張文鐸（北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司北京102209）

低頻信號(hào)穿金屬壁簡(jiǎn)易通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

張文鐸
（北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司北京102209）

當(dāng)通過(guò)金屬的電磁波頻率不同時(shí)，金屬的電容率會(huì)隨之引起變化。金屬對(duì)較低頻率信號(hào)和高頻信號(hào)表現(xiàn)出不同的特性，低頻信號(hào)呈現(xiàn)為吸收特性，高頻信號(hào)呈現(xiàn)為反射特性。論文通過(guò)搭建一個(gè)簡(jiǎn)易的以FPGA為核心控制芯片的含有發(fā)射MSK調(diào)制信號(hào)和解調(diào)MSK信號(hào)的通信系統(tǒng)，對(duì)在16k～240k之間的低頻電磁信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)電磁信號(hào)在金屬中的傳播影響進(jìn)行研究。希望對(duì)工業(yè)中需要通過(guò)金屬傳播信息提供一種可能的解決方案。

電容率；低頻信號(hào)；金屬；MSK

Class Num ber TN94

1 引言

透過(guò)金屬壁進(jìn)行通信有三種常用的方法。分別為通過(guò)有線信號(hào)、無(wú)線信號(hào)和聲音信號(hào)。在不能對(duì)金屬打孔的情況下，無(wú)法通過(guò)安裝電纜來(lái)傳輸信號(hào)，使得有線的方式不能進(jìn)行信號(hào)傳輸。當(dāng)金屬作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)時(shí)，對(duì)于使用聲音信號(hào)作為媒介已有研究證明此種方案是有可能的。通過(guò)聲音振動(dòng)，使信號(hào)在金屬中傳播。但使用聲音振動(dòng)在金屬中傳播會(huì)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(xiàn)，從而會(huì)嚴(yán)重影響傳輸效果。電磁無(wú)線信號(hào)對(duì)于穿透金屬的通信通常被認(rèn)為是比較困難的，但并非絕對(duì)不可能。電磁波從一面輻射而來(lái)，部分能量反射，部分能量進(jìn)入金屬，電磁波能量隨進(jìn)入金屬的深度成e指數(shù)衰減，當(dāng)金屬較薄或信號(hào)功率較大時(shí)，低頻信號(hào)能穿透金屬層繼續(xù)傳播。而通過(guò)低頻信號(hào)進(jìn)行傳播時(shí)雖然衰減較大，通過(guò)相應(yīng)的提高輸出功率，在發(fā)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(hào)在一定信道比下被解調(diào)出來(lái)。相比通過(guò)聲波傳輸較為穩(wěn)定。

2 不同頻率電磁波通過(guò)金屬時(shí)的特性

當(dāng)導(dǎo)體中傳播電磁波時(shí)，存在于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子會(huì)形成傳導(dǎo)電流，這主要是由于在電磁波形成的電場(chǎng)作用下，自由電子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，在導(dǎo)體內(nèi)部，電流產(chǎn)生的熱量不斷消耗，電磁能量會(huì)部分轉(zhuǎn)化為熱量。因此在導(dǎo)體內(nèi)部電磁波的能量會(huì)以熱的形式產(chǎn)生衰減，接下來(lái)對(duì)電磁波通過(guò)金屬導(dǎo)體的能量衰減進(jìn)行定量的分析。先從電磁場(chǎng)理論中的最基本的麥克斯韋方程入手，方程如下

假設(shè)導(dǎo)體內(nèi)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(fā)了電場(chǎng)E，在激發(fā)電場(chǎng)E作用下，導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了傳導(dǎo)電流J，根據(jù)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(dǎo)率，ε為電容率，此兩式的含義為如果某區(qū)域內(nèi)存在一定量的剩余凈電荷，電荷間會(huì)因相互排斥導(dǎo)致移動(dòng)，將產(chǎn)生發(fā)散的電流，解上面方程組可得到：

上式表示電荷密度隨指數(shù)衰減，在導(dǎo)體內(nèi)部，有ρ=0，結(jié)合復(fù)電容率的物理含義，與電場(chǎng)方向同相的電流會(huì)產(chǎn)生耗散功率，而與電場(chǎng)方向成90°夾角的電流則不會(huì)產(chǎn)生耗散功率，再根據(jù)亥姆霍茲方程對(duì)導(dǎo)體內(nèi)有無(wú)電磁波進(jìn)行求解，在導(dǎo)體內(nèi)部有方程：

上式的解在滿足?·E=0時(shí)，才說(shuō)明導(dǎo)體中存在電磁波，通過(guò)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(dá)式如下：

式中，μ（H/m）為磁導(dǎo)率，ε（F/m）為介電常數(shù)，σ（S/m）為電導(dǎo)率，ω為發(fā)送電磁波的角頻率。由于大部分導(dǎo)體導(dǎo)電性較好。介電常數(shù)都非常小，滿足(σ/ωε)遠(yuǎn)大于1，故上式可簡(jiǎn)化為

已知銅的導(dǎo)電率為1.256629×10-6H/m，磁導(dǎo)率為59.6×106S/m，信號(hào)頻率假設(shè)為100kHz，計(jì)算銅的衰減系數(shù)：

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

在電磁理論中，穿透深度δ是指波幅降至導(dǎo)體表面原值1/e的傳播距離。因此其值等于α的倒數(shù)，穿透深度反比于電導(dǎo)率的平方根和頻率的平方根，對(duì)于頻率較高的電磁波，電磁場(chǎng)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(dǎo)體表面上，這就是常說(shuō)的趨膚效應(yīng)，如果是采用低頻信號(hào)則穿越深度將會(huì)加深，如果電磁波的功率繼續(xù)增大，根據(jù)衰減系數(shù)則可以繼續(xù)增加深度。這樣較低頻率的信號(hào)就有可能穿透金屬。

