基于FSK的感應通信系統設計

摘要：針對海洋石油勘探的需求，設計了電纜定深裝置，其采用了基于FSK的感應通信系統。系統地介紹了感應通信的發展狀況及其基本原理，重點闡述FSK調制解調模塊所選用的XR2206和XR2211芯片。感應通信作為水下非接觸通信方式之一，以其功耗低、尺寸小、制作簡單等特點必將得到越來越廣泛的應用。
關鍵詞：感應通信；頻移鍵控；XR2206；XR2211

O 引言
海洋是人類資源的寶庫，蘊藏著豐富的能源與礦產。隨著科學技術的不斷進步，人們對海洋資源的探測與開發也不斷深入。電纜定深器就是在石油勘探過程中所采用的拖曳電纜深度定位裝置，它可以對水下的電纜進行控制與定位，以便電纜內的檢波器接收空氣槍震源所返回的地震波，其采用的通信方式為基于FSK的感應通信。

1 感應通信的發展現狀
水下通信方式可分為：水聲通信、水下激光與紅外通信、超長波通信、感應通信。水聲通信的缺點是傳輸速率慢、容量小、抗干擾能力差；而在激光通信中，浮游生物以及海底的泥塵可能造成通訊的暫時中斷；超長波通信的弊端則是功耗高、成本大；相比而言，感應通信方式制作簡單、造價低廉、對周圍的環境不敏感。考慮到功耗、方便性和具體的安裝條件，所以在電纜定深器的設計過程中，采用了感應通信方式進行信號傳出。
美國的阿爾文(Alvin)號載人深潛器是非常著名的用于深海探測的載人深潛器，其采樣器、化學傳感器、溫度檢測等方面，都采用電磁耦合技術進行信號傳輸，并在多次出航中的應用都很成功。國外的研究實踐經驗表明：電磁耦合非接觸式信號傳輸技術是適合用于深海環境下的近距離通信方式。
另外，國外已利用感應通信方式開發出海洋地震勘探拖曳線陣產品，其利用總線地址輪詢和廣播通信方式，通信距離可達數公里。
在國內，某研究所將感應通信技術進行了成功的工程應用，研制出用于海洋探測的電纜定深器，其通信距離、速率和并聯的節點數等均有較大優勢，良好的性能在多次探測作業中得以驗證。其通信部分就是采用基于FSK調制解調方式的感應通信。

2 感應通信的原理
根據電磁感應原理，主線圈內電流的變化會在其周圍產生交變的磁場，這個交變的磁場使次級線圈產生感應電動勢，感應通信正是運用了這一原理進行工作。
在感應通信中，由于信號與空間距離的三次方成比例迅速衰減，所以同時在近距離內的多個通訊能夠實現頻分復用，相互之間沒有干擾。

圖1是電磁耦合信號傳輸裝置的系統簡圖，由于通訊模式是半雙工的，所以只介紹電纜定深器一側傳輸數據的工作過程：電纜定深器內解調適配電路將感應裝置耦合的信號濾波、放大、均衡整形后解調還原成通信數據，發送給定深器內的中心控制器，控制器根據接收到的數據、指令進行相應的操作；當電纜定深器需上傳數據給船上設備時，將通信數據調制后，通過放大驅動電路發送給其內部的感應裝置，通過感應耦合以及信號的處理，船上控制設備便可接到該數據。圖2為電纜定深器系統工作示意圖。

工作過程中，在長距離通信線纜上，等間隔并聯多個感應節點，在該點電纜外部掛接一個電纜定深器或其它設備，船上控制設備通過拖曳線纜內的雙絞線上并聯的磁棒線圈，與掛接在拖纜外部的電纜定深器內部的磁棒線圈感應耦合傳輸信號，利用總線地址輪詢和廣播通信方式，實現船上控制設備與多個拖曳線陣外掛設備傳輸之間的數據傳輸，數據傳輸采用載波通信技術，以達到數公里甚至十幾公里無中繼傳輸。電纜定深器由電池供電，在電池電量耗盡后，必須將整個線陣回收后，更換定深器內的電池。