基于FSK無線通信的隨鉆測井系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)MAX275手冊(cè)可以求出外圍元件的參數(shù)，由于選取的載波頻率分別是110kHz和1 30 kHz，所以設(shè)定帶通濾波器的中心頻率為120kHz，且兩個(gè)載波頻率必須在濾波器的通帶以內(nèi)。可設(shè)定其通頻帶范阿是105～135kHz，根據(jù)這些要求可求出相關(guān)參數(shù)：R1=5．1 kΩ，R2=16．7 kΩ(可由10 kΩ電阻串聯(lián)10 kΩ電位器實(shí)現(xiàn))，R3=16．7 kΩ(可由10 kΩ電阻串聯(lián)10 kΩ電位器實(shí)現(xiàn))，R4=11．7 kΩ(可由11 kΩ電阻串聯(lián)1 kΩ電位器實(shí)現(xiàn))。由于MAX275是兩級(jí)級(jí)聯(lián)的濾波器，因此兩級(jí)的參數(shù)可選取一樣，即R5=R1，R6=R2，R7=R3，R8=R4。調(diào)試電路時(shí)測試該濾波器的性能，得到數(shù)據(jù)后用MATLAB繪制，其幅度響應(yīng)如圖7所示。

由圖7可以看出，該濾波器通頻帶范圍大概是110～133 kHz，中心頻率在121 kHz左右，能夠滿足實(shí)際要求。
2．3 放大電路設(shè)計(jì)
任何通信系統(tǒng)都離不開放大電路，本系統(tǒng)也不例外。信號(hào)經(jīng)過4級(jí)鉆桿后只有30 mV左右，完全被噪聲淹沒，所以至少要把信號(hào)放大100倍以上才能滿足后級(jí)電路的處理要求。放大電路的實(shí)現(xiàn)方式很多，可以選擇分立元件搭建，也可以用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。但是這里必須注意集成運(yùn)放有一個(gè)增益帶寬積，比如對(duì)于一個(gè)增益帶寬積為1 MHz的運(yùn)放，就不適合對(duì)頻率超過100 kHz的信號(hào)進(jìn)行放大，所以本文采用由三極管構(gòu)成的放大電路。設(shè)計(jì)放大電路時(shí)要注意選取截止頻率比較高的三極管，這里選擇高頻小功率管3DG100，要確保三極管對(duì)有用信號(hào)的放大不會(huì)出現(xiàn)截止失真和飽和失真，放大電路的組態(tài)很多，這里選擇共射極放大電路。一級(jí)放大電路顯然不能滿足放大的要求，采用二級(jí)放大電路后可滿足要求，同時(shí)共射極放大電路輸出與輸入反相，二級(jí)放大后的輸出與輸入就滿足同相的要求了。關(guān)于放大電路有很多書籍資料可供參考，這里不再贅述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中軟件主要分兩部分：一是在系統(tǒng)調(diào)試過程中所需的測試軟件，比如產(chǎn)生特定頻率的方波信號(hào)來模擬二進(jìn)制的“1”和“0”，可在單片機(jī)外圍增加一個(gè)鍵盤電路來靈活地選擇不同波特率的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試；二是在系統(tǒng)工作過程中起控制作用的軟件，用于控制信息的傳輸方向等。軟件的編寫必須遵守單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串口通信協(xié)議。如果對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，雖然可以提高通信系統(tǒng)的可靠性，降低誤碼率，但是會(huì)影響有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，所以這里不對(duì)信道進(jìn)行編碼。

4 測試方法及結(jié)果
該系統(tǒng)的測試遵循從部分到整體的原則，先對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行測試，每個(gè)模塊測試完畢后再對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試。一臺(tái)PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，另一臺(tái)PC機(jī)接收數(shù)據(jù)，比較發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)從而得到誤碼率。在波特率為9 600 b／s時(shí)，系統(tǒng)誤碼率測試結(jié)果如表1所列。

結(jié)語
本文以XR2206和XR2211為涮制解調(diào)芯片，AT89C51單片機(jī)為控制芯片，設(shè)計(jì)了一套FSK感應(yīng)通信系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證，獲得了9 600 b／s的波特率。該系統(tǒng)可應(yīng)用于石油、天然氣等井下作業(yè)以及海洋資源的探測工作。但是相對(duì)于國外的水平還有待提高，在實(shí)際運(yùn)用中該系統(tǒng)還有很多因素要考慮：在器件選擇方面，精度太差的電阻和電容會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量，會(huì)出現(xiàn)載波頻率偏移等問題；電路的阻抗匹配是該系統(tǒng)的最大問題，信號(hào)往往是在失配條件下進(jìn)行傳輸?shù)模隈詈暇€圈處信號(hào)的損失相當(dāng)嚴(yán)重；另外受到香農(nóng)定理的限制，該系統(tǒng)的通信速率不可能很高，可以考慮把信號(hào)調(diào)制到更高的頻段上，但是此時(shí)又要在耦合線圈處增加電容、電感等元件改變信道的諧振點(diǎn)，使其諧振在更高的頻段上。上面的這些問題在以后工作中都是需要認(rèn)真研究的。