一種基于低功率電小天線的地下低頻無線通信系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于低功率電小天線的地下低頻無線通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)包括順序連接的發(fā)送端FPGA數(shù)字控制模塊、功率放大及阻抗匹配模塊、小尺寸甚低頻發(fā)射天線、小尺寸甚低頻接收天線、接收端濾波放大模塊、接收端FPGA數(shù)字控制模塊、上位機，該系統(tǒng)通過采用磁感應(yīng)方式代替電磁波通信方式，解決了傳統(tǒng)甚低頻天線大尺寸、大發(fā)射功率的缺點，可用與地下——地下以及地下——地面間的定向無線通信，也可作為獨立模塊完成地下傳感器數(shù)據(jù)向地面接受裝置的中短距離無線傳輸。
【專利說明】一種基于低功率電小天線的地下低頻無線通信系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于低功率電小天線的地下低頻無線通信系統(tǒng)，屬于地表下低頻通信系統(tǒng)集成電路設(shè)計的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種實現(xiàn)埋設(shè)在土壤中的節(jié)點間低頻通信的電小天線(ESA, electrically small antenna)的設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)可以實現(xiàn)地下環(huán)境的監(jiān)測，諸如土壤中的水和礦物質(zhì)的含量，油藏的石油泄漏，板塊運動，山體滑坡以及地震的監(jiān)測，是目前相當(dāng)活躍和有前途的研究領(lǐng)域。然而，由于傳輸介質(zhì)不再是空氣，而是土壤，巖石和水，無線通信對于地下環(huán)境來說具有一定的挑戰(zhàn)。對于地下信道，為了繞過巖石等障礙物，技術(shù)人員必須使用低頻通信，這使得天線尺寸非常大，不適合埋設(shè)在地下。從而導(dǎo)致了使用電磁波(EM)完善的無線信號傳播技術(shù)不能很好的在地下環(huán)境中工作。因此，在保證低頻通信的條件下，如何縮小天線尺寸成為目前實現(xiàn)地下通信的研究的重點和難點，也是當(dāng)前低頻地下通信的研究熱點之
一。[0003]代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁波無線通信，利用感應(yīng)磁場進行通信，是可以解決地下通信大尺寸天線的關(guān)鍵技術(shù)之一。磁感通信可以使天線尺寸遠小于波長，加之其通信距離遠，衰減小，所以其更適用于頻率低的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0004]目前，地下通信的研究主要集中在礦井區(qū)，隧道，地下車庫等地下空曠的環(huán)境，并且仍然利用高頻電磁波進行通信，由于技術(shù)難度的問題，利用磁感進行通信的研究少之又少。進行此項研究的主要有以下兩個單位:1)佐治亞理工大學(xué)的SunZhi通過對比電磁波(EM)和磁感通信(MI)的路徑損耗以及帶寬，提出一種增加傳播距離的方法。他們在礦井區(qū)進行實驗，對信道模型，信道容量等進行研究。但是，其傳播介質(zhì)仍然是空氣，并不是將節(jié)點埋在土壤中。2)帝國理工大學(xué)的R.R.A.Syms對線形和十字形拓撲結(jié)構(gòu)布陣的帶寬，能量密度，不同介質(zhì)的發(fā)射折射等進行理論研究。另外，其學(xué)生對其工作進行總結(jié)，從其他角度進行仿真，但是都止步于理論分析，并沒有進行實際的實驗。
[0005]通信的天線尺寸大小與具體實現(xiàn)相關(guān)，目前通信系統(tǒng)采用電磁波通信方式，由于天線長度與通信波長相比擬，使得在甚低頻通信的情況下，天線尺寸達到幾千米，不易于節(jié)點的埋設(shè)；而支持電磁波通信的系統(tǒng)，應(yīng)用到土壤中通信時，其發(fā)射功率也要求非常大，這需要我們對地下通信問題重新規(guī)劃。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對于上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明基于磁感應(yīng)原理設(shè)計一種小尺寸甚低頻磁感電小天線，使僅用較小的發(fā)射功率便能使接收端天線的耦合信號功率達到可分辨級別，并為接收端設(shè)計一款解決工頻干擾的模擬濾波以及多級放大電路，同時基于現(xiàn)場可編程陣列FPGA實現(xiàn)本通信系統(tǒng)中的數(shù)字調(diào)制、解調(diào)。本系統(tǒng)可用與地下一地下以及地下一地面間的定向無線通信，可作為獨立模塊完成地下傳感器數(shù)據(jù)向地面接受裝置的中短距離無線傳輸。
