基于MATLAB的2DPSK低频感应通信系统仿真设计

0 引言

感应通信是将待传输的数据通过低频载波调制、信号放大、功率放大后，在发射线圈产生一定的交变电流，利用交变的电流产生交变的磁场，交变的磁场产生的电场，从而在接收线圈中产生感应电动势，经滤波、解调、解码等信号处理环节后，就可在接收端准确接收发送的信息。本文研究与设计的低频感应通信系统是一个无线的数字通信系统，结合DPSK 数字通信原理，提出基于DSP 技术的软件无线电低频感应通信系统的设计方法，并利用MATLAB 软件对该DPSK 通信系统进行仿真设计。

1 低频感应通信的基本原理及工作特性

1.1 感应通信的基本原理

感应通信是利用发射线圈中的交变电流，产生变化磁场使在接收线圈中感应出电动势，再经过一系列的信号处理过程得到发射信号，从而实现了通信的目的。当类似巷道的场合中存在着金属导体(称为感应线)，附近的发射机发射无线电信号时，发射机天线上可以产生感应电流。该电流在感应线周围产生信号场强，沿途的无线接收机天线可因感应而接收信号，经放大和处理，获得发射机发出的信息，完成通信过程，这就是感应通信的基本原理。

1.2 感应通信的工作特性

严格的感应通信理论是建立在麦克斯韦方程组的基础上。麦克斯韦方程组是在对宏观电磁现象的实验规律进行分析总结的基础上，经过扩充和推广而得到的。它揭示了电场与磁场之间、以及电磁场与电荷、电流之间的相互关系，是一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律。

设电磁波在无源，无界的线性、均匀、各向同性的导电媒质中的传播常数为：

α 是说明每单位距离电磁波衰减的常数，称为衰减常数; β 表示每单位距离电磁波落后的相位，称为相位常数。

其中，ε 为媒质介电常数，σ 为媒质电导率，μ 为媒质磁导率，ω 为工作角频率。

根据电磁场理论可知，良导体中，随着频率的增加衰减常数α 增大，电磁波的衰减增大。在感应通信中，工作频率越低，传输损耗越小，耦合损耗越大;工作频率越高，传输损耗越大、耦合损耗越小。实践证明有利于感应通信的工作频率为50～500 kHz。

2 2DPSK 低频感应通信系统的组成与实现

2.1 DPSK 通信系统组成原理

在数字通信系统中，数据调制的主要方式有移幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)等三种方式，其中差分编码移相键控(DPSK)因其抗噪性能和频带利用率均优于ASK 和FSK，在实际的数据传输系统得到了广泛的应用。DPSK 通信系统的原理框图如图1 所示，主要包括调制、信道和解调三个部分。

调制器采用数字调制方式，由晶体振荡器、分频器、差分编码器和绝对调相组成。晶体振荡器产生方波信号，经分频电路分别产生调制器和解调器所需的载波信号和时钟信号。差分移相是利用前后相邻码元的相对载波相位变化来传递数字信息，对输入端的数字信号进行差分编码，然后再对差分编码输出进行绝对调相，得到2DPSK 信号。

信道是通信系统的基本环节之一，信道的传输质量影响着信号的接收和解调。这种影响表现在两个方面：一是产生噪声，二是减弱信号的强度和改变信号的形状。鉴于此，本设计中DPSK 信号在信道的传输过程中叠加了噪声。

2DPSK 信号的解调有两种方法。一种是极性比较法，也就是相干解调法。它提取相干载波，然后通过码反变换器将相对码变换成绝对码。本设计采用另一种方法相干载波法，也叫相位比较法或差分解调法，这种方法不需要恢复本地载波，只需将2DPSK 信号延时一个码元间隔，然后与2DPSK信号本身相乘，经低通滤波器处理之后，可直接抽样判决恢复出原始数字信息。该方法可借助DSP 技术中的FFT 来处理，实现简单，且抗噪声干扰性能较好。解调由带通滤波器、乘法器、低通滤波器、抽样判决器、差分解码器组成。在无噪声情况下，解调恢复出的信号与调制器输入的信号是完全相同的。

2.2 DPSK 低频感应通信系统的实现

随着数字信号处理技术的发展，DSP芯片的处理能力得到了极大提高，软件无线电正是DSP技术在无线通信系统中应用。软件无线电以现代通信理论为基础、以数字信号处理为核心、以微电子技术为支撑，构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将通信的各种功能用软件来实现，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能地靠近天线。

