基于MATLAB的2DPSK低頻感應通信系統仿真設計

0 引言

感應通信是將待傳輸的數據通過(guò)低頻載波調制、信號放大、功率放大后，在發(fā)射線(xiàn)圈產(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)，從而在接收線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，經(jīng)濾波、解調、解碼等信號處理環(huán)節后，就可在接收端準確接收發(fā)送的信息。本文研究與設計的低頻感應通信系統是一個(gè)無(wú)線(xiàn)的數字通信系統，結合DPSK 數字通信原理，提出基于DSP 技術(shù)的軟件無(wú)線(xiàn)電低頻感應通信系統的設計方法，并利用MATLAB 軟件對該DPSK 通信系統進(jìn)行仿真設計。

1 低頻感應通信的基本原理及工作特性

1.1 感應通信的基本原理

感應通信是利用發(fā)射線(xiàn)圈中的交變電流，產(chǎn)生變化磁場(chǎng)使在接收線(xiàn)圈中感應出電動(dòng)勢，再經(jīng)過(guò)一系列的信號處理過(guò)程得到發(fā)射信號，從而實(shí)現了通信的目的。當類(lèi)似巷道的場(chǎng)合中存在著(zhù)金屬導體(稱(chēng)為感應線(xiàn))，附近的發(fā)射機發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號時(shí)，發(fā)射機天線(xiàn)上可以產(chǎn)生感應電流。該電流在感應線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生信號場(chǎng)強，沿途的無(wú)線(xiàn)接收機天線(xiàn)可因感應而接收信號，經(jīng)放大和處理，獲得發(fā)射機發(fā)出的信息，完成通信過(guò)程，這就是感應通信的基本原理。

1.2 感應通信的工作特性

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。它揭示了電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間、以及電磁場(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。

設電磁波在無(wú)源，無(wú)界的線(xiàn)性、均勻、各向同性的導電媒質(zhì)中的傳播常數為：

α 是說(shuō)明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。

其中，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。

根據電磁場(chǎng)理論可知，良導體中，隨著(zhù)頻率的增加衰減常數α 增大，電磁波的衰減增大。在感應通信中，工作頻率越低，傳輸損耗越小，耦合損耗越大;工作頻率越高，傳輸損耗越大、耦合損耗越小。實(shí)踐證明有利于感應通信的工作頻率為50～500 kHz。

2 2DPSK 低頻感應通信系統的組成與實(shí)現

2.1 DPSK 通信系統組成原理

在數字通信系統中，數據調制的主要方式有移幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)等三種方式，其中差分編碼移相鍵控(DPSK)因其抗噪性能和頻帶利用率均優(yōu)于A(yíng)SK 和FSK，在實(shí)際的數據傳輸系統得到了廣泛的應用。DPSK 通信系統的原理框圖如圖1 所示，主要包括調制、信道和解調三個(gè)部分。

調制器采用數字調制方式，由晶體振蕩器、分頻器、差分編碼器和絕對調相組成。晶體振蕩器產(chǎn)生方波信號，經(jīng)分頻電路分別產(chǎn)生調制器和解調器所需的載波信號和時(shí)鐘信號。差分移相是利用前后相鄰碼元的相對載波相位變化來(lái)傳遞數字信息，對輸入端的數字信號進(jìn)行差分編碼，然后再對差分編碼輸出進(jìn)行絕對調相，得到2DPSK 信號。

信道是通信系統的基本環(huán)節之一，信道的傳輸質(zhì)量影響著(zhù)信號的接收和解調。這種影響表現在兩個(gè)方面：一是產(chǎn)生噪聲，二是減弱信號的強度和改變信號的形狀。鑒于此，本設計中DPSK 信號在信道的傳輸過(guò)程中疊加了噪聲。

2DPSK 信號的解調有兩種方法。一種是極性比較法，也就是相干解調法。它提取相干載波，然后通過(guò)碼反變換器將相對碼變換成絕對碼。本設計采用另一種方法相干載波法，也叫相位比較法或差分解調法，這種方法不需要恢復本地載波，只需將2DPSK 信號延時(shí)一個(gè)碼元間隔，然后與2DPSK信號本身相乘，經(jīng)低通濾波器處理之后，可直接抽樣判決恢復出原始數字信息。該方法可借助DSP 技術(shù)中的FFT 來(lái)處理，實(shí)現簡(jiǎn)單，且抗噪聲干擾性能較好。解調由帶通濾波器、乘法器、低通濾波器、抽樣判決器、差分解碼器組成。在無(wú)噪聲情況下，解調恢復出的信號與調制器輸入的信號是完全相同的。

2.2 DPSK 低頻感應通信系統的實(shí)現

隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的發(fā)展，DSP芯片的處理能力得到了極大提高，軟件無(wú)線(xiàn)電正是DSP技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信系統中應用。軟件無(wú)線(xiàn)電以現代通信理論為基礎、以數字信號處理為核心、以微電子技術(shù)為支撐，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)。

對于低頻感應通信系統來(lái)說(shuō)，由于工作頻率比較低，接收線(xiàn)圈接收到的信號經(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，即類(lèi)似于理想軟件無(wú)線(xiàn)電的設計。具體來(lái)說(shuō)就是，在信道中傳輸的是模擬信號，而對信號的處理部分主要是是在數字信號處理器件(DSP)上實(shí)現。

系統的組成框圖如圖2所示，發(fā)送器在通過(guò)DSP產(chǎn)生軟件調制信號，該信號經(jīng)D/A轉換器件的數模轉換后，產(chǎn)生低頻的DPSK信號，該信號經(jīng)過(guò)模擬功率放大就可以加載到發(fā)射線(xiàn)圈上。接收線(xiàn)圈接收的DPSK及噪聲信號經(jīng)過(guò)模擬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、相干解調、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。

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