基于FPGA的微型化低頻通信系統的設計與實現

陳海洋，張曙霞，蔣宇中，王永斌，林朋飛，彭 丹

(海軍工程大學 電子工程學院， 湖北 武漢 430033)

基于FPGA的微型化低頻通信系統的設計與實現

陳海洋，張曙霞，蔣宇中，王永斌，林朋飛，彭 丹

(海軍工程大學 電子工程學院， 湖北 武漢 430033)

針對現有低頻通信系統功耗過高、天線尺寸太大、調整不靈活等問題，設計了一種基于FPGA的低頻通信系統。研究了基于軟件無線電的微弱信號處理方案，設計出高效的低頻天線，實現了遠距離、大穿透深度的可移動通信。在較強的電磁干擾情況下進行了透地和透水模擬實驗，結果表明該系統可以在地面和地下以及地面和水下建立起有效的無線電通信，證明了低頻無線通信的發展潛力，可以為實際應用提供參考。

FPGA；低頻無線通信；微弱信號處理；天線技術

0 引言

隨著科技的進步，無線電通信技術飛速發展，在現代社會得到極其廣泛的應用。陸地淺層資源因過度開發而潛力受限，使用低頻無線電技術探尋海洋資源、地下深層礦藏和深空資源的需求越來越迫切[1]。與此同時，現代城市的空間得到高度利用，樓宇間及地下無線通信的重要性日益凸顯。處于無線電頻譜末端的低頻電磁波，對巖層、沙壤、水等有耗介質具有較大的穿透能力[2]，可以作為透地和透水通信的傳播媒介。但是，由于天線尺寸需與低頻電磁波波長相比擬，天線的輻射效率很低，加上隨頻率降低而增加的本底噪聲和大氣噪聲的干擾[3]，以及在有耗介質中傳播的衰減，使得微弱的接收信號湮沒在噪聲之中。因而，相對于高度發展的中高頻段的通信方式，低頻無線通信的應用進展比較緩慢。近十幾年來，天線技術和微弱信號處理技術發展迅速，極具應用前景和發展潛力的低頻無線電技術也逐漸成為新的研究熱點[4]。

本文運用軟件無線電的設計思想，結合微弱信號處理和天線技術[5]，給出一種可以用于透地和透水通信的低頻通信系統，實現了在地下和水下較強電磁干擾情況下的低頻無線通信，從而證明低頻通信在無線電技術領域的應用潛力。

圖1 應用于煤礦應急救援通信背景下的低頻通信系統

1 低頻通信系統的整體結構設計

低頻通信系統由發射終端、傳輸信道及接收終端三部分組成。應用于煤礦應急救援通信背景下的低頻通信系統如圖1所示。井下發射部分包括警報信息輸入模塊和發送終端。地面終端接收機包括地面接收機和監控室計算機，其中監控室計算機用來接收并顯示由地面接收機接收并處理得到的救援信息。

系統結構框圖如圖2所示，當操作面板上的按鈕被按下后，產生的數據會被FPGA硬件電路捕獲，然后進行編碼、MFSK調制、濾波、數模轉換，生成發射信號，之后經過功率放大器，再由發射天線產生低頻交變電磁波。

圖2 系統整體結構圖

地面接收機是整個設計的重點和難點。接收天線將接收到的電磁波信號轉化為微弱的電信號。為了使有用的信號得到放大，同時又把其他無用的干擾信號抑制掉，采用選頻網絡來限制帶寬。之后信號通過一個低噪放大器，將信號增至合適的電平，從而保證合適的電平進入A/D轉換電路。A/D轉換電路將模擬低噪放大信號轉化為數字信號，以便于后面的數字化處理。FPGA在本設計中主要作為處理器 ，對采樣后的數字信號進行噪聲消除處理，減少雷電脈沖、固定噪聲等干擾。此外它還起到邏輯控制的作用，協調硬件間的時序，為DSP提供服務。為提高信號處理的速率，使用FPGA模塊進行濾波、MFSK信號解調和譯碼處理。之后，FPGA協助DSP將處理后的數據寫入網卡芯片中，最終通過網絡將數據傳輸到PC機上，并由PC端上位機顯示得到的結果，從而獲得發射端發送的信息。

2 低頻通信系統的關鍵技術

2.1 軟件無線電

由于接收機硬件平臺要對大量的數據進行實時運算處理，本系統采用軟件無線電的設計思想，選用處理能力較強的FPGA作為主處理器，DSP芯片輔助處理。這種FPGA+DSP的設計方案非常適于模塊化設計，使低頻通信系統的小型化、可移動性及低功耗化成為可能，更好地貼合各類實際應用。由于低頻通信環境的極度復雜性，在整個調試、測試和使用過程中，各個模塊均可以進行修改和調整，使整個系統具有極強的適應性和靈活性。

