低频无线通信系统的设计

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通信是一切将信息从发送者传送到接收者的过程。自古以来，信息就如同物质和能量一样，是人类赖以生存和发展的基础资源之一。人类通信的历史可以追溯到远古时代，文字、信标、烽火及驿站等作为主要的通信方式，曾经延续了几千年。电通信的发展历史从1837年美国人莫尔斯发明人工电报装置开始，至今不过170年。翻开厚厚的电信史册，沿着历史的脚步一路走来，在技术和市场需求的双重驱动下，仅有一百多年历史的电通信发生了翻天覆地的巨变，取得了令人惊叹的辉煌成就。
　　无线通信系统（WIReless Communication System）：也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传输的系统。它根据工作频段或传输手段分类， 可以分为中波通信、 短波通信、 超短波通信、 微波通信和卫星通信等。
　　1 低频感应通信理论
　　低频感应通信是将待传输的数据经低频载波调制、信号放大、功率放大后，在发射器产生一定的交变电流，利用交变的电流产生交变的磁场，交变的磁场产生的电场，从而在接收器中产生感应电动势，经滤波、解调、解码等信号处理后，就可在接收端准确接收发送的信息，完成通信过程。因其利用电磁感应原理来实现通信，故称其为感应通信，当距离短时，感应通信比较容易实现。
感应通信利用发射线圈中的交变电流产生变化磁场，接收线圈中感应出电动势后，再经过一系列的信号处理过程恢复发送信号，从而实现了通信的目的。
　　严格的感应通信理论是建立在麦克斯韦方程组的基础上。麦克斯韦方程组是在对宏观电磁现象的实验规律进行分析总结的基础上，经过扩充和推广而得到的。他揭示了电场与磁场之间、电磁场与电荷、电流之间的相互关系，是一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律。麦克斯韦方程组的微分形式如下：
  
　　
  
　　设电磁波在无源、 的线性、均匀、各向同性的导电媒质中的传播常数为γ=β-jα，α是表示每单位距离电磁波衰减的常数，称为衰减常数，β表示每单位距离电磁波落后的相位，称为相位常数。根据电磁场理论可知：
  

  
  
　　媒质属于电介质还是良导体，不仅与媒质参数有关，而且与工作频率有关。可看出，媒质导电性能越好（电导率越大），工作频率越高，则电磁波衰减越大，即高频电磁波在良导体中衰减极快，往往在微米级的距离内就衰减到近于零了。通常，导电媒质中的感应通信，其工作频率必须在低频频段，这是良导体媒质中感应通信系统的一个非常重要的特征。
2 低频感应通信系统的设计
　　本文研究设计的低频感应通信系统框图如图1所示，采用基于DSP的软件无线电方式来实现。其数据调制方式采用差分编码移相键控（DPSK）来实现，DPSK是将数字基带信号经差分编码后，再对其进行绝对相移键控的数字调制方式，因其抗噪性能和频带利用率均优于ASK和FSK，在实际的数据传输系统中得到了广泛的应用。

  
　　根据软件无线电的理论，本文所研究设计的低频感应通信系统，由于工作频率低，接收器接收的信号经放大及预滤波后，可直接经A／D转换后送给DSP进行数字信号处理，而不需要经过类似下变频的信号处理，即类似于理想软件无线电的设计。接收器接收的DPSK及噪声信号经过放大和抗混叠滤波器的预处理后，直接用A／D转换器将预处理后的DPSK信号转换为数字信号送给DSP，由DSP对接收到的调制信号进行FIR数字滤波、同步、解调、抽样判决和差分解码等信号处理过程，恢复信源信息，完成通信过程。
　　3 低频感应通信系统的Matlab仿真
　　在通信系统的设计中，通信系统的仿真设计能够使设计者在实际系统设计之前测试系统的性能。本文利用Matlab对上文所设计的低频感应通信系统进行仿真设计，对该无线通信系统各部分的基本功能进行测试和仿真，并为下一步DSP的软件实现提供依据。系统仿真设计的总体框图如图2所示。

  
　　该仿真系统主要包括了二值信源模块、DPSK信号调制模块、信道模块、接收、解调及信号同步模块，抽样判决模块、解码及误码显示模块。二值信号源模块作为该仿真系统的数字基带输入；DPSK调制模块调制产生在信道中传输的DPSK信号；接收、解调及其同步模块是该仿真系统中的关键环节，解调所用的相干载波可以用科斯塔斯环等方法直接从接收的信号中恢复。本设计所采用的位同步模块是基于Gardner算法所设计的位同步模块，因该算法所需采样点少，易于高速实现，且具有检测性能不受载波相位恢复影响的优点；解调后的信号经相关器运算，抑制了与载波无关的噪声及干扰，使其在指定的抽样判决时刻具有最大的信噪比。该信号经抽样判决及解码处理后，可以无失真地恢复信源信号。
　　仿真分析：通信的首要任务是接收信号能够完全无失真恢复发送信号。图3是DPSK系统在码元速率为50 b／s，载波为1 000 Hz，传输信道信噪比为-20 dB时接收机输入输出的仿真波形，输入的数字基带信号由信号源模块（Bernoulli Binary Generator）产生，经过DPSK调制，在接收端接收到了叠加信道高斯白噪声的DPSK信号，输出信噪比较大的锯齿信号，恢复输入信号。比较输入信号与解码输出的信号，从图3中可以看出，差分解码输出的信号无失真地恢复出输人数字基带信号，输出比输入延迟2个码元时间，达到了低频感应通信系统的基本要求。仿真结果表明，接收信号经数字滤波、同步、解调、判决和解码后，完全恢复发送信号。从仿真结果可见，该低频无线通信系统的仿真设计实现了通信的基本要求，为进一步DSP的软件设计提供了依据。

  
　　4 结 语
　　导电媒质中，低频电磁波传播距离远，穿透能力强，信号传播时比高频信号衰减小的多。但是通信距离短、速率慢，效率低，有时甚至需要几公里到几十公里长的天线。由于其通信距离及通信速率的局限性，在该频段的无线传输一直未受到人们的重视。事实上，在某些特殊场合，这种在有限空间内的低频辐射恰恰可以得到利用。比如导向钻井中的井下短距离通信，由于电磁波在受限空间的导电泥浆中传输，通信环境比较恶劣，但通信距离短，对通信速率的要求也不是很高，可以用低频进行短距离的无线通信。本文提出的研究和设计低频感应通信系统的方法对导向钻井中井下短程通信系统的研究与设计具有一定的借鉴意义。