通信是一切將信息從發(fā)送者傳送到接收者的過程。自古以來,，信息就如同物質(zhì)和能量一樣,，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)資源之一。人類通信的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時代,，文字,、信標(biāo)、烽火及驛站等作為主要的通信方式,，曾經(jīng)延續(xù)了幾千年,。電通信的發(fā)展歷史從1837年美國人莫爾斯發(fā)明人工電報裝置開始，至今不過170年,。翻開厚厚的電信史冊，沿著歷史的腳步一路走來，在技術(shù)和市場需求的雙重驅(qū)動下,，僅有一百多年歷史的電通信發(fā)生了翻天覆地的巨變,，取得了令人驚嘆的輝煌成就。
無線通信系統(tǒng)（WIReless Communication System）：也稱為無線電通信系統(tǒng),，是由發(fā)送設(shè)備,、接收設(shè)備、無線信道三大部分組成的,，利用無線電磁波,，以實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。它根據(jù)工作頻段或傳輸手段分類,， 可以分為中波通信,、 短波通信、 超短波通信,、 微波通信和衛(wèi)星通信等,。
1 低頻感應(yīng)通信理論
低頻感應(yīng)通信是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)低頻載波調(diào)制、信號放大,、功率放大后,，在發(fā)射器產(chǎn)生一定的交變電流，利用交變的電流產(chǎn)生交變的磁場,，交變的磁場產(chǎn)生的電場,，從而在接收器中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)濾波,、解調(diào),、解碼等信號處理后，就可在接收端準(zhǔn)確接收發(fā)送的信息,，完成通信過程,。因其利用電磁感應(yīng)原理來實現(xiàn)通信，故稱其為感應(yīng)通信,，當(dāng)距離短時,，感應(yīng)通信比較容易實現(xiàn)。
感應(yīng)通信利用發(fā)射線圈中的交變電流產(chǎn)生變化磁場,，接收線圈中感應(yīng)出電動勢后,，再經(jīng)過一系列的信號處理過程恢復(fù)發(fā)送信號，從而實現(xiàn)了通信的目的,。
嚴(yán)格的感應(yīng)通信理論是建立在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上,。麥克斯韋方程組是在對宏觀電磁現(xiàn)象的實驗規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過擴充和推廣而得到的,。他揭示了電場與磁場之間,、電磁場與電荷,、電流之間的相互關(guān)系，是一切宏觀電磁現(xiàn)象所遵循的普遍規(guī)律,。麥克斯韋方程組的微分形式如下：
設(shè)電磁波在無源,、 的線性、均勻,、各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播常數(shù)為γ=β-jα,，α是表示每單位距離電磁波衰減的常數(shù)，稱為衰減常數(shù),，β表示每單位距離電磁波落后的相位,，稱為相位常數(shù)。根據(jù)電磁場理論可知：
媒質(zhì)屬于電介質(zhì)還是良導(dǎo)體,，不僅與媒質(zhì)參數(shù)有關(guān),，而且與工作頻率有關(guān)?？煽闯?，媒質(zhì)導(dǎo)電性能越好（電導(dǎo)率越大），工作頻率越高,，則電磁波衰減越大,，即高頻電磁波在良導(dǎo)體中衰減極快，往往在微米級的距離內(nèi)就衰減到近于零了,。通常,，導(dǎo)電媒質(zhì)中的感應(yīng)通信，其工作頻率必須在低頻頻段,，這是良導(dǎo)體媒質(zhì)中感應(yīng)通信系統(tǒng)的一個非常重要的特征,。
2 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的設(shè)計
本文研究設(shè)計的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)框圖如圖1所示，采用基于DSP的軟件無線電方式來實現(xiàn),。其數(shù)據(jù)調(diào)制方式采用差分編碼移相鍵控（DPSK）來實現(xiàn),，DPSK是將數(shù)字基帶信號經(jīng)差分編碼后，再對其進(jìn)行絕對相移鍵控的數(shù)字調(diào)制方式,，因其抗噪性能和頻帶利用率均優(yōu)于ASK和FSK,，在實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)軟件無線電的理論,，本文所研究設(shè)計的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng),，由于工作頻率低，接收器接收的信號經(jīng)放大及預(yù)濾波后,，可直接經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送給DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理,，而不需要經(jīng)過類似下變頻的信號處理，即類似于理想軟件無線電的設(shè)計,。接收器接收的DPSK及噪聲信號經(jīng)過放大和抗混疊濾波器的預(yù)處理后,，直接用A／D轉(zhuǎn)換器將預(yù)處理后的DPSK信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給DSP,，由DSP對接收到的調(diào)制信號進(jìn)行FIR數(shù)字濾波、同步,、解調(diào),、抽樣判決和差分解碼等信號處理過程,，恢復(fù)信源信息,，完成通信過程。
3 低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)的Matlab仿真
在通信系統(tǒng)的設(shè)計中,，通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計能夠使設(shè)計者在實際系統(tǒng)設(shè)計之前測試系統(tǒng)的性能,。本文利用Matlab對上文所設(shè)計的低頻感應(yīng)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計，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的軟件實現(xiàn)提供依據(jù),。系統(tǒng)仿真設(shè)計的總體框圖如圖2所示。
該仿真系統(tǒng)主要包括了二值信源模塊,、DPSK信號調(diào)制模塊,、信道模塊、接收,、解調(diào)及信號同步模塊,，抽樣判決模塊、解碼及誤碼顯示模塊,。二值信號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；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),，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中恢復(fù)。本設(shè)計所采用的位同步模塊是基于Gardner算法所設(shè)計的位同步模塊,，因該算法所需采樣點少,，易于高速實現(xiàn)，且具有檢測性能不受載波相位恢復(fù)影響的優(yōu)點,；解調(diào)后的信號經(jīng)相關(guān)器運算,，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刻具有最大的信噪比,。該信號經(jīng)抽樣判決及解碼處理后,，可以無失真地恢復(fù)信源信號。
仿真分析：通信的首要任務(wù)是接收信號能夠完全無失真恢復(fù)發(fā)送信號,。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時接收機輸入輸出的仿真波形,，輸入的數(shù)字基帶信號由信號源模塊（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，輸出信噪比較大的鋸齒信號,，恢復(fù)輸入信號,。比較輸入信號與解碼輸出的信號，從圖3中可以看出,，差分解碼輸出的信號無失真地恢復(fù)出輸人數(shù)字基帶信號,，輸出比輸入延遲2個碼元時間，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,。從仿真結(jié)果可見,，該低頻無線通信系統(tǒng)的仿真設(shè)計實現(xiàn)了通信的基本要求，為進(jìn)一步DSP的軟件設(shè)計提供了依據(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,，信號傳播時比高頻信號衰減小的多,。但是通信距離短、速率慢,，效率低,，有時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)計具有一定的借鑒意義。