基于MATLAB的2DPSK低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

0 引言

感應(yīng)通信是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)低頻載波調(diào)制、信號(hào)放大、功率放大后，在發(fā)射線圈產(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)，從而在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)濾波、解調(diào)、解碼等信號(hào)處理環(huán)節(jié)后，就可在接收端準(zhǔn)確接收發(fā)送的信息。本文研究與設(shè)計(jì)的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)線的數(shù)字通信系統(tǒng)，結(jié)合DPSK 數(shù)字通信原理，提出基于DSP 技術(shù)的軟件無(wú)線電低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并利用MATLAB 軟件對(duì)該DPSK 通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

1 低頻感應(yīng)通信的基本原理及工作特性

1.1 感應(yīng)通信的基本原理

感應(yīng)通信是利用發(fā)射線圈中的交變電流，產(chǎn)生變化磁場(chǎng)使在接收線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，再經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)處理過(guò)程得到發(fā)射信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了通信的目的。當(dāng)類似巷道的場(chǎng)合中存在著金屬導(dǎo)體(稱為感應(yīng)線)，附近的發(fā)射機(jī)發(fā)射無(wú)線電信號(hào)時(shí)，發(fā)射機(jī)天線上可以產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流在感應(yīng)線周圍產(chǎn)生信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，沿途的無(wú)線接收機(jī)天線可因感應(yīng)而接收信號(hào)，經(jīng)放大和處理，獲得發(fā)射機(jī)發(fā)出的信息，完成通信過(guò)程，這就是感應(yīng)通信的基本原理。

1.2 感應(yīng)通信的工作特性

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(guò)擴(kuò)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，是一切宏觀電磁現(xiàn)象所遵循的普遍規(guī)律。

設(shè)電磁波在無(wú)源，無(wú)界的線性、均勻、各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播常數(shù)為：

α 是說(shuō)明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)。

其中，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。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論可知，良導(dǎo)體中，隨著頻率的增加衰減常數(shù)α 增大，電磁波的衰減增大。在感應(yīng)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(yīng)通信的工作頻率為50～500 kHz。

2 2DPSK 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的組成與實(shí)現(xiàn)

2.1 DPSK 通信系統(tǒng)組成原理

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)調(diào)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ASK 和FSK，在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。DPSK 通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示，主要包括調(diào)制、信道和解調(diào)三個(gè)部分。

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

信道是通信系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)之一，信道的傳輸質(zhì)量影響著信號(hào)的接收和解調(diào)。這種影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是產(chǎn)生噪聲，二是減弱信號(hào)的強(qiáng)度和改變信號(hào)的形狀。鑒于此，本設(shè)計(jì)中DPSK 信號(hào)在信道的傳輸過(guò)程中疊加了噪聲。

2DPSK 信號(hào)的解調(diào)有兩種方法。一種是極性比較法，也就是相干解調(diào)法。它提取相干載波，然后通過(guò)碼反變換器將相對(duì)碼變換成絕對(duì)碼。本設(shè)計(jì)采用另一種方法相干載波法，也叫相位比較法或差分解調(diào)法，這種方法不需要恢復(fù)本地載波，只需將2DPSK 信號(hào)延時(shí)一個(gè)碼元間隔，然后與2DPSK信號(hào)本身相乘，經(jīng)低通濾波器處理之后，可直接抽樣判決恢復(fù)出原始數(shù)字信息。該方法可借助DSP 技術(shù)中的FFT 來(lái)處理，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且抗噪聲干擾性能較好。解調(diào)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(diào)恢復(fù)出的信號(hào)與調(diào)制器輸入的信號(hào)是完全相同的。

2.2 DPSK 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

隨著數(shù)字信號(hào)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)線電正是DSP技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用。軟件無(wú)線電以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)、以數(shù)字信號(hào)處理為核心、以微電子技術(shù)為支撐，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)，將通信的各種功能用軟件來(lái)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。

對(duì)于低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于工作頻率比較低，接收線圈接收到的信號(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，即類似于理想軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)就是，在信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，而對(duì)信號(hào)的處理部分主要是是在數(shù)字信號(hào)處理器件(DSP)上實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)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(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)生低頻的DPSK信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬功率放大就可以加載到發(fā)射線圈上。接收線圈接收的DPSK及噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬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、相干解調(diào)、抽樣判決和差分解碼等信號(hào)處理過(guò)程，恢復(fù)信源信息，完成通信過(guò)程。

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