低频电磁波感应通信系统的设计与仿真

摘 要：根据电磁波传播的理论，研究了无源、无界、线性、均匀、各向同性导电媒质中感应通信问题，确定了感应通信工作频率的范围。从DPSK数字通信系统的原理出发，研究了导电媒质中低频感应通信系统原理及其组成，提出了基于DSP的低频无线通信系统的设计方法，并利用Matlab软件对该DPSK通信系统进行了仿真设计。仿真结果表明，该低频无线通信系统达到了通信的基本要求，提出的基于DSP的设计方法是可行的。

关键词：低频电磁波；感应通信；DPSK；导电媒质

中图分类号：N94513 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)09-010-03オ

Design and Simulation for Inductive Communication System with Low

Frequency Electromagnetic Wave

LU Jianjun,WANG Yuelong,WEI Na

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

オ

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.

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

低频感应通信是将待传输的数据经低频载波调制、信号放大、功率放大后，在发射器产生一定的交变电流，利用交变的电流产生交变的磁场，交变的磁场产生的电场，从而在接收器中产生感应电动势[1]，经滤波、解调、解码等信号处理后，就可在接收端准确接收发送的信息，完成通信过程。因其利用电磁感应原理来实现通信，故称其为感应通信，当距离短时，感应通信比较容易实现。

1 低频感应通信理论

感应通信利用发射线圈中的交变电流产生变化磁场，接收线圈中感应出电动势后，再经过一系列的信号处理过程恢复发送信号，从而实现了通信的目的。

严格的感应通信理论是建立在麦克斯韦方程组的基础上。麦克斯韦方程组是在对宏观电磁现象的实验规律进行分析总结的基础上，经过扩充和推广而得到的。他揭示了电场与磁场之间、电磁场与电荷、电流之间的相互关系，是一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律。麦克斯韦方程组的微分形式如下[2]：

×H=J+Dt 全电流定律

×E=－Bt 法拉第电磁感应定律

•B=0 磁通连续性原理

•D=ρ 高斯定理

И

无源、无界的线性、均匀、各向同性导电媒质中的麦克斯韦方程组为：

И

×H=σE+jωεE

×E=-jωμH

•B=0

•D=0

设电磁波在无源、无界的线性、均匀、各向同性的导电媒质中的传播常数为 Е=β－jα，α是表示每单位距离电磁波衰减的常数，称为衰减常数，Е陋П硎久康ノ痪嗬氲绱挪落后的相位，称为相位常数[2]。根据电磁场理论可知：

И

α=ωμε21+σωε2－1

β=ωμε21+σωε2+1

И

Е盼媒质介电常数，σ为媒质电导率，μ为媒质磁导率，ω为工作角频率。

通常，按Е姚卅弄У谋戎蛋衙街史治三类[3]：

电介质：Е姚卅弄1；不良导体：σωε1；良导体：σωε1。И

在良导体中有关表达式简化为：

И

α=ωμσ2

И

媒质属于电介质还是良导体，不仅与媒质参数有关，而且与工作频率有关。良导体中，随着频率的增加，电磁波的衰减常数Е联г龃蟆？梢钥闯觯媒质导电性能越好(电导率越大)，工作频率越高，则电磁波衰减越大，即高频电磁波在良导体中衰减极快，往往在微米级的距离内就衰减到近于零了。通常，导电媒质中的感应通信，其工作频率必须在低频频段，这是良导体媒质中感应通信系统的一个非常重要的特征。

2 低频感应通信系统的设计

本文研究设计的低频感应通信系统框图如图1所示[4]，采用基于DSP的软件无线电方式来实现，即在通用的硬件平台上，尽可能用灵活、方便升级的软件实现通信的各种功能。其数据调制方式采用差分编码移相键控(DPSK)来实现，DPSK是将数字基带信号经差分编码后，再对其进行绝对相移键控的数字调制方式，因其抗噪性能和频带利用率均优于ASK和FSK，在实际的数据传输系统中得到了广泛的应用[5]。

软件无线电是无线通信领域里一种新的通信体系结构，他是以现代通信理论为基础、数字信号处理为核心、微电子技术为支撑，其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将通信的各种功能如工作频率、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来实现，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能地靠近天线，以研制出具有高度灵活、开放性的新一代无线通信系统。他所具有的极强的灵活性和开放性等特点必将使他成为未来无线通信系统的发展趋势[6]。

图1 低频感应通信系统框图

根据软件无线电的理论，本文所研究设计的低频感应通信系统，由于工作频率低，接收器接收的信号经放大及预滤波后，可直接经A/D转换后送给DSP进行数字信号处理，而不需要经过类似下变频的信号处理，即类似于理想软件无线电的设计。具体来讲就是：发送器经DSP通过软件产生数字调制信号，该信号经D/A转换器件的数模转换后，产生低频模拟的DPSK信号，对该信号经过模拟放大、功率放大就可以加载到发射器上。信道中传输的是模拟调制信号及信道本身存在的噪声和干扰信号。接收器接收的DPSK及噪声信号经过放大和抗混叠滤波器的预处理后，直接用A/D转换器将预处理后的DPSK信号转换为数字信号送给DSP，由DSP对接收到的调制信号进行FIR数字滤波、同步、解调、抽样判决和差分解码等信号处理过程，恢复信源信息，完成通信过程。

