摘要：針對現(xiàn)有低頻通信系統(tǒng)功耗過高、天線尺寸太大、調(diào)整不靈活等問題，設(shè)計了一種基于FPGA的低頻通信系統(tǒng)。研究了基于軟件無線電的微弱信號處理方案，設(shè)計出高效的低頻天線，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、大穿透深度的可移動通信。在較強(qiáng)的電磁干擾情況下進(jìn)行了透地和透水模擬實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以在地面和地下以及地面和水下建立起有效的無線電通信，證明了低頻無線通信的發(fā)展?jié)摿?，可以為實際應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：FPGA；低頻無線通信；微弱信號處理；天線技術(shù)
0引言
隨著科技的進(jìn)步，無線電通信技術(shù)飛速發(fā)展，在現(xiàn)代社會得到極其廣泛的應(yīng)用。陸地淺層資源因過度開發(fā)而潛力受限，使用低頻無線電技術(shù)探尋海洋資源、地下深層礦藏和深空資源的需求越來越迫切［1］。與此同時，現(xiàn)代城市的空間得到高度利用，樓宇間及地下無線通信的重要性日益凸顯。處于無線電頻譜末端的低頻電磁波，對巖層、沙壤、水等有耗介質(zhì)具有較大的穿透能力［2］，可以作為透地和透水通信的傳播媒介。但是，由于天線尺寸需與低頻電磁波波長相比擬，天線的輻射效率很低，加上隨頻率降低而增加的本底噪聲和大氣噪聲的干擾［3］，以及在有耗介質(zhì)中傳播的衰減，使得微弱的接收信號湮沒在噪聲之中。因而，相對于高度發(fā)展的中高頻段的通信方式，低頻無線通信的應(yīng)用進(jìn)展比較緩慢。近十幾年來，天線技術(shù)和微弱信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，極具應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Φ牡皖l無線電技術(shù)也逐漸成為新的研究熱點［4］。
本文運用軟件無線電的設(shè)計思想，結(jié)合微弱信號處理和天線技術(shù)［5］，給出一種可以用于透地和透水通信的低頻通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了在地下和水下較強(qiáng)電磁干擾情況下的低頻無線通信，從而證明低頻通信在無線電技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
低頻通信系統(tǒng)由發(fā)射終端、傳輸信道及接收終端三部分組成。應(yīng)用于煤礦應(yīng)急救援通信背景下的低頻通信系統(tǒng)如圖1所示。井下發(fā)射部分包括警報信息輸入模塊和發(fā)送終端。地面終端接收機(jī)包括地面接收機(jī)和監(jiān)控室計算機(jī)，其中監(jiān)控室計算機(jī)用來接收并顯示由地面接收機(jī)接收并處理得到的救援信息。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，當(dāng)操作面板上的按鈕被按下后，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會被FPGA硬件電路捕獲，然后進(jìn)行編碼、圖2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖MFSK調(diào)制、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換，生成發(fā)射信號，之后經(jīng)過功率放大器，再由發(fā)射天線產(chǎn)生低頻交變電磁波。
地面接收機(jī)是整個設(shè)計的重點和難點。接收天線將接收到的電磁波信號轉(zhuǎn)化為微弱的電信號。為了使有用的信號得到放大，同時又把其他無用的干擾信號抑制掉，采用選頻網(wǎng)絡(luò)來限制帶寬。之后信號通過一個低噪放大器，將信號增至合適的電平，從而保證合適的電平進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬低噪放大信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便于后面的數(shù)字化處理。FPGA在本設(shè)計中主要作為處理器 ，對采樣后的數(shù)字信號進(jìn)行噪聲消除處理，減少雷電脈沖、固定噪聲等干擾。此外它還起到邏輯控制的作用，協(xié)調(diào)硬件間的時序，為DSP提供服務(wù)。為提高信號處理的速率，使用FPGA模塊進(jìn)行濾波、MFSK信號解調(diào)和譯碼處理。之后，F(xiàn)PGA協(xié)助DSP將處理后的數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)卡芯片中，最終通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上，并由PC端上位機(jī)顯示得到的結(jié)果，從而獲得發(fā)射端發(fā)送的信息。
