专利名称：分站、信号传输系统及网络拓扑结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及矿井、隧道用集群对讲通信、广播、人员定位系统的信号传输。具体地，涉及一种分站、多频段FSK信号传输系统以及用于其的网络拓扑结构。
背景技术：
矿井、隧道电磁环境状况复杂，电磁波在空间传输损耗严重，无线通信距离短，无线通信必须通过有线传输信号的方式来延长通信距离。目前矿井、隧道用集群对讲通信、广播、人员定位系统多采用以下几种信号传输方式第一，泄漏电缆传输。传统的通信设备多采用泄露电缆作为传输介质，且泄露电缆兼负无线信号收发功能，因此布线受环境影响较大，且长距离传输的信号易衰减，需要大量·的中继器，系统组网方式有限，施工复杂，价格昂贵。第二，CAN、RS485通信铜缆有线传输。在人员定位系统中多采用该传输系统，但是该方式数据传输速率低，距离短，信息容量低。第三，光纤环网对讲、广播系统。对于无环网条件矿井、临时隧道施工等环境下，该系统的成本高，网络复杂。第四，功放输出、长距离扩音广播喇叭。此种方式多用于较小区域范围，如广场、校园，该传输方式的终端数量有限。因此，在矿井、隧道用集群对讲通信、广播、人员定位系统中亟需一种能够解决上述问题的信号传输系统。
实用新型内容本实用新型旨在提供分站以及包括该分站的信号传输系统，以克服上文提到的现有技术中的问题。根据本实用新型的一个方面，提供了一种分站，其特征在于，该分站包括主控制模块，包括主控制器和外部端口 ；多调频调制模块，与所述主控制模块连接，所述多频段调制模块包括第一控制单元，包括依序连接的卷积码编码器、傅里叶逆变换器、数据成帧器和数字滤波器；第一模拟前端模块，与所述第一控制单元连接，包括依序连接的数字调频电路、数模转换器、模拟滤波器和信号驱动电路；第二模拟前端模块，包括依序连接的数字解调电路、模数转换器、信号放大器、模拟滤波器、接收放大器；以及第二控制单元，与所述第二模拟前端模块连接，包括依序连接的噪声消除电路、傅里叶变换器和卷积码解码器；其中，所述数字调频电路为多频段4FSK调制电路，所述数字解调电路为多频段4FSK解调电路。在本实用新型的分站的一个优选实施方案中，所述数字调制为多频段2nFSK调制，所述数字解调为多频段2nFSK解调，其中η为大于2的整数。在本实用新型的分站的一个优选实施方案中，所述分站还包括射频收发模块，与所述主控制模块连接，且包括依序连接的射频编解码控制器和射频功率放大器。在本实用新型的分站的一个优选实施方案中，所述分站还包括音频编解码模块，与所述主控制模块连接，且包括依序连接的音频编解码器和数字功率放大器。在本实用新型的分站的一个优选实施方案中，所述分站还包括RFID收发模块，与所述主控制模块连接，且包括依序连接的包括人员定位控制器和2. 4GHz无线信号收发器。信号解调过程是信号调制过程的逆过程。·在信号调制过程中，所述多调频调制模块的第一控制单元和第一模拟前端模块对输入的数字信号进行一系列运算，输出若干组独立的编码，多组编码组成数据帧。由于多组输出编码相互独立，所以信息安全性高、抗干扰能力强。然后对输出编码进行多频段FSK调制，将总带宽划分成若干子带宽，相对于传统的单频段FSK调制模式，多频段FSK调制增加了信息传输密度，提高了数据传输容量。根据本实用新型的一个方面，提供了一种多调频信号传输系统，其特征在于，该系统包括上述的第一分站和第二分站，且所述第一分站和所述第二分站之间通过通信线缆进行连接。根据本实用新型的一个方面，提供了一种多调频信号传输系统，其特征在于，该系统包括上述的分站，以及与所述分站配套的第一无线电子标签。在本实用新型的多调频信号传输系统的一个优选实施方案中，其特征在于，所述系统包括三个或三个以上的分站。在本实用新型的多调频信号传输系统的一个优选实施方案中，其特征在于，所述通信线缆为型号为MHYVl*2*7/0. 37的矿用阻燃通信线缆，标称截面为O. 75m2。本实用新型的信号传输系统系统简单、抗干扰能力强、信息容量大、传输速率高、传输距离远、成本低。根据本实用新型的一个方面，提供了用于多调频信号传输系统的网络拓扑结构，其特征在于，所述多调频信号传输系统的分站之间的连接可采用总线型、星型或混合型，且分站之间的最大距离为10km。本实用新型的信号传输系统的组网方式灵活多变、高效，终端分站数量多、覆盖范围广。
