低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器、解調(diào)器及調(diào)制方法和解調(diào)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器、解調(diào)器及調(diào)制方法和解調(diào)方法，用于解決現(xiàn)有的低頻磁感通信發(fā)射端的帶寬和Q值的取值相互限制、低頻通信速率低，接收端的硬件解調(diào)方式集成度低、靈活性不高，且軟件解調(diào)方式存在計算量大的問題。本發(fā)明提供的調(diào)制器中，用戶數(shù)據(jù)依次經(jīng)過信道編碼、BPSK數(shù)字調(diào)制、D/A轉(zhuǎn)換和功率放大后輸入至一個第一串聯(lián)諧振回路中，通過在第一串聯(lián)諧振回路的回路電流信號的相位改變的時刻將諧振回路中的第一電容兩端電壓物理性反轉(zhuǎn)以避免回路電流信號衰減。這種調(diào)制器能在保持較高Q值的前提下大大提高調(diào)制信號的帶寬，提高通信速率。
【專利說明】低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器、解調(diào)器及調(diào)制方法和解調(diào)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，尤其涉及一種低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器、 解調(diào)器及調(diào)制方法和解調(diào)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，低頻磁感通信由于其天線尺寸小，傳播過程中不受多徑效應(yīng)，傳播延遲和衰 落的影響而被廣泛應(yīng)用于水下通信和地下通信中。但是低頻頻段的下的信道是一個低速率 信道，如何最有效的利用通信信道是目前低頻通信技術(shù)中的難點。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，低頻磁感通信的發(fā)射端中常見的低頻諧振電路一般需要在帶寬和Q 值之間進行取舍，想要增大諧振帶寬必須以降低電路的Q值為代價，反之亦然，因此一般都 是權(quán)衡后選取合適的帶寬和Q值以滿足通信的條件，帶寬和Q值無法同時取最大值。此外， 低頻磁感通信的接收端進行信號捕獲時，本地副本與前導碼的相關(guān)運算也降低了通信的實 時性，且現(xiàn)有的硬件解調(diào)方式硬件集成度低、解調(diào)靈活性不高，為解決該問題，現(xiàn)有技術(shù)中 提出了軟件解調(diào)的方案，以單片系統(tǒng)取代了復雜的解調(diào)電路，這樣不僅提高了硬件系統(tǒng)的 集成度更增加了解調(diào)的靈活性，但是相比于傳統(tǒng)的電路式硬件解調(diào)，現(xiàn)有的軟件解調(diào)的缺 點在于計算量較大，需要較長的處理時間。
[0004] 綜上所述，現(xiàn)有的低頻磁感通信發(fā)射端的帶寬和Q值的取值相互限制導致低頻通 信速率低，接收端的硬件解調(diào)方式集成度低、靈活性不高，且軟件解調(diào)方式存在計算量大的 問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器、解調(diào)器及調(diào)制方法和解調(diào)方法，用于 解決現(xiàn)有的低頻磁感通信發(fā)射端的帶寬和Q值的取值相互限制導致低頻通信速率低，接收 端的硬件解調(diào)方式集成度低、靈活性不高，且軟件解調(diào)方式存在計算量大的問題。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明首先提供一種低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器，包括：第一 ARM 處理器，移相全橋BPSK調(diào)制電路和低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線；所述移相全橋BPSK調(diào)制電路的輸 入端通過FSMC總線與所述第一 ARM處理器連接，輸出端連接所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線；所 述第一 ARM處理器對用戶數(shù)據(jù)進行信道編碼，得到待發(fā)送的碼元序列并將所述碼元序列經(jīng) FSMC總線發(fā)送給所述移相全橋BPSK調(diào)制電路；所述移相全橋BPSK調(diào)制電路在收到的碼元 序列之前加入前導碼序列01010101并對收到的碼元序列進行修改：每逢0101010便在之后 插入一個0,并將修改后的碼元序列依次進行BPSK數(shù)字調(diào)制、D/A轉(zhuǎn)換和功率放大后得到第 一模擬調(diào)制信號；輸出所述第一模擬調(diào)制信號的端口依次通過一個第一電容和所述低頻磁 感應(yīng)發(fā)射天線組成第一串聯(lián)諧振回路，且所述移相全橋BPSK調(diào)制電路實時判斷所述第一 串聯(lián)諧振回路的回路電流信號的相位是否將發(fā)生180度的改變，若是，則在所述第一串聯(lián) 諧振回路的回路電流信號的相位改變的時刻將所述第一電容兩端電壓物理性反轉(zhuǎn)；所述低 頻磁感應(yīng)發(fā)射天線將流過自身的電流信號轉(zhuǎn)換為低頻磁場信號發(fā)送。
[0007] 優(yōu)選地，所述移相全橋BPSK調(diào)制電路包括：BPSK數(shù)字調(diào)制模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、 功率放大器、第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第四開關(guān)、開關(guān)電路控制模塊、非門邏輯器件 以及所述第一電容；所述BPSK數(shù)字調(diào)制模塊的輸入端通過FSMC總線與所述第一 ARM處理 器連接，輸出端與所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接；所述BPSK數(shù)字調(diào)制模塊在收到的碼元 序列之前加入前導碼序列01010101并對收到的碼元序列進行修改：每逢0101010便在之 后插入一個0 ;并將修改后的碼元序列進行BPSK數(shù)字調(diào)制；所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與 所述功率放大器的輸入端連接；所述功率放大器的輸出端同時與所述第一開關(guān)、第三開關(guān) 的一端連接，所述第一開關(guān)的另一端和第三開關(guān)的另一端通過所述第一電容連接；所述第 一開關(guān)和第一電容的連接端還與所述第二開關(guān)的一端連接，所述第二開關(guān)的另一端與所述 低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線的線圈一端連接，所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線的線圈另一端接地；所述 第三開關(guān)和第一電容的連接端還與所述第四開關(guān)的一端連接，所述第四開關(guān)的另一端連接 所述第二開關(guān)和所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線的線圈連接端；所述開關(guān)電路控制模塊與所述 BPSK數(shù)字調(diào)制模塊連接，且其控制輸出端同時與所述非門邏輯器件的輸入端、第一開關(guān)的 控制端、第四開關(guān)的輸入端連接，所述非門邏輯器件的輸出端同時與所述第二開關(guān)的控制 端和第三開關(guān)的控制端連接；所述開關(guān)電路控制模塊根據(jù)所述BPSK數(shù)字調(diào)制模塊對待發(fā) 送的碼元序列的調(diào)制情況，在所述第一串聯(lián)諧振回路的回路電流信號的相位改變180度的 時刻，將輸出給所述非門邏輯器件的數(shù)字信號進行0-1/1-0切換，以控制所述第一開關(guān)，第 二開關(guān)，第三開關(guān)，第四開關(guān)轉(zhuǎn)變當前開關(guān)狀態(tài)。
