基于DSP的低頻無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

低頻感應(yīng)通信是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)低頻載波調(diào)制、信號(hào)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，交變的磁場產(chǎn)生的電場，從而在接收器中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，經(jīng)濾波、解調(diào)、解碼等信號(hào)處理后，就可在接收端準(zhǔn)確接收發(fā)送的信息，完成通信過程。因其利用電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)通信，故稱其為感應(yīng)通信，當(dāng)距離短時(shí)，感應(yīng)通信比較容易實(shí)現(xiàn)。

1 低頻感應(yīng)通信理論

感應(yīng)通信利用發(fā)射線圈中的交變電流產(chǎn)生變化磁場，接收線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢后，再經(jīng)過一系列的信號(hào)處理過程恢復(fù)發(fā)送信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了通信的目的。

嚴(yán)格的感應(yīng)通信理論是建立在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上。麥克斯韋方程組是在對(duì)宏觀電磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過擴(kuò)充和推廣而得到的。他揭示了電場與磁場之間、電磁場與電荷、電流之間的相互關(guān)系，是一切宏觀電磁現(xiàn)象所遵循的普遍規(guī)律。麥克斯韋方程組的微分形式如下：

無源、 的線性、均勻、各向同性導(dǎo)電媒質(zhì)中的麥克斯韋方程組為：

設(shè)電磁波在無源、 的線性、均勻、各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播常數(shù)為γ=β-jα，α是表示每單位距離電磁波衰減的常數(shù)，稱為衰減常數(shù)，β表示每單位距離電磁波落后的相位，稱為相位常數(shù)。根據(jù)電磁場理論可知：

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

媒質(zhì)屬于電介質(zhì)還是良導(dǎo)體，不僅與媒質(zhì)參數(shù)有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。良導(dǎo)體中，隨著頻率的增加，電磁波的衰減常數(shù)α增大?？梢钥闯?，媒質(zhì)導(dǎo)電性能越好(電導(dǎo)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(dǎo)體中衰減極快，往往在微米級(jí)的距離內(nèi)就衰減到近于零了。通常，導(dǎo)電媒質(zhì)中的感應(yīng)通信，其工作頻率必須在低頻頻段，這是良導(dǎo)體媒質(zhì)中感應(yīng)通信系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的特征。

2 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文研究設(shè)計(jì)的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)框圖如圖1所示，采用基于DSP的軟件無線電方式來實(shí)現(xiàn)，即在通用的硬件平臺(tái)上，盡可能用靈活、方便升級(jí)的軟件實(shí)現(xiàn)通信的各種功能。其數(shù)據(jù)調(diào)制方式采用差分編碼移相鍵控(DPSK)來實(shí)現(xiàn)，DPSK是將數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)差分編碼后，再對(duì)其進(jìn)行絕對(duì)相移鍵控的數(shù)字調(diào)制方式，因其抗噪性能和頻帶利用率均優(yōu)于ASK和FSK，在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

軟件無線電是無線通信領(lǐng)域里一種新的通信體系結(jié)構(gòu)，他是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)、數(shù)字信號(hào)處理為核心、微電子技術(shù)為支撐，其中心思想是：構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將通信的各種功能如工作頻率、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來實(shí)現(xiàn)，并使寬帶A／D和D／A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近天線，以研制出具有高度靈活、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。他所具有的極強(qiáng)的靈活性和開放性等特點(diǎn)必將使他成為未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

根據(jù)軟件無線電的理論，本文所研究設(shè)計(jì)的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)，由于工作頻率低，接收器接收的信號(hào)經(jīng)放大及預(yù)濾波后，可直接經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送給DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，而不需要經(jīng)過類似下變頻的信號(hào)處理，即類似于理想軟件無線電的設(shè)計(jì)。具體來講就是：發(fā)送器經(jīng)DSP通過軟件產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器件的數(shù)模轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生低頻模擬的DPSK信號(hào)，對(duì)該信號(hào)經(jīng)過模擬放大、功率放大就可以加載到發(fā)射器上。信道中傳輸?shù)氖悄M調(diào)制信號(hào)及信道本身存在的噪聲和干擾信號(hào)。接收器接收的DPSK及噪聲信號(hào)經(jīng)過放大和抗混疊濾波器的預(yù)處理后，直接用A／D轉(zhuǎn)換器將預(yù)處理后的DPSK信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給DSP，由DSP對(duì)接收到的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波、同步、解調(diào)、抽樣判決和差分解碼等信號(hào)處理過程，恢復(fù)信源信息，完成通信過程。

