基于DSP的低頻無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

低頻感應(yīng)通信是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)低頻載波調(diào)制、信號(hào)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(yīng)電動(dòng)勢，經(jīng)濾波、解調(diào)、解碼等信號(hào)處理后，就可在接收端準(zhǔn)確接收發(fā)送的信息，完成通信過程。因其利用電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)通信，故稱其為感應(yīng)通信，當(dāng)距離短時(shí)，感應(yīng)通信比較容易實(shí)現(xiàn)。

1 低頻感應(yīng)通信理論

感應(yīng)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(yīng)出電動(dòng)勢后，再經(jīng)過一系列的信號(hào)處理過程恢復(fù)發(fā)送信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了通信的目的。

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。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(guān)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：

無源、 的線性、均勻、各向同性導(dǎo)電媒質(zhì)中的麥克斯韋方程組為：

設(shè)電磁波在無源、 的線性、均勻、各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播常數(shù)為γ=β-jα，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)。根據(jù)電磁場理論可知：

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。

媒質(zhì)屬于電介質(zhì)還是良導(dǎo)體，不僅與媒質(zhì)參數(shù)有關(guān)，而且與工作頻率有關(guān)。良導(dǎo)體中，隨著頻率的增加，電磁波的衰減常數(shù)α增大?？梢钥闯?，媒質(zhì)導(dǎo)電性能越好(電導(dǎo)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(dǎo)體中衰減極快，往往在微米級(jí)的距離內(nèi)就衰減到近于零了。通常，導(dǎo)電媒質(zhì)中的感應(yīng)通信，其工作頻率必須在低頻頻段，這是良導(dǎo)體媒質(zhì)中感應(yīng)通信系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的特征。

2 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文研究設(shè)計(jì)的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)框圖如圖1所示，采用基于DSP的軟件無線電方式來實(shí)現(xiàn)，即在通用的硬件平臺(tái)上，盡可能用靈活、方便升級(jí)的軟件實(shí)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(shí)現(xiàn)，DPSK是將數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)差分編碼后，再對其進(jìn)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(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

軟件無線電是無線通信領(lǐng)域里一種新的通信體系結(jié)構(gòu)，他是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)、數(shù)字信號(hào)處理為核心、微電子技術(shù)為支撐，其中心思想是：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(shí)現(xiàn)，并使寬帶A／D和D／A轉(zhuǎn)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(qiáng)的靈活性和開放性等特點(diǎn)必將使他成為未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

根據(jù)軟件無線電的理論，本文所研究設(shè)計(jì)的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)，由于工作頻率低，接收器接收的信號(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，而不需要經(jīng)過類似下變頻的信號(hào)處理，即類似于理想軟件無線電的設(shè)計(jì)。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(hào)，該信號(hào)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器件的數(shù)模轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生低頻模擬的DPSK信號(hào)，對該信號(hào)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(hào)及信道本身存在的噪聲和干擾信號(hào)。接收器接收的DPSK及噪聲信號(hào)經(jīng)過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對接收到的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波、同步、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。