[0008] 優(yōu)選地，所述BPSK數(shù)字調(diào)制模塊和開關(guān)電路控制模塊采用FPGA方式實現(xiàn)。
[0009] 優(yōu)選地，所述移相全橋BPSK調(diào)制電路還包括第一電阻、隔離放大電路、第一 A/D轉(zhuǎn) 換模塊和電流零點檢測模塊；所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線的未與所述第二開關(guān)連接的線圈另 一端通過所述第一電阻接地，所述隔離放大電路輸入端連接所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線的線 圈和第一電阻的連接端，輸出端連接所述第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；所述第一 A/D轉(zhuǎn)換模 塊的輸出端連接所述電流零點檢測模塊的輸入端，所述電流零點檢測模塊的輸出端與所述 開關(guān)電路控制模塊連接；所述電流零點檢測模塊通過第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊、隔離放大電路、第 一電阻和低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線所連電路檢測所述第一串聯(lián)諧振回路的回路電流的方向，并 在所述第一串聯(lián)諧振回路的回路電流即將過零時刻通知所述開關(guān)電路控制模塊；所述開關(guān) 電路控制模塊根據(jù)所述電流零點檢測模塊發(fā)來的第一串聯(lián)諧振回路的回路電流即將過零 通知，判斷當前待發(fā)送的信號碼元和剛發(fā)送完的上一碼元是否相同，若否，則在所述第一串 聯(lián)諧振回路的回路電流過零時刻將輸出給所述非門邏輯器件的數(shù)字信號進行0-1/1-0切 換。
[0010] 本發(fā)明還提供一種對應(yīng)于上述低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào) 制器，包括：低頻磁感應(yīng)接收天線、第二電容、阻抗匹配變壓器、有源濾波器、程控放大電路、 第二A/D轉(zhuǎn)換模塊、BPSK解調(diào)模塊和第二ARM處理器；所述低頻磁感應(yīng)接收天線根據(jù)低頻 磁感應(yīng)通信的調(diào)制器發(fā)出的低頻磁場信號形成的交變磁場感應(yīng)出第二模擬電流調(diào)制信號； 所述低頻磁感應(yīng)接收天線、第二電容以及阻抗匹配變壓器的初級線圈串聯(lián)組成第二串聯(lián)諧 振回路，所述阻抗匹配變壓器在所述第二串聯(lián)諧振回路中的等效阻抗呈純阻性且與所述低 頻磁感應(yīng)接收天線內(nèi)阻相等，所述第二串聯(lián)諧振回路用于對所述低頻磁感應(yīng)接收天線輸出 的第二模擬電流調(diào)制信號進行選頻；所述阻抗匹配變壓器的次級線圈輸出的第三模擬電流 調(diào)制信號依次經(jīng)所述有源濾波器濾波，經(jīng)所述程控放大電路進行信號放大，經(jīng)所述第二A/ D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字調(diào)制信號，經(jīng)所述BPSK解調(diào)模塊解調(diào)為數(shù)字解調(diào)信號后發(fā)送給所述 第二ARM處理器進行錯誤檢測，所述第二ARM處理器將正確的數(shù)字解調(diào)信號作為用戶數(shù)據(jù) 提供給用戶；其中，所述BPSK解調(diào)模塊用于解調(diào)前導碼為01010101的信號，所述BPSK解調(diào) 模塊采用FPGA方式實現(xiàn)。
[0011] 優(yōu)選地，所述解調(diào)器中的所述BPSK解調(diào)模塊包括：載波恢復單元、相關(guān)解調(diào)單元、 前導碼識別單元、時鐘采樣單元和門限判斷單元；所述載波恢復單元采用costa環(huán)計算方 法，通過本地載波與所述第二A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字調(diào)制信號的信號載波的相位差對載 波相位進行實時修正，并將修正后的載波發(fā)送給所述相關(guān)解調(diào)單元；所述相關(guān)解調(diào)單元包 括乘法器和FIR低通濾波器，所述乘法器分別和所述第二A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端、所述載波 恢復單元的輸出端以及所述FIR低通濾波器的輸入端連接，所述乘法器對所述載波恢復單 元輸出的載波信號和第二A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字調(diào)制信號進行乘法后發(fā)送給所述FIR低 通濾波器，所述FIR低通濾波器對輸入信號進行濾波得到基帶信號并輸出至所述前導碼識 別單元；所述前導碼識別單元對FIR低通濾波器輸出的基帶信號的前導碼進行識別，以此 得出采樣時鐘的相位并提供給所述時鐘采樣單元和門限判斷單元；所述時鐘采樣單元與所 述載波恢復單元連接，用于根據(jù)所述前導碼識別單元發(fā)來的采樣時鐘的相位，對所述載波 恢復單元輸出的載波信號進行時鐘采樣，得到采樣時鐘的頻率并將其提供給所述門限判斷 單元；所述門限判斷單元利用收到的采樣時鐘的相位和采樣時鐘的頻率，得到采樣時鐘并 以此時鐘對所述基帶信號進行門限判決，解調(diào)出數(shù)字解調(diào)信號。
[0012] 對應(yīng)于本發(fā)明提供的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器，本發(fā)明還提供一種低頻磁感應(yīng)通 信的調(diào)制方法，該方法包括步驟：
[0013] S11 :對用戶數(shù)據(jù)進行信道編碼，得到待發(fā)送的碼元序列；
[0014] S12 :對所述待發(fā)送的碼元序列進行BPSK數(shù)字調(diào)制，且調(diào)制過程中將調(diào)制后的數(shù) 字信號的前導碼設(shè)定為01010101，并對收到的碼元序列進行修改：每逢0101010便在之后 插入一個0,得到BPSK數(shù)字調(diào)制信號；
[0015] S13 :對所述BPSK數(shù)字調(diào)制信號進行D/A轉(zhuǎn)換，得到BPSK模擬調(diào)制信號；
[0016] S14 :對所述BPSK模擬調(diào)制信號進行功率放大得到第一模擬調(diào)制信號；
[0017] S15 :將所述第一模擬調(diào)制信號輸入一由輸出所述第一模擬調(diào)制信號的端口、第一 電容和低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線組成的第一串聯(lián)諧振回路中，并實時判斷所述第一串聯(lián)諧振回 路的回路電流信號的相位是否將發(fā)生180度的改變，若是，則在所述回路電流信號的相位 改變的時刻將所述第一電容兩端電壓物理性反轉(zhuǎn)；
[0018] S16 :所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線將流過自身的電流信號轉(zhuǎn)換為低頻磁場信號發(fā)送。
[0019] 優(yōu)選地，所述低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制方法中，S15中所述判斷所述第一串聯(lián)諧振回 路的回路電流信號的相位是否將發(fā)生180度的改變的方法為：判斷當前待發(fā)送的信號碼元 和剛發(fā)送完的上一碼元是否相同，若否，則所述第一串聯(lián)諧振回路的回路電流信號在碼元 發(fā)生變化時刻附近的電流過零點發(fā)生相移。
[0020] 對應(yīng)于本發(fā)明提供的低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)器，本發(fā)明還提供一種低頻磁感應(yīng)通 信的解調(diào)方法，包括步驟：
[0021] S21 :低頻磁感應(yīng)接收天線根據(jù)低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器發(fā)出的低頻磁場信號形 成的交變磁場感應(yīng)出第二模擬電流調(diào)制信號；
