基于DSP的低頻無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

3 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的Matlab仿真

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對上文所設(shè)計(jì)的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，對該無線通信系統(tǒng)各部分的基本功能進(jìn)行測試和仿真，并為下一步DSP的軟件實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2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井下復(fù)雜的通訊環(huán)境對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，因該算法所需采樣點(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)，所以他在許多解調(diào)接收設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用；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)。

仿真分析：通信的首要任務(wù)是接收信號(hào)能夠完全無失真恢復(fù)發(fā)送信號(hào)。圖3是DPSK系統(tǒng)在碼元速率為50 b／s，載波為1 000 Hz，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 Binary Generator)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3中可以看出，差分解碼輸出的信號(hào)無失真地恢復(fù)出輸人數(shù)字基帶信號(hào)，輸出比輸入延遲2個(gè)碼元時(shí)間，達(dá)到了低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的基本要求。仿真結(jié)果表明，接收信號(hào)經(jīng)數(shù)字濾波、同步、解調(diào)、判決和解碼后，完全恢復(fù)發(fā)送信號(hào)。從仿真結(jié)果可見，該低頻無線通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通信的基本要求，為進(jìn)一步DSP的軟件設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

4 結(jié) 語

導(dǎo)電媒質(zhì)中，低頻電磁波傳播距離遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)，信號(hào)傳播時(shí)比高頻信號(hào)衰減小的多。但是通信距離短、速率慢，效率低，有時(shí)甚至需要幾公里到幾十公里長的天線。由于其通信距離及通信速率的局限性，在該頻段的無線傳輸一直未受到人們的重視。事實(shí)上，在某些特殊場合，這種在有限空間內(nèi)的低頻輻射恰恰可以得到利用。比如導(dǎo)向鉆井中的井下短距離通信，由于電磁波在受限空間的導(dǎo)電泥漿中傳輸，通信環(huán)境比較惡劣，但通信距離短，對通信速率的要求也不是很高，可以用低頻進(jìn)行短距離的無線通信。本文提出的研究和設(shè)計(jì)低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的方法對導(dǎo)向鉆井中井下短程通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。