[0007]該通信系統(tǒng)包括順序連接的發(fā)送端FPGA數(shù)字控制模塊、功率放大及阻抗匹配模塊、小尺寸甚低頻發(fā)射天線、小尺寸甚低頻接收天線、接收端濾波放大模塊、接收端FPGA數(shù)字控制模塊、上位機。發(fā)送端FPGA數(shù)字控制系統(tǒng)和接收端FPGA數(shù)字控制模塊，其包括cyclone II芯片、flash芯片、A\D轉(zhuǎn)換芯片、D\A轉(zhuǎn)換芯片、通道選擇芯片。其中cycloneII芯片為Altera公司的中低端FPGA，用來實現(xiàn)調(diào)制邏輯、D\A接口驅(qū)動邏輯、A\D接口驅(qū)動邏輯、解調(diào)邏輯；flash芯片為外置64M的flash用來存儲接收數(shù)據(jù)；A\D轉(zhuǎn)換芯片為8位A\D轉(zhuǎn)換芯片用來產(chǎn)生調(diào)制后的模擬信號；D\A轉(zhuǎn)換芯片為8位D\A轉(zhuǎn)換芯片用來對接收端放大后的信號進行采樣；通道選擇芯片用來控制D\A采集不同放大倍數(shù)的信號。
[0008]所述功率放大及阻抗匹配模塊是由功率放大電路和阻抗匹配電路構(gòu)成的發(fā)射端模擬電路，其中，功率放大電路由運算放大器進行前級放大，由功率三極管構(gòu)成準(zhǔn)互補輸出級電路以提高電流輸出能力，阻抗匹配電路包括使電路的輸出阻抗與負載電路的輸入阻抗相匹配的變壓器，從而使負載獲得最大功率。
[0009]所述小尺寸甚低頻發(fā)射天線和小尺寸甚低頻接收天線為自身呈感性的矩形線圈，通過與諧振電容串聯(lián)來使發(fā)射和接收回路呈純阻性。所謂小尺寸甚低頻是指尺寸上遠遠小于發(fā)射信號波長，本領(lǐng)域公知的相應(yīng)數(shù)值范圍，比如可設(shè)置發(fā)射天線為邊長0.Sm的矩形線圈，甚低頻在本領(lǐng)域也具有相應(yīng)公知含義。調(diào)制信號經(jīng)過功率放大并進行阻抗匹配后加載到磁感天線所在回路，線圈中交變的電流信號可使發(fā)射線圈近場范圍內(nèi)出現(xiàn)隨信號規(guī)律變化的磁場；接收天線的結(jié)構(gòu)和發(fā)射天線相同，處于發(fā)射天線近場范圍內(nèi)的接收線圈通過交變的磁場感應(yīng)出電動勢，將該微弱信號進行預(yù)放大、有源帶通濾波、多級放大后便可得到調(diào)制信號。由于載流線圈法向磁場強度理論上以距離的三次方規(guī)律衰減，只要控制好發(fā)射端功率以及通信距離，接收線圈耦合到的信號就完全可以經(jīng)濾波放大后識別出來。
[0010]所述接收端濾波放大模塊包括順次連接的預(yù)放大電路、二階高通濾波器、八階有源帶通濾波器、多級放大電路。一般應(yīng)用現(xiàn)場工頻干擾嚴(yán)重，工頻及其大部分奇次諧波都屬于甚低頻范疇，基于磁感原理的接受天線很容易耦合進工頻信號，信號與工頻干擾的信/擾比有時甚至小于-30dB。所以解決工頻及其奇次諧波對信號的干擾是本發(fā)明需要解決的一大技術(shù)難點，而該技術(shù)關(guān)鍵點在于模擬濾波放大電路的設(shè)計。為了達到較好的濾波效果，在本發(fā)明中，可首先磁感天線采用串聯(lián)諧振方式，諧振頻率為信號中心頻率，然后將感應(yīng)信號通過二階無源高通濾波器和八階有源帶通濾波器的級聯(lián)濾波后輸出，從而在有效抑制了工頻干擾的前提下，提取出有用信號。為了提高對接收信號的響應(yīng)時間，放大部分采用多級放大，F(xiàn)PGA控制AD多通道循環(huán)檢測不同級的不同增益的信號，通過幅值檢測算法自動選擇合適的通道，從而有效減少了傳統(tǒng)自增益放大器的增益調(diào)節(jié)時間。
[0011]所述上位機用來監(jiān)測各通道信號波形及相關(guān)參數(shù)，如峰峰值、信號放大倍數(shù)等并進行頻譜、數(shù)字濾波分析。該上位機基于LabView圖形化編程軟件設(shè)計，能通過UART接口接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)，并能實時刷新顯示各通道的波形，具有針對某一通道波形計算出接收功率，實時進行傅里葉變換，并繪制出頻譜圖等功能。該上位機不僅對調(diào)試帶來了極大的便利，也能作為上位機數(shù)據(jù)處理終端。
【專利附圖】

【附圖說明】[0012]圖1是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)總框圖；
圖2是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)發(fā)射端電路圖；
圖3是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)接收端濾波、放大電路圖；