[0022] S22 :對所述第二模擬電流調(diào)制信號進行選頻得到的第三模擬電流調(diào)制信號；
[0023] S23 :對所述第三模擬電流調(diào)制信號依次進行有源濾波、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換，得到 前導碼為01010101的數(shù)字調(diào)制信號；
[0024] S24 :對前導碼為01010101的所述數(shù)字調(diào)制信號進行BPSK解調(diào)，并對解調(diào)得到的 碼元序列進行修改：每遇到01010100便去掉最后的〇,得到數(shù)字解調(diào)信號；
[0025] S25 :對所述數(shù)字解調(diào)信號進行錯誤檢測，并將正確的數(shù)字解調(diào)信號作為用戶數(shù)據(jù) 提供給用戶。
[0026] 優(yōu)選地，上述解調(diào)方法中，S24所述對前導碼為01010101的所述數(shù)字調(diào)制信號進 行BPSK解調(diào)的方法為 ：
[0027] S241 :采用costa環(huán)計算方法，通過本地載波與所述數(shù)字調(diào)制信號的信號載波的 相位差對載波相位進行實時修正；
[0028] S242 :通過將所述數(shù)字調(diào)制信號與S241得到的載波信號進行乘法運算，并將乘法 運算結(jié)果進行FIR低通濾波，恢復出基帶信號；
[0029] S243 :對所述基帶信號的前導碼01010101進行識別，并在每次遇到01010100便去 掉最后的0,最后得出采樣時鐘的相位，并對S241得到的載波信號進行時鐘采樣得到采樣 時鐘的頻率；
[0030] S244 :利用所述采樣時鐘的相位和采樣時鐘的頻率得到采樣時鐘，并以得到的采 樣時鐘對所述基帶信號進行門限判決，并修改碼元，解調(diào)出數(shù)字解調(diào)信號。
[0031] 優(yōu)選地，所述S243中利用有限自動狀態(tài)機對所述基帶信號的前導碼01010101進 行識別，具體識別方法為：
[0032] S31 :設(shè)定狀態(tài)機初始狀態(tài)值為0,表示前導碼待識別，在該狀態(tài)中若識別到基帶 信號的上升沿則進入狀態(tài)1 ;
[0033] S32 :在狀態(tài)1的前提下，若識別到基帶信號的下一個跳變沿為下降沿且與前一個 上升沿的時間間隔為（l-m)T到（l+m)T之間，則進入狀態(tài)2,若與前一個上升沿的時間間隔 超過（l+m)T且無下降沿出現(xiàn)，則返回狀態(tài)0;其中m為固定值且0〈m〈l/2, T為一個碼元周 期；
[0034] S33 :在狀態(tài)2的前提下，若識別到基帶信號的下一個跳變沿為上升沿且與前一個 下降沿的時間間隔為（l-m)T到（l+m)T之間則進入狀態(tài)3,若與前一個下降沿的時間間隔為 超過（1+m)T且無上升沿出現(xiàn)，則返回狀態(tài)0 ;其中m為固定值且0〈m〈l/2, T為一個碼元周 期；
[0035] S34 :重復步驟S32-S33的過程，每次檢測通過則狀態(tài)值增1，否則狀態(tài)值返回0,直 至進入狀態(tài)7,所述基帶信號的前導碼識別成功。
[0036] 優(yōu)選地，所述S31-S34過程中識別基帶信號的跳變沿的方法為：將當前需要識別 的基帶信號的數(shù)據(jù)點標記為第η個點，若當?shù)冢╪-N/2)點到第（n-k)點之間的點為負并低 于設(shè)定的負閾值，且第（n+k)點到第（n+N/2)點間的點為正并高于于設(shè)定的正閾值，則認為 當前需要識別的基帶信號的數(shù)據(jù)點處出現(xiàn)上升沿，并在接下來1/2碼元周期時間內(nèi)暫停識 別基帶信號的跳變沿；其中，k為常數(shù)且0〈k〈N/4, N為一個碼元周期對應(yīng)的采樣點數(shù)。
[0037] 本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：
[0038] 本發(fā)明提供的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器及調(diào)制方法中，將低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線、 第一電容及回路電阻構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，諧振電容（即第一電容）位于"H"橋開關(guān)電路中， 在碼元發(fā)射改變即信號相移時刻，通過"H"橋開關(guān)電路可以控制第一電容在電路中進行反 轉(zhuǎn)，讓信號電壓方向與第一電容的放電方向保持一致，從而避免了電流信號的衰減，使調(diào)制 信號在諧振回路中一直維持在最大諧振狀態(tài)，能在保持較高Q值的前提下大大提高調(diào)制信 號的帶寬，有效的提高了低頻通信的速率，解決了現(xiàn)有的低頻磁感通信發(fā)射端的帶寬和Q 值的取值相互限制以及通信速率低的問題。此外，本發(fā)明提供的相應(yīng)的低頻磁感應(yīng)通信的 解調(diào)器及解調(diào)方法采用數(shù)字解調(diào)方式進行解調(diào)，能快速準確的捕獲前導碼，保證了解調(diào)的 實時性，增加了解調(diào)的靈活性并提高了硬件的集成度，解調(diào)中采用模式識別進行前導碼捕 獲，計算量遠低于傳統(tǒng)的相關(guān)捕獲，有利于整個系統(tǒng)的低功耗設(shè)計。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明實施例提供的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器的其中一種優(yōu)選實時結(jié)構(gòu) 示意圖
[0041] 圖3為圖2所示電路中的移相全橋BPSK調(diào)制過程示意圖；
[0042] 圖4為低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器的另一種優(yōu)選實施結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖5為本發(fā)明提供的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制方法流程圖；
[0044] 圖6為本發(fā)明提供的一種低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖7為圖6所示低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)器的一種優(yōu)選實時結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046] 圖8為本發(fā)明提供的低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)方法流程圖。
[0047] [附圖主要元器件標記說明]
[0048] 1、第一 ARM 處理器；
[0049] 2、移相全橋BPSK調(diào)制電路；
[0050] 3、低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線；
[0051] 4、BPSK數(shù)字調(diào)制模塊；
[0052] 5、D/A轉(zhuǎn)換模塊；
[0053] 6、功率放大器；
[0054] 7、開關(guān)電路控制模塊；
[0055] 8、非門邏輯器件；
[0056] 9、隔離放大電路；
[0057] 10、第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0058] 11、電流零點檢測模塊；
[0059] 12、低頻磁感應(yīng)接收天線；
[0060] 13、阻抗匹配變壓器；
[0061] 14、有源濾波器；
[0062] 15、程控放大電路；
[0063] 16、第二A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0064] 17、BPSK 解調(diào)模塊；
[0065] 18、第二 ARM 處理器；
[0066] 19、載波恢復單元；
[0067] 20、相關(guān)解調(diào)單元；