对于低频感应通信系统来说，由于工作频率比较低，接收线圈接收到的信号经放大及预滤波后，可直接经A/D转换后送给DSP进行数字信号处理，即类似于理想软件无线电的设计。具体来说就是，在信道中传输的是模拟信号，而对信号的处理部分主要是是在数字信号处理器件(DSP)上实现。

系统的组成框图如图2所示，发送器在通过DSP产生软件调制信号，该信号经D/A转换器件的数模转换后，产生低频的DPSK信号，该信号经过模拟功率放大就可以加载到发射线圈上。接收线圈接收的DPSK及噪声信号经过模拟放大和抗混叠滤波器的预处理后，直接用A/D转换器将预处理后的DPSK信号转换为数字信号送给DSP，由DSP对接收到的调制信号进行FIR数字滤波、相干解调、抽样判决和差分解码等信号处理过程，恢复信源信息，完成通信过程。

3 2DPSK 低频感应通信系统的仿真设计

3.1 仿真设计

在通信系统的设计中，通信系统的仿真设计能够使设计者在实际系统设计之前测试系统的性能。通信系统的仿真设计主要包括通信的基本功能测试、通信的误码率分析等。本文利用MATLAB 软件提供的强大的通信系统工具箱Communication Block set，采用“自底向上”设计方式进行低频感应通信系统的仿真设计。系统仿真设计的总体框图如图3 所示。

该仿真系统主要包括了二值信源模块、DPSK 信号调制模块、信道模块、接收、解调及信号同步模块，抽样判决模块、解码及误码显示模块。二值信号源模块作为该仿真系统的数字基带输入;DPSK 调制模块调制产生在信道中传输的DPSK 信号;信道模块是为了模拟复杂的通讯环境对该低频无线通信系统的影响而加入的高斯白噪声模块;接收、解调及其同步模块是该仿真系统中的关键环节，其DPSK 信号的解调采用载波相干解调，解调所用的相干载波可以用科斯塔斯环等方法直接从接收的信号中恢复。由于从高斯信道中接收的调制信号具有时间或相位的延迟，其码元定时脉冲的提取必须经过位同步模块的同步。本设计所采用的位同步模块是基于Gardner 算法所设计的位同步模块，该算法所需采样点少，易于高速实现，且具有检测性能不受载波相位恢复影响的优点;解调后的信号经相关器运算，抑制了与载波无关的噪声及干扰，使其在指定的抽样判决时刻具有最大的信噪比。该信号经抽样判决及解码处理后，可以无失真地恢复信源信号。

3.2 仿真分析

图4 是2DPSK 系统在码元速率为50 bit/s，载波为1000Hz，传输信道信噪比为-20 dB 时接收机输入输出的仿真波形，输入的数字基带信号由信号源模块(Bernoulli BinaryGenerator)产生，经过DPSK 调制，在接收端接收到了叠加信道高斯白噪声的DPSK 信号，接收的DPSK 信号经滤波器和相关器滤除干扰及噪声后，输出信噪比较大的锯齿信号，其在指定的抽样时刻获得了最大输出信噪比，对该信号在每个上升沿触发脉冲的前一瞬间抽样判决，恢复输入信号。比较输入信号与解码输出的信号，从图可以看出，差分解码输出的信号无失真地恢复出输入数字基带信号，输出比输入延迟2 个码元时间，达到低频感应通信系统的基本要求。

仿真结果表明，在特定载波、传输信噪比、滤波器截止频率下，码元速率越高，误码率越大。在这种情况下，低通滤波器的截止频率是影响系统通讯误码率的主要因素。 可见，低通滤波器截止频率的最佳值作为码元速率。由此可见：

在传输信道信噪比、工作频率确定的情况下，只要合理地选择码元速率、滤波器的带宽及截止频率，就可以减小系统的误码率，提高2DPSK 低频感应通讯系统的可靠性。

4 结语

低频通信时，电磁波传播距离非常远，穿透能力特别强，信号传播时比高频信号衰减小的多。通信距离短，对通信速率的要求也不是很高，因此可以采用低频进行短距离的通信。仿真结果表明，采用基于DSP 的软件无线电的方法设计低频无线感应通信系统满足通信系统的基本要求，本文提出的低频感应通信系统的设计方法对巷道矿井类似场合短程通信系统的研究与设计具有一定的借鉴意义。