圖4是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)多級放大電路工作原理及數(shù)字處理原理圖；
圖5是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)FPGA與上位機通信示意圖；
圖6是本發(fā)明的地下——地下通信示意圖；
圖7是本發(fā)明的地下——地面通信示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0014]圖1是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)總框圖。如圖所示，通信系統(tǒng)采用線圈磁感方式進行無線通信，解決了傳統(tǒng)甚低頻天線大尺寸和大發(fā)射功率的瓶頸。該通信系統(tǒng)包括順序連接的發(fā)送端FPGA數(shù)字控制模塊、功率放大及阻抗匹配模塊、小尺寸甚低頻發(fā)射天線、小尺寸甚低頻接收天線、接收端濾波放大模塊、接收端FPGA數(shù)字控制模塊、上位機。發(fā)送端FPGA數(shù)字控制模塊將數(shù)字信號調(diào)制轉(zhuǎn)換為模擬信號，該模擬信號經(jīng)功率放大及阻抗匹配模塊加載到小尺寸甚低頻發(fā)射天線，發(fā)射天線中產(chǎn)生的交變電流使周圍的磁場隨信號規(guī)律性變化，小尺寸甚低頻接收天線通過變化的磁場感應(yīng)出信號，感應(yīng)出的信號經(jīng)接收端濾波放大模塊進行選頻放大，放大后的信號再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)接收端FPGA數(shù)字控制模塊處理后發(fā)送到上位機。
[0015]圖2是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)發(fā)射端電路圖。FPGA將信號進行數(shù)字調(diào)制后通過D\A轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過低通濾波器衰減D\A轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的高頻信號，然后將濾波后的信號送往功率放大電路。為了使接收端耦合到的信號達到可檢測級別，需要適當(dāng)增大發(fā)射線圈中的電流從而增強其周圍的磁場強度。為了達到此目的將發(fā)射線圈與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，使發(fā)射電路輸入阻抗接近純阻性，從而使功放能以較小的輸出電壓產(chǎn)生較大的諧振電流，減小了功率放大器的負擔(dān)。
[0016]圖3是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)接收端濾波、放大電路圖。從圖可以看到，和發(fā)射線圈類似，接收線圈同樣與諧振電容構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，不同的是，此處諧振電路的作用是對線圈感應(yīng)到的信號進行初步的選頻，抑制一部分噪聲；諧振電容的上的電壓信號首先經(jīng)高輸入阻抗放大電路進行初級放大以增強信號功率，為了抑制工頻以及其工頻諧波的干擾，接著對信號進行二階無源高通濾波，然后通過有源八階帶通濾波器對信號進一步進行選擇，最后對濾波選頻后的信號進行多級放大。
[0017]圖4是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)多級放大電路工作原理及數(shù)字處理原理圖。傳統(tǒng)可變增益放大器需要一定的調(diào)節(jié)時間來使放大后的信號幅值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，為了提高對接收信號的響應(yīng)時間，本發(fā)明放大部分采用多級放大方式，F(xiàn)PGA通過通道選擇器循環(huán)檢測不同放大倍數(shù)的信號，通過AD采樣進行分析，一旦發(fā)現(xiàn)某個通道出現(xiàn)有效幅度的信號，便立即選定此通道，對從該通道采集的數(shù)據(jù)進行進一步的數(shù)字濾波、解調(diào)得到數(shù)字信號。從而有效減少了傳統(tǒng)自增益放大器的增益調(diào)節(jié)時間。
[0018]圖5是本發(fā)明的地下無線低頻通信系統(tǒng)FPGA與上位機通信示意圖。上位機不僅能在現(xiàn)場調(diào)試中發(fā)揮重要的作用，同時也能在實際應(yīng)用中作為數(shù)據(jù)中心處理FPGA發(fā)送來的地下傳感器數(shù)據(jù)。上位機的主要功能有:實時顯示接收機的接收信號波形，根據(jù)時域波形有效值以及放大倍數(shù)計算出接收信號的功率，對時域信號進行傅里葉變換并顯示出頻域波形，通過可變參數(shù)數(shù)字濾波器對波形進行進一步濾波分析。