[0068] 21、前導碼識別單元；
[0069] 22、時鐘采樣單元；
[0070] 23、門限判斷單元；
[0071] 24、乘法器；
[0072] 25、FIR低通濾波器；
[0073] K1、第一開關(guān)；
[0074] K2、第二開關(guān)；
[0075] K3、第三開關(guān)；
[0076] K4、第四開關(guān)；
[0077] C1、第一電容；
[0078] R1、第一電阻；
[0079] C2、第二電容。

【具體實施方式】
[0080] 為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具 體實施例進行詳細描述。
[0081] 圖1所示為本發(fā)明實施例提供的一種低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖 1中所示，該調(diào)制器包括：第一 ARM處理器1，移相全橋BPSK調(diào)制電路2和低頻磁感應(yīng)發(fā)射 天線3。其中，移相全橋BPSK調(diào)制電路2的輸入端通過FSMC總線與第一 ARM處理器1連 接，輸出端連接低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線3。第一 ARM處理器1對用戶數(shù)據(jù)進行信道編碼，得到 待發(fā)送的碼元序列并將碼元序列經(jīng)FSMC總線發(fā)送給移相全橋BPSK調(diào)制電路2,并負責本調(diào) 制器和其他設(shè)備的接口協(xié)議。移相全橋BPSK調(diào)制電路2在收到的碼元序列之前加入前導 碼序列01010101并對收到的碼元序列進行修改：每逢0101010便在之后插入一個〇以避免 出現(xiàn)與前導碼相同的序列，并將修改后的碼元序列依次進行BPSK數(shù)字調(diào)制、D/A轉(zhuǎn)換和功 率放大后得到第一模擬調(diào)制信號；輸出第一模擬調(diào)制信號的端口依次通過一個第一電容和 低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線3組成第一串聯(lián)諧振回路，且移相全橋BPSK調(diào)制電路2實時判斷第一 串聯(lián)諧振回路的回路電流信號的相位是否將發(fā)生180度的改變，若是，則在第一串聯(lián)諧振 回路的回路電流信號的相位改變的時刻將第一電容兩端電壓物理性反轉(zhuǎn)。低頻磁感應(yīng)發(fā)射 天線3將流過自身的電流信號轉(zhuǎn)換為低頻磁場信號發(fā)送。
[0082] 由于傳統(tǒng)的BPSK調(diào)制中，由于發(fā)射端諧振回路限制了帶寬，諧振回路中的電流在 180°相移點會受到衰減，即在串聯(lián)諧振電路工作過程中，能量在電容與電感中來回傳遞， 在回路電流過零時刻，能量全部存儲在諧振回路電容中，而下一時刻電容將進行放電，放電 電流方向與過零前相反，而在BPSK調(diào)制方式下，信號會在電流過零時刻發(fā)生180°相移，導 致功放輸出的信號電壓與電容的電壓方向相反，二者相互抵消后會使回路電流信號衰減。 本發(fā)明中通過在信號相移時刻將第一電容兩端電壓物理性反轉(zhuǎn)，讓第一電容的電壓與信號 電壓方向保持一致，從而實現(xiàn)信號在不衰減的情況下相位得以快速改變，這種通過物理方 式進行調(diào)制的方式能在保持較高Q值的前提下大大提高調(diào)制信號的帶寬。
[0083] 圖2所示為本發(fā)明實施例提供的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器的其中一種優(yōu)選實時 結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2中所示，該低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器中，移相全橋BPSK調(diào)制電路包括： BPSK數(shù)字調(diào)制模塊4、D/A轉(zhuǎn)換模塊5、功率放大器6、第一開關(guān)K1、第二開關(guān)K2、第三開關(guān) K3、第四開關(guān)K4、開關(guān)電路控制模塊7、非門邏輯器件8以及第一電容C1。
[0084] 其中，BPSK數(shù)字調(diào)制模塊4的輸入端通過FSMC總線與第一 ARM處理器1連接，輸 出端與D/A轉(zhuǎn)換模塊5的輸入端連接；BPSK數(shù)字調(diào)制模塊4在收到的碼元序列之前加入前 導碼序列01010101并對收到的碼元序列進行修改：每逢0101010便在之后插入一個〇以避 免出現(xiàn)與前導碼相同的序列，并將修改后的碼元序列進行BPSK數(shù)字調(diào)制，并將調(diào)制后的數(shù) 字信號發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換模塊5。D/A轉(zhuǎn)換模塊5的輸出端與功率放大器6的輸入端連接；功 率放大器6的輸出端同時與第一開關(guān)K1、第三開關(guān)K3的一端連接，第一開關(guān)K1的另一端和 第三開關(guān)K3的另一端通過第一電容C1連接；第一開關(guān)K1和第一電容C1的連接端還與第 二開關(guān)K2的一端連接，第二開關(guān)K2的另一端與低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線3的線圈一端連接，低 頻磁感應(yīng)發(fā)射天線3的線圈另一端接地；第三開關(guān)K3和第一電容C1的連接端還與第四開 關(guān)K4的一端連接，第四開關(guān)K4的另一端連接第二開關(guān)K2和低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線3的線圈 連接端。開關(guān)電路控制模塊7與BPSK數(shù)字調(diào)制模塊4連接，且其控制輸出端同時與非門邏 輯器件8的輸入端、第一開關(guān)K1的控制端、第四開關(guān)K4的輸入端連接，非門邏輯器件8的 輸出端同時與第二開關(guān)K2的控制端和第三開關(guān)K3的控制端連接。開關(guān)電路控制模塊7和 BPSK數(shù)字調(diào)制模塊4連接，并根據(jù)BPSK數(shù)字調(diào)制模塊4對待發(fā)送的碼元序列的調(diào)制情況， 在第一串聯(lián)諧振回路的回路電流信號的相位改變180度的時刻，將輸出給非門邏輯器件8 的數(shù)字信號進行0-1/1-0切換，以控制第一開關(guān)K1，第二開關(guān)K2,第三開關(guān)K3,第四開關(guān)K4 轉(zhuǎn)變當前開關(guān)狀態(tài)。其中，功率放大器6為一種低噪低頻功率放大電路，用以將D/A轉(zhuǎn)換模 塊5輸出的BPSK調(diào)制信號進行功率放大以驅(qū)動發(fā)射天線回路。
[0085] 而由圖2可明顯看出，由于第一開關(guān)K1和第四開關(guān)K4的控制端連接非門邏輯器 件8的輸入端，而第二開關(guān)K2和第三開關(guān)K3連接非門邏輯器件8的輸出端，因此第一開關(guān) K1和第四開關(guān)K4的開關(guān)狀態(tài)永遠一致，第二開關(guān)K2和第三開關(guān)K3的開關(guān)狀態(tài)永遠一致且 與第一開關(guān)K1和第四開關(guān)K4的開關(guān)狀態(tài)相反。與傳統(tǒng)諧振電路不同的是，圖2中的第一 電容位于"H"橋開關(guān)電路中，因此，通過開關(guān)電路控制模塊7和非門邏輯器件8可控制由第 一、第二、第三、第四開關(guān)組成的"H"橋開關(guān)電路，從而實現(xiàn)讓第一電容C1在串聯(lián)諧振回路 電流過零時刻進行快速反轉(zhuǎn)，讓第一電容C1反向放電，實現(xiàn)回路電流的180度相移。
[0086] 圖3是圖2所示電路中的移相全橋BPSK調(diào)制過程示意圖。從圖2中可以看到正 常諧振中諧振電容會依次經(jīng)歷正向充電、反向放電、反向充電、正向放電四個階段，圖2所 示電路中，4個電子開關(guān)的初始狀態(tài)為K1、K4導通，K2、K3斷開，此時第一電容C1正向接入 電路。由于第一次碼元變化發(fā)生在第一電容反向充電結(jié)束后的電流過零時刻，此時功率放 大器6輸出電壓發(fā)生180°相移，此時控制"Η"橋開關(guān)電路切換到Κ1、Κ4斷開，Κ2、Κ3導通， 以使第一電容C1反向接入電路，通過這種物理上的反轉(zhuǎn)操作使回路電流相移180°，從而 人為地讓諧振正常進行下去。