3 簡(jiǎn)易穿金屬壁通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 簡(jiǎn)易穿金屬壁通信系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

穿金屬壁通信系統(tǒng)分為發(fā)送端和接收端，發(fā)送端放置在銅盒內(nèi)部透過(guò)0.5cm的完全封閉銅盒進(jìn)行碼元發(fā)送，接收端在銅盒外側(cè)相同位置進(jìn)行接收。簡(jiǎn)易通信系統(tǒng)的組成如圖1。

發(fā)送端在硬件電路的設(shè)計(jì)上采用控制芯片F(xiàn)PGA、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DA和濾波器和E型磁芯進(jìn)行完成。FPGA生成MSK調(diào)制信號(hào)數(shù)據(jù)流，通過(guò)DA轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，再通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，之后在E型磁芯上形成向外輻射的磁場(chǎng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。FPGA采用CYCLONEIV系列。型號(hào)為EP4CE15F17C8，封裝為表貼256-LBGA，核電壓1.25V。速度級(jí)別為8，邏輯門數(shù)為15408個(gè)，存儲(chǔ)空間為516096位。內(nèi)置4個(gè)鎖相環(huán)。具有260個(gè)9×9位的乘法器，200個(gè)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(guò)1.5W。比較適合通信行業(yè)的小型應(yīng)用中。D/A采用AD公司的AD9708，AD9708為8位、125MSPSD/A轉(zhuǎn)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(nèi)外都有平穩(wěn)的頻繁特性，具有較好的濾波效果。E型磁芯則采用PC40材質(zhì)的EE65型磁芯。

接收端同樣采用FPGA芯片作為解調(diào)的核心，通過(guò)AD對(duì)E型磁芯上通過(guò)磁力線接收MSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行采樣，再經(jīng)過(guò)衰減電路進(jìn)行衰減，衰減為合適的電壓幅度，將采樣點(diǎn)送入FPGA進(jìn)行解調(diào)。FPGA采用與發(fā)送端相同的型號(hào)的EP4CE15F17C8作為解調(diào)算法的平臺(tái)。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(hào)的形式與特點(diǎn)

本系統(tǒng)采用MSK信號(hào)進(jìn)行傳遞信息，由于在不變的帶寬下MSK傳送數(shù)據(jù)能夠達(dá)到較高的比特速率，且MSK信號(hào)的旁瓣比2PSK低20dB左右，干擾比較小。MSK信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和譜密度表達(dá)式如下

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

當(dāng)發(fā)送碼元1時(shí)，ai為1，由式（1）三角關(guān)系可知相應(yīng)的產(chǎn)生一個(gè)和頻

當(dāng)發(fā)送碼元0時(shí)，ai為-1，由式（1）可知相應(yīng)的產(chǎn)生一個(gè)差頻

3.3 M SK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。

通信系統(tǒng)的發(fā)送端發(fā)送MSK信號(hào)，MSK調(diào)制原理框圖如圖2所示。

由以上調(diào)制原理框圖，先根據(jù)差分編碼原理將原始的0和1的數(shù)據(jù)流分開，形成I、Q兩路最初的基帶數(shù)據(jù)，將Q數(shù)據(jù)延時(shí)一個(gè)碼元寬度后與I路數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息的2路信號(hào)分別與余弦載頻和正弦載頻相乘。之后將輸出的兩路信號(hào)合成就得到MSK信號(hào)。

在通信系統(tǒng)的接收端對(duì)MSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，MSK解調(diào)解調(diào)原理框圖如圖3。

由以上解調(diào)原理框圖，將MSK的采樣信號(hào)與本地振蕩器NCO產(chǎn)生的2路正交載頻分別相乘，這兩路信號(hào)再分別通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波，之后通過(guò)解調(diào)算法進(jìn)行解調(diào)，將碼元進(jìn)行還原，得到發(fā)送端的原始信息。

4 實(shí)驗(yàn)及波形

簡(jiǎn)易系統(tǒng)能夠發(fā)送不同載波頻率的MSK調(diào)制波，發(fā)送方式為間歇性發(fā)送。發(fā)送原始信息為8位數(shù)字，將8位數(shù)字分別轉(zhuǎn)化成4位二進(jìn)制碼0或1，一共32位0或1進(jìn)行發(fā)送?；鶐俾士梢愿淖?，變化范圍為75Hz~8kHz。銅盒外部對(duì)穿過(guò)金屬的MSK信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)載波頻率達(dá)到最小的16k左右時(shí)，波形失真比較嚴(yán)重，但依然可將波形解調(diào)，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(qū)間內(nèi)，均能正確還原數(shù)字信息，可以達(dá)到較好的傳輸效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖如下。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)聲音在金屬中傳輸時(shí)，會(huì)有許多干擾因素。而且反射導(dǎo)致的聲波振動(dòng)的疊加仍然沒(méi)有一個(gè)成熟的解決辦法。當(dāng)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的聲波傳播時(shí)，這些因素對(duì)波形傳播的影響更大。低頻信號(hào)穿透金屬傳遞不會(huì)受時(shí)間長(zhǎng)短的影響，在具有一定功率的低頻信號(hào)作為信息載體時(shí)，低頻信號(hào)可以穿透一定厚度的金屬，此種方法相對(duì)比較穩(wěn)定。在接收端更容易識(shí)別解調(diào)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(jiǎn)介：張文鐸，男，碩士研究生，研究方向：電力電子電路及其控制