基于M元扩频的岩层通信系统研究与FPGA设计

论文摘要

地下岩层通信在多种抢险救灾中起着十分重要的作用,特别是在矿井事故中,对于及时、真实、有效地传递井下人员安全状况更是有着不可替代的作用。针对目前应急通信系统传输距离较短、抗干扰性能差的缺点,本文提出了一种基于脉冲成形的超宽带岩层通信方案。本论文的主要工作和成果如下：1.在分析M元扩频、RS编码等技术的基础上,结合M元双正交扩频与RS编码技术设计了一种岩层通信系统方案,该系统的通信内容包含语音和短消息数据,针对语音通信和短消息通信对可靠性的要求不同分别采用不同的技术参数。仿真结果为,在误码率达到10-3时,语音通信方案和短消息通信方案的SNR（信噪比）分别为-12dB和-29dB。2.设计了一种新的信令格式,信令包含3比特信息,用来指示通信内容以及内容的开始与结束信息,易于通信链路的建立与拆除；同时,该信令采用差分编码设计,具有能够消除180度相位模糊的优点。仿真结果表明,在Eb/No=7dB时,信令捕获概率达到95%以上。3.设计了一种脉冲成形波,该脉冲波形具有占空比小、峰平比高、瞬时功率大、驱动能力强等特点,适合于复杂的地下岩层介质信道特性4.完成了发送端与接收端FPGA模块的设计,发送端主要包括M元双正交扩频、RS编码、波形成形和信令发送等模块,接收端主要包括匹配滤波、信令捕获、解扩和RS译码等模块,并完成了各模块的功能仿真与时序仿真。5.完成了FPGA的部分测试工作,验证了FPGA各模块的功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究工作的背景及意义
• 1.2 地下岩层通信的发展动态及现状
• 1.3 地下岩层信道的特点
• 1.4 论文主要工作及内容安排
• 第二章 多进制扩频技术及RS编码简介
• 2.1 多进制扩频系统及其原理
• 2.1.1 传统扩频系统
• 2.1.2 多进制扩频系统
• 2.1.3 多进制扩频系统性能分析
• 2.2 伪随机序列
• 2.2.1 伪随机码简介
• 2.2.2 伪随机码选择的基本原则
• 2.2.3 m序列与M序列
• 2.3 RS码基本原理
• 2.3.1 RS码简介
• 2.3.2 RS码的差错概率
• 2.3.3 RS编码原理简介
• 2.3.4 RS编码效率
• 2.3.5 RS译码简介
• 2.4 本章小结
• 第三章 岩层通信系统理论设计
• 3.1 发送端总体框架
• 3.1.1 发送端原理框图
• 3.1.2 脉冲波形设计
• 3.1.3 信令设计
• 3.2 接收端系统框架
• 3.2.1 接收端原理框图
• 3.2.2 最佳匹配滤波
• 3.2.3 M元双正交解扩
• 3.2.4 信令的捕获
• 3.3 系统性能仿真
• 3.3.1 语音系统性能仿真
• 3.3.2 短消息系统性能仿真
• 3.3.3 信令捕获仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 发射端FPGA模块设计
• 4.1 FPGA设计方法简介
• 4.1.1 FPGA的基本结构
• 4.1.2 FPGA的基本设计流程
• 4.2 发射端总体设计方案
• 4.3 发射端各模块设计
• 4.3.1 M元双正交扩频
• 4.3.2 RS编码模块
• 4.3.3 波形成形模块
• 4.3.4 时钟产生模块
• 4.3.5 信令发送模块
• 4.4 发射端总体仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 接收端FPGA模块设计
• 5.1 接收端总体方案设计
• 5.2 接收端各模块设计
• 5.2.1 数字匹配滤波
• 5.2.2 信令检测模块
• 5.2.3 解扩方案设计
• 5.2.4 RS译码
• 5.3 发射端与接收端联调测试
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献