通过下文结合对附图的说明，将更容易理解本实用新型，在附图中图I是根据本实用新型的一个优选实施例的分站的内部功能框图；图2是根据一个示例实施方案的多调频调制模块的功能框图；图3A、图3B和图3C是本实用新型的系统支持的示例性网络拓扑结构；以及图4A和图4B是单频段FSK和多频段FSK的对比示意图。
具体实施方式
本实用新型针对矿井、隧道中的实际使用环境，提供了一种新型矿井、隧道用集群对讲通信、广播、人员定位系统。本实用新型的系统中的数据传输采用多调频信号传输。由于本系统采用了多频段信号调制方式，所以对信号进行处理后对传输介质的要求较低，普通通信线缆即可。优选地，所述普通通信线缆为矿用阻燃通信线缆，型号为MHYVl*2*7/0. 37，标称截面为O. 75mm2,此信号线缆的最远有线传输距离可达10km。相比于传统传输方式，本实用新型的系 统具有不受组网方式、施工环境的影响，传输速率高(最高可达100Kbps)、信息兼容量大，且价格便宜。图I描述了根据本实用新型的一个优选实施例的分站101的内部框图，其中该分站可实现通信、广播、人员定位三种功能。该分站101包括主控制模块11，包括主控制器
111、外部端口，诸如通用输入 / 输出(GPIO) 112、I2C 总线(Inter-Integrted Circuit) 113、UARTl 14、串行外设接115等；音频编解码模块12，包括音频编解码器121、数字功率放大器122 ;多调频调制模块13，包括控制单元131、模拟前端模块(AFE) 132 ；RFID收发模块14，包括人员定位控制器141、2. 4GHz无线信号收发器142 ;射频收发模块15，包括射频编解码控制器151、射频功率放大器152。主控制模块11与音频编解码模块12、多调频调制模块13、RFID收发模块14、射频收发模块15相互连接，音频编解码模块12与射频收发模块15相互连接。在本发明的分站中，主控制器用于寄存信号、对信号流向进行逻辑控制，且是本领域普通技术人员已知的部件。图2描述了分站101中的多调频调制模块13的内部框图。在该多调频调制模块13中，控制单元131包括第一控制单元131A和第二控制单元131B，第一控制单元131A包括依序连接的卷积码编码器1311、傅里叶逆变换器(IFFT) 1313、数据成帧器1315和数字滤波器1316，第二控制单元131B包括依序连接的卷积码解码器1312、傅里叶变换器(FFT) 1314和噪声消除电路1317 ;模拟前端模块132包括第一模拟前端模块132A和第二模拟前端模块132B，第一模拟前端模块132A包括依序连接的数字调频电路1321、数模转换器(DAC) 1323、模拟滤波器1326、信号驱动电路1328，第二模拟前端模块132B包括依序连接的数字解调电路1322、模数转换器(ADC) 1324、信号放大器1327、模拟滤波器1326、接收放大器1329。在多调频调制模块13中，第一控制单元131A与第一模拟前端模块132A连接，第二模拟前端模块132B与第二控制单元132B连接。一方面，多调频调制模块13的第一控制单元131A接收来自主控制模块111的第一数字信号，所述第一数字信号首先通过卷积码编码器1311进行卷积码编码，然后已编码信号进入傅里叶逆变换器1313以执行傅里叶变换逆变换；之后通过数据成帧器1315为该信号加入数据帧结构，然后进入数字滤波器1316进行数字滤波，得到已滤波的信号，即第二数字信号；所述第二数字信号被送入第一模拟前端模块132A，经过数字调频电路1321进行多频段FSK数字调频，然后经过数模转换器1323进行数模转换，之后进入模拟滤波器1326进行滤波，然后送入信号驱动电路1328进行信号驱动放大输出，得到被放大的信号，即第一模拟信号。[0042]另一方面，多调频调制模块13中的第二模拟前端模块132B接收来自外部的第二模拟信号，首先该第二模拟信号经过接收放大器1329进行输入级放大，之后进入模拟滤波器1326进行选频滤波，随后进入信号放大器1327进行二级放大，进入ADC1324转换为数字信号，然后经过数字解调电路1322进行数字解调，得到已解调的数字信号，即第三数字信号。该第三数字信号被送入第二控制单元131B，首先进入噪声消除电路1317消除噪声，随后进入FFT1314以执行傅里叶变换，最后进入卷积码解码器1312进行卷积码解码，从而得到有用的数字信号，即第四数字信号。