3 低频感应通信系统的Matlab仿真

在通信系统的设计中，通信系统的仿真设计能够使设计者在实际系统设计之前测试系统的性能。通信系统的仿真设计主要包括通信的基本功能测试、通信的误码率分析等。本文利用Matlab对上文所设计的低频感应通信系统进行仿真设计[7] ，对该无线通信系统各部分的基本功能进行测试和仿真，并为下一步DSP的软件实现提供依据。系统仿真设计的总体框图如图2所示。

图2 DPSK仿真框图

该仿真系统主要包括了二值信源模块、DPSK信号调制模块、信道模块、接收、解调及信号同步模块，抽样判决模块、解码及误码显示模块。二值信号源模块作为该仿真系统的数字基带输入；DPSK调制模块调制产生在信道中传输的DPSK信号；信道模块是为了模拟井下复杂的通讯环境对该低频无线通信系统的影响而加入的高斯白噪声模块；接收、解调及其同步模块是该仿真系统中的关键环节，其DPSK信号的解调采用载波相干解调，解调所用的相干载波可以用科斯塔斯环等方法直接从接收的信号中恢复。由于从高斯信道中接收的调制信号具有时间或相位的延迟，其码元定时脉冲的的提取必须经过位同步模块的同步，本设计所采用的位同步模块是基于Gardner算法所设计的位同步模块，因该算法所需采样点少，易于高速实现，且具有检测性能不受载波相位恢复影响的优点，所以他在许多解调接收设备中得到了广泛的应用[8]；解调后的信号经相关器运算，抑制了与载波无关的噪声及干扰，使其在指定的抽样判决时刻具有最大的信噪比。该信号经抽样判决及解码处理后，可以无失真地恢复信源信号。

仿真分析：通信的首要任务是接收信号能够完全无失真恢复发送信号。图3是DPSK系统在码元速率为50 b/s，载波为1 000 Hz，传输信道信噪比为-20 dB时接收机输入输出的仿真波形，输入的数字基带信号由信号源模块(Bernoulli Binary Generator)产生，经过DPSK调制，在接收端接收到了叠加信道高斯白噪声的DPSK信号，接收的DPSK信号经滤波器和相关器滤除干扰及噪声后，输出信噪比较大的锯齿信号，其在指定的抽样时刻获得了最大输出信噪比，对该信号在每个上升沿触发脉冲的前一瞬间抽样判决，恢复输入信号。比较输入信号与解码输出的信号，从图3中可以看出，差分解码输出的信号无失真地恢复出输入数字基带信号，输出比输入延迟2个码元时间，达到了低频感应通信系统的基本要求。仿真结果表明，接收信号经数字滤波、同步、解调、判决和解码后，完全恢复发送信号。从仿真结果可见，该低频无线通信系统的仿真设计实现了通信的基本要求，为进一步DSP的软件设计提供了依据。

图3 DPSK仿真结果

4 结 语

导电媒质中，低频电磁波传播距离远，穿透能力强，信

号传播时比高频信号衰减小的多。但是通信距离短、速率慢，效率低，有时甚至需要几公里到几十公里长的天线。由于其通信距离及通信速率的局限性，在该频段的无线传输一直未受到人们的重视。事实上，在某些特殊场合，这种在有限空间内的低频辐射恰恰可以得到利用。比如导向钻井中的井下短距离通信，由于电磁波在受限空间的导电泥浆中传输，通信环境比较恶劣，但通信距离短，对通信速率的要求也不是很高，可以用低频进行短距离的无线通信。本文提出的研究和设计低频感应通信系统的方法对导向钻井中井下短程通信系统的研究与设计具有一定的借鉴意义。

参 考 文 献

［1］李林.电磁随钻测量技术现状及关键技术分析［J］.石油机械，2004，32(5)：53-55.

［2］晁立东，仵杰，王仲奕.工程电磁场基础［M］.西安：西北工业大学出版社，2002.

［3］路宏敏，赵永久，朱满座.电磁场与电磁波基础［M］.北京：科学出版社，2006.

［4］李宗豪.基本通讯原理［M］.北京：北京邮电大学出版社，2006.

［5］张宇伟，王耀明.基于Matlab的调制解调系统仿真设计［J］.上海电机学院学报，2005，8(5)：14-17.

［6］张海涛，刘晓明.软件无线电技术的进展与应用［J］.电子世界，2005(3)：4-6.

［7］徐明远，邵玉彬.Matlab仿真在通讯与电子工程中应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2005.

［8］姜宇柏，游思晴.软件无线电原理与工程应用［M］.北京：机械工业出版社，2006.

作者简介 卢建军 男，1982年出生，湖南安仁人，硕士研究生。目前从事旋转导向钻井的井下短程通讯的研究工作。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。