陈 会 陈桂森
【摘要】 本文介绍一种借助井下隧道铺设的泄漏感应传输线进行无线电通信的收发系统,它可以广泛应用于井下联络和急救，具有很好的社会价值和市场前景。
井下作业常受到塌方、瓦斯爆炸以及迷失方向等威胁，井下通信对提高工效、保证安全是非常重要的。然而，井下通讯是封闭在地下局部环境中，地形复杂，因而电波传播极其困难。主要原因是：矿井巷道的狭窄空间完全破坏了无线电波在地面自由空间的传播规律，且巷道断面多变、表面粗糙，巷道内存在各种电缆线、金属管路和各种金属体机械设备等，进一步改变了无线电波的传播规律，致使无线电波在井巷中自由传播的距离极为有限。以往的系统在使用中都存在不同程度的缺点和不足，主要表现为通信距离有限、噪音大、系统传输参数不稳定等。采用无线电泄漏方式进行通信的系统可以大大改善通信状况。使用时持机人通过感应电线通话，对讲机与感应线之间属于无线通讯，感应线感应到的已调频载波信号在感应线中进行有线传输，可以使通信距离达到3km以上。
系统原理与设计
实现井下通信的关键是解决电波传播问题。理论分析和试验表明：在中短波频段，矿井隧道对电波的衰减最大，通信距离最近。在超短波频段，通信距离随着频率升高而增加，电波传播衰减逐渐减小，这是因为在该频段隧道可认为是其波导型通道。而低频段，由于频率低，电缆的传输损耗小（2～4dB/km），因而通信距离大。如果加接中继器，通信距离可继续扩大，因此，低频导引通信系统简单实用、造价最低。综合各种因素，我们把工作频率设定在455kHz。电波借助敷设在井下的泄漏通信电缆在矿井中非自由空间进行传播。也就是说，利用这种泄漏电磁场的存在，通过沿巷道敷设的泄漏电缆使无线电收发信机实现信息交换。因而泄漏电缆为矿井巷道等非自由空间的无线电传播提供了一种类似长天线作用的专用媒介，构成高传输质量的矿井无线电传输通道，是矿井无线电泄漏通信系统的关键组成部分，也是我们设计的井下通信系统的主要特点。系统采用单频半双工体制，收发天线共用。由于调频比调幅具有抗干扰性能好、传送信息保真度高、机器设备简单等优点，因而在我们的系统设计中采用调频工作方式。该系统的另一个特点是：455kHz中频载波发生器和调频调制器并不是由通常单一的振荡器、调制器组成，而是利用MC2833单片FM(调频)发射机子系统中的压控振荡器与10.7MHz晶体及相应电感、电容组成的外围电路产生10.7MHz的话音已调信号，送到MC3359射频输入端，而MC3359内置振荡器与外围10.245MHz晶体及相应电容组成的电路产生10.245MHz的信号，于是这两个信号在MC3359内置混频器作用下产生以中频（455kHz）为载波的已调信号。考虑到系统中其它部分电路的功能与一般半双工工作方式的电路基本类似，故不赘述。整个系统的功能框图如图1所示。
系统实现
系统设计上的主要技术考虑：工作频率选定455kHz；通信体制为调频半双工方式；信号传输方式为无线（手持机与井下泄漏电缆间）与有线（井下泄漏电缆传输）混合工作；发射机输出功率不小于2W；手持机相互间能随意通话；接收效果尽量减少噪声；采用0.5～0.8Ah、12V电源供电；对讲机通过井下铺设的泄漏电缆作为感应传输线，使通讯距离能够达到3km。
由于集成元件与分立器件比较起来具有性能稳定、可靠性高、体积小、重量轻，而且价格比较便宜，因此在系统的实现方法上我们首先选用集成元件。所选用的集成元件主要有：MC2833、MC3359、MC34119、455kHz陶瓷滤波器、10.7MHz晶体、10.245MHz晶体；选用的分立元件主要有：低噪声晶体放大管3DG30G、晶体驱动放大管3DK9H、晶体末级功放管C4382A、TTF-2-1中周、电位器、电阻电容，以及拾音器、扬声器等电声转换器。
MC2833是单片FM(调频)发射机子系统，它包含一个话筒放大器、一个压控振荡器和两个辅助晶体管。在其典型应用电路中，我们将其进行改造，使之产生10.7MHz的话音调制信号输送给MC3359的混频输入端；MC3359是低功率的FM（调频）/IF(中频)接收机芯片，它包含振荡器、混频器、限幅放大器、AFC（自动频率控制）、正交鉴频器、运算放大器、静噪电路、搜索控制和沉默开关。同样，我们对其外围电路进行改造，使它产生经过初步放大的话音已调信号（载波455kHz），然后送给下一级功放电路进行放大。此外，系统设计中采用了收发共用MC3359，不仅节省成本和减小体积，而且试验效果也不错；MC34119是主要用于电话（例如扬声器话机）上的低功率音频放大器集成电路，具有可以在低电源电压的条件（最低为2.0V）以最大的输出摆动差动扬声器输出，以及并不需要和扬声器相联的耦合电容等一系列优点。
考虑到末级功放输出的功率可达2W以上，两个末级功放管C4382A产生的热量较多，所以需要对两个管子散热。为了有效散热，我们特意制作了一个大铝板，将两个C4382A功放管安装在这个大铝板上，对其进行散热。同时，这个铝板还起到了将两个收发部分隔开的目的。整个系统的电路原理图如图2所示。
试验结果
试验表明，该系统输出功率达2.4W，效率达50%以上。接收机灵敏度可达2.2mV（-100dBm），而且在无信号输入时，扬声器输出的电流噪声很小。在地面自由空间的通信距离可达100m，井下借助沿隧道铺设的泄漏感应电缆进行通信，距离可达3km。
结束语
455kHz对讲机系统不仅性能稳定，工作可靠，而且生产成本低，容易实现。该项产品的问世，不仅改善了井下通讯条件，而且有利于加强井下安全生产的管理，保证井下工人的人身安全。所以，这项技术具有很好的应用价值和市场前景。