在本实用新型的分站中，多调频调制模块中的卷积码编码、傅里叶逆变换、数据成帧、数字滤波、数模转换、模拟滤波、驱动、放大、模数转换、噪声消除、傅里叶变换、卷积码解码等采用本领域技术人员公知的方法进行。在分站与分站的通信过程中，第一分站101的第一射频收发模块15接收到433MHz无线语音信号，然后该第一射频收发模块15的射频功率放大器152对该433MHz无线语音信号进行放大，射频编解码控制器151对放大后的信号进行卷积码编码，得到第一数字信·号。将所述第一数字信号传送至第一主控制模块11进行处理，得到第二数字信号，之后由该第一主控制模块11将该第二数字信号传送至第一多调频调制模块13。在第一多调频调制模块13中，该第二数字信号首先通过卷积码编码器1311进行卷积码编码，然后已编码信号进入傅里叶逆变换器1313以执行傅里叶变换逆变换；之后通过数据成帧器1315为该信号加入数据帧结构，然后进入数字滤波器1316进行数字滤波；已滤波的信号被送入模拟前端模块132，经过数字调频电路1321进行多频段FSK数字调频，然后经过数模转换器1323进行数模转换，之后进入模拟滤波器1326进行滤波，然后送入信号驱动电路1328进行信号驱动放大，得到第一模拟信号，并且发送所述第一模拟信号。所述第一模拟信号通过普通通信线缆(诸如，矿用阻燃通信线缆，型号为MHYVl*2*7/0. 37，标称截面为O. 75m2)传送至第二分站101’。第二分站101’的第二多调频调制模块13’接收该第一模拟信号。在第二分站101’的第二多调频调制模块13’中，首先该第一模拟信号经过接收放大器1329’进行输入级放大，之后进入模拟滤波器1326’进行选频滤波，随后进入信号放大器1327’进行二级放大，进入ADC1324’转换为数字信号，然后经过数字解调电路1322’进行数字解调。该已解调的信号被送入控制单元131’，首先进入噪声消除电路1317’消除噪声，随后进入FFT1314’以执行傅里叶变换，最后进入卷积码解码器1312’进行卷积码解码，从而得到有用的数字信号，即第三数字信号。该第三数字信号被送入第二分站101’的第二主控制模块11’，该第二主控制模块11’对该第三数字信号进行处理得到第四数字信号，并将所述第四数字信号送入第二射频收发模块15’，在第二射频编解码控制器151’中进行卷积码编码，在第二射频功率放大器152’中进行功率放大之后得到433MHz无线语音信号并发送出去。上述过程实现了第一分站101和第二分站101’之间的通信。应理解，第一分站101的第一主控制模块11也可从第一多调频调制模块13接收信号，第一主控制模块11对接收的信号进行处理后，再经第一多调频调制模块13处理之后经由普通通信线缆传输信号至第二分站101’，或者经过第一射频收发模块15处理之后发送433MHz无线语音信号。[0051]还应理解，第二分站101’的第二主控制模块11’也可将处理得到的第四数字信号送入第二多调频调制模块13’，再经第二多调频调制模块13’处理之后经由普通通信线缆发送。还应理解，在第一分站101 (第二分站101’ )中，第一射频收发模块15 (第二射频收发模块15’ )可以与第一音频编解码模块12 (第二音频编解码模块12’ )连接。第二分站101’可从第二射频收发模块15’接收信号，第二射频收发模块15’对信号进行处理后将信号传送至第二音频编解码模块12’，之后再将信号传送至第二 主控制模块11’。在分站之间的广播过程中，第一分站101的第一射频收发模块15接收到433MHz无线语音信号，然后该第一射频收发模块15的射频功率放大器152对该433MHz无线语音信号进行放大，射频编解码控制器151对放大后的信号进行编码，得到第一数字信号。将该第一数字信号送入第一主控制模块11进行处理，得到第二数字信号，之后由该第一主控制模块11将该第二数字信号传送至第一多调频调制模块13。在第一多调频调制模块13中，输入的信号首先通过卷积码编码器1311进行卷积码编码，然后已编码信号进入傅里叶逆变换器1313以执行傅里叶变换逆变换；之后通过数据成帧器1315为该信号加入数据帧结构，然后进入数字滤波器1316进行数字滤波；已滤波的信号被送入模拟前端模块132，经过数字调频电路1321进行多频段FSK数字调频，然后经过数模转换器1323进行数模转换，之后进入模拟滤波器1326进行滤波，然后送入信号驱动电路1328进行信号驱动放大，得到第一模拟信号，并且发送所述第一模拟信号。