根據軟件無線電的思想，所設計的接收機的硬件結構如圖3所示。硬件平臺主要由前置部分、A/D數據采集部分、信號處理部分、網絡傳輸部分以及其他相關輔助電路部分構成。其中前置部分由選頻網絡和低噪放大器組成；A/D數字采樣部分為AD8138驅動放大器和模數轉換芯片ADCLTC2208；FPGA模塊作為主處理器，除了要對數字信號進行處理，還要向下協調各個硬件之間的邏輯和接口之間的時序，向上為DSP提供服務；DSP和網卡芯片RTL8019AS構成網絡數據傳輸部分，DSP芯片負責將數據按照以太網幀格式進行封裝發送至網卡芯片中，網卡芯片會自動將數據幀轉換成物理幀格式在物理層傳輸至PC機上。

2.2 微弱信號處理

低頻信號經過數百米甚至上千米的地層或水層傳輸，到達接收端時都是十分微弱的，并且大氣噪聲和雷電脈沖及本底噪聲對信號形成很強的干擾。因此為了提高通信系統的可靠性，在降低傳輸信號頻率以保證接收信號信噪比的同時，還要采用合理有效的弱信號檢測方法，盡可能地消除干擾，改善通信系統的性能。為此，系統使用先進的通信信號處理和數字信號處理技術。通信信號處理技術針對微弱的接受信號，采用合理高效的弱信號檢測算法和噪聲消除算法，極大地提高了系統的可靠性。其中，核心的低噪聲放大技術可以實現在放大有用信號的同時，只引入較低的本底噪聲并減少大量的人為干擾。低噪聲放大原理如圖4所示。數字信號處理技術針對低頻信號的特點，對信號濾波、調制解調函數進行了優化，使低頻信號能穩定地傳送。

圖3 低頻通信接收機的硬件結構設計框圖

圖4 低噪放大器電路原理圖

在本設計中FPGA主要作為處理器。天線接收到的微弱通信信號經過前置電路放大并轉換為數字信號后，再由FPGA進行噪聲消除等處理，提高接收信號的信噪比。FPGA芯片的內部功能框圖如圖5所示。

此外，為了保證信號能夠被地面接收，每一個信號重復發送10遍。由于長波通信信道窄，要考慮信道復用問題，當多個終端機同時需要發送求救信號時，采用載波監聽隨機競爭信道的方式互相錯讓發送時隙。

圖5 FPGA內部功能框圖

2.3 小型高靈敏度天線

電磁波在巖土、水等介質的傳播過程中，電場能量因焦耳損耗而散失嚴重，但磁場能量損耗相對較小。針對電磁波能量在介質中傳播的這一特性，本文設計的低頻通信系統采用通用的磁性天線——環形天線。通過增加匝數、使用鐵氧體磁芯和匹配調諧電容等措施，極大地提高了輻射效率，縮小天線的尺寸。其中，由于鐵氧體具有聚合磁場能量的特性，可以在保持輻射效率的同時，成倍地減小天線尺寸[6]。增加天線匝數不僅可以增強天線中的電流強度，也會改變天線的輻射阻抗。調諧電容由兩組電容組成，一組用來調節共振頻率，另一組調節天線的阻抗匹配。在調試和實際應用過程中，可以通過接入并聯電容來改變電容組的電容值。經過計算和調試，系統使用磁芯磁導率為3 000、線圈半徑為16 cm、匝數為27圈的發射天線，從而實現發射天線的微型化和高效率。

針對接收端的微弱信號，設計了圖6所示的高靈敏度接收天線，由低頻信號接收天線和參考噪聲接收天線兩部分組成。低頻信號接收天線是由利茲線螺旋繞制而成，方向圖零深很深。因此，該天線具有較好的方向特性，可以減少特定方向的電磁噪聲。由于低頻信號接收天線可等效為不同直徑的線圈，對不同頻率的信號都能產生較強的感應電流，因此該天線具有較寬的接收信號頻帶和較高的靈敏度。參考噪聲接收天線主要由一個小型磁性天線構成，用來接收各類噪聲干擾作為參考噪聲信號。天線接收到的兩路信號到達接收機，進行自適應濾波等處理后，可以有效地減少噪聲干擾，極大地提高了系統的信噪比。

3 實驗結果及分析

為了驗證和分析低頻通信系統在透地通信和透水通信中應用的可行性和優越性，分別作了穿墻通信實驗和水下通信實驗，對本文提出的微型化、可移動低頻通信系統進行了測試。在測試中，為了更好地研究各類噪聲干擾、通信信號的頻率、通信距離等因素對低頻通信系統的抗噪聲干擾性能和微弱信號處理能力及通信質量的影響，使用單一頻率的正弦波調制信號。

