一種基於低功率電小天線的地下低頻無線通信系統的製作方法

2023-07-26 18:33:01

一種基於低功率電小天線的地下低頻無線通信系統的製作方法
【專利摘要】本發明提出了一種基於低功率電小天線的地下低頻無線通信系統，該通信系統包括順序連接的發送端FPGA數字控制模塊、功率放大及阻抗匹配模塊、小尺寸甚低頻發射天線、小尺寸甚低頻接收天線、接收端濾波放大模塊、接收端FPGA數字控制模塊、上位機，該系統通過採用磁感應方式代替電磁波通信方式，解決了傳統甚低頻天線大尺寸、大發射功率的缺點，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據向地面接受裝置的中短距離無線傳輸。
【專利說明】一種基於低功率電小天線的地下低頻無線通信系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於低功率電小天線的地下低頻無線通信系統，屬於地表下低頻通信系統集成電路設計的【技術領域】，特別涉及一種實現埋設在土壤中的節點間低頻通信的電小天線(ESA, electrically small antenna)的設計。
【背景技術】
[0002]無線地下傳感器網絡(WUSN)可以實現地下環境的監測，諸如土壤中的水和礦物質的含量，油藏的石油洩漏，板塊運動，山體滑坡以及地震的監測，是目前相當活躍和有前途的研究領域。然而，由於傳輸介質不再是空氣，而是土壤，巖石和水，無線通信對於地下環境來說具有一定的挑戰。對於地下信道，為了繞過巖石等障礙物，技術人員必須使用低頻通信，這使得天線尺寸非常大，不適合埋設在地下。從而導致了使用電磁波(EM)完善的無線信號傳播技術不能很好的在地下環境中工作。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地下通信的研究的重點和難點，也是當前低頻地下通信的研究熱點之
一。[0003]代替傳統的電磁波無線通信，利用感應磁場進行通信，是可以解決地下通信大尺寸天線的關鍵技術之一。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，所以其更適用於頻率低的無線地下傳感器網絡系統。
[0004]目前，地下通信的研究主要集中在礦井區，隧道，地下車庫等地下空曠的環境，並且仍然利用高頻電磁波進行通信，由於技術難度的問題，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)喬治亞理工大學的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，其傳播介質仍然是空氣，並不是將節點埋在土壤中。2)帝國理工大學的R.R.A.Syms對線形和十字形拓撲結構布陣的帶寬，能量密度，不同介質的發射折射等進行理論研究。另外，其學生對其工作進行總結，從其他角度進行仿真，但是都止步於理論分析，並沒有進行實際的實驗。
[0005]通信的天線尺寸大小與具體實現相關，目前通信系統採用電磁波通信方式，由於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，不易於節點的埋設；而支持電磁波通信的系統，應用到土壤中通信時，其發射功率也要求非常大，這需要我們對地下通信問題重新規劃。