[0087] 優(yōu)選地，如圖2所示，BPSK數(shù)字調(diào)制模塊4和開關(guān)電路控制模塊7采用FPGA方式 實現(xiàn)，且可以實現(xiàn)在同一個FPGA協(xié)處理器中。例如，F(xiàn)PGA協(xié)處理器可以采用Altera公司 的cyclone IV系列芯片。
[0088] 優(yōu)選地，為了使開關(guān)電路控制模塊7能夠更為精確的控制"Η"橋開關(guān)電路中的開 關(guān)切換動作，可以采用對串聯(lián)諧振回路的回路電流的方向進行檢測來進行輔助控制，具體 如圖4的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器的另一種優(yōu)選實施結(jié)構(gòu)示意圖所示，移相全橋BPSK調(diào)制 電路還包括第一電阻R1、隔離放大電路9、第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊10和電流零點檢測模塊11。其 中，低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線3的未與第二開關(guān)Κ2連接的線圈另一端通過第一電阻R1接地，隔 離放大電路9輸入端連接低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線3的線圈和第一電阻R1的連接端，輸出端連 接第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊10的輸入端；第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊10的輸出端連接電流零點檢測模塊 11的輸入端，電流零點檢測模塊11的輸出端與開關(guān)電路控制模塊7連接。圖4中，電流零 點檢測模塊11通過第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊10、隔離放大電路9、第一電阻R1和低頻磁感應(yīng)發(fā)射 天線3所連電路檢測第一串聯(lián)諧振回路的回路電流的方向，并在第一串聯(lián)諧振回路的回路 電流即將過零時刻通知開關(guān)電路控制模塊7。開關(guān)電路控制模塊7根據(jù)電流零點檢測模塊 11發(fā)來的第一串聯(lián)諧振回路的回路電流即將過零通知，判斷當前待發(fā)送的信號碼元和剛發(fā) 送完的上一碼元是否相同，若否，則在第一串聯(lián)諧振回路的回路電流過零時刻將輸出給非 門邏輯器件8的數(shù)字信號進行0-1/1-0切換。
[0089] 對應(yīng)于本發(fā)明提供的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制端，本發(fā)明還提供一種低頻磁感應(yīng)通 信的調(diào)制方法，如圖5所示，本發(fā)明提供的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制方法包括步驟：
[0090] S11 :對用戶數(shù)據(jù)進行信道編碼，得到待發(fā)送的碼元序列；
[0091] S12 :對待發(fā)送的碼元序列進行BPSK數(shù)字調(diào)制，且調(diào)制過程中將調(diào)制后的數(shù)字信 號的前導碼設(shè)定為01010101，并對收到的碼元序列進行修改：每逢0101010便在之后插入 一個0,得到BPSK數(shù)字調(diào)制信號；
[0092] S13 :對BPSK數(shù)字調(diào)制信號進行D/A轉(zhuǎn)換，得到BPSK模擬調(diào)制信號；
[0093] S14 :對BPSK模擬調(diào)制信號進行功率放大得到第一模擬調(diào)制信號；
[0094] S15 :將第一模擬調(diào)制信號輸入一由輸出第一模擬調(diào)制信號的端口、第一電容和低 頻磁感應(yīng)發(fā)射天線組成的第一串聯(lián)諧振回路中，并實時判斷第一串聯(lián)諧振回路的回路電流 信號的相位是否將發(fā)生180度的改變，若是，則在回路電流信號的相位改變的時刻將第一 電容兩端電壓物理性反轉(zhuǎn)；
[0095] S16:低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線將流過自身的電流信號轉(zhuǎn)換為低頻磁場信號發(fā)送。
[0096] 優(yōu)選地，上述低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制方法中，步驟S15中判斷第一串聯(lián)諧振回路 的回路電流信號的相位是否將發(fā)生180度的改變的方法為：判斷當前待發(fā)送的信號碼元和 剛發(fā)送完的上一碼元是否相同，若否，則第一串聯(lián)諧振回路的回路電流信號在碼元發(fā)生變 化時刻附近的電流過零點發(fā)生相移。
[0097] 對應(yīng)于本發(fā)明實施例提供的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器，本發(fā)明實施例還提供一種 如圖6所示的低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)器，該解調(diào)器包括：低頻磁感應(yīng)接收天線12、第二電容 C2、阻抗匹配變壓器13、有源濾波器14、程控放大電路15、第二A/D轉(zhuǎn)換模塊16、BPSK解調(diào) 模塊17和第二ARM處理器18。
[0098] 圖6所示低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)器中，低頻磁感應(yīng)接收天線12根據(jù)低頻磁感應(yīng)通 信的調(diào)制器發(fā)出的低頻磁場信號形成的交變磁場感應(yīng)出第二模擬電流調(diào)制信號。低頻磁感 應(yīng)接收天線12、第二電容C2以及阻抗匹配變壓器13的初級線圈串聯(lián)組成第二串聯(lián)諧振回 路。第二串聯(lián)諧振回路用于對低頻磁感應(yīng)接收天線12輸出的第二模擬電流調(diào)制信號進行 選頻，以抑制一部分噪聲，阻抗匹配變壓器13在第二串聯(lián)諧振回路中的等效阻抗呈純阻性 且與低頻磁感應(yīng)接收天線12內(nèi)阻相等，從而達到放大電路與諧振電路間的阻抗匹配，從而 將接收的信號以最大功率耦合到后級電路。阻抗匹配變壓器13的次級線圈輸出的第三模 擬電流調(diào)制信號依次經(jīng)有源濾波器14濾波，經(jīng)程控放大電路15進行信號放大后發(fā)送給第 二A/D轉(zhuǎn)換模塊16進行A/D轉(zhuǎn)換。這是由于在實際通信中，隨著發(fā)射功率和通信距離的改 變，接收到的信號功率也會發(fā)生變化，如果直接進行A/D轉(zhuǎn)換，則當信號越微弱量化誤差所 帶來的影響越大，為了忽略量化誤差，應(yīng)在A/D轉(zhuǎn)換之前將信號放大到某個穩(wěn)定的幅值，因 此此處在有源濾波器14和第二A/D轉(zhuǎn)換模塊16之間設(shè)置程控放大電路15。隨后，第二A/ D轉(zhuǎn)換模塊16將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字調(diào)制信號，再經(jīng)BPSK解調(diào)模塊17解調(diào)為數(shù)字 解調(diào)信號后發(fā)送給第二ARM處理器18進行錯誤檢測，最終第二ARM處理器18將正確的數(shù)字 解調(diào)信號作為用戶數(shù)據(jù)提供給用戶。其中，BPSK解調(diào)模塊17用于解調(diào)前導碼為01010101 的信號，優(yōu)選地，BPSK解調(diào)模塊17采用FPGA協(xié)處理器方式實現(xiàn)，且FPGA協(xié)處理器還可根 據(jù)當前信號幅值來實時調(diào)節(jié)程控放大電路15的信號放大倍數(shù)，以使信號幅值穩(wěn)定在一定 的范圍內(nèi)。
