he r e nt de mo du l a t i on a nd 2DPSK c o he r e n t de mo du l a t i on p l u s i ng c od e i nve r s i o n 2 ． 2 两径信 道 中 2 F S K 相 干 解调 和 2 D P S K 相 干 解 调加 码反 变换 方式 下误 码 率 由于多径信道的建模十分复杂 ， 仿真分析两径 信道 中分别 采 用 2 F S K 相 干 解 调 和 2 D P S K 相 干解 调加码反变换时抗噪声性能 。通过 2个延迟器控制 两径信道中信号时延_ 】 M ] ， 延迟器取值需满足所传 信号带宽为相关信道带宽 的 1 ／ 5 ～1 ／ 3 [ 1 。在两径 信道 中， 分别采用 2 F S K相干解调、 2 D P S K相干解 调加码反变换方式时误码率曲线如图 5所示 。可看 出采用 2 D P S K相干解调加码反变换方式时误码率 随机波动 ， 信号受信道环境的影响而无法可靠传输 ， 而采用 2 F S K相干解调方式时误码率整体呈下降趋 7 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 势 ， 可有效提高信号 的抗噪声 和抗频率选择性衰落 能力 。 图 5 两径信道 中 2 F S K相 干解 调 、 2 D P S K相干解调 加码反变换方式下误 码率 曲线 Fi g． 5 Bi t e r r or r a t e c ur v e s o f 2FS K c o he r e nt de mo du l a t i on a n d 2 DPSK c ohe r e nt d e mod ul a t i o n pl us i ng c od e i nv e r s i o n i n t wo pa t h c ha nne l 3 结语 根据 多种 调 制解 调 方式 特 点 ， 结 合 矿井 透 地 通 信信 道特性 ， 通 过仿 真对 比 2 AS K， 2 F S K， 2 D P S K 调制 在不 同解 调 方 式 下 的误 码 率 ， 得 出 2 F S K 相 干 解调方式具有一定的抗噪声和抗频率选择性衰落能 力 ， 更适合作为井下无线透地通信中语音信号 的调 制解 调方 式 。 参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] E 2] [3] 鲍 祖尚 ， 潘萍 ． 矿 井透地 无线 通信 系统研 究综 述 L J ] ． 装 备制造技术 ， 2 0 1 4 4 2 2 2 4 ． BA0 Zu s ha ng。PAN Pi ng ．Re v i e w o f mi ne wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n s y s t e m wi t h t h r o u g h t h e - 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