低頻電磁波感應通信系統的設計與仿真

　　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、無(wú)界的線(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、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。

　　3 低頻感應通信系統的Matlab仿真

　　在通信系統的設計中，通信系統的仿真設計能夠使設計者在實(shí)際系統設計之前測試系統的性能。通信系統的仿真設計主要包括通信的基本功能測試、通信的誤碼率分析等。本文利用Matlab對上文所設計的低頻感應通信系統進(jìn)行仿真設計，對該無(wú)線(xiàn)通信系統各部分的基本功能進(jìn)行測試和仿真，并為下一步DSP的軟件實(shí)現提供依據。系統仿真設計的總體框圖如圖2所示。

　　該仿真系統主要包括了二值信源模塊、DPSK信號調制模塊、信道模塊、接收、解調及信號同步模塊，抽樣判決模塊、解碼及誤碼顯示模塊。二值信號源模塊作為該仿真系統的數字基帶輸入；DPSK調制模塊調制產(chǎn)生在信道中傳輸的DPSK信號；信道模塊是為了模擬井下復雜的通訊環(huán)境對該低頻無(wú)線(xiàn)通信系統的影響而加入的高斯白噪聲模塊；接收、解調及其同步模塊是該仿真系統中的關(guān)鍵環(huán)節，其DPSK信號的解調采用載波相干解調，解調所用的相干載波可以用科斯塔斯環(huán)等方法直接從接收的信號中恢復。由于從高斯信道中接收的調制信號具有時(shí)間或相位的延遲，其碼元定時(shí)脈沖的的提取必須經(jīng)過(guò)位同步模塊的同步，本設計所采用的位同步模塊是基于Gardner算法所設計的位同步模塊，因該算法所需采樣點(diǎn)少，易于高速實(shí)現，且具有檢測性能不受載波相位恢復影響的優(yōu)點(diǎn)，所以他在許多解調接收設備中得到了廣泛的應用；解調后的信號經(jīng)相關(guān)器運算，抑制了與載波無(wú)關(guān)的噪聲及干擾，使其在指定的抽樣判決時(shí)刻具有最大的信噪比。該信號經(jīng)抽樣判決及解碼處理后，可以無(wú)失真地恢復信源信號。

　　仿真分析：通信的首要任務(wù)是接收信號能夠完全無(wú)失真恢復發(fā)送信號。圖3是DPSK系統在碼元速率為50 b／s，載波為1 000 Hz，傳輸信道信噪比為-20 dB時(shí)接收機輸入輸出的仿真波形，輸入的數字基帶信號由信號源模塊(Bernoulli Binary Generator)產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)DPSK調制，在接收端接收到了疊加信道高斯白噪聲的DPSK信號，接收的DPSK信號經(jīng)濾波器和相關(guān)器濾除干擾及噪聲后，輸出信噪比較大的鋸齒信號，其在指定的抽樣時(shí)刻獲得了最大輸出信噪比，對該信號在每個(gè)上升沿觸發(fā)脈沖的前一瞬間抽樣判決，恢復輸入信號。比較輸入信號與解碼輸出的信號，從圖3中可以看出，差分解碼輸出的信號無(wú)失真地恢復出輸人數字基帶信號，輸出比輸入延遲2個(gè)碼元時(shí)間，達到了低頻感應通信系統的基本要求。仿真結果表明，接收信號經(jīng)數字濾波、同步、解調、判決和解碼后，完全恢復發(fā)送信號。從仿真結果可見(jiàn)，該低頻無(wú)線(xiàn)通信系統的仿真設計實(shí)現了通信的基本要求，為進(jìn)一步DSP的軟件設計提供了依據。

　　4 結 語(yǔ)

　　導電媒質(zhì)中，低頻電磁波傳播距離遠，穿透能力強，信號傳播時(shí)比高頻信號衰減小的多。但是通信距離短、速率慢，效率低，有時(shí)甚至需要幾公里到幾十公里長(cháng)的天線(xiàn)。由于其通信距離及通信速率的局限性，在該頻段的無(wú)線(xiàn)傳輸一直未受到人們的重視。事實(shí)上，在某些特殊場(chǎng)合，這種在有限空間內的低頻輻射恰恰可以得到利用。比如導向鉆井中的井下短距離通信，由于電磁波在受限空間的導電泥漿中傳輸，通信環(huán)境比較惡劣，但通信距離短，對通信速率的要求也不是很高，可以用低頻進(jìn)行短距離的無(wú)線(xiàn)通信。本文提出的研究和設計低頻感應通信系統的方法對導向鉆井中井下短程通信系統的研究與設計具有一定的借鑒意義。