所述第一模拟信号通过普通通信线缆(诸如，矿用阻燃通信线缆，型号为MHYVl*2*7/0. 37，标称截面为O. 75m2)传送至第二分站101’。第二分站101’的第二多调频调制模块13’接收该第一模拟信号。在第二分站101’的第二多调频调制模块13’中，首先该第一模拟信号经过接收放大器1329’进行输入级放大，之后进入模拟滤波器1326’进行选频滤波，随后进入信号放大器1327’进行二级放大，进入ADC1324’转换为数字信号，然后经过数字解调电路1322’进行数字解调。该已解调的信号被送入控制单元131’，首先进入噪声消除电路1317’消除噪声，随后进入FFT1314’以执行傅里叶变换，最后进入卷积码解码器1312’进行卷积码解码，从而得到有用的数字信号，即第三数字信号。该第三数字信号被送入第二主控制模块11’，该第二主控制模块11’对该第三数字信号进行处理后得到第四数字信号，并将该第四数字信号送入第二音频编解码模块12’。在第二音频编解码模块12’中，该第四数字信号首先经过音频编解码控制器121’进行解码，然后已解码信号进入数字功率放大器122’进行功率放大，得到第二模拟信号，并且对该第二模拟信号进行音频输出。该过程实现了经由第一分站101进行的第二分站101’的广播。应理解，如下过程可实现分站101的广播。分站101的射频收发模块15接收到433MHz无线语音信号，然后该射频收发模块15的射频功率放大器152对该433MHz无线语音信号进行放大，射频编解码控制器151对放大后的信号进行编码。将所述已编码的信号传送至主控制模块11进行处理，之后由主控制模块11将处理后的信号传送至音频编解码模块12。在音频编解码模块12中，输入的信号首先经过音频编解码控制器121进行解码，然后已解码信号进入数字功率放大器122进行功率放大。然后通过喇叭将该信号输出。在分站的人员定位系统中，分站101的RFID收发模块14发送第一 2. 4GHz无线信号A。所述配套的无线电子标签接收该第一 2. 4GHz无线信号，对其进行标识处理得到带有该配套的无线电子标签信息的第二 2. 4GHz无线信号，并且发送该第二 2. 4GHz无线信号。分站101的RFID收发模块14接收该第二 2. 4GHz无线信号，对其进行解码处理，得到第一数字信号，并将该第一数字信号送入主控制模块11，主控制模块11对该第一数字信号进行处理，得到第二数字信号，并将该第二数字信号传送至多调频调制模块13。在多调频调制模块13中，该第二数字信号首先通过卷积码编码器1311进行卷积码编码，然后已编码信号进入傅里叶逆变换器1313以执行傅里叶变换逆变换；之后通过数据成帧器1315为该信号加入数据帧结构，然后进入数字滤波器1316进行数字滤波；已滤波的信号被送入模拟前端模块132，经过数字调频电路1321进行多频段FSK数字调频，然后经过数模转换器1323进行数模转换，之后进入模拟滤波器1326进行滤波，然后送入信号驱动电路1328进行信号驱动放大，得到第一模拟信号，并且输出该第一模拟信号。输出的第一模拟信号是带有与RFID收发模块14配套的无线电子标签信息的信号，该信号经由普通通信线缆(诸如，矿用阻燃通信线缆，型号为MHYVl*2*7/0. 37，标称截面为O. 75m2)传输,从而实现了人员定位。图3a、3b和3c描述了该信号传输系统可支持的多种网络拓扑结构，如总线型、星型、混合型。在图3a所示的总线型网络拓扑结构中，各个分站通过普通通信线缆被连接在一起。在图3b所示的星型网络拓扑结构中，一个分站作为中心分站，其他分站通过普通通信线缆被连接至该分站。在图3c所示的混合型网络拓扑结构中，既存在连接在一条普通通信线缆上的分站的网络拓扑，也存在以一个分站为中心分站，其余分站通过普通通信线缆被连接至该分站的网络拓扑。所述普通通信线缆为诸如型号为MHYVl*2*7/0. 37、标称截面为O. 75m2的矿用阻燃通信线缆。图3a、图3b和图3c中各个分站之间的最大距离为10km。图4对本实用新型的多频段FSK和现有技术中的单频段FSK进行了示意性的比较。在单频段FSK中，输入的数字信息以频率f0为载波，所有的信息被包含在一组输出编码中。