一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统，该通信系统包括顺序连接的发送端FPGA数字控制模块、功率放大及阻抗匹配模块、小尺寸甚低频发射天线、小尺寸甚低频接收天线、接收端滤波放大模块、接收端FPGA数字控制模块、上位机，该系统通过采用磁感应方式代替电磁波通信方式，解决了传统甚低频天线大尺寸、大发射功率的缺点，可用与地下——地下以及地下——地面间的定向无线通信，也可作为独立模块完成地下传感器数据向地面接受装置的中短距离无线传输。
【专利说明】一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统，属于地表下低频通信系统集成电路设计的【技术领域】，特别涉及一种实现埋设在土壤中的节点间低频通信的电小天线(ESA, electrically small antenna)的设计。
【背景技术】
[0002]无线地下传感器网络(WUSN)可以实现地下环境的监测，诸如土壤中的水和矿物质的含量，油藏的石油泄漏，板块运动，山体滑坡以及地震的监测，是目前相当活跃和有前途的研究领域。然而，由于传输介质不再是空气，而是土壤，岩石和水，无线通信对于地下环境来说具有一定的挑战。对于地下信道，为了绕过岩石等障碍物，技术人员必须使用低频通信，这使得天线尺寸非常大，不适合埋设在地下。从而导致了使用电磁波(EM)完善的无线信号传播技术不能很好的在地下环境中工作。因此，在保证低频通信的条件下，如何缩小天线尺寸成为目前实现地下通信的研究的重点和难点，也是当前低频地下通信的研究热点之
一。[0003]代替传统的电磁波无线通信，利用感应磁场进行通信，是可以解决地下通信大尺寸天线的关键技术之一。磁感通信可以使天线尺寸远小于波长，加之其通信距离远，衰减小，所以其更适用于频率低的无线地下传感器网络系统。
[0004]目前，地下通信的研究主要集中在矿井区，隧道，地下车库等地下空旷的环境，并且仍然利用高频电磁波进行通信，由于技术难度的问题，利用磁感进行通信的研究少之又少。进行此项研究的主要有以下两个单位:1)佐治亚理工大学的SunZhi通过对比电磁波(EM)和磁感通信(MI)的路径损耗以及带宽，提出一种增加传播距离的方法。他们在矿井区进行实验，对信道模型，信道容量等进行研究。但是，其传播介质仍然是空气，并不是将节点埋在土壤中。2)帝国理工大学的R.R.A.Syms对线形和十字形拓扑结构布阵的带宽，能量密度，不同介质的发射折射等进行理论研究。另外，其学生对其工作进行总结，从其他角度进行仿真，但是都止步于理论分析，并没有进行实际的实验。
[0005]通信的天线尺寸大小与具体实现相关，目前通信系统采用电磁波通信方式，由于天线长度与通信波长相比拟，使得在甚低频通信的情况下，天线尺寸达到几千米，不易于节点的埋设；而支持电磁波通信的系统，应用到土壤中通信时，其发射功率也要求非常大，这需要我们对地下通信问题重新规划。
【发明内容】
[0006]针对于上述技术缺陷，本发明基于磁感应原理设计一种小尺寸甚低频磁感电小天线，使仅用较小的发射功率便能使接收端天线的耦合信号功率达到可分辨级别，并为接收端设计一款解决工频干扰的模拟滤波以及多级放大电路，同时基于现场可编程阵列FPGA实现本通信系统中的数字调制、解调。本系统可用与地下一地下以及地下一地面间的定向无线通信，可作为独立模块完成地下传感器数据向地面接受装置的中短距离无线传输。
[0007]该通信系统包括顺序连接的发送端FPGA数字控制模块、功率放大及阻抗匹配模块、小尺寸甚低频发射天线、小尺寸甚低频接收天线、接收端滤波放大模块、接收端FPGA数字控制模块、上位机。发送端FPGA数字控制系统和接收端FPGA数字控制模块，其包括cyclone II芯片、flash芯片、A\D转换芯片、D\A转换芯片、通道选择芯片。其中cycloneII芯片为Altera公司的中低端FPGA，用来实现调制逻辑、D\A接口驱动逻辑、A\D接口驱动逻辑、解调逻辑；flash芯片为外置64M的flash用来存储接收数据；A\D转换芯片为8位A\D转换芯片用来产生调制后的模拟信号；D\A转换芯片为8位D\A转换芯片用来对接收端放大后的信号进行采样；通道选择芯片用来控制D\A采集不同放大倍数的信号。
[0008]所述功率放大及阻抗匹配模块是由功率放大电路和阻抗匹配电路构成的发射端模拟电路，其中，功率放大电路由运算放大器进行前级放大，由功率三极管构成准互补输出级电路以提高电流输出能力，阻抗匹配电路包括使电路的输出阻抗与负载电路的输入阻抗相匹配的变压器，从而使负载获得最大功率。