2低頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
2.1軟件無線電
由于接收機(jī)硬件平臺要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時運算處理，本系統(tǒng)采用軟件無線電的設(shè)計思想，選用處理能力較強(qiáng)的FPGA作為主處理器，DSP芯片輔助處理。這種FPGA+DSP的設(shè)計方案非常適于模塊化設(shè)計，使低頻通信系統(tǒng)的小型化、可移動性及低功耗化成為可能，更好地貼合各類實際應(yīng)用。由于低頻通信環(huán)境的極度復(fù)雜性，在整個調(diào)試、測試和使用過程中，各個模塊均可以進(jìn)行修改和調(diào)整，使整個系統(tǒng)具有極強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。
根據(jù)軟件無線電的思想，所設(shè)計的接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件平臺主要由前置部分、A/D數(shù)據(jù)采集部分、信號處理部分、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分以及其他相關(guān)輔助電路部分構(gòu)成。其中前置部分由選頻網(wǎng)絡(luò)和低噪放大器組成；A/D數(shù)字采樣部分為AD8138驅(qū)動放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADCLTC2208；FPGA模塊作為主處理器，除了要對數(shù)字信號進(jìn)行處理，還要向下協(xié)調(diào)各個硬件之間的邏輯和接口之間的時序，向上為DSP提供服務(wù)；DSP和網(wǎng)卡芯片RTL8019AS構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸部分，DSP芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)按照以太網(wǎng)幀格式進(jìn)行封裝發(fā)送至網(wǎng)卡芯片中，網(wǎng)卡芯片會自動將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理層傳輸至PC機(jī)上。
2.2微弱信號處理
低頻信號經(jīng)過數(shù)百米甚至上千米的地層或水層傳輸，到達(dá)接收端時都是十分微弱的，并且大氣噪聲和雷電脈沖及本底噪聲對信號形成很強(qiáng)的干擾。因此為了提高通信系統(tǒng)的可靠性，在降低傳輸信號頻率以保證接收信號信噪比的同時，還要采用合理有效的弱信號檢測方法，盡可能地消除干擾，改善通信系統(tǒng)的性能。為此，系統(tǒng)使用先進(jìn)的通信信號處理和數(shù)字信號處理技術(shù)。通信信號處理技術(shù)針對微弱的接受信號，采用合理高效的弱信號檢測算法和噪聲消除算法，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。其中，核心的低噪聲放大技術(shù)可以實現(xiàn)在放大有用信號的同時，只引入較低的本底噪聲并減少大量的人為干擾。低噪聲放大原理如圖4所示。數(shù)字信號處理技術(shù)針對低頻信號的特點，對信號濾波、調(diào)制解調(diào)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使低頻信號能穩(wěn)定地傳送。
在本設(shè)計中FPGA主要作為處理器。天線接收到的微弱通信信號經(jīng)過前置電路放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再由FPGA進(jìn)行噪聲消除等處理，提高接收信號的信噪比。FPGA芯片的內(nèi)部功能框圖如圖5所示。
此外，為了保證信號能夠被地面接收，每一個信號重復(fù)發(fā)送10遍。由于長波通信信道窄，要考慮信道復(fù)用問題，當(dāng)多個終端機(jī)同時需要發(fā)送求救信號時，采用載波監(jiān)聽隨機(jī)圖5FPGA內(nèi)部功能框圖競爭信道的方式互相錯讓發(fā)送時隙。
2.3小型高靈敏度天線
