低頻信號穿金屬壁簡易通信系統設計?

張文鐸（北京圣非凡電子系統技術開發有限公司北京102209）

低頻信號穿金屬壁簡易通信系統設計?

張文鐸
（北京圣非凡電子系統技術開發有限公司北京102209）

當通過金屬的電磁波頻率不同時，金屬的電容率會隨之引起變化。金屬對較低頻率信號和高頻信號表現出不同的特性，低頻信號呈現為吸收特性，高頻信號呈現為反射特性。論文通過搭建一個簡易的以FPGA為核心控制芯片的含有發射MSK調制信號和解調MSK信號的通信系統，對在16k～240k之間的低頻電磁信號進行實驗。對電磁信號在金屬中的傳播影響進行研究。希望對工業中需要通過金屬傳播信息提供一種可能的解決方案。

電容率；低頻信號；金屬；MSK

Class Num ber TN94

1 引言

透過金屬壁進行通信有三種常用的方法。分別為通過有線信號、無線信號和聲音信號。在不能對金屬打孔的情況下，無法通過安裝電纜來傳輸信號，使得有線的方式不能進行信號傳輸。當金屬作為數據傳輸的介質時，對于使用聲音信號作為媒介已有研究證明此種方案是有可能的。通過聲音振動，使信號在金屬中傳播。但使用聲音振動在金屬中傳播會由于聲音在金屬中的反射疊加而造成通帶和阻帶交替出現，從而會嚴重影響傳輸效果。電磁無線信號對于穿透金屬的通信通常被認為是比較困難的，但并非絕對不可能。電磁波從一面輻射而來，部分能量反射，部分能量進入金屬，電磁波能量隨進入金屬的深度成e指數衰減，當金屬較薄或信號功率較大時，低頻信號能穿透金屬層繼續傳播。而通過低頻信號進行傳播時雖然衰減較大，通過相應的提高輸出功率，在發送端和接收斷都在相同位置緊貼金屬壁的情況下。可以使信號在一定信道比下被解調出來。相比通過聲波傳輸較為穩定。

2 不同頻率電磁波通過金屬時的特性

當導體中傳播電磁波時，存在于導體內的自由電子會形成傳導電流，這主要是由于在電磁波形成的電場作用下，自由電子運動導致的，在導體內部，電流產生的熱量不斷消耗，電磁能量會部分轉化為熱量。因此在導體內部電磁波的能量會以熱的形式產生衰減，接下來對電磁波通過金屬導體的能量衰減進行定量的分析。先從電磁場理論中的最基本的麥克斯韋方程入手，方程如下

假設導體內存在自由電荷且分布均勻，密度大小為ρ，分布的自由電荷激發了電場E，在激發電場E作用下，導體內部產生了傳導電流J，根據歐姆定律和以上的麥克斯韋方程以及電荷守恒定律可得下面的方程組：

上面方程組中σ為電導率，ε為電容率，此兩式的含義為如果某區域內存在一定量的剩余凈電荷，電荷間會因相互排斥導致移動，將產生發散的電流，解上面方程組可得到：

上式表示電荷密度隨指數衰減，在導體內部，有ρ=0，結合復電容率的物理含義，與電場方向同相的電流會產生耗散功率，而與電場方向成90°夾角的電流則不會產生耗散功率，再根據亥姆霍茲方程對導體內有無電磁波進行求解，在導體內部有方程：

上式的解在滿足?·E=0時，才說明導體中存在電磁波，通過解上面方程可以得到：

式中α代表電磁波幅度的衰減，α的表達式如下：

式中，μ（H/m）為磁導率，ε（F/m）為介電常數，σ（S/m）為電導率，ω為發送電磁波的角頻率。由于大部分導體導電性較好。介電常數都非常小，滿足(σ/ωε)遠大于1，故上式可簡化為

已知銅的導電率為1.256629×10-6H/m，磁導率為59.6×106S/m，信號頻率假設為100kHz，計算銅的衰減系數：

由上式可知銅的衰減系數約為42db/mm，同樣鋁的衰減系數約為33db/mm。

在電磁理論中，穿透深度δ是指波幅降至導體表面原值1/e的傳播距離。因此其值等于α的倒數，穿透深度反比于電導率的平方根和頻率的平方根，對于頻率較高的電磁波，電磁場以及和它相互作用的較高頻率的電流只集中于很薄的一層導體表面上，這就是常說的趨膚效應，如果是采用低頻信號則穿越深度將會加深，如果電磁波的功率繼續增大，根據衰減系數則可以繼續增加深度。這樣較低頻率的信號就有可能穿透金屬。

