低頻電磁波感應(yīng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：根據(jù)電磁波傳播的理論，研究了無源、無界、線性、均勻、各向同性導(dǎo)電媒質(zhì)中感應(yīng)通信問題，確定了感應(yīng)通信工作頻率的范圍。從DPSK數(shù)字通信系統(tǒng)的原理出發(fā)，研究了導(dǎo)電媒質(zhì)中低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)原理及其組成，提出了基于DSP的低頻無線通信系統(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)行了仿真設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，該低頻無線通信系統(tǒng)達(dá)到了通信的基本要求，提出的基于DSP的設(shè)計(jì)方法是可行的。

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關(guān)鍵詞：低頻電磁波；感應(yīng)通信；DPSK；導(dǎo)電媒質(zhì)

中圖分類號(hào)：N94513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-010-03

Design and Simulation for Inductive Communication System with Low

Frequency Electromagnetic Wave

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LU Jianjun，WANG Yuelong，WEI Na

(College of Electronic Engineering，Xi′an Shiyou University，Xi′an，710065，China)

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Abstract：According to the theory of electromagnetic wave propagation，the problem of inductive communication about passive，unbounded，linear，even，isotropic in conducting medium has been discussed in this article.Based on the method with DSP，the low frequency induction signaling system principle and the composition of the conducting medium have been studied.The result of visual simulation in Matlab shows that the basic request of correspondence can be achieved by the design of low frequency wireless communication system，and the method of the design which is based on DSP is feasible.

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Keywords：low frequency electromagnetic wave；inductive communication；DPSK;conducting medium

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(chǎng)，交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)，從而在接收器中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)^[1]，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(chǎng)，接收線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)與磁場(chǎng)之間、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。麥克斯韋方程組的微分形式如下^[2]：





×H=J+Dt 全電流定律

×E=－Bt 法拉第電磁感應(yīng)定律

#8226;B=0 磁通連續(xù)性原理

#8226;D=ρ 高斯定理



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



×H=σE+jωεE

×E=-jωμH

#8226;B=0

#8226;D=0

設(shè)電磁波在無源、無界的線性、均勻、各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播常數(shù)為 γ=β－jα，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)^[2]。根據(jù)電磁場(chǎng)理論可知：



α=ωμε21+σωε2－1

β=ωμε21+σωε2+1



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。

通常，按σωε的比值把媒質(zhì)分為三類^[3]：

電介質(zhì)：σωε1；不良導(dǎo)體：σωε1；良導(dǎo)體：σωε1。

在良導(dǎo)體中有關(guān)表達(dá)式簡(jiǎn)化為：



α=ωμσ2



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。可以看出，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^[4]，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^[5]。

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(shì)^[6]。

圖1 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)框圖

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(cè)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(cè)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)^[7] ，對(duì)該無線通信系統(tǒng)各部分的基本功能進(jìn)行測(cè)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。

圖2 DPSK仿真框圖

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(cè)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^[8]；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)出輸入數(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)。

圖3 DPSK仿真結(jié)果

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(zhǎng)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(chǎng)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。

參 考 文 獻(xiàn)

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［2］晁立東，仵杰，王仲奕.工程電磁場(chǎng)基礎(chǔ)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

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［4］李宗豪.基本通訊原理［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

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作者簡(jiǎn)介 盧建軍 男，1982年出生，湖南安仁人，碩士研究生。目前從事旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的井下短程通訊的研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。