[0009]所述小尺寸甚低频发射天线和小尺寸甚低频接收天线为自身呈感性的矩形线圈，通过与谐振电容串联来使发射和接收回路呈纯阻性。所谓小尺寸甚低频是指尺寸上远远小于发射信号波长，本领域公知的相应数值范围，比如可设置发射天线为边长0.Sm的矩形线圈，甚低频在本领域也具有相应公知含义。调制信号经过功率放大并进行阻抗匹配后加载到磁感天线所在回路，线圈中交变的电流信号可使发射线圈近场范围内出现随信号规律变化的磁场；接收天线的结构和发射天线相同，处于发射天线近场范围内的接收线圈通过交变的磁场感应出电动势，将该微弱信号进行预放大、有源带通滤波、多级放大后便可得到调制信号。由于载流线圈法向磁场强度理论上以距离的三次方规律衰减，只要控制好发射端功率以及通信距离，接收线圈耦合到的信号就完全可以经滤波放大后识别出来。
[0010]所述接收端滤波放大模块包括顺次连接的预放大电路、二阶高通滤波器、八阶有源带通滤波器、多级放大电路。一般应用现场工频干扰严重，工频及其大部分奇次谐波都属于甚低频范畴，基于磁感原理的接受天线很容易耦合进工频信号，信号与工频干扰的信/扰比有时甚至小于-30dB。所以解决工频及其奇次谐波对信号的干扰是本发明需要解决的一大技术难点，而该技术关键点在于模拟滤波放大电路的设计。为了达到较好的滤波效果，在本发明中，可首先磁感天线采用串联谐振方式，谐振频率为信号中心频率，然后将感应信号通过二阶无源高通滤波器和八阶有源带通滤波器的级联滤波后输出，从而在有效抑制了工频干扰的前提下，提取出有用信号。为了提高对接收信号的响应时间，放大部分采用多级放大，FPGA控制AD多通道循环检测不同级的不同增益的信号，通过幅值检测算法自动选择合适的通道，从而有效减少了传统自增益放大器的增益调节时间。
[0011]所述上位机用来监测各通道信号波形及相关参数，如峰峰值、信号放大倍数等并进行频谱、数字滤波分析。该上位机基于LabView图形化编程软件设计，能通过UART接口接收FPGA发送的数据，并能实时刷新显示各通道的波形，具有针对某一通道波形计算出接收功率，实时进行傅里叶变换，并绘制出频谱图等功能。该上位机不仅对调试带来了极大的便利，也能作为上位机数据处理终端。
【专利附图】
【附图说明】[0012]图1是本发明的地下无线低频通信系统总框图；
图2是本发明的地下无线低频通信系统发射端电路图；
图3是本发明的地下无线低频通信系统接收端滤波、放大电路图；
图4是本发明的地下无线低频通信系统多级放大电路工作原理及数字处理原理图；
图5是本发明的地下无线低频通信系统FPGA与上位机通信示意图；
图6是本发明的地下——地下通信示意图；
图7是本发明的地下——地面通信示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0014]图1是本发明的地下无线低频通信系统总框图。如图所示，通信系统采用线圈磁感方式进行无线通信，解决了传统甚低频天线大尺寸和大发射功率的瓶颈。该通信系统包括顺序连接的发送端FPGA数字控制模块、功率放大及阻抗匹配模块、小尺寸甚低频发射天线、小尺寸甚低频接收天线、接收端滤波放大模块、接收端FPGA数字控制模块、上位机。发送端FPGA数字控制模块将数字信号调制转换为模拟信号，该模拟信号经功率放大及阻抗匹配模块加载到小尺寸甚低频发射天线，发射天线中产生的交变电流使周围的磁场随信号规律性变化，小尺寸甚低频接收天线通过变化的磁场感应出信号，感应出的信号经接收端滤波放大模块进行选频放大，放大后的信号再转换为数字信号，经接收端FPGA数字控制模块处理后发送到上位机。
[0015]图2是本发明的地下无线低频通信系统发射端电路图。FPGA将信号进行数字调制后通过D\A转换为模拟信号，通过低通滤波器衰减D\A转换中产生的高频信号，然后将滤波后的信号送往功率放大电路。为了使接收端耦合到的信号达到可检测级别，需要适当增大发射线圈中的电流从而增强其周围的磁场强度。为了达到此目的将发射线圈与电容构成串联谐振电路，使发射电路输入阻抗接近纯阻性，从而使功放能以较小的输出电压产生较大的谐振电流，减小了功率放大器的负担。
[0016]图3是本发明的地下无线低频通信系统接收端滤波、放大电路图。从图可以看到，和发射线圈类似，接收线圈同样与谐振电容构成串联谐振电路，不同的是，此处谐振电路的作用是对线圈感应到的信号进行初步的选频，抑制一部分噪声；谐振电容的上的电压信号首先经高输入阻抗放大电路进行初级放大以增强信号功率，为了抑制工频以及其工频谐波的干扰，接着对信号进行二阶无源高通滤波，然后通过有源八阶带通滤波器对信号进一步进行选择，最后对滤波选频后的信号进行多级放大。