[0019]圖6是本發(fā)明的地下——地下通信示意圖。本通信系統(tǒng)可以低功率的實現(xiàn)信號在土壤中傳播，當(dāng)小尺寸天線為邊長0.Sm的矩形線圈時，傳播距離均可達30m，從而進行地下環(huán)境的監(jiān)測。
[0020]圖7是本發(fā)明的地下——地面通信示意圖。本通信系統(tǒng)可以作為獨立模塊應(yīng)用于地下傳感器數(shù)據(jù)向地面接受裝置的中短距離無線傳輸。通過調(diào)整天線角度，本系統(tǒng)作為獨立模塊將地下的采集信號向地上傳輸?shù)木嚯x仍然可達30m，從而完成將地下監(jiān)測信息向地上服務(wù)器匯聚的任務(wù)。
[0021]本發(fā)明所提出的一種基于磁感的低功率電小天線的地下無線低頻通信系統(tǒng)通過采用磁感應(yīng)方式代替電磁波通信方式，解決了傳統(tǒng)甚低頻天線大尺寸、大發(fā)射功率的缺點。根據(jù)天線基本原理，如果采用傳統(tǒng)的電磁波通信方式，甚低頻天線的尺寸需達到幾千米才能將信號有效輻射出去，現(xiàn)有的甚低頻通信便是以較大功率將信號加載到幾千米的天線上來實現(xiàn)信號的發(fā)射。而本發(fā)明中的磁感天線首先在尺寸上遠遠小于發(fā)射信號波長，便于攜帶安裝，并且通過諧振，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場和串聯(lián)電容的電場交替轉(zhuǎn)換，使得能量的實際損耗較小，這種諧振方式也降低了發(fā)射端功放的驅(qū)動功率。
[0022]以上所披露的僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能以此限定本發(fā)明的權(quán)利范圍，依照本發(fā)明申請專利范圍所做的同等變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于低功率電小天線的地下低頻無線通信系統(tǒng)，其特征在于，該通信系統(tǒng)包括順序連接的發(fā)送端FPGA數(shù)字控制模塊、功率放大及阻抗匹配模塊、小尺寸甚低頻發(fā)射天線、小尺寸甚低頻接收天線、接收端濾波放大模塊、接收端FPGA數(shù)字控制模塊、上位機；其中，發(fā)送端FPGA數(shù)字控制模塊將數(shù)字信號調(diào)制轉(zhuǎn)換為模擬信號，該模擬信號經(jīng)功率放大及阻抗匹配模塊加載到小尺寸甚低頻發(fā)射天線，發(fā)射天線中產(chǎn)生的交變電流使周圍的磁場隨信號規(guī)律性變化，小尺寸甚低頻接收天線通過變化的磁場感應(yīng)出信號，感應(yīng)出的信號經(jīng)接收端濾波放大模塊進行選頻放大，放大后的信號再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)接收端FPGA數(shù)字控制模塊處理后發(fā)送到上位機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)送端FPGA數(shù)字控制模塊和接收端FPGA數(shù)字控制模塊是包括cyclone II芯片、flash芯片、A\D轉(zhuǎn)換芯片、D\A轉(zhuǎn)換芯片、通道選擇芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述功率放大及阻抗匹配模塊是由功率放大電路和阻抗匹配電路構(gòu)成的發(fā)射端模擬電路，其中，功率放大電路由運算放大器進行前級放大，由功率三極管構(gòu)成準(zhǔn)互補輸出級電路，阻抗匹配電路包括使電路的輸出阻抗與負載電路的輸入阻抗相匹配的變壓器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述小尺寸甚低頻發(fā)射天線和小尺寸甚低頻接收天線為自身呈感性的矩形線圈，通過與諧振電容串聯(lián)來使發(fā)射和接收回路呈純阻性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述接收端濾波放大模塊包括順次連接的預(yù)放大電路、二階高通濾波器、八階有源帶通濾波器、多級放大電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信系統(tǒng)，其特征在于，所述上位機用來監(jiān)測各通道信號波形及相關(guān)參數(shù)并進行頻譜、數(shù)字濾波分析。
【文檔編號】H01Q7/00GK103441803SQ201310409920
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】馬靜, 黃琪瑋, 張宇璇 申請人:北京科技大學(xué)