0 引言

海洋是人類資源的寶庫，蘊藏著豐富的能源與礦產。隨著科學技術的不斷進步，人們對海洋資源的探測與開發也不斷深入。電纜定深器就是在石油勘探過程中所采用的拖曳電纜深度定位裝置，它可以對水下的電纜進行控制與定位，以便電纜內的檢波器接收空氣槍震源所返回的地震波，其采用的通信方式為基于FSK的感應通信。

1 感應通信的發展現狀

水下通信方式可分為：水聲通信、水下激光與紅外通信、超長波通信、感應通信。水聲通信的缺點是傳輸速率慢、容量小、抗干擾能力差；而在激光通信中，浮游生物以及海底的泥塵可能造成通訊的暫時中斷；超長波通信的弊端則是功耗高、成本大；相比而言，感應通信方式制作簡單、造價低廉、對周圍的環境不敏感。考慮到功耗、方便性和具體的安裝條件，所以在電纜定深器的設計過程中，采用了感應通信方式進行信號傳出。

美國的阿爾文(Alvin)號載人深潛器是非常著名的用于深海探測的載人深潛器，其采樣器、化學傳感器、溫度檢測等方面，都采用電磁耦合技術進行信號傳輸，并在多次出航中的應用都很成功。國外的研究實踐經驗表明：電磁耦合非接觸式信號傳輸技術是適合用于深海環境下的近距離通信方式。

另外，國外已利用感應通信方式開發出海洋地震勘探拖曳線陣產品，其利用總線地址輪詢和廣播通信方式，通信距離可達數公里。

在國內，某研究所將感應通信技術進行了成功的工程應用，研制出用于海洋探測的電纜定深器，其通信距離、速率和并聯的節點數等均有較大優勢，良好的性能在多次探測作業中得以驗證。其通信部分就是采用基于FSK調制解調方式的感應通信。

2 感應通信的原理

根據電磁感應原理，主線圈內電流的變化會在其周圍產生交變的磁場，這個交變的磁場使次級線圈產生感應電動勢，感應通信正是運用了這一原理進行工作。

在感應通信中，由于信號與空間距離的三次方成比例迅速衰減，所以同時在近距離內的多個通訊能夠實現頻分復用，相互之間沒有干擾。

圖1是電磁耦合信號傳輸裝置的系統簡圖，由于通訊模式是半雙工的，所以只介紹電纜定深器一側傳輸數據的工作過程：電纜定深器內解調適配電路將感應裝置耦合的信號濾波、放大、均衡整形后解調還原成通信數據，發送給定深器內的中心控制器，控制器根據接收到的數據、指令進行相應的操作；當電纜定深器需上傳數據給船上設備時，將通信數據調制后，通過放大驅動電路發送給其內部的感應裝置，通過感應耦合以及信號的處理，船上控制設備便可接到該數據。圖2為電纜定深器系統工作示意圖。

工作過程中，在長距離通信線纜上，等間隔并聯多個感應節點，在該點電纜外部掛接一個電纜定深器或其它設備，船上控制設備通過拖曳線纜內的雙絞線上并聯的磁棒線圈，與掛接在拖纜外部的電纜定深器內部的磁棒線圈感應耦合傳輸信號，利用總線地址輪詢和廣播通信方式，實現船上控制設備與多個拖曳線陣外掛設備傳輸之間的數據傳輸，數據傳輸采用載波通信技術，以達到數公里甚至十幾公里無中繼傳輸。電纜定深器由電池供電，在電池電量耗盡后，必須將整個線陣回收后，更換定深器內的電池。

3 FSK調制解調部分的設計

3．1 調制單元設計

電纜定深器在設計過程中選用XR2206作為調制芯片。XR2206由一個壓控振蕩器(VCO)、電流開關和一個乘法器與正弦波調整器組成，是一種單片集成函數發生器，可以產生高精度、高穩定度的正弦波、方波、鋸齒波等波形信號，輸出信號可受外加電壓控制，是理想的FSK調制器芯片，其內部框圖如圖3所示。

XR2206的工作特性：a．電壓電源10～26V；b．頻率溫度穩定性20ppm／℃；c．頻率掃描范圍2000：1；d．振蕩頻率為0．01Hz～lMHz；e．正弦波失真度O．5％；f. FSK鍵控電平1．4V；g．正弦波輸出阻抗600Ω；h．功耗≤750mW。