【發明內容】

[0006]針對於上述技術缺陷，本發明基於磁感應原理設計一種小尺寸甚低頻磁感電小天線，使僅用較小的發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，並為接收端設計一款解決工頻幹擾的模擬濾波以及多級放大電路，同時基於現場可編程陣列FPGA實現本通信系統中的數字調製、解調。本系統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據向地面接受裝置的中短距離無線傳輸。
[0007]該通信系統包括順序連接的發送端FPGA數字控制模塊、功率放大及阻抗匹配模塊、小尺寸甚低頻發射天線、小尺寸甚低頻接收天線、接收端濾波放大模塊、接收端FPGA數字控制模塊、上位機。發送端FPGA數字控制系統和接收端FPGA數字控制模塊，其包括cyclone II晶片、flash晶片、A\D轉換晶片、D\A轉換晶片、通道選擇晶片。其中cycloneII晶片為Altera公司的中低端FPGA，用來實現調製邏輯、D\A接口驅動邏輯、A\D接口驅動邏輯、解調邏輯；flash晶片為外置64M的flash用來存儲接收數據；A\D轉換晶片為8位A\D轉換晶片用來產生調製後的模擬信號；D\A轉換晶片為8位D\A轉換晶片用來對接收端放大後的信號進行採樣；通道選擇晶片用來控制D\A採集不同放大倍數的信號。
[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成的發射端模擬電路，其中，功率放大電路由運算放大器進行前級放大，由功率三極體構成準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來使發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於發射信號波長，本領域公知的相應數值範圍，比如可設置發射天線為邊長0.Sm的矩形線圈，甚低頻在本領域也具有相應公知含義。調製信號經過功率放大並進行阻抗匹配後加載到磁感天線所在迴路，線圈中交變的電流信號可使發射線圈近場範圍內出現隨信號規律變化的磁場；接收天線的結構和發射天線相同，處於發射天線近場範圍內的接收線圈通過交變的磁場感應出電動勢，將該微弱信號進行預放大、有源帶通濾波、多級放大後便可得到調製信號。由於載流線圈法向磁場強度理論上以距離的三次方規律衰減，只要控制好發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濾波放大後識別出來。
[0010]所述接收端濾波放大模塊包括順次連接的預放大電路、二階高通濾波器、八階有源帶通濾波器、多級放大電路。一般應用現場工頻幹擾嚴重，工頻及其大部分奇次諧波都屬於甚低頻範疇，基於磁感原理的接受天線很容易耦合進工頻信號，信號與工頻幹擾的信/擾比有時甚至小於-30dB。所以解決工頻及其奇次諧波對信號的幹擾是本發明需要解決的一大技術難點，而該技術關鍵點在於模擬濾波放大電路的設計。為了達到較好的濾波效果，在本發明中，可首先磁感天線採用串聯諧振方式，諧振頻率為信號中心頻率，然後將感應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濾波後輸出，從而在有效抑制了工頻幹擾的前提下，提取出有用信號。為了提高對接收信號的響應時間，放大部分採用多級放大，FPGA控制AD多通道循環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自增益放大器的增益調節時間。
[0011]所述上位機用來監測各通道信號波形及相關參數，如峰峰值、信號放大倍數等並進行頻譜、數字濾波分析。該上位機基於LabView圖形化編程軟體設計，能通過UART接口接收FPGA發送的數據，並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，實時進行傅立葉變換，並繪製出頻譜圖等功能。該上位機不僅對調試帶來了極大的便利，也能作為上位機數據處理終端。
【專利附圖】