電磁波在巖土、水等介質(zhì)的傳播過程中，電場能量因焦耳損耗而散失嚴(yán)重，但磁場能量損耗相對較小。針對電磁波能量在介質(zhì)中傳播的這一特性，本文設(shè)計的低頻通信系統(tǒng)采用通用的磁性天線——環(huán)形天線。通過增加匝數(shù)、使用鐵氧體磁芯和匹配調(diào)諧電容等措施，極大地提高了輻射效率，縮小天線的尺寸。其中，由于鐵氧體具有聚合磁場能量的特性，可以在保持輻射效率的同時，成倍地減小天線尺寸［6］。增加天線匝數(shù)不僅可以增強(qiáng)天線中的電流強(qiáng)度，也會改變天線的輻射阻抗。調(diào)諧電容由兩組電容組成，一組用來調(diào)節(jié)共振頻率，另一組調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配。在調(diào)試和實際應(yīng)用過程中，可以通過接入并聯(lián)電容來改變電容組的電容值。經(jīng)過計算和調(diào)試，系統(tǒng)使用磁芯磁導(dǎo)率為3 000、線圈半徑為16 cm、匝數(shù)為27圈的發(fā)射天線，從而實現(xiàn)發(fā)射天線的微型化和高效率。
針對接收端的微弱信號，設(shè)計了圖6所示的高靈敏度接收天線，由低頻信號接收天線和參考噪聲接收天線兩部分組成。低頻信號接收天線是由利茲線螺旋繞制而成，方向圖零深很深。因此，該天線具有較好的方向特性，可以減少特定方向的電磁噪聲。由于低頻信號接收天線可等效為不同直徑的線圈，對不同頻率的信號都能產(chǎn)生較強(qiáng)的感應(yīng)電流，因此該天線具有較寬的接收信號頻帶和較高的靈敏度。參考噪聲接收天線主要由一個小型磁性天線構(gòu)成，用來接收各類噪聲干擾作為參考噪聲信號。天線接收到的兩路信號到達(dá)接收機(jī)，進(jìn)行自適應(yīng)濾波等處理后，可以有效地減少噪聲干擾，極大地提高了系統(tǒng)的信噪比。
3實驗結(jié)果及分析
為了驗證和分析低頻通信系統(tǒng)在透地通信和透水通信中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性，分別作了穿墻通信實驗和水下通信實驗，對本文提出的微型化、可移動低頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了測
試。在測試中，為了更好地研究各類噪聲干擾、通信信號的頻率、通信距離等因素對低頻通信系統(tǒng)的抗噪聲干擾性能和微弱信號處理能力及通信質(zhì)量的影響，使用單一頻率的正弦波調(diào)制信號。
在透地通信實驗中，發(fā)射天線和接收天線平行放置，正中間有一面厚度為36 cm的混泥土墻壁。發(fā)射機(jī)使用在12 V輸入電壓下最大輸出1 A電流的功率放大器。實驗結(jié)果如圖7所示?！?/p>
可以看到，頻率為16 kHz的電磁波信號在10 m空氣和36 cm混泥土組成的介質(zhì)中傳播，只有不到2 dB的衰減。增大通信距離，由30 m空氣和36 cm混泥土組成傳播介質(zhì)，16 kHz電磁波傳播衰減不到6 dB，7 kHz的電磁波傳輸衰減約為5 dB，1 kHz的電磁波傳輸衰減不到5 dB。由此，對于大多數(shù)的陸地介質(zhì)，該通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大穿透的無線通信。而且隨著信號頻率降低，傳輸衰減逐漸減小。
在透水通信實驗中，發(fā)射天線和接收天線垂直架設(shè)。其中，發(fā)射天線放置于淡水中，距離水面12 m，接收天線架設(shè)在水面上方3 m處。功率放大器的參數(shù)不變，信號頻率為16 kHz。電磁波信號在水中衰減較大，到達(dá)接收天線時十分微弱，圖8為實驗處理結(jié)果。
實驗結(jié)果表明，低噪聲放大器可以在放大有用信號的同時只引入少量本底噪聲干擾，對后續(xù)處理十分有利。經(jīng)過噪聲消除處理后，信噪比至少提高6 dB。
應(yīng)用于煤礦應(yīng)急救援背景下的PC端上位機(jī)如圖9所示，可以進(jìn)行實時監(jiān)控警報，并處理和顯示由接收機(jī)傳來的處理結(jié)果。
4結(jié)束語
本文根據(jù)低頻通信技術(shù)的特點，有效地利用FPGA模塊，設(shè)計了包括低頻發(fā)射機(jī)和微型天線組成的發(fā)射系統(tǒng)，以及由高靈敏接收天線、低頻接收機(jī)和上位機(jī)組成的接收系統(tǒng)。利用這套低頻通信系統(tǒng)，可以在不同噪聲干擾的環(huán)境下，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大穿透深度的透地和透水通信。相較于傳統(tǒng)的使用模擬電路、高功率、大天線的低頻通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用全數(shù)字化設(shè)計各個模塊，配合使用靈敏度高、體積小的天線，具有微型化、低功耗和便攜性等優(yōu)勢，可靈活運用于各類情況下的低頻通信，尤其是應(yīng)急救援通信。
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