3 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的Matlab仿真

在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)能夠使設(shè)計(jì)者在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前測試系統(tǒng)的性能。通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)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(duì)上文所設(shè)計(jì)的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對(duì)該無線通信系統(tǒng)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(xiàn)提供依據(jù)。系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2所示。

該仿真系統(tǒng)主要包括了二值信源模塊、DPSK信號(hào)調(diào)制模塊、信道模塊、接收、解調(diào)及信號(hào)同步模塊，抽樣判決模塊、解碼及誤碼顯示模塊。二值信號(hào)源模塊作為該仿真系統(tǒng)的數(shù)字基帶輸入；DPSK調(diào)制模塊調(diào)制產(chǎn)生在信道中傳輸?shù)腄PSK信號(hào)；信道模塊是為了模擬井下復(fù)雜的通訊環(huán)境對(duì)該低頻無線通信系統(tǒng)的影響而加入的高斯白噪聲模塊；接收、解調(diào)及其同步模塊是該仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其DPSK信號(hào)的解調(diào)采用載波相干解調(diào)，解調(diào)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(hào)中恢復(fù)。由于從高斯信道中接收的調(diào)制信號(hào)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)過位同步模塊的同步，本設(shè)計(jì)所采用的位同步模塊是基于Gardner算法所設(shè)計(jì)的位同步模塊，因該算法所需采樣點(diǎn)少，易于高速實(shí)現(xiàn)，且具有檢測性能不受載波相位恢復(fù)影響的優(yōu)點(diǎn)，所以他在許多解調(diào)接收設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用；解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)相關(guān)器運(yùn)算，抑制了與載波無關(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(hào)經(jīng)抽樣判決及解碼處理后，可以無失真地恢復(fù)信源信號(hào)。

仿真分析：通信的首要任務(wù)是接收信號(hào)能夠完全無失真恢復(fù)發(fā)送信號(hào)。圖3是DPSK系統(tǒng)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(jī)輸入輸出的仿真波形，輸入的數(shù)字基帶信號(hào)由信號(hào)源模塊(Bernoulli Binary Generator)產(chǎn)生，經(jīng)過DPSK調(diào)制，在接收端接收到了疊加信道高斯白噪聲的DPSK信號(hào)，接收的DPSK信號(hào)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(hào)，其在指定的抽樣時(shí)刻獲得了最大輸出信噪比，對(duì)該信號(hào)在每個(gè)上升沿觸發(fā)脈沖的前一瞬間抽樣判決，恢復(fù)輸入信號(hào)。比較輸入信號(hào)與解碼輸出的信號(hào)，從圖3中可以看出，差分解碼輸出的信號(hào)無失真地恢復(fù)出輸人數(shù)字基帶信號(hào)，輸出比輸入延遲2個(gè)碼元時(shí)間，達(dá)到了低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的基本要求。仿真結(jié)果表明，接收信號(hào)經(jīng)數(shù)字濾波、同步、解調(diào)、判決和解碼后，完全恢復(fù)發(fā)送信號(hào)。從仿真結(jié)果可見，該低頻無線通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通信的基本要求，為進(jìn)一步DSP的軟件設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

4 結(jié) 語

導(dǎo)電媒質(zhì)中，低頻電磁波傳播距離遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)，信號(hào)傳播時(shí)比高頻信號(hào)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的天線。由于其通信距離及通信速率的局限性，在該頻段的無線傳輸一直未受到人們的重視。事實(shí)上，在某些特殊場合，這種在有限空間內(nèi)的低頻輻射恰恰可以得到利用。比如導(dǎo)向鉆井中的井下短距離通信，由于電磁波在受限空間的導(dǎo)電泥漿中傳輸，通信環(huán)境比較惡劣，但通信距離短，對(duì)通信速率的要求也不是很高，可以用低頻進(jìn)行短距離的無線通信。本文提出的研究和設(shè)計(jì)低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的方法對(duì)導(dǎo)向鉆井中井下短程通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。