基于DSP的低頻無線通信系統的設計方法

低頻感應通信是將待傳輸的數據經低頻載波調制、信號放大、功率放大后，在發射器產生一定的交變電流，利用交變的電流產生交變的磁場，交變的磁場產生的電場，從而在接收器中產生感應電動勢，經濾波、解調、解碼等信號處理后，就可在接收端準確接收發送的信息，完成通信過程。因其利用電磁感應原理來實現通信，故稱其為感應通信，當距離短時，感應通信比較容易實現。

1 低頻感應通信理論

感應通信利用發射線圈中的交變電流產生變化磁場，接收線圈中感應出電動勢后，再經過一系列的信號處理過程恢復發送信號，從而實現了通信的目的。

嚴格的感應通信理論是建立在麥克斯韋方程組的基礎上。麥克斯韋方程組是在對宏觀電磁現象的實驗規律進行分析總結的基礎上，經過擴充和推廣而得到的。他揭示了電場與磁場之間、電磁場與電荷、電流之間的相互關系，是一切宏觀電磁現象所遵循的普遍規律。麥克斯韋方程組的微分形式如下：

無源、 的線性、均勻、各向同性導電媒質中的麥克斯韋方程組為：

設電磁波在無源、 的線性、均勻、各向同性的導電媒質中的傳播常數為γ=β-jα，α是表示每單位距離電磁波衰減的常數，稱為衰減常數，β表示每單位距離電磁波落后的相位，稱為相位常數。根據電磁場理論可知：

ε為媒質介電常數，σ為媒質電導率，μ為媒質磁導率，ω為工作角頻率。

媒質屬于電介質還是良導體，不僅與媒質參數有關，而且與工作頻率有關。良導體中，隨著頻率的增加，電磁波的衰減常數α增大。可以看出，媒質導電性能越好(電導率越大)，工作頻率越高，則電磁波衰減越大，即高頻電磁波在良導體中衰減極快，往往在微米級的距離內就衰減到近于零了。通常，導電媒質中的感應通信，其工作頻率必須在低頻頻段，這是良導體媒質中感應通信系統的一個非常重要的特征。

2 低頻感應通信系統的設計

本文研究設計的低頻感應通信系統框圖如圖1所示，采用基于DSP的軟件無線電方式來實現，即在通用的硬件平臺上，盡可能用靈活、方便升級的軟件實現通信的各種功能。其數據調制方式采用差分編碼移相鍵控(DPSK)來實現，DPSK是將數字基帶信號經差分編碼后，再對其進行絕對相移鍵控的數字調制方式，因其抗噪性能和頻帶利用率均優于ASK和FSK，在實際的數據傳輸系統中得到了廣泛的應用。

軟件無線電是無線通信領域里一種新的通信體系結構，他是以現代通信理論為基礎、數字信號處理為核心、微電子技術為支撐，其中心思想是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將通信的各種功能如工作頻率、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來實現，并使寬帶A／D和D／A轉換器盡可能地靠近天線，以研制出具有高度靈活、開放性的新一代無線通信系統。他所具有的極強的靈活性和開放性等特點必將使他成為未來無線通信系統的發展趨勢。

根據軟件無線電的理論，本文所研究設計的低頻感應通信系統，由于工作頻率低，接收器接收的信號經放大及預濾波后，可直接經A／D轉換后送給DSP進行數字信號處理，而不需要經過類似下變頻的信號處理，即類似于理想軟件無線電的設計。具體來講就是：發送器經DSP通過軟件產生數字調制信號，該信號經D／A轉換器件的數模轉換后，產生低頻模擬的DPSK信號，對該信號經過模擬放大、功率放大就可以加載到發射器上。信道中傳輸的是模擬調制信號及信道本身存在的噪聲和干擾信號。接收器接收的DPSK及噪聲信號經過放大和抗混疊濾波器的預處理后，直接用A／D轉換器將預處理后的DPSK信號轉換為數字信號送給DSP，由DSP對接收到的調制信號進行FIR數字濾波、同步、解調、抽樣判決和差分解碼等信號處理過程，恢復信源信息，完成通信過程。