 用于電纜定深器的調制器如圖4所示。

在利用XR2206芯片進行調頻時，1腳接地，9腳為數字電平輸入引腳，2腳為信號輸出引腳，13腳和14腳的電阻R6用來調節正弦波的畸變，3腳為乘法器與正弦波調整器的輸出端，所接電阻R7的作用是調節輸出的幅度，即2腳輸出信號幅度正比于3腳外接電阻，對于正弦FSK波形來說Vout(p-p)≈0.6R7(V)。內部的壓控振蕩器VCO實際上是一個輸出頻率與輸入電流成正比的可控振蕩器，其振蕩頻率取決于定時電容和電阻，該VCO定時電阻端有兩引腳，與地之間可以接兩個電阻，因此可以由7、8引腳提供兩個離散的輸出頻率，以方便地組成FSK調制器。設9腳為高電平時對應輸出頻率f1=24．7kHz，低電平時對應輸出頻率f2=27．4kHz，波特率fb=2400b／s。取定時電容C0=330pF，可算出定時電阻R1=1／f1C0=122.68kΩ，R2=1／f2C0=110.59kΩ。13腳與14腳串入200Ω電阻可以改善輸出波形。

3．2 解調單元的設計

電纜定深器在設計過程中以XR221l為解調單元的核心芯片，它由一個預放大器、鎖相環PLL、相位檢波器、內部基準電壓源和比較器等組成，使用其中的VCO鑒相器和外部環接濾波器組成基本的鎖相環路，再和FSK比較器組成，就可實現FSK解調功能。其內部結構框圖如圖5所示。

XR2211的工作特性：a．工作電壓范圍4．5～20V：b．工作頻率范圍O．01Hz～300kHz；c．寬動態范圍10mV～3V；d．頻率溫度穩定性Max=50ppm／℃。

圖6為XR2211外圍電路。載波中心頻率26kHz，數字“1”調制頻率24．7kHz，數字“O”調制頻率27．4kHz。傳輸波特率2400b／s，根據以下公式確定其外圍電路相關參數，實際應用時適當調整參數。a．中心振蕩頻率：；b．定時電阻：；c．定時電容：；d．。其余各參數選取如下：R3=100kΩ；R4=510kΩ；C3=1nF；C6=10nF；R8=470kΩ。其中，RO和C0決定鎖相環中心頻率f0，R2決定系統帶寬，C2決定鎖相濾波時間常數和鎖相阻尼因子，C3、R3組成一階數字濾波，決定輸出FSK波形。

XR2206的頻率范圍是0．01～1MHz，XR2211的頻率范圍是0．01～300kHz，兩者配合使用時調制器的載頻應該在0．0l～300kHz范圍內選取。調制端的信號是峰值為3V的等幅調頻信號，當兩個線圈距離很近時，用這個信號來驅動發信線圈，收信線圈的耦合信號強度和調制端信號強度基本相同。解調芯片XR2211接收信號的電壓范圍是10mV～3V，當線圈的距離增大而耦合電信號幅值不超出這個范圍時，仍能保證通信。

4 總結與展望

由于工作環境在水下，因此不適合通過傳統的電纜直接進行信號傳輸，尤其在深海高壓的情況下，如果電纜扯斷，水將通過導線的縫隙進入運載設備，造成破壞性甚至災難性的后果，即使電纜沒有扯斷，它與其他物體的纏繞也可能引發一系列的故障。因此必須采用非接觸信號傳輸的方式來確保水下作業安全順利地進行。海下的工作環境與工作狀況的特殊性，要求必須采用無線信號傳輸方式。

另外，傳統的有線通信中較為常用的RS232在通信距離小于15m時，傳輸速率小于20kb／s，當通信距離在100m時，其通信速率很難讓人滿意。功能較為完善的RS485的通信最長距離也不過1200m，最多并聯32個通信節點。在海水中通信時，由于信道環境更為惡劣，其通信距離、速率以及并聯的節點數將更低。通過中海油服多次海上實際作業驗證，目前，感應通信的通信距離可達到6000m，此時的通信速率為2400b／  s，可并聯的節點數多達128個，通信成功率達98％左右，具有較強的抗干擾能力。感應通信在傳輸距離與并聯節點方面的優勢將在水下通信領域發揮更為重要的作用。

研究電磁感應信號傳輸技術將促進我國的海洋探測能力和海洋科學的發展。同時，感應式無線信號傳輸技術在其它近距離無線通信場合也具有很大的應用潛力。