3 簡易穿金屬壁通信系統設計

3.1 簡易穿金屬壁通信系統硬件電路的設計

穿金屬壁通信系統分為發送端和接收端，發送端放置在銅盒內部透過0.5cm的完全封閉銅盒進行碼元發送，接收端在銅盒外側相同位置進行接收。簡易通信系統的組成如圖1。

發送端在硬件電路的設計上采用控制芯片FPGA、數模轉換芯片DA和濾波器和E型磁芯進行完成。FPGA生成MSK調制信號數據流，通過DA轉化成模擬信號，再通過濾波器進行濾波，之后在E型磁芯上形成向外輻射的磁場，對信號進行發送。FPGA采用CYCLONEIV系列。型號為EP4CE15F17C8，封裝為表貼256-LBGA，核電壓1.25V。速度級別為8，邏輯門數為15408個，存儲空間為516096位。內置4個鎖相環。具有260個9×9位的乘法器，200個18×18位的乘法器。是一款低功耗低成本的芯片，總功耗不超過1.5W。比較適合通信行業的小型應用中。D/A采用AD公司的AD9708，AD9708為8位、125MSPSD/A轉換芯片。同樣是一款高性能、低功耗并且具有小型封裝的芯片。濾波器為7階Butterworth濾波器。Butterworth濾波器相比于其他濾波器在通頻帶內外都有平穩的頻繁特性，具有較好的濾波效果。E型磁芯則采用PC40材質的EE65型磁芯。

接收端同樣采用FPGA芯片作為解調的核心，通過AD對E型磁芯上通過磁力線接收MSK調制信號進行采樣，再經過衰減電路進行衰減，衰減為合適的電壓幅度，將采樣點送入FPGA進行解調。FPGA采用與發送端相同的型號的EP4CE15F17C8作為解調算法的平臺。AD芯片采用AD9280，最大采樣率為32MSPS的8位高速采樣芯片。

3.2 MSK信號的形式與特點

本系統采用MSK信號進行傳遞信息，由于在不變的帶寬下MSK傳送數據能夠達到較高的比特速率，且MSK信號的旁瓣比2PSK低20dB左右，干擾比較小。MSK信號的數學表達式和譜密度表達式如下

式（1）和（2）中：ai為發送的第i個碼元，φi是ai的初相，在整個周期中取φi=nπ，ωC為載波頻率，Tb為碼元寬度。

當發送碼元1時，ai為1，由式（1）三角關系可知相應的產生一個和頻

當發送碼元0時，ai為-1，由式（1）可知相應的產生一個差頻

3.3 M SK信號的調制與解調。

通信系統的發送端發送MSK信號，MSK調制原理框圖如圖2所示。

由以上調制原理框圖，先根據差分編碼原理將原始的0和1的數據流分開，形成I、Q兩路最初的基帶數據，將Q數據延時一個碼元寬度后與I路數據分別加載到四分之一周期與碼元速率相同的余弦波和正弦波上。再將攜帶數據信息的2路信號分別與余弦載頻和正弦載頻相乘。之后將輸出的兩路信號合成就得到MSK信號。

在通信系統的接收端對MSK信號進行解調，MSK解調解調原理框圖如圖3。

由以上解調原理框圖，將MSK的采樣信號與本地振蕩器NCO產生的2路正交載頻分別相乘，這兩路信號再分別通過低通濾波器進行濾波，之后通過解調算法進行解調，將碼元進行還原，得到發送端的原始信息。

4 實驗及波形

簡易系統能夠發送不同載波頻率的MSK調制波，發送方式為間歇性發送。發送原始信息為8位數字，將8位數字分別轉化成4位二進制碼0或1，一共32位0或1進行發送。基帶速率可以改變，變化范圍為75Hz~8kHz。銅盒外部對穿過金屬的MSK信號進行測量，當載波頻率達到最小的16k左右時，波形失真比較嚴重，但依然可將波形解調，隨著載波頻率變大，波形失真情況逐漸變輕，在16k~ 240k的載頻變化區間內，均能正確還原數字信息，可以達到較好的傳輸效果。實驗結果截圖如下。

5 結語

當聲音在金屬中傳輸時，會有許多干擾因素。而且反射導致的聲波振動的疊加仍然沒有一個成熟的解決辦法。當進行較長時間的聲波傳播時，這些因素對波形傳播的影響更大。低頻信號穿透金屬傳遞不會受時間長短的影響，在具有一定功率的低頻信號作為信息載體時，低頻信號可以穿透一定厚度的金屬，此種方法相對比較穩定。在接收端更容易識別解調出信息。

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Design of Sim p le Comm unication System for M etalW allw ith Low Frequency Signal

ZHANGW enduo
（Beijing Shengfeifan Electronic System Technology DevelopmentCo.，Ltd，Beijing 102209）

When the frequency of electromagnetic waves through themetal is different，themetal's capacitance rate will be caused by changes.Themetal exhibits different characteristics for the lower frequency signaland the high frequency signal，the low frequency signalexhibits the absorption characteristic，and the high frequency signalexhibits the reflection characteristic.In this pa?per，a low-frequency electromagnetic signal between 16k~240k is experimented by building a simple communication system which contains the MSK modulation signaland the demodulated MSK signalwith FPGA as the core control chip.The influence of electro?magnetic signal propagation inmetal is studied.It is desirable to provide a possible solution to the need for industry to disseminate information viametal.

capacitance，low frequency signal，metal，MSK

TN94 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.015

2016年11月21日，

2016年12月27日作者簡介：張文鐸，男，碩士研究生，研究方向：電力電子電路及其控制