圖6 低頻通信系統接收天線示意圖

在透地通信實驗中，發射天線和接收天線平行放置，正中間有一面厚度為36 cm的混泥土墻壁。發射機使用在12 V輸入電壓下最大輸出1 A電流的功率放大器。實驗結果如圖7所示。

圖7 透地通信實驗結果圖

可以看到，頻率為16 kHz的電磁波信號在10 m空氣和36 cm混泥土組成的介質中傳播，只有不到2 dB的衰減。增大通信距離，由30 m空氣和36 cm混泥土組成傳播介質，16 kHz電磁波傳播衰減不到6 dB，7 kHz的電磁波傳輸衰減約為5 dB，1 kHz的電磁波傳輸衰減不到5 dB。由此，對于大多數的陸地介質，該通信系統可以實現遠距離、大穿透的無線通信。而且隨著信號頻率降低，傳輸衰減逐漸減小。

在透水通信實驗中，發射天線和接收天線垂直架設。其中，發射天線放置于淡水中，距離水面12 m，接收天線架設在水面上方3 m處。功率放大器的參數不變，信號頻率為16 kHz。電磁波信號在水中衰減較大，到達接收天線時十分微弱，圖8為實驗處理結果。

圖8 透水通信實驗結果圖

實驗結果表明，低噪聲放大器可以在放大有用信號的同時只引入少量本底噪聲干擾，對后續處理十分有利。經過噪聲消除處理后，信噪比至少提高6 dB。

應用于煤礦應急救援背景下的PC端上位機如圖9所示，可以進行實時監控警報，并處理和顯示由接收機傳來的處理結果。

4 結束語

本文根據低頻通信技術的特點，有效地利用FPGA模塊，設計了包括低頻發射機和微型天線組成的發射系統，以及由高靈敏接收天線、低頻接收機和上位機組成的接收系統。利用這套低頻通信系統，可以在不同噪聲干擾的環境下，實現遠距離、大穿透深度的透地和透水通信。相較于傳統的使用模擬電路、高功率、大天線的低頻通信系統，該系統使用全數字化設計各個模塊，配合使用靈敏度高、體積小的天線，具有微型化、低功耗和便攜性等優勢，可靈活運用于各類情況下的低頻通信，尤其是應急救援通信。

圖9 煤礦應急救援通信背景下的PC端實時監控界面

[1] CHENG D K. Field and wave electromagnetics[M]. New York: Addison-wesley, 1989.

[2] 益溪. 無線電波傳播: 原理與應用[M]. 北京：人民郵電出版社, 2008.

[3] 蔣宇中. 超低頻信道噪聲統計特性及應用 [D]. 武漢：華中科技大學, 2008.

[4] 鄭鵬, 劉政豪, 魏玉科, 等. HT_cSQUID低頻通信接收機和穿墻通信接收實驗[J]. 物理學報, 2014, 63(19): 408-416.

[5] MUKHERJEE J, ROBLIN P, AKHTAR S. An analytic circuit-based model for white and flicker phase noise in LC oscillators[J]. Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions on, 2007, 54(7): 1584-1598.

[6] BAE S, HONG Y K, LEE J, et al. Pulsed ferrite magnetic field generator for through-the-earth communication systems for disaster situation in mines[J]. Journal of Magnetics, 2013, 18(1): 43-49．

Design and implementation of the miniature low frequency communication system based on FPGA

Chen Haiyang，Zhang Shuxia，Jiang Yuzhong，Wang Yongbin,Lin Pengfei，Peng Dan

(School of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

According to the existing problems of high power consumption, large antenna and inflexible adjustment of low frequency wireless communication system, a miniature low frequency communication system based on FPGA was designed. Weak signal processing scheme based on software radio was researched, and the efficient low frequency antennas was designed. The long distance, large penetration of mobile communication had been achieved．The through-earth-and-water simulation experiment was carried out under the condition of strong electromagnetic interference. The results show that the system can establish effective radio communications between the earth′s surface and underground or underwater. The results demonstrate the potential development of the low frequency wireless communication and prove the reference value for the practical application.

FPGA; low frequency communication; weak signal processing; antenna technology

TP915

A

1674-7720(2016)01-0067-04

陳海洋，張曙霞，蔣宇中，等.基于FPGA的微型化低頻通信系統的設計與實現[J].微型機與應用，2016，35(1)：67-70.

2015-09-13)

陳海洋(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：通信理論與技術。

張曙霞(1968-)，女，副教授，碩士生導師，主要研究方向：通信技術。

蔣宇中(1963-)，男，教授，博士生導師，主要研究方向：通信信號處理、低頻大氣噪聲。