低頻無線通信系統(tǒng)的設計

通信是一切將信息從發(fā)送者傳送到接收者的過程。自古以來，信息就如同物質和能量一樣，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎資源之一。人類通信的歷史可以追溯到遠古時代，文字、信標、烽火及驛站等作為主要的通信方式，曾經(jīng)延續(xù)了幾千年。電通信的發(fā)展歷史從1837年美國人莫爾斯發(fā)明人工電報裝置開始，至今不過170年。翻開厚厚的電信史冊，沿著歷史的腳步一路走來，在技術和市場需求的雙重驅動下，僅有一百多年歷史的電通信發(fā)生了翻天覆地的巨變，取得了令人驚嘆的輝煌成就。

　　無線通信系統(tǒng)（WIReless Communication System）：也稱為無線電通信系統(tǒng)，是由發(fā)送設備、接收設備、無線信道三大部分組成的，利用無線電磁波，以實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。它根據(jù)工作頻段或傳輸手段分類，可以分為中波通信、 短波通信、 超短波通信、 微波通信和衛(wèi)星通信等。

　　1 低頻感應通信理論

　　低頻感應通信是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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，交變的磁場產(chǎn)生的電場，從而在接收器中產(chǎn)生感應電動勢，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，完成通信過程。因其利用電磁感應原理來實現(xiàn)通信，故稱其為感應通信，當距離短時，感應通信比較容易實現(xiàn)。

感應通信利用發(fā)射線圈中的交變電流產(chǎn)生變化磁場，接收線圈中感應出電動勢后，再經(jīng)過一系列的信號處理過程恢復發(fā)送信號，從而實現(xiàn)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電磁現(xiàn)象的實驗規(guī)律進行分析總結的基礎上，經(jīng)過擴充和推廣而得到的。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：

　　設電磁波在無源、的線性、均勻、各向同性的導電媒質中的傳播常數(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：

　　媒質屬于電介質還是良導體，不僅與媒質參數(shù)有關，而且與工作頻率有關。可看出，媒質導電性能越好（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，這是良導體媒質中感應通信系統(tǒng)的一個非常重要的特征。
2 低頻感應通信系統(tǒng)的設計

　　本文研究設計的低頻感應通信系統(tǒng)框圖如圖1所示，采用基于DSP的軟件無線電方式來實現(xiàn)。其數(shù)據(jù)調制方式采用差分編碼移相鍵控（DPSK）來實現(xiàn)，DPSK是將數(shù)字基帶信號經(jīng)差分編碼后，再對其進行絕對相移鍵控的數(shù)字調制方式，因其抗噪性能和頻帶利用率均優(yōu)于ASK和FSK，在實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

　　根據(jù)軟件無線電的理論，本文所研究設計的低頻感應通信系統(tǒng)，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進行數(shù)字信號處理，而不需要經(jīng)過類似下變頻的信號處理，即類似于理想軟件無線電的設計。接收器接收的DPSK及噪聲信號經(jīng)過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(shù)字信號送給DSP，由DSP對接收到的調制信號進行FIR數(shù)字濾波、同步、解調、抽樣判決和差分解碼等信號處理過程，恢復信源信息，完成通信過程。

　　3 低頻感應通信系統(tǒng)的Matlab仿真

　　在通信系統(tǒng)的設計中，通信系統(tǒng)的仿真設計能夠使設計者在實際系統(tǒng)設計之前測試系統(tǒng)的性能。本文利用Matlab對上文所設計的低頻感應通信系統(tǒng)進行仿真設計，對該無線通信系統(tǒng)各部分的基本功能進行測試和仿真，并為下一步DSP的軟件實現(xiàn)提供依據(jù)。系統(tǒng)仿真設計的總體框圖如圖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(tǒng)的數(shù)字基帶輸入；DPSK調制模塊調制產(chǎn)生在信道中傳輸?shù)腄PSK信號；接收、解調及其同步模塊是該仿真系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)，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。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少，易于高速實現(xiàn)，且具有檢測性能不受載波相位恢復影響的優(yōu)點；解調后的信號經(jīng)相關器運算，抑制了與載波無關的噪聲及干擾，使其在指定的抽樣判決時刻具有最大的信噪比。該信號經(jīng)抽樣判決及解碼處理后，可以無失真地恢復信源信號。

　　仿真分析：通信的首要任務是接收信號能夠完全無失真恢復發(fā)送信號。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時接收機輸入輸出的仿真波形，輸入的數(shù)字基帶信號由信號源模塊（Bernoulli Binary Generator）產(chǎn)生，經(jīng)過DPSK調制，在接收端接收到了疊加信道高斯白噪聲的DPSK信號，輸出信噪比較大的鋸齒信號，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失真地恢復出輸人數(shù)字基帶信號，輸出比輸入延遲2個碼元時間，達到了低頻感應通信系統(tǒng)的基本要求。仿真結果表明，接收信號經(jīng)數(shù)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，該低頻無線通信系統(tǒng)的仿真設計實現(xiàn)了通信的基本要求，為進一步DSP的軟件設計提供了依據(jù)。

　　4 結 語

　　導電媒質中，低頻電磁波傳播距離遠，穿透能力強，信號傳播時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。事實上，在某些特殊場合，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，可以用低頻進行短距離的無線通信。本文提出的研究和設計低頻感應通信系統(tǒng)的方法對導向鉆井中井下短程通信系統(tǒng)的研究與設計具有一定的借鑒意義。