[0099] 圖7為圖6所示低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)器的一種優(yōu)選實時結(jié)構(gòu)示意圖，其中，BPSK 解調(diào)模塊17包括：載波恢復單元19、相關(guān)解調(diào)單元20、前導碼識別單元21、時鐘采樣單元 22和門限判斷單元23。其中，
[0100] 載波恢復單元19采用costa環(huán)計算方法，通過本地載波與第二A/D轉(zhuǎn)換模塊16 輸出的數(shù)字調(diào)制信號的信號載波的相位差對載波相位進行實時修正，并將修正后的載波發(fā) 送給相關(guān)解調(diào)單元20。
[0101] 相關(guān)解調(diào)單元20包括乘法器24和FIR低通濾波器25,乘法器24分別和第二A/D 轉(zhuǎn)換模塊16的輸出端、載波恢復單兀19的輸出端以及FIR低通濾波器25的輸入端連接， 乘法器24對載波恢復單元19輸出的載波信號和第二A/D轉(zhuǎn)換模塊16輸出的數(shù)字調(diào)制信 號進行乘法后發(fā)送給FIR低通濾波器25, FIR低通濾波器25對輸入信號進行濾波得到基帶 信號并輸出至前導碼識別單元21。
[0102] 前導碼識別單元21對FIR低通濾波器25輸出的基帶信號的前導碼進行識別，以 此得出采樣時鐘的相位并提供給時鐘采樣單元22和門限判斷單元23。
[0103] 時鐘采樣單元22與載波恢復單元19連接，用于根據(jù)前導碼識別單元21發(fā)來的采 樣時鐘的相位，對載波恢復單元19輸出的載波信號進行時鐘采樣，得到采樣時鐘的頻率并 將其提供給門限判斷單元23。
[0104] 門限判斷單元23利用收到的采樣時鐘的相位和采樣時鐘的頻率，得到采樣時鐘 并以此時鐘對基帶信號進行門限判決，解調(diào)出數(shù)字解調(diào)信號。
[0105] 對應(yīng)于本發(fā)明提供的低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)器，本發(fā)明實施例還提供一種低頻磁 感應(yīng)通信的解調(diào)方法，如圖8所示為這種低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)方法流程圖，包括步驟：
[0106] S21 :低頻磁感應(yīng)接收天線根據(jù)低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器發(fā)出的低頻磁場信號形 成的交變磁場感應(yīng)出第二模擬電流調(diào)制信號；
[0107] S22 :對第二模擬電流調(diào)制信號進行選頻得到的第三模擬電流調(diào)制信號；
[0108] S23 :對第三模擬電流調(diào)制信號依次進行有源濾波、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換，得到前導 碼為01010101的數(shù)字調(diào)制信號；
[0109] S24 :對前導碼為01010101的數(shù)字調(diào)制信號進行BPSK解調(diào)，并對解調(diào)得到的碼元 序列進行修改：每遇到01010100便去掉最后的〇,得到數(shù)字解調(diào)信號；
[0110] S25:對數(shù)字解調(diào)信號進行錯誤檢測，并將正確的數(shù)字解調(diào)信號作為用戶數(shù)據(jù)提供 給用戶。
[0111] 優(yōu)選地，圖8所示方法中，步驟S24中對前導碼為01010101的數(shù)字調(diào)制信號進行 BPSK解調(diào)的方法為：
[0112] S241 :采用costa環(huán)計算方法，通過本地載波與數(shù)字調(diào)制信號的信號載波的相位 差對載波相位進行實時修正；
[0113] S242 :通過將數(shù)字調(diào)制信號與S241得到的載波信號進行乘法運算，并將乘法運算 結(jié)果進行FIR低通濾波，恢復出基帶信號；
[0114] S243 :對基帶信號的前導碼01010101進行識別，并在每次遇到01010100便去掉最 后的〇,最后得出采樣時鐘的相位，并對S241得到的載波信號進行時鐘采樣得到采樣時鐘 的頻率；
[0115] S244 :利用采樣時鐘的相位和采樣時鐘的頻率得到采樣時鐘，并以得到的采樣時 鐘對基帶信號進行門限判決，解調(diào)出數(shù)字解調(diào)信號。
[0116] 優(yōu)選地，步驟S243中利用有限自動狀態(tài)機對基帶信號的前導碼01010101進行識 另IJ，具體識別方法包括以下步驟：
[0117] S31 :設(shè)定狀態(tài)機初始狀態(tài)值為0,表示前導碼待識別，在該狀態(tài)中若識別到基帶 信號的上升沿則進入狀態(tài)1 ;
[0118] S32 :在狀態(tài)1的前提下，若識別到基帶信號的下一個跳變沿為下降沿且與前一個 上升沿的時間間隔為（l-m)T到（l+m)T之間，則進入狀態(tài)2,若與前一個上升沿的時間間隔 超過（1+m)T且無下降沿出現(xiàn)，則返回狀態(tài)0 ;其中m為固定值且0〈m〈l/2, T為一個碼元周 期；
[0119] S33 :在狀態(tài)2的前提下，若識別到基帶信號的下一個跳變沿為上升沿且與前一個 下降沿的時間間隔為（l-m)T到（l+m)T之間則進入狀態(tài)3,若與前一個下降沿的時間間隔為 超過（l+m)T且無上升沿出現(xiàn)，則返回狀態(tài)0;其中m為固定值且0〈m〈l/2, T為一個碼元周 期；
[0120] S34 :重復步驟S32-S33的過程，每次檢測通過則狀態(tài)值增1，否則狀態(tài)值返回0,直 至進入狀態(tài)7,基帶信號的前導碼識別成功。
[0121] 優(yōu)選地，S31-S34過程中識別基帶信號的跳變沿的方法為：將當前需要識別的基 帶信號的數(shù)據(jù)點標記為第η個點，若當?shù)冢╪-N/2)點到第（n-k)點之間的點為負并低于設(shè) 定的負閾值，且第（n+k)點到第（n+N/2)點間的點為正并高于于設(shè)定的正閾值，則認為當前 需要識別的基帶信號的數(shù)據(jù)點處出現(xiàn)上升沿，并在接下來1/2碼元周期時間內(nèi)暫停識別基 帶信號的跳變沿；其中，k為常數(shù)且0〈k〈N/4, N為一個碼元周期對應(yīng)的采樣點數(shù)。
[0122] 本發(fā)明提供的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器及調(diào)制方法中，將低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線、 第一電容及回路電阻構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，諧振電容（即第一電容）位于"H"橋開關(guān)電路中， 在碼元發(fā)射改變即信號相移時刻，通過"H"橋開關(guān)電路可以控制第一電容在電路中進行反 轉(zhuǎn)，讓信號電壓方向與第一電容的放電方向保持一致，從而避免了電流信號的衰減，使調(diào)制 信號在諧振回路中一直維持在最大諧振狀態(tài)，能在保持較高Q值的前提下大大提高調(diào)制信 號的帶寬，有效的提高了低頻通信的速率，解決了現(xiàn)有的低頻磁感通信發(fā)射端的帶寬和Q 值的取值相互限制以及通信速率低的問題。此外，本發(fā)明提供的相應(yīng)的低頻磁感應(yīng)通信的 解調(diào)器及解調(diào)方法采用數(shù)字解調(diào)方式進行解調(diào)，能快速準確的捕獲前導碼，保證了解調(diào)的 實時性，增加了解調(diào)的靈活性并提高了硬件的集成度，解調(diào)中采用模式識別進行前導碼捕 獲，計算量遠低于傳統(tǒng)的相關(guān)捕獲，有利于整個系統(tǒng)的低功耗設(shè)計。
