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(jì)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(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線電通信,，證明了低頻無線通信的發(fā)展?jié)摿Γ梢詾閷?shí)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(shí),，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(diǎn)［4］。

　　本文運(yùn)用軟件無線電的設(shè)計(jì)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(shí)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(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(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轉(zhuǎn)化為微弱的電信號,。為了使有用的信號得到放大,，同時(shí)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(gè)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(jì)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(shí)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(shí)時(shí)運(yùn)算處理,，本系統(tǒng)采用軟件無線電的設(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,、測試和使用過程中,，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(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(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(shí)，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(shí)現(xiàn)在放大有用信號的同時(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)字信號處理技術(shù)針對低頻信號的特點(diǎn),，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(jì)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(gè)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(gè)終端機(jī)同時(shí)需要發(fā)送求救信號時(shí),，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(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(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(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(shí)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(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,。

　　針對接收端的微弱信號，設(shè)計(jì)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(gè)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(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(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?！?/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(shí)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(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(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的同時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控警報(bào),，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(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,，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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