【附圖說明】[0012]圖1是本發明的地下無線低頻通信系統總框圖；
圖2是本發明的地下無線低頻通信系統發射端電路圖；
圖3是本發明的地下無線低頻通信系統接收端濾波、放大電路圖；
圖4是本發明的地下無線低頻通信系統多級放大電路工作原理及數字處理原理圖；
圖5是本發明的地下無線低頻通信系統FPGA與上位機通信示意圖；
圖6是本發明的地下——地下通信示意圖；
圖7是本發明的地下——地面通信示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0014]圖1是本發明的地下無線低頻通信系統總框圖。如圖所示，通信系統採用線圈磁感方式進行無線通信，解決了傳統甚低頻天線大尺寸和大發射功率的瓶頸。該通信系統包括順序連接的發送端FPGA數字控制模塊、功率放大及阻抗匹配模塊、小尺寸甚低頻發射天線、小尺寸甚低頻接收天線、接收端濾波放大模塊、接收端FPGA數字控制模塊、上位機。發送端FPGA數字控制模塊將數位訊號調製轉換為模擬信號，該模擬信號經功率放大及阻抗匹配模塊加載到小尺寸甚低頻發射天線，發射天線中產生的交變電流使周圍的磁場隨信號規律性變化，小尺寸甚低頻接收天線通過變化的磁場感應出信號，感應出的信號經接收端濾波放大模塊進行選頻放大，放大後的信號再轉換為數位訊號，經接收端FPGA數字控制模塊處理後發送到上位機。
[0015]圖2是本發明的地下無線低頻通信系統發射端電路圖。FPGA將信號進行數字調製後通過D\A轉換為模擬信號，通過低通濾波器衰減D\A轉換中產生的高頻信號，然後將濾波後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，需要適當增大發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射線圈與電容構成串聯諧振電路，使發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生較大的諧振電流，減小了功率放大器的負擔。
[0016]圖3是本發明的地下無線低頻通信系統接收端濾波、放大電路圖。從圖可以看到，和發射線圈類似，接收線圈同樣與諧振電容構成串聯諧振電路，不同的是，此處諧振電路的作用是對線圈感應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幹擾，接著對信號進行二階無源高通濾波，然後通過有源八階帶通濾波器對信號進一步進行選擇，最後對濾波選頻後的信號進行多級放大。
[0017]圖4是本發明的地下無線低頻通信系統多級放大電路工作原理及數字處理原理圖。傳統可變增益放大器需要一定的調節時間來使放大後的信號幅值穩定在一定範圍內，為了提高對接收信號的響應時間，本發明放大部分採用多級放大方式，FPGA通過通道選擇器循環檢測不同放大倍數的信號，通過AD採樣進行分析，一旦發現某個通道出現有效幅度的信號，便立即選定此通道，對從該通道採集的數據進行進一步的數字濾波、解調得到數位訊號。從而有效減少了傳統自增益放大器的增益調節時間。
[0018]圖5是本發明的地下無線低頻通信系統FPGA與上位機通信示意圖。上位機不僅能在現場調試中發揮重要的作用，同時也能在實際應用中作為數據中心處理FPGA發送來的地下傳感器數據。上位機的主要功能有:實時顯示接收機的接收信號波形，根據時域波形有效值以及放大倍數計算出接收信號的功率，對時域信號進行傅立葉變換並顯示出頻域波形，通過可變參數數字濾波器對波形進行進一步濾波分析。
[0019]圖6是本發明的地下——地下通信示意圖。本通信系統可以低功率的實現信號在土壤中傳播，當小尺寸天線為邊長0.Sm的矩形線圈時，傳播距離均可達30m，從而進行地下環境的監測。
[0020]圖7是本發明的地下——地面通信示意圖。本通信系統可以作為獨立模塊應用於地下傳感器數據向地面接受裝置的中短距離無線傳輸。通過調整天線角度，本系統作為獨立模塊將地下的採集信號向地上傳輸的距離仍然可達30m，從而完成將地下監測信息向地上伺服器匯聚的任務。
[0021]本發明所提出的一種基於磁感的低功率電小天線的地下無線低頻通信系統通過採用磁感應方式代替電磁波通信方式，解決了傳統甚低頻天線大尺寸、大發射功率的缺點。根據天線基本原理，如果採用傳統的電磁波通信方式，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信號的發射。而本發明中的磁感天線首先在尺寸上遠遠小於發射信號波長，便於攜帶安裝，並且通過諧振，發射線圈產生的磁場和串聯電容的電場交替轉換，使得能量的實際損耗較小，這種諧振方式也降低了發射端功放的驅動功率。
[0022]以上所披露的僅為本發明的較佳實施例，不能以此限定本發明的權利範圍，依照本發明申請專利範圍所做的同等變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。
【權利要求】
1.一種基於低功率電小天線的地下低頻無線通信系統，其特徵在於，該通信系統包括順序連接的發送端FPGA數字控制模塊、功率放大及阻抗匹配模塊、小尺寸甚低頻發射天線、小尺寸甚低頻接收天線、接收端濾波放大模塊、接收端FPGA數字控制模塊、上位機；其中，發送端FPGA數字控制模塊將數位訊號調製轉換為模擬信號，該模擬信號經功率放大及阻抗匹配模塊加載到小尺寸甚低頻發射天線，發射天線中產生的交變電流使周圍的磁場隨信號規律性變化，小尺寸甚低頻接收天線通過變化的磁場感應出信號，感應出的信號經接收端濾波放大模塊進行選頻放大，放大後的信號再轉換為數位訊號，經接收端FPGA數字控制模塊處理後發送到上位機。
2.根據權利要求1所述的通信系統，其特徵在於，所述發送端FPGA數字控制模塊和接收端FPGA數字控制模塊是包括cyclone II晶片、flash晶片、A\D轉換晶片、D\A轉換晶片、通道選擇晶片。
3.根據權利要求1所述的通信系統，其特徵在於，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成的發射端模擬電路，其中，功率放大電路由運算放大器進行前級放大，由功率三極體構成準互補輸出級電路，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.根據權利要求1所述的通信系統，其特徵在於，所述小尺寸甚低頻發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來使發射和接收回路呈純阻性。
5.根據權利要求1所述的通信系統，其特徵在於，所述接收端濾波放大模塊包括順次連接的預放大電路、二階高通濾波器、八階有源帶通濾波器、多級放大電路。
6.根據權利要求1所述的通信系統，其特徵在於，所述上位機用來監測各通道信號波形及相關參數並進行頻譜、數字濾波分析。
【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 優先權日:2013年9月10日
【發明者】馬靜, 黃琪瑋, 張宇璇 申請人:北京科技大學