一旦载波受到干扰，则很难保证数据的完整性。在多频段FSK中，输入的数字信息被包含于若干组独立的输出编码中。多组输出编码组成数据帧。因为多组输出编码相互独立，所以信息安全性高，抗干扰能力强。在多频段FSK的信号发送过程中，将传输总带宽划分成若干子带宽，相对于传统的单频段FSK模式，增加了信息传输密度，提高了数据容量。由于将传统的单频段FSK载波变为多频段FSK载波复用，各频段具有数据冗余备份、纠错传输功能。即当多频段中的某一频段出现干扰信号，数据传输受到严重干扰时，其余频段会同时传输受干扰数据，从而保证数据的完整性，提高了系统的可靠性。多频段FSK调频技术相对于单频段FSK技术具有更大的带宽，数据传输带宽能达到IOOKbps ;更强的抗干扰能力，铜缆为介质，数据信号传输距离达到IOkm以上，可支持多种网络结构。应理解，本文中的实施方案和实施例仅出于示例目的，本领域技术人员可以做出许多变体，而本实用新型的范围由权利要求限定。·
权利要求1.一种分站，其特征在于，该分站包括 主控制模块，包括主控制器和外部端口 ； 多调频调制模块，与所述主控制模块连接，所述多频段调制模块包括 第一控制单元，包括依序连接的卷积码编码器、傅里叶逆变换器、数据成帧器和数字滤波器； 第一模拟前端模块，与所述第一控制单元连接，包括依序连接的数字调频电路、数模转换器、模拟滤波器和信号驱动电路； 第二模拟前端模块，包括依序连接的数字解调电路、模数转换器、信号放大器、模拟滤波器、接收放大器；以及 第二控制单元，与所述第二模拟前端模块连接，包括依序连接的噪声消除电路、傅里叶变换器和卷积码解码器； 其中，所述数字调频电路为多频段4FSK调制电路，所述数字解调电路为多频段4FSK解调电路。
2.根据权利要求I所述的分站，其特征在于，所述分站还包括射频收发模块，与所述主控制模块连接，且包括依序连接的射频编解码控制器和射频功率放大器。
3.根据权利要求I或2所述的分站，其特征在于，所述分站还包括音频编解码模块，与所述主控制模块连接，且包括依序连接的音频编解码器和数字功率放大器。
4.根据权利要求I或2所述的分站，其特征在于，所述分站还包括RFID收发模块，与所述主控制模块连接，且包括依序连接的包括人员定位控制器和2. 4GHz无线信号收发器。
5.根据权利要求I所述的分站，其特征在于，所述数字调制为多频段2nFSK调制，所述数字解调为多频段2nFSK解调，其中η为大于2的整数。
6.—种多调频信号传输系统,其特征在于,该系统包括根据权利要求I所述的第一分站和第二分站，且所述第一分站和所述第二分站之间通过通信线缆进行连接。
7.—种多调频信号传输系统,其特征在于,该系统包括根据权利要求2所述的第一分站和第二分站，且所述第一分站和所述第二分站之间通过通信线缆进行连接。
8.—种多调频信号传输系统,其特征在于,该系统包括根据权利要求3所述的第一分站和第二分站，且所述第一分站和所述第二分站之间通过通信线缆进行连接。
9.一种多调频信号传输系统，其特征在于，该系统包括根据权利要求4所述的分站，以及与所述分站配套的第一无线电子标签。
10.根据权利要求6-9中任一所述的多调频信号传输系统，其特征在于，所述系统包括三个或三个以上的分站。
11.根据权利要求6-9中任一所述的多调频信号传输系统，其特征在于，所述通信线缆为型号为MHYVl*2*7/0. 37、标称截面为O. 75m2的矿用阻燃通信线缆。
12.用于根据权利要求6-11中任一所述的多调频信号传输系统的网络拓扑结构，其特征在于，所述多调频信号传输系统的分站之间的连接可采用总线型、星型或混合型，且分站之间的最大距离为10km。
专利摘要本实用新型提供一种分站、包括该分站的多频段信号传输系统以及用于其的网络拓扑结构。所述系统采用普通通信线缆为介质，通过通信分站传输数据，数据传输采用多频段FSK调频信号传输。本实用新型的信号传输系统系统简单、施工技术和成本低；单级传输距离远，数据传输容量大；组网方式灵活多变、高效，终端分站数量多、覆盖范围广。
文档编号H04L12/28GK202737891SQ20122017224
公开日2013年2月13日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者李润杨, 聂清, 唐薇 申请人:北京弥佳电子科技有限公司