引言

　　感應通信是將待傳輸的數據通過低頻載波調制、信號放大、功率放大后，在發射線圈產生一定的交變電流，利用交變的電流產生交變的磁場，交變的磁場產生的電場，從而在接收線圈中產生感應電動勢，經濾波、解調、解碼等信號處理環節后，就可在接收端準確接收發送的信息。本文研究與設計的低頻感應通信系統是一個無線的數字通信系統，結合DPSK 數字通信原理，提出基于DSP 技術的軟件無線電低頻感應通信系統的設計方法，并利用MATLAB 軟件對該DPSK 通信系統進行仿真設計。

　　1 低頻感應通信的基本原理及工作特性

　　1.1 感應通信的基本原理

　　感應通信是利用發射線圈中的交變電流，產生變化磁場使在接收線圈中感應出電動勢，再經過一系列的信號處理過程得到發射信號，從而實現了通信的目的。當類似巷道的場合中存在著金屬導體(稱為感應線)，附近的發射機發射無線電信號時，發射機天線上可以產生感應電流。該電流在感應線周圍產生信號場強，沿途的無線接收機天線可因感應而接收信號，經放大和處理，獲得發射機發出的信息，完成通信過程，這就是感應通信的基本原理。

　　1.2 感應通信的工作特性

　　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象的實驗規律進行分析總結的基礎上，經過擴充和推廣而得到的。它揭示了電場與磁場之間、以及電磁場與電荷、電流之間的相互關系，是一切宏觀電磁現象所遵循的普遍規律。

　　設電磁波在無源，無界的線性、均勻、各向同性的導電媒質中的傳播常數為：

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　　α 是說明每單位距離電磁波衰減的常數，稱為衰減常數; β 表示每單位距離電磁波落后的相位，稱為相位常數。

　　其中，ε 為媒質介電常數，σ 為媒質電導率，μ 為媒質磁導率，ω 為工作角頻率。

　　根據電磁場理論可知，良導體中，隨著頻率的增加衰減常數α 增大，電磁波的衰減增大。在感應通信中，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。實踐證明有利于感應通信的工作頻率為50～500 kHz。

　　2 2DPSK 低頻感應通信系統的組成與實現

　　2.1 DPSK 通信系統組成原理

　　在數字通信系統中，數據調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于ASK 和FSK，在實際的數據傳輸系統得到了廣泛的應用。DPSK 通信系統的原理框圖如圖1 所示，主要包括調制、信道和解調三個部分。

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　　調制器采用數字調制方式，由晶體振蕩器、分頻器、差分編碼器和絕對調相組成。晶體振蕩器產生方波信號，經分頻電路分別產生調制器和解調器所需的載波信號和時鐘信號。差分移相是利用前后相鄰碼元的相對載波相位變化來傳遞數字信息，對輸入端的數字信號進行差分編碼，然后再對差分編碼輸出進行絕對調相，得到2DPSK 信號。

　　信道是通信系統的基本環節之一，信道的傳輸質量影響著信號的接收和解調。這種影響表現在兩個方面：一是產生噪聲，二是減弱信號的強度和改變信號的形狀。鑒于此，本設計中DPSK 信號在信道的傳輸過程中疊加了噪聲。

　　2DPSK 信號的解調有兩種方法。一種是極性比較法，也就是相干解調法。它提取相干載波，然后通過碼反變換器將相對碼變換成絕對碼。本設計采用另一種方法相干載波法，也叫相位比較法或差分解調法，這種方法不需要恢復本地載波，只需將2DPSK 信號延時一個碼元間隔，然后與2DPSK信號本身相乘，經低通濾波器處理之后，可直接抽樣判決恢復出原始數字信息。該方法可借助DSP 技術中的FFT 來處理，實現簡單，且抗噪聲干擾性能較好。解調由帶通濾波器、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，解調恢復出的信號與調制器輸入的信號是完全相同的。

　　2.2 DPSK 低頻感應通信系統的實現

　　隨著數字信號處理技術的發展，DSP芯片的處理能力得到了極大提高，軟件無線電正是DSP技術在無線通信系統中應用。軟件無線電以現代通信理論為基礎、以數字信號處理為核心、以微電子技術為支撐，構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將通信的各種功能用軟件來實現，并使寬帶A/D和D/A轉換器盡可能地靠近天線。

　　對于低頻感應通信系統來說，由于工作頻率比較低，接收線圈接收到的信號經放大及預濾波后，可直接經A/D轉換后送給DSP進行數字信號處理，即類似于理想軟件無線電的設計。具體來說就是，在信道中傳輸的是模擬信號，而對信號的處理部分主要是是在數字信號處理器件(DSP)上實現。

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　　系統的組成框圖如圖2所示，發送器在通過DSP產生軟件調制信號，該信號經D/A轉換器件的數模轉換后，產生低頻的DPSK信號，該信號經過模擬功率放大就可以加載到發射線圈上。接收線圈接收的DPSK及噪聲信號經過模擬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信號轉換為數字信號送給DSP，由DSP對接收到的調制信號進行FIR數字濾波、相干解調、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 2DPSK 低頻感應通信系統的仿真設計

　　3.1 仿真設計

　　在通信系統的設計中，通信系統的仿真設計能夠使設計者在實際系統設計之前測試系統的性能。通信系統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 軟件提供的強大的通信系統工具箱Communication Block set，采用“自底向上”設計方式進行低頻感應通信系統的仿真設計。系統仿真設計的總體框圖如圖3 所示。

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　　該仿真系統主要包括了二值信源模塊、DPSK 信號調制模塊、信道模塊、接收、解調及信號同步模塊，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的數字基帶輸入;DPSK 調制模塊調制產生在信道中傳輸的DPSK 信號;信道模塊是為了模擬復雜的通訊環境對該低頻無線通信系統的影響而加入的高斯白噪聲模塊;接收、解調及其同步模塊是該仿真系統中的關鍵環節，其DPSK 信號的解調采用載波相干解調，解調所用的相干載波可以用科斯塔斯環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制信號具有時間或相位的延遲，其碼元定時脈沖的提取必須經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，該算法所需采樣點少，易于高速實現，且具有檢測性能不受載波相位恢復影響的優點;解調后的信號經相關器運算，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。該信號經抽樣判決及解碼處理后，可以無失真地恢復信源信號。

　　3.2 仿真分析

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　　圖4 是2DPSK 系統在碼元速率為50 bit/s，載波為1000Hz，傳輸信道信噪比為-20 dB 時接收機輸入輸出的仿真波形，輸入的數字基帶信號由信號源模塊(Bernoulli BinaryGenerator)產生，經過DPSK 調制，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，從圖可以看出，差分解碼輸出的信號無失真地恢復出輸入數字基帶信號，輸出比輸入延遲2 個碼元時間，達到低頻感應通信系統的基本要求。

　　仿真結果表明，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，就可以減小系統的誤碼率，提高2DPSK 低頻感應通訊系統的可靠性。

　　4 結語

　　仿真結果表明，采用基于DSP 的軟件無線電的方法設計低頻無線感應通信系統滿足通信系統的基本要求，本文提出的低頻感應通信系統的設計方法對巷道礦井類似場合短程通信系統的研究與設計具有一定的借鑒意義。