基于FPGA的微型化低頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳海洋，張曙霞，蔣宇中，王永斌，林朋飛，彭 丹

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033)

基于FPGA的微型化低頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳海洋，張曙霞，蔣宇中，王永斌，林朋飛，彭 丹

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430033)

針對(duì)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(hào)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(dòng)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。

FPGA；低頻無線通信；微弱信號(hào)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(huì)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(duì)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(zhǎng)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(hào)湮沒在噪聲之中。因而，相對(duì)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(hào)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(hào)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。

圖1 應(yīng)用于煤礦應(yīng)急救援通信背景下的低頻通信系統(tǒng)

1 低頻通信系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(huì)被FPGA硬件電路捕獲，然后進(jìn)行編碼、MFSK調(diào)制、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換，生成發(fā)射信號(hào)，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。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

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(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)。為了使有用的信號(hào)得到放大，同時(shí)又把其他無用的干擾信號(hào)抑制掉，采用選頻網(wǎng)絡(luò)來限制帶寬。之后信號(hào)通過一個(gè)低噪放大器，將信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，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(duì)采樣后的數(shù)字信號(hào)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(hào)處理的速率，使用FPGA模塊進(jìn)行濾波、MFSK信號(hào)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(tái)要對(duì)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(dòng)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(cè)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(tái)主要由前置部分、A/D數(shù)據(jù)采集部分、信號(hào)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(dòng)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(duì)數(shù)字信號(hào)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(huì)自動(dòng)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(hào)處理

低頻信號(hào)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(duì)信號(hào)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(hào)頻率以保證接收信號(hào)信噪比的同時(shí)，還要采用合理有效的弱信號(hào)檢測(cè)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(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。通信信號(hào)處理技術(shù)針對(duì)微弱的接受信號(hào)，采用合理高效的弱信號(hào)檢測(cè)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(hào)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(hào)處理技術(shù)針對(duì)低頻信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)信號(hào)濾波、調(diào)制解調(diào)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使低頻信號(hào)能穩(wěn)定地傳送。

圖3 低頻通信接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

圖4 低噪放大器電路原理圖

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(hào)經(jīng)過前置電路放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再由FPGA進(jìn)行噪聲消除等處理，提高接收信號(hào)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(hào)能夠被地面接收，每一個(gè)信號(hào)重復(fù)發(fā)送10遍。由于長(zhǎng)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(hào)時(shí)，采用載波監(jiān)聽隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)信道的方式互相錯(cuò)讓發(fā)送時(shí)隙。

圖5 FPGA內(nèi)部功能框圖

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(chǎng)能量因焦耳損耗而散失嚴(yán)重，但磁場(chǎng)能量損耗相對(duì)較小。針對(duì)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(chǎng)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(huì)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(duì)接收端的微弱信號(hào)，設(shè)計(jì)了圖6所示的高靈敏度接收天線，由低頻信號(hào)接收天線和參考噪聲接收天線兩部分組成。低頻信號(hào)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(hào)接收天線可等效為不同直徑的線圈，對(duì)不同頻率的信號(hào)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(hào)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(hào)。天線接收到的兩路信號(hào)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(duì)本文提出的微型化、可移動(dòng)低頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試中，為了更好地研究各類噪聲干擾、通信信號(hào)的頻率、通信距離等因素對(duì)低頻通信系統(tǒng)的抗噪聲干擾性能和微弱信號(hào)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(hào)。

圖6 低頻通信系統(tǒng)接收天線示意圖

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。

圖7 透地通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

可以看到，頻率為16 kHz的電磁波信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)頻率為16 kHz。電磁波信號(hào)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。

圖8 透水通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低噪聲放大器可以在放大有用信號(hào)的同時(shí)只引入少量本底噪聲干擾，對(duì)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(shì)，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。

圖9 煤礦應(yīng)急救援通信背景下的PC端實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

[1] CHENG D K. Field and wave electromagnetics[M]. New York: Addison-wesley, 1989.

[2] 益溪. 無線電波傳播: 原理與應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社, 2008.

[3] 蔣宇中. 超低頻信道噪聲統(tǒng)計(jì)特性及應(yīng)用 [D]. 武漢：華中科技大學(xué), 2008.

[4] 鄭鵬, 劉政豪, 魏玉科, 等. HT_cSQUID低頻通信接收機(jī)和穿墻通信接收實(shí)驗(yàn)[J]. 物理學(xué)報(bào), 2014, 63(19): 408-416.

[5] MUKHERJEE J, ROBLIN P, AKHTAR S. An analytic circuit-based model for white and flicker phase noise in LC oscillators[J]. Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions on, 2007, 54(7): 1584-1598.

[6] BAE S, HONG Y K, LEE J, et al. Pulsed ferrite magnetic field generator for through-the-earth communication systems for disaster situation in mines[J]. Journal of Magnetics, 2013, 18(1): 43-49．

Design and implementation of the miniature low frequency communication system based on FPGA

Chen Haiyang，Zhang Shuxia，Jiang Yuzhong，Wang Yongbin,Lin Pengfei，Peng Dan

(School of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

According to the existing problems of high power consumption, large antenna and inflexible adjustment of low frequency wireless communication system, a miniature low frequency communication system based on FPGA was designed. Weak signal processing scheme based on software radio was researched, and the efficient low frequency antennas was designed. The long distance, large penetration of mobile communication had been achieved．The through-earth-and-water simulation experiment was carried out under the condition of strong electromagnetic interference. The results show that the system can establish effective radio communications between the earth′s surface and underground or underwater. The results demonstrate the potential development of the low frequency wireless communication and prove the reference value for the practical application.

FPGA; low frequency communication; weak signal processing; antenna technology

TP915

A

1674-7720(2016)01-0067-04

陳海洋，張曙霞，蔣宇中，等.基于FPGA的微型化低頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35(1)：67-70.

2015-09-13)

陳海洋(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：通信理論與技術(shù)。

張曙霞(1968-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：通信技術(shù)。

蔣宇中(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：通信信號(hào)處理、低頻大氣噪聲。