基于DSP的低頻無(wú)線(xiàn)通信系統的設計方法

低頻感應通信是將待傳輸的數據經(jīng)低頻載波調制、信號放大、功率放大后，在發(fā)射器產(chǎn)生一定的交變電流，利用交變的電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)，從而在接收器中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，經(jīng)濾波、解調、解碼等信號處理后，就可在接收端準確接收發(fā)送的信息，完成通信過(guò)程。因其利用電磁感應原理來(lái)實(shí)現通信，故稱(chēng)其為感應通信，當距離短時(shí)，感應通信比較容易實(shí)現。

1 低頻感應通信理論

感應通信利用發(fā)射線(xiàn)圈中的交變電流產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，接收線(xiàn)圈中感應出電動(dòng)勢后，再經(jīng)過(guò)一系列的信號處理過(guò)程恢復發(fā)送信號，從而實(shí)現了通信的目的。

嚴格的感應通信理論是建立在麥克斯韋方程組的基礎上。麥克斯韋方程組是在對宏觀(guān)電磁現象的實(shí)驗規律進(jìn)行分析總結的基礎上，經(jīng)過(guò)擴充和推廣而得到的。他揭示了電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間、電磁場(chǎng)與電荷、電流之間的相互關(guān)系，是一切宏觀(guān)電磁現象所遵循的普遍規律。麥克斯韋方程組的微分形式如下：

無(wú)源、 的線(xiàn)性、均勻、各向同性導電媒質(zhì)中的麥克斯韋方程組為：

設電磁波在無(wú)源、 的線(xiàn)性、均勻、各向同性的導電媒質(zhì)中的傳播常數為γ=β-jα，α是表示每單位距離電磁波衰減的常數，稱(chēng)為衰減常數，β表示每單位距離電磁波落后的相位，稱(chēng)為相位常數。根據電磁場(chǎng)理論可知：

ε為媒質(zhì)介電常數，σ為媒質(zhì)電導率，μ為媒質(zhì)磁導率，ω為工作角頻率。

媒質(zhì)屬于電介質(zhì)還是良導體，不僅與媒質(zhì)參數有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。良導體中，隨著(zhù)頻率的增加，電磁波的衰減常數α增大?？梢钥闯?，媒質(zhì)導電性能越好(電導率越大)，工作頻率越高，則電磁波衰減越大，即高頻電磁波在良導體中衰減極快，往往在微米級的距離內就衰減到近于零了。通常，導電媒質(zhì)中的感應通信，其工作頻率必須在低頻頻段，這是良導體媒質(zhì)中感應通信系統的一個(gè)非常重要的特征。

2 低頻感應通信系統的設計

本文研究設計的低頻感應通信系統框圖如圖1所示，采用基于DSP的軟件無(wú)線(xiàn)電方式來(lái)實(shí)現，即在通用的硬件平臺上，盡可能用靈活、方便升級的軟件實(shí)現通信的各種功能。其數據調制方式采用差分編碼移相鍵控(DPSK)來(lái)實(shí)現，DPSK是將數字基帶信號經(jīng)差分編碼后，再對其進(jìn)行絕對相移鍵控的數字調制方式，因其抗噪性能和頻帶利用率均優(yōu)于A(yíng)SK和FSK，在實(shí)際的數據傳輸系統中得到了廣泛的應用。

軟件無(wú)線(xiàn)電是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域里一種新的通信體系結構，他是以現代通信理論為基礎、數字信號處理為核心、微電子技術(shù)為支撐，其中心思想是：構造一個(gè)具有開(kāi)放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將通信的各種功能如工作頻率、調制解調類(lèi)型、數據格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)實(shí)現，并使寬帶A／D和D／A轉換器盡可能地靠近天線(xiàn)，以研制出具有高度靈活、開(kāi)放性的新一代無(wú)線(xiàn)通信系統。他所具有的極強的靈活性和開(kāi)放性等特點(diǎn)必將使他成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統的發(fā)展趨勢。

根據軟件無(wú)線(xiàn)電的理論，本文所研究設計的低頻感應通信系統，由于工作頻率低，接收器接收的信號經(jīng)放大及預濾波后，可直接經(jīng)A／D轉換后送給DSP進(jìn)行數字信號處理，而不需要經(jīng)過(guò)類(lèi)似下變頻的信號處理，即類(lèi)似于理想軟件無(wú)線(xiàn)電的設計。具體來(lái)講就是：發(fā)送器經(jīng)DSP通過(guò)軟件產(chǎn)生數字調制信號，該信號經(jīng)D／A轉換器件的數模轉換后，產(chǎn)生低頻模擬的DPSK信號，對該信號經(jīng)過(guò)模擬放大、功率放大就可以加載到發(fā)射器上。信道中傳輸的是模擬調制信號及信道本身存在的噪聲和干擾信號。接收器接收的DPSK及噪聲信號經(jīng)過(guò)放大和抗混疊濾波器的預處理后，直接用A／D轉換器將預處理后的DPSK信號轉換為數字信號送給DSP，由DSP對接收到的調制信號進(jìn)行FIR數字濾波、同步、解調、抽樣判決和差分解碼等信號處理過(guò)程，恢復信源信息，完成通信過(guò)程。