摘 要：根據(jù)電磁波傳播的理論，研究了無源、無界、線性、均勻、各向同性導電媒質(zhì)中感應通信問題，確定了感應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)，研究了導電媒質(zhì)中低頻感應通信系統(tǒng)原理及其組成，提出了基于DSP的低頻無線通信系統(tǒng)的設計方法，并利用Matlab軟件對該DPSK通信系統(tǒng)進行了仿真設計。仿真結果表明，該低頻無線通信系統(tǒng)達到了通信的基本要求，提出的基于DSP的設計方法是可行的。

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關鍵詞：低頻電磁波；感應通信；DPSK；導電媒質(zhì)

中圖分類號：N94513 文獻標識碼：B

文章編號：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

低頻感應通信是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)低頻載波調(diào)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^[1]，經(jīng)濾波、解調(diào)、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)。

1 低頻感應通信理論

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^[2]：





×H=J+Dt 全電流定律

×E=－Bt 法拉第電磁感應定律

#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

設電磁波在無源、無界的線性、均勻、各向同性的導電媒質(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)電導率，μ為媒質(zhì)磁導率，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；不良導體：σωε1；良導體：σωε1。

在良導體中有關表達式簡化為：



α=ωμσ2



媒質(zhì)屬于電介質(zhì)還是良導體，不僅與媒質(zhì)參數(shù)有關，而且與工作頻率有關。良導體中，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(nèi)就衰減到近于零了。通常，導電媒質(zhì)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(zhì)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^[4]，采用基于DSP的軟件無線電方式來實現(xiàn)，即在通用的硬件平臺上，盡可能用靈活、方便升級的軟件實現(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(diào)制方式，因其抗噪性能和頻帶利用率均優(yōu)于ASK和FSK，在實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應用^[5]。

軟件無線電是無線通信領域里一種新的通信體系結構，他是以現(xiàn)代通信理論為基礎、數(shù)字信號處理為核心、微電子技術為支撐，其中心思想是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，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)議等用軟件來實現(xiàn)，并使寬帶A/D和D/A轉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)。他所具有的極強的靈活性和開放性等特點必將使他成為未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢^[6]。

圖1 低頻感應通信系統(tǒng)框圖

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。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，該信號經(jīng)D/A轉換器件的數(shù)模轉換后，產(chǎn)生低頻模擬的DPSK信號，對該信號經(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)制信號及信道本身存在的噪聲和干擾信號。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(diào)制信號進行FIR數(shù)字濾波、同步、解調(diào)、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。通信系統(tǒng)的仿真設計主要包括通信的基本功能測試、通信的誤碼率分析等。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^[7] ，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。

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信號調(diào)制模塊、信道模塊、接收、解調(diào)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(diào)制模塊調(diào)制產(chǎn)生在信道中傳輸?shù)腄PSK信號；信道模塊是為了模擬井下復雜的通訊環(huán)境對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)中的關鍵環(huán)節(jié)，其DPSK信號的解調(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中恢復。由于從高斯信道中接收的調(diào)制信號具有時間或相位的延遲，其碼元定時脈沖的的提取必須經(jīng)過位同步模塊的同步，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，所以他在許多解調(diào)接收設備中得到了廣泛的應用^[8]；解調(diào)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(diào)制，在接收端接收到了疊加信道高斯白噪聲的DPSK信號，接收的DPSK信號經(jīng)濾波器和相關器濾除干擾及噪聲后，輸出信噪比較大的鋸齒信號，其在指定的抽樣時刻獲得了最大輸出信噪比，對該信號在每個上升沿觸發(fā)脈沖的前一瞬間抽樣判決，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入數(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(diào)、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)。

圖3 DPSK仿真結果

4 結 語

導電媒質(zhì)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(nèi)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。

參 考 文 獻

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作者簡介 盧建軍 男，1982年出生，湖南安仁人，碩士研究生。目前從事旋轉導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)容請以PDF格式閱讀原文。