[0123] 以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器，其特征在于，包括：第一 ARM處理器，移相全橋BPSK 調(diào)制電路和低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線；所述移相全橋BPSK調(diào)制電路的輸入端通過FSMC總線與 所述第一 ARM處理器連接，輸出端連接所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線； 所述第一 ARM處理器對用戶數(shù)據(jù)進行信道編碼，得到待發(fā)送的碼元序列并將所述碼元 序列經(jīng)FSMC總線發(fā)送給所述移相全橋BPSK調(diào)制電路； 所述移相全橋BPSK調(diào)制電路在收到的碼元序列之前加入前導碼序列01010101并對收 到的碼元序列進行修改：每逢0101010便在之后插入一個0,并將修改后的碼元序列依次進 行BPSK數(shù)字調(diào)制、D/A轉(zhuǎn)換和功率放大后得到第一模擬調(diào)制信號；輸出所述第一模擬調(diào)制 信號的端口依次通過一個第一電容和所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線組成第一串聯(lián)諧振回路，且 所述移相全橋BPSK調(diào)制電路實時判斷所述第一串聯(lián)諧振回路的回路電流信號的相位是否 將發(fā)生180度的改變，若是，則在所述第一串聯(lián)諧振回路的回路電流信號的相位改變的時 刻將所述第一電容兩端電壓物理性反轉(zhuǎn)； 所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線將流過自身的電流信號轉(zhuǎn)換為低頻磁場信號發(fā)送。
2. 如權(quán)利要求1所述的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器，其特征在于，所述移相全橋BPSK調(diào) 制電路包括：BPSK數(shù)字調(diào)制模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、功率放大器、第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開 關(guān)、第四開關(guān)、開關(guān)電路控制模塊、非門邏輯器件以及所述第一電容； 所述BPSK數(shù)字調(diào)制模塊的輸入端通過FSMC總線與所述第一 ARM處理器連接，輸出端 與所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接；所述BPSK數(shù)字調(diào)制模塊在收到的碼元序列之前加入前 導碼序列01010101并對收到的碼元序列進行修改：每逢0101010便在之后插入一個〇 ;并 將修改后的碼元序列進行BPSK數(shù)字調(diào)制； 所述D/A轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與所述功率放大器的輸入端連接；所述功率放大器的輸 出端同時與所述第一開關(guān)、第三開關(guān)的一端連接，所述第一開關(guān)的另一端和第三開關(guān)的另 一端通過所述第一電容連接；所述第一開關(guān)和第一電容的連接端還與所述第二開關(guān)的一端 連接，所述第二開關(guān)的另一端與所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線的線圈一端連接，所述低頻磁感 應(yīng)發(fā)射天線的線圈另一端接地；所述第三開關(guān)和第一電容的連接端還與所述第四開關(guān)的一 端連接，所述第四開關(guān)的另一端連接所述第二開關(guān)和所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線的線圈連接 端； 所述開關(guān)電路控制模塊與所述BPSK數(shù)字調(diào)制模塊連接，且其控制輸出端同時與所述 非門邏輯器件的輸入端、第一開關(guān)的控制端、第四開關(guān)的輸入端連接，所述非門邏輯器件的 輸出端同時與所述第二開關(guān)的控制端和第三開關(guān)的控制端連接； 所述開關(guān)電路控制模塊根據(jù)所述BPSK數(shù)字調(diào)制模塊對待發(fā)送的碼元序列的調(diào)制情 況，在所述第一串聯(lián)諧振回路的回路電流信號的相位改變180度的時刻，將輸出給所述非 門邏輯器件的數(shù)字信號進行0-1/1-0切換，以控制所述第一開關(guān)，第二開關(guān)，第三開關(guān)，第 四開關(guān)轉(zhuǎn)變當前開關(guān)狀態(tài)。
3. 如權(quán)利要求2所述的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器，其特征在于，所述BPSK數(shù)字調(diào)制模 塊和開關(guān)電路控制模塊采用FPGA方式實現(xiàn)。
4. 如權(quán)利要求3所述的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器，其特征在于，所述移相全橋BPSK調(diào) 制電路還包括第一電阻、隔離放大電路、第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊和電流零點檢測模塊；所述低頻 磁感應(yīng)發(fā)射天線的未與所述第二開關(guān)連接的線圈另一端通過所述第一電阻接地，所述隔離 放大電路輸入端連接所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線的線圈和第一電阻的連接端，輸出端連接所 述第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；所述第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接所述電流零點檢測模 塊的輸入端，所述電流零點檢測模塊的輸出端與所述開關(guān)電路控制模塊連接； 所述電流零點檢測模塊通過第一 A/D轉(zhuǎn)換模塊、隔離放大電路、第一電阻和低頻磁感 應(yīng)發(fā)射天線所連電路檢測所述第一串聯(lián)諧振回路的回路電流的方向，并在所述第一串聯(lián)諧 振回路的回路電流即將過零時刻通知所述開關(guān)電路控制模塊； 所述開關(guān)電路控制模塊根據(jù)所述電流零點檢測模塊發(fā)來的第一串聯(lián)諧振回路的回路 電流即將過零通知，判斷當前待發(fā)送的信號碼元和剛發(fā)送完的上一碼元是否相同，若否，則 在所述第一串聯(lián)諧振回路的回路電流過零時刻將輸出給所述非門邏輯器件的數(shù)字信號進 行0-1/1-0切換。
5. -種低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)器，其特征在于，包括：低頻磁感應(yīng)接收天線、第二電 容、阻抗匹配變壓器、有源濾波器、程控放大電路、第二A/D轉(zhuǎn)換模塊、BPSK解調(diào)模塊和第二 ARM處理器； 所述低頻磁感應(yīng)接收天線根據(jù)低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器發(fā)出的低頻磁場信號形成的 交變磁場感應(yīng)出第二模擬電流調(diào)制信號； 所述低頻磁感應(yīng)接收天線、第二電容以及阻抗匹配變壓器的初級線圈串聯(lián)組成第二串 聯(lián)諧振回路，所述阻抗匹配變壓器在所述第二串聯(lián)諧振回路中的等效阻抗呈純阻性且與所 述低頻磁感應(yīng)接收天線內(nèi)阻相等，所述第二串聯(lián)諧振回路用于對所述低頻磁感應(yīng)接收天線 輸出的第二模擬電流調(diào)制信號進行選頻； 所述阻抗匹配變壓器的次級線圈輸出的第三模擬電流調(diào)制信號依次經(jīng)所述有源濾波 器濾波，經(jīng)所述程控放大電路進行信號放大，經(jīng)所述第二A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字調(diào)制信 號，經(jīng)所述BPSK解調(diào)模塊解調(diào)為數(shù)字解調(diào)信號后發(fā)送給所述第二ARM處理器進行錯誤檢 測，所述第二ARM處理器將正確的數(shù)字解調(diào)信號作為用戶數(shù)據(jù)提供給用戶； 其中，所述BPSK解調(diào)模塊用于解調(diào)前導碼為01010101的信號，所述BPSK解調(diào)模塊采 用FPGA方式實現(xiàn)。
