基于MATLAB的2DPSK低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

0 引言

感應(yīng)通信是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過低頻載波調(diào)制、信號(hào)放大、功率放大后，在發(fā)射線圈產(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，從而在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，經(jīng)濾波、解調(diào)、解碼等信號(hào)處理環(huán)節(jié)后，就可在接收端準(zhǔn)確接收發(fā)送的信息。本文研究與設(shè)計(jì)的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)是一個(gè)無線的數(shù)字通信系統(tǒng)，結(jié)合DPSK 數(shù)字通信原理，提出基于DSP 技術(shù)的軟件無線電低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并利用MATLAB 軟件對(duì)該DPSK 通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

1 低頻感應(yīng)通信的基本原理及工作特性

1.1 感應(yīng)通信的基本原理

感應(yīng)通信是利用發(fā)射線圈中的交變電流，產(chǎn)生變化磁場使在接收線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢，再經(jīng)過一系列的信號(hào)處理過程得到發(fā)射信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了通信的目的。當(dāng)類似巷道的場合中存在著金屬導(dǎo)體(稱為感應(yīng)線)，附近的發(fā)射機(jī)發(fā)射無線電信號(hào)時(shí)，發(fā)射機(jī)天線上可以產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流在感應(yīng)線周圍產(chǎn)生信號(hào)場強(qiáng)，沿途的無線接收機(jī)天線可因感應(yīng)而接收信號(hào)，經(jīng)放大和處理，獲得發(fā)射機(jī)發(fā)出的信息，完成通信過程，這就是感應(yīng)通信的基本原理。

1.2 感應(yīng)通信的工作特性

嚴(yán)格的感應(yīng)通信理論是建立在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上。麥克斯韋方程組是在對(duì)宏觀電磁現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過擴(kuò)充和推廣而得到的。它揭示了電場與磁場之間、以及電磁場與電荷、電流之間的相互關(guān)系，是一切宏觀電磁現(xiàn)象所遵循的普遍規(guī)律。

設(shè)電磁波在無源，無界的線性、均勻、各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播常數(shù)為：

α 是說明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)。

其中，ε 為媒質(zhì)介電常數(shù)，σ 為媒質(zhì)電導(dǎo)率，μ 為媒質(zhì)磁導(dǎo)率，ω 為工作角頻率。

根據(jù)電磁場理論可知，良導(dǎo)體中，隨著頻率的增加衰減常數(shù)α 增大，電磁波的衰減增大。在感應(yīng)通信中，工作頻率越低，傳輸損耗越小，耦合損耗越大;工作頻率越高，傳輸損耗越大、耦合損耗越小。實(shí)踐證明有利于感應(yīng)通信的工作頻率為50～500 kHz。

2 2DPSK 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的組成與實(shí)現(xiàn)

2.1 DPSK 通信系統(tǒng)組成原理

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)調(diào)制的主要方式有移幅鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)、移相鍵控(PSK)等三種方式，其中差分編碼移相鍵控(DPSK)因其抗噪性能和頻帶利用率均優(yōu)于ASK 和FSK，在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。DPSK 通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示，主要包括調(diào)制、信道和解調(diào)三個(gè)部分。

調(diào)制器采用數(shù)字調(diào)制方式，由晶體振蕩器、分頻器、差分編碼器和絕對(duì)調(diào)相組成。晶體振蕩器產(chǎn)生方波信號(hào)，經(jīng)分頻電路分別產(chǎn)生調(diào)制器和解調(diào)器所需的載波信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。差分移相是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位變化來傳遞數(shù)字信息，對(duì)輸入端的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行差分編碼，然后再對(duì)差分編碼輸出進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相，得到2DPSK 信號(hào)。

信道是通信系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)之一，信道的傳輸質(zhì)量影響著信號(hào)的接收和解調(diào)。這種影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是產(chǎn)生噪聲，二是減弱信號(hào)的強(qiáng)度和改變信號(hào)的形狀。鑒于此，本設(shè)計(jì)中DPSK 信號(hào)在信道的傳輸過程中疊加了噪聲。

2DPSK 信號(hào)的解調(diào)有兩種方法。一種是極性比較法，也就是相干解調(diào)法。它提取相干載波，然后通過碼反變換器將相對(duì)碼變換成絕對(duì)碼。本設(shè)計(jì)采用另一種方法相干載波法，也叫相位比較法或差分解調(diào)法，這種方法不需要恢復(fù)本地載波，只需將2DPSK 信號(hào)延時(shí)一個(gè)碼元間隔，然后與2DPSK信號(hào)本身相乘，經(jīng)低通濾波器處理之后，可直接抽樣判決恢復(fù)出原始數(shù)字信息。該方法可借助DSP 技術(shù)中的FFT 來處理，實(shí)現(xiàn)簡單，且抗噪聲干擾性能較好。解調(diào)由帶通濾波器、乘法器、低通濾波器、抽樣判決器、差分解碼器組成。在無噪聲情況下，解調(diào)恢復(fù)出的信號(hào)與調(diào)制器輸入的信號(hào)是完全相同的。