[0017]图4是本发明的地下无线低频通信系统多级放大电路工作原理及数字处理原理图。传统可变增益放大器需要一定的调节时间来使放大后的信号幅值稳定在一定范围内，为了提高对接收信号的响应时间，本发明放大部分采用多级放大方式，FPGA通过通道选择器循环检测不同放大倍数的信号，通过AD采样进行分析，一旦发现某个通道出现有效幅度的信号，便立即选定此通道，对从该通道采集的数据进行进一步的数字滤波、解调得到数字信号。从而有效减少了传统自增益放大器的增益调节时间。
[0018]图5是本发明的地下无线低频通信系统FPGA与上位机通信示意图。上位机不仅能在现场调试中发挥重要的作用，同时也能在实际应用中作为数据中心处理FPGA发送来的地下传感器数据。上位机的主要功能有:实时显示接收机的接收信号波形，根据时域波形有效值以及放大倍数计算出接收信号的功率，对时域信号进行傅里叶变换并显示出频域波形，通过可变参数数字滤波器对波形进行进一步滤波分析。
[0019]图6是本发明的地下——地下通信示意图。本通信系统可以低功率的实现信号在土壤中传播，当小尺寸天线为边长0.Sm的矩形线圈时，传播距离均可达30m，从而进行地下环境的监测。
[0020]图7是本发明的地下——地面通信示意图。本通信系统可以作为独立模块应用于地下传感器数据向地面接受装置的中短距离无线传输。通过调整天线角度，本系统作为独立模块将地下的采集信号向地上传输的距离仍然可达30m，从而完成将地下监测信息向地上服务器汇聚的任务。
[0021]本发明所提出的一种基于磁感的低功率电小天线的地下无线低频通信系统通过采用磁感应方式代替电磁波通信方式，解决了传统甚低频天线大尺寸、大发射功率的缺点。根据天线基本原理，如果采用传统的电磁波通信方式，甚低频天线的尺寸需达到几千米才能将信号有效辐射出去，现有的甚低频通信便是以较大功率将信号加载到几千米的天线上来实现信号的发射。而本发明中的磁感天线首先在尺寸上远远小于发射信号波长，便于携带安装，并且通过谐振，发射线圈产生的磁场和串联电容的电场交替转换，使得能量的实际损耗较小，这种谐振方式也降低了发射端功放的驱动功率。
[0022]以上所披露的仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的权利范围，依照本发明申请专利范围所做的同等变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【权利要求】
1.一种基于低功率电小天线的地下低频无线通信系统，其特征在于，该通信系统包括顺序连接的发送端FPGA数字控制模块、功率放大及阻抗匹配模块、小尺寸甚低频发射天线、小尺寸甚低频接收天线、接收端滤波放大模块、接收端FPGA数字控制模块、上位机；其中，发送端FPGA数字控制模块将数字信号调制转换为模拟信号，该模拟信号经功率放大及阻抗匹配模块加载到小尺寸甚低频发射天线，发射天线中产生的交变电流使周围的磁场随信号规律性变化，小尺寸甚低频接收天线通过变化的磁场感应出信号，感应出的信号经接收端滤波放大模块进行选频放大，放大后的信号再转换为数字信号，经接收端FPGA数字控制模块处理后发送到上位机。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述发送端FPGA数字控制模块和接收端FPGA数字控制模块是包括cyclone II芯片、flash芯片、A\D转换芯片、D\A转换芯片、通道选择芯片。
3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述功率放大及阻抗匹配模块是由功率放大电路和阻抗匹配电路构成的发射端模拟电路，其中，功率放大电路由运算放大器进行前级放大，由功率三极管构成准互补输出级电路，阻抗匹配电路包括使电路的输出阻抗与负载电路的输入阻抗相匹配的变压器。
4.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述小尺寸甚低频发射天线和小尺寸甚低频接收天线为自身呈感性的矩形线圈，通过与谐振电容串联来使发射和接收回路呈纯阻性。
5.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述接收端滤波放大模块包括顺次连接的预放大电路、二阶高通滤波器、八阶有源带通滤波器、多级放大电路。
6.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述上位机用来监测各通道信号波形及相关参数并进行频谱、数字滤波分析。
【文档编号】H01Q7/00GK103441803SQ201310409920
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】马静, 黄琪玮, 张宇璇 申请人:北京科技大学