6. 如權(quán)利要求5所述的低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)器，其特征在于，所述BPSK解調(diào)模塊包 括：載波恢復單元、相關(guān)解調(diào)單元、前導碼識別單元、時鐘采樣單元和門限判斷單元； 所述載波恢復單元采用costa環(huán)計算方法，通過本地載波與所述第二A/D轉(zhuǎn)換模塊輸 出的數(shù)字調(diào)制信號的信號載波的相位差對載波相位進行實時修正，并將修正后的載波發(fā)送 給所述相關(guān)解調(diào)單元； 所述相關(guān)解調(diào)單元包括乘法器和FIR低通濾波器，所述乘法器分別和所述第二A/D轉(zhuǎn) 換模塊的輸出端、所述載波恢復單元的輸出端以及所述FIR低通濾波器的輸入端連接，所 述乘法器對所述載波恢復單元輸出的載波信號和第二A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字調(diào)制信號 進行乘法后發(fā)送給所述FIR低通濾波器，所述FIR低通濾波器對輸入信號進行濾波得到基 帶信號并輸出至所述前導碼識別單元； 所述前導碼識別單元對FIR低通濾波器輸出的基帶信號的前導碼進行識別，以此得出 采樣時鐘的相位并提供給所述時鐘采樣單元和門限判斷單元； 所述時鐘采樣單元與所述載波恢復單元連接，用于根據(jù)所述前導碼識別單元發(fā)來的采 樣時鐘的相位，對所述載波恢復單元輸出的載波信號進行時鐘采樣，得到采樣時鐘的頻率 并將其提供給所述門限判斷單元； 所述門限判斷單元利用收到的采樣時鐘的相位和采樣時鐘的頻率，得到采樣時鐘并以 此時鐘對所述基帶信號進行門限判決，解調(diào)出數(shù)字解調(diào)信號。
7. -種低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制方法，其特征在于，包括步驟： 511 :對用戶數(shù)據(jù)進行信道編碼，得到待發(fā)送的碼元序列； 512 :對所述待發(fā)送的碼元序列進行BPSK數(shù)字調(diào)制，且調(diào)制過程中將調(diào)制后的數(shù)字信 號的前導碼設(shè)定為01010101，并對收到的碼元序列進行修改：每逢0101010便在之后插入 一個0,得到BPSK數(shù)字調(diào)制信號； 513 :對所述BPSK數(shù)字調(diào)制信號進行D/A轉(zhuǎn)換，得到BPSK模擬調(diào)制信號； 514 :對所述BPSK模擬調(diào)制信號進行功率放大得到第一模擬調(diào)制信號； 515 :將所述第一模擬調(diào)制信號輸入一由輸出所述第一模擬調(diào)制信號的端口、第一電容 和低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線組成的第一串聯(lián)諧振回路中，并實時判斷所述第一串聯(lián)諧振回路的 回路電流信號的相位是否將發(fā)生180度的改變，若是，則在所述回路電流信號的相位改變 的時刻將所述第一電容兩端電壓物理性反轉(zhuǎn)； 516 :所述低頻磁感應(yīng)發(fā)射天線將流過自身的電流信號轉(zhuǎn)換為低頻磁場信號發(fā)送。
8. 如權(quán)利要求7所述的低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制方法，其特征在于，S15中所述判斷所述 第一串聯(lián)諧振回路的回路電流信號的相位是否將發(fā)生180度的改變的方法為：判斷當前待 發(fā)送的信號碼元和剛發(fā)送完的上一碼元是否相同，若否，則所述第一串聯(lián)諧振回路的回路 電流信號在碼元發(fā)生變化時刻附近的電流過零點發(fā)生相移。
9. 一種低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)方法，其特征在于，包括步驟： 521 :低頻磁感應(yīng)接收天線根據(jù)低頻磁感應(yīng)通信的調(diào)制器發(fā)出的低頻磁場信號形成的 交變磁場感應(yīng)出第二模擬電流調(diào)制信號； 522 :對所述第二模擬電流調(diào)制信號進行選頻得到的第三模擬電流調(diào)制信號； 523 :對所述第三模擬電流調(diào)制信號依次進行有源濾波、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換，得到前導 碼為01010101的數(shù)字調(diào)制信號； 524 :對前導碼為01010101的所述數(shù)字調(diào)制信號進行BPSK解調(diào)，并對解調(diào)得到的碼元 序列進行修改：每遇到01010100便去掉最后的〇,得到數(shù)字解調(diào)信號； 525 :對所述數(shù)字解調(diào)信號進行錯誤檢測，并將正確的數(shù)字解調(diào)信號作為用戶數(shù)據(jù)提供 給用戶。
10. 如權(quán)利要求9所述的低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)方法，其特征在于，S24所述對前導碼 為01010101的所述數(shù)字調(diào)制信號進行BPSK解調(diào)的方法為 ： 5241 :采用costa環(huán)計算方法，通過本地載波與所述數(shù)字調(diào)制信號的信號載波的相位 差對載波相位進行實時修正； 5242 :通過將所述數(shù)字調(diào)制信號與S241得到的載波信號進行乘法運算，并將乘法運算 結(jié)果進行FIR低通濾波，恢復出基帶信號； 5243 :對所述基帶信號的前導碼01010101進行識別，并在每次遇到01010100便去掉最 后的〇,最后得出采樣時鐘的相位，并對S241得到的載波信號進行時鐘采樣得到采樣時鐘 的頻率； S244:利用所述采樣時鐘的相位和采樣時鐘的頻率得到采樣時鐘，并以得到的采樣時 鐘對所述基帶信號進行門限判決，并修改碼元，解調(diào)出數(shù)字解調(diào)信號。
11. 如權(quán)利要求10所述的低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)方法，其特征在于，所述S243中利用 有限自動狀態(tài)機對所述基帶信號的前導碼01010101進行識別，具體識別方法為： 531 :設(shè)定狀態(tài)機初始狀態(tài)值為0,表示前導碼待識別，在該狀態(tài)中若識別到基帶信號 的上升沿則進入狀態(tài)1 ; 532 :在狀態(tài)1的前提下，若識別到基帶信號的下一個跳變沿為下降沿且與前一個上升 沿的時間間隔為（l-m)T到（l+m)T之間，則進入狀態(tài)2,若與前一個上升沿的時間間隔超過 (1+m)T且無下降沿出現(xiàn)，則返回狀態(tài)0 ;其中m為固定值且0〈m〈l/2, T為一個碼元周期； 533 :在狀態(tài)2的前提下，若識別到基帶信號的下一個跳變沿為上升沿且與前一個下降 沿的時間間隔為（l-m)T到（l+m)T之間則進入狀態(tài)3,若與前一個下降沿的時間間隔為超過 (1+m)T且無上升沿出現(xiàn)，則返回狀態(tài)0 ;其中m為固定值且0〈m〈l/2, T為一個碼元周期； 534 :重復步驟S32-S33的過程，每次檢測通過則狀態(tài)值增1，否則狀態(tài)值返回0,直至進 入狀態(tài)7,所述基帶信號的前導碼識別成功。
12. 如權(quán)利要求11所述的低頻磁感應(yīng)通信的解調(diào)方法，其特征在于，所述S31-S34過 程中識別基帶信號的跳變沿的方法為：將當前需要識別的基帶信號的數(shù)據(jù)點標記為第η個 點，若當?shù)冢é?Ν/2)點到第（n-k)點之間的點為負并低于設(shè)定的負閾值，且第（n+k)點到第 (n+N/2)點間的點為正并高于于設(shè)定的正閾值，則認為當前需要識別的基帶信號的數(shù)據(jù)點 處出現(xiàn)上升沿，并在接下來1/2碼元周期時間內(nèi)暫停識別基帶信號的跳變沿；其中，k為常 數(shù)且0〈k〈N/4, N為一個碼元周期對應(yīng)的采樣點數(shù)。
【文檔編號】H04L27/22GK104113501SQ201410276980
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】張曉彤, 黃琪瑋, 馬靜, 徐金梧 申請人:北京科技大學