摘要：針對(duì)現(xiàn)有低頻通信系統(tǒng)功耗過(guò)高、天線尺寸太大、調(diào)整不靈活等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的低頻通信系統(tǒng)。研究了基于軟件無(wú)線電的微弱信號(hào)處理方案，設(shè)計(jì)出高效的低頻天線，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、大穿透深度的可移動(dòng)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(shí)驗(yàn)，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(wú)線電通信，證明了低頻無(wú)線通信的發(fā)展?jié)摿?，可以為?shí)際應(yīng)用提供參考。

　　關(guān)鍵詞：FPGA；低頻無(wú)線通信；微弱信號(hào)處理；天線技術(shù)

0引言

　　隨著科技的進(jìn)步，無(wú)線電通信技術(shù)飛速發(fā)展，在現(xiàn)代社會(huì)得到極其廣泛的應(yīng)用。陸地淺層資源因過(guò)度開(kāi)發(fā)而潛力受限，使用低頻無(wú)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(lái)越迫切［1］。與此同時(shí)，現(xiàn)代城市的空間得到高度利用，樓宇間及地下無(wú)線通信的重要性日益凸顯。處于無(wú)線電頻譜末端的低頻電磁波，對(duì)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(zhǎng)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(hào)湮沒(méi)在噪聲之中。因而，相對(duì)于高度發(fā)展的中高頻段的通信方式，低頻無(wú)線通信的應(yīng)用進(jìn)展比較緩慢。近十幾年來(lái)，天線技術(shù)和微弱信號(hào)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(wú)線電技術(shù)也逐漸成為新的研究熱點(diǎn)［4］。

　　本文運(yùn)用軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合微弱信號(hào)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(shí)現(xiàn)了在地下和水下較強(qiáng)電磁干擾情況下的低頻無(wú)線通信，從而證明低頻通信在無(wú)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(bào)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(jì)算機(jī)，其中監(jiān)控室計(jì)算機(jī)用來(lái)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(huì)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(hào)，之后經(jīng)過(guò)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(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。接收天線將接收到的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)。為了使有用的信號(hào)得到放大，同時(shí)又把其他無(wú)用的干擾信號(hào)抑制掉，采用選頻網(wǎng)絡(luò)來(lái)限制帶寬。之后信號(hào)通過(guò)一個(gè)低噪放大器，將信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以便于后面的數(shù)字化處理。FPGA在本設(shè)計(jì)中主要作為處理器 ，對(duì)采樣后的數(shù)字信號(hào)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(shí)序，為DSP提供服務(wù)。為提高信號(hào)處理的速率，使用FPGA模塊進(jìn)行濾波、MFSK信號(hào)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(xiě)入網(wǎng)卡芯片中，最終通過(guò)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(wú)線電

　　由于接收機(jī)硬件平臺(tái)要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，本系統(tǒng)采用軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)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(jì)方案非常適于模塊化設(shè)計(jì)，使低頻通信系統(tǒng)的小型化、可移動(dòng)性及低功耗化成為可能，更好地貼合各類實(shí)際應(yīng)用。由于低頻通信環(huán)境的極度復(fù)雜性，在整個(gè)調(diào)試、測(cè)試和使用過(guò)程中，各個(gè)模塊均可以進(jìn)行修改和調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)具有極強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。

　　根據(jù)軟件無(wú)線電的思想，所設(shè)計(jì)的接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件平臺(tái)主要由前置部分、A/D數(shù)據(jù)采集部分、信號(hào)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(dòng)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(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，還要向下協(xié)調(diào)各個(gè)硬件之間的邏輯和接口之間的時(shí)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(huì)自動(dòng)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(hào)處理