2.2 DPSK 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，DSP芯片的處理能力得到了極大提高，軟件無線電正是DSP技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用。軟件無線電以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)、以數(shù)字信號(hào)處理為核心、以微電子技術(shù)為支撐，構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將通信的各種功能用軟件來實(shí)現(xiàn)，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近天線。

對(duì)于低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)來說，由于工作頻率比較低，接收線圈接收到的信號(hào)經(jīng)放大及預(yù)濾波后，可直接經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，即類似于理想軟件無線電的設(shè)計(jì)。具體來說就是，在信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，而對(duì)信號(hào)的處理部分主要是是在數(shù)字信號(hào)處理器件(DSP)上實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示，發(fā)送器在通過DSP產(chǎn)生軟件調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器件的數(shù)模轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生低頻的DPSK信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過模擬功率放大就可以加載到發(fā)射線圈上。接收線圈接收的DPSK及噪聲信號(hào)經(jīng)過模擬放大和抗混疊濾波器的預(yù)處理后，直接用A/D轉(zhuǎn)換器將預(yù)處理后的DPSK信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送給DSP，由DSP對(duì)接收到的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波、相干解調(diào)、抽樣判決和差分解碼等信號(hào)處理過程，恢復(fù)信源信息，完成通信過程。

3 2DPSK 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)

3.1 仿真設(shè)計(jì)

在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)能夠使設(shè)計(jì)者在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前測試系統(tǒng)的性能。通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)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 軟件提供的強(qiáng)大的通信系統(tǒng)工具箱Communication Block set，采用“自底向上”設(shè)計(jì)方式進(jìn)行低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)。系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的總體框圖如圖3 所示。

該仿真系統(tǒng)主要包括了二值信源模塊、DPSK 信號(hào)調(diào)制模塊、信道模塊、接收、解調(diào)及信號(hào)同步模塊，抽樣判決模塊、解碼及誤碼顯示模塊。二值信號(hào)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(hào);信道模塊是為了模擬復(fù)雜的通訊環(huán)境對(duì)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，其DPSK 信號(hào)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(hào)中恢復(fù)。由于從高斯信道中接收的調(diào)制信號(hào)具有時(shí)間或相位的延遲，其碼元定時(shí)脈沖的提取必須經(jīng)過位同步模塊的同步。本設(shè)計(jì)所采用的位同步模塊是基于Gardner 算法所設(shè)計(jì)的位同步模塊，該算法所需采樣點(diǎn)少，易于高速實(shí)現(xiàn)，且具有檢測性能不受載波相位恢復(fù)影響的優(yōu)點(diǎn);解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)相關(guān)器運(yùn)算，抑制了與載波無關(guān)的噪聲及干擾，使其在指定的抽樣判決時(shí)刻具有最大的信噪比。該信號(hào)經(jīng)抽樣判決及解碼處理后，可以無失真地恢復(fù)信源信號(hào)。

3.2 仿真分析

圖4 是2DPSK 系統(tǒng)在碼元速率為50 bit/s，載波為1000Hz，傳輸信道信噪比為-20 dB 時(shí)接收機(jī)輸入輸出的仿真波形，輸入的數(shù)字基帶信號(hào)由信號(hào)源模塊(Bernoulli BinaryGenerator)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(hào)，接收的DPSK 信號(hào)經(jīng)濾波器和相關(guān)器濾除干擾及噪聲后，輸出信噪比較大的鋸齒信號(hào)，其在指定的抽樣時(shí)刻獲得了最大輸出信噪比，對(duì)該信號(hào)在每個(gè)上升沿觸發(fā)脈沖的前一瞬間抽樣判決，恢復(fù)輸入信號(hào)。比較輸入信號(hào)與解碼輸出的信號(hào)，從圖可以看出，差分解碼輸出的信號(hào)無失真地恢復(fù)出輸入數(shù)字基帶信號(hào)，輸出比輸入延遲2 個(gè)碼元時(shí)間，達(dá)到低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的基本要求。

仿真結(jié)果表明，在特定載波、傳輸信噪比、濾波器截止頻率下，碼元速率越高，誤碼率越大。在這種情況下，低通濾波器的截止頻率是影響系統(tǒng)通訊誤碼率的主要因素。 可見，低通濾波器截止頻率的最佳值作為碼元速率。由此可見：

在傳輸信道信噪比、工作頻率確定的情況下，只要合理地選擇碼元速率、濾波器的帶寬及截止頻率，就可以減小系統(tǒng)的誤碼率，提高2DPSK 低頻感應(yīng)通訊系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

低頻通信時(shí)，電磁波傳播距離非常遠(yuǎn)，穿透能力特別強(qiáng)，信號(hào)傳播時(shí)比高頻信號(hào)衰減小的多。通信距離短，對(duì)通信速率的要求也不是很高，因此可以采用低頻進(jìn)行短距離的通信。仿真結(jié)果表明，采用基于DSP 的軟件無線電的方法設(shè)計(jì)低頻無線感應(yīng)通信系統(tǒng)滿足通信系統(tǒng)的基本要求，本文提出的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)巷道礦井類似場合短程通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。