　　低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)百米甚至上千米的地層或水層傳輸，到達(dá)接收端時(shí)都是十分微弱的，并且大氣噪聲和雷電脈沖及本底噪聲對(duì)信號(hào)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(hào)頻率以保證接收信號(hào)信噪比的同時(shí)，還要采用合理有效的弱信號(hào)檢測(cè)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(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。通信信號(hào)處理技術(shù)針對(duì)微弱的接受信號(hào)，采用合理高效的弱信號(hào)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)在放大有用信號(hào)的同時(shí)，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(hào)處理技術(shù)針對(duì)低頻信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)信號(hào)濾波、調(diào)制解調(diào)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使低頻信號(hào)能穩(wěn)定地傳送。

　　在本設(shè)計(jì)中FPGA主要作為處理器。天線接收到的微弱通信信號(hào)經(jīng)過(guò)前置電路放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再由FPGA進(jìn)行噪聲消除等處理，提高接收信號(hào)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(hào)能夠被地面接收，每一個(gè)信號(hào)重復(fù)發(fā)送10遍。由于長(zhǎng)波通信信道窄，要考慮信道復(fù)用問(wèn)題，當(dāng)多個(gè)終端機(jī)同時(shí)需要發(fā)送求救信號(hào)時(shí)，采用載波監(jiān)聽(tīng)隨機(jī)圖5FPGA內(nèi)部功能框圖競(jìng)爭(zhēng)信道的方式互相錯(cuò)讓發(fā)送時(shí)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(guò)程中，電場(chǎng)能量因焦耳損耗而散失嚴(yán)重，但磁場(chǎng)能量損耗相對(duì)較小。針對(duì)電磁波能量在介質(zhì)中傳播的這一特性，本文設(shè)計(jì)的低頻通信系統(tǒng)采用通用的磁性天線——環(huán)形天線。通過(guò)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(chǎng)能量的特性，可以在保持輻射效率的同時(shí)，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(huì)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(lái)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以通過(guò)接入并聯(lián)電容來(lái)改變電容組的電容值。經(jīng)過(guò)計(jì)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(shí)現(xiàn)發(fā)射天線的微型化和高效率。

　　針對(duì)接收端的微弱信號(hào)，設(shè)計(jì)了圖6所示的高靈敏度接收天線，由低頻信號(hào)接收天線和參考噪聲接收天線兩部分組成。低頻信號(hào)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(hào)接收天線可等效為不同直徑的線圈，對(duì)不同頻率的信號(hào)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(hào)頻帶和較高的靈敏度。參考噪聲接收天線主要由一個(gè)小型磁性天線構(gòu)成，用來(lái)接收各類噪聲干擾作為參考噪聲信號(hào)。天線接收到的兩路信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　為了驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和水下通信實(shí)驗(yàn)，對(duì)本文提出的微型化、可移動(dòng)低頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)　

　　試。在測(cè)試中，為了更好地研究各類噪聲干擾、通信信號(hào)的頻率、通信距離等因素對(duì)低頻通信系統(tǒng)的抗噪聲干擾性能和微弱信號(hào)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(hào)。

　　在透地通信實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。　

　　可以看到，頻率為16 kHz的電磁波信號(hào)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(duì)于大多數(shù)的陸地介質(zhì)，該通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大穿透的無(wú)線通信。而且隨著信號(hào)頻率降低，傳輸衰減逐漸減小。

　　在透水通信實(shí)驗(yàn)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(hào)頻率為16 kHz。電磁波信號(hào)在水中衰減較大，到達(dá)接收天線時(shí)十分微弱，圖8為實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低噪聲放大器可以在放大有用信號(hào)的同時(shí)只引入少量本底噪聲干擾，對(duì)后續(xù)處理十分有利。經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)監(jiān)控警報(bào)，并處理和顯示由接收機(jī)傳來(lái)的處理結(jié)果。

4結(jié)束語(yǔ)

　　本文根據(jù)低頻通信技術(shù)的特點(diǎn)，有效地利用FPGA模塊，設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)各個(gè)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(shì)，可靈活運(yùn)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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