一种无线磁感应透地通信装置和通信方法
【专利摘要】本发明涉及一种无线磁感应透地通信装置和通信方法，利用多组磁场发生器和磁传感器实现全双工通信，当存在多个收发装置时可采用多频率传输的方法，还可以合理匹配发射装置与接收装置的位置，对接收信号的强度进行排序，使用带通滤波器滤除多余信号提取有用信号。
【专利说明】
-种无线磁感应透地通信装置和通信方法
技术领域
[0001 ]本发明设及无线通信技术领域，设及一种无线磁感应透地通信装置和通信方法。
【背景技术】
[0002] 透地通信整个矿山通信中系统的主干，是连接井上和井下的重要环节，在矿山应 急救援中是连接被困矿工与救援人员的枢纽。矿山环境复杂，空间狭窄不宜布设过多线缆， 无线通信系统较有线通信系统在一定程度上灵活性高，没有过多的线缆，能够减少因线缆 损坏造成的通信故障概率。传统的透地通信系统利用电磁波作为载体传播信号，由于电磁 波在含有水分的±壤中受到的干扰较大，国内外的透地通信系统采用甚低频，超低频的方 法来提高通信距离。工作频率的降低使得发射和接收天线的尺寸变大，在井下通常没有足 够的空间来布置运些天线。
[0003] 磁感应(Magnetic Induction)通信技术有W下优点：1)±壤、煤岩、水等地下信号 传输介质的磁导率与空气的磁导率几乎一样，不会随时间和空间而变化，因此信道稳定;2) 信号通过磁场禪合到接收端，因此不存在多路径损耗的问题;3)发射机和接收机使用小线 圈作为天线，尺寸大小可W根据工作环境改变，不存在天线尺寸过大的问题。但磁场的衰落 速率较电磁波要快，因此磁感应通信的问题是信号的传播距离短。
[0004] 磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中W感应磁场强度来测量电流、位置、方 向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数，例如采 用霍尔化all)元件，各向异性磁电阻(AniSOtropic Ma即eto resiS化nce,AMR)元件或巨磁 电阻（Giant Ma即eto resistance,GMR)元件为敏感元件的磁传感器。TMR(Tunnel Ma即eto Resistance)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，通常也用磁隧道结 (Ma即etic l\innel Junction，MTJ)来代指TMR元件。其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁 电阻效应对磁场进行感应，比之前所发现并实际应用的异性磁电阻(Anisotropic Magneto resistance,AMR)元件或巨磁电阻（Giant Magneto resistance, GMR)元件具有更大的电 阻变化率。TMR技术主要用于计算机硬盘的读出磁头、MRAM和各类磁传感器。近年来，TMR开 始用于电流传感器、角度传感器等，展示出十分诱人的应用前景。
【发明内容】
[0005] 针对目前矿用透地通信装置透地距离短，通信信道不稳定的问题，本发明提出一 种基于磁感应技术的矿用长距离无线磁感应透地通信装置和通信方法，该透地通信系统能 够在低功耗的条件下适应矿井内空间狭窄、电磁干扰大的环境，实现长距离稳定实时语音、 控制等信号的传输。
[0006] 本发明是通过W下技术方案实现的：一种无线磁感应透地通信装置，W信号传输 方向顺序设置有发射端和接收端，发射端包括顺次连接的基带信号处理器I、二进制差分相 位调制器、功率放大器I和铁氧体磁场发生器;接收端包括顺次连接的磁场传感器、功率放 大器n、噪声消除滤波器、二进制差分相位解调器和基带信号处理器n ;基带信号处理器I， 接收来自各传感器节点信号，通过抽样量化编码的方式把模拟信号转化为数字信号，并整 合数字信号便于后续处理，然后进行低数据速率的编码;二进制差分相位调制器，对基带信 号处理器输出的信号进行调制，W适应磁通信频率低，频带窄的特点；功率放大器I，把调制 后的信号进行功率放大，W增大磁信号的透地距离，增大通信范围；铁氧体磁场发生器，把 放大后的电信号转换为磁信号，磁场信号携带信息透地传输;磁场传感器，接收磁场信号并 转换成电信号;功率放大器n，将磁场传感器所产生的微弱电信号中的有用信号进行放大； 噪声消除滤波器，滤除磁传感器接收的信号中地磁所产生的噪声；二进制差分相位解调器 n，携带信息的信号通过解调变成利于处理的基带信号;基带信号处理器n，将有用信号译 码并发送给用户;所述铁氧体磁场发生器和磁场传感器构成磁感应透地通信信道。
[0007] 所述铁氧体磁场发生器由圆柱状铁氧体忍，铜线圈，电流输入和输出端组成，所述 铜线圈的铜线直径为0.81mm，外部附着着45WI1厚的聚四氣乙締绝缘层，铜线按逆时针方向 缠绕在铁氧体忍上，线圈为200应，整个铁氧体磁场发生器的直径为0.18m;所述铁氧体忍的 材料为儘锋合成材料。所述铁氧体磁忍的磁导率为10000,在磁场方向1000 m处达到的 磁场强度。
[0008] 所述铁氧体磁场发生器的铜线圈电感L和可变电容器C组成LC谐振回路作为信号 发射电路，发射电路中的电感L、电容C参数受到铁氧体忍和±壤的介电常数和螺旋线圈的 几何形状的影响，所述铜线圈采用多应圆形线圈，由于装置的工作频率较低，所W不考虑寄 生效应，包括趋肤效应，邻近效应，寄生电容(可能会发生在工作频率非常高的时候）。线圈 的电感L具有非线性特性，铜线圈电感L随铁氧体忍中的磁化电流变化而变化，电容值为
'其中，f为工作频率;根据毕奥-萨伐尔定律Biot-Savart law,圆形线圈所产的 磁感应强度计算公式为：
[0009]
[0010]其中，W铁氧体磁导率，邮为±壤介质的磁导率，Z为通信距离，R为线圈半径，i为 线圈中的电流，N为线圈应数。
[0011] 当电路发生谐振时，线圈电流达到最大，运时线圈产生的磁场强度变化范围最大， 假设谐振频率为lk化，LC = 2.53X10-8时，对于应数固定的线圈可W得出L为46.4H，在铁氧 体磁场发生器中工作频率1曲Z时，所需的电容(C)近似为0.55nF。
[0012] 所述磁场传感器由两个磁电阻TMR、稳恒偏置电压Vbias、接地端GND和输出端组成 接收电路，两个磁电阻TMR串联，其电路的一端施加稳恒偏置电压Vbias,另一端为接地端 GND，在两个磁电阻TMR的对称中屯、引出信号输出端W输出电压信号Vout。
[OOU] 磁电阻TMR传感器能够检测IX ICT^T强度的磁场，在同一外磁场的作用下，一个磁 电阻的阻值增加的同时另一个的阻值会随之降低，施加相反方向的外场会使一个磁电阻的 阻值降低的同时另一个的阻值会随之增加。在理想情况下的磁电阻TMR随外场H的变化是完 美的线性关系，同时没有磁滞，在实际情况下，磁电阻的响应曲线随外场变化具有滞后的现 象，我们称之为磁滞。磁电阻的响应曲线为一个回路，通常作为应用的磁电阻材料的磁滞很 小，在实际使用中可W看做一个完美的线性曲线。在现实应用的传感器领域，由于磁传感设 计的制约W及材料的缺陷，运条曲线会更弯曲。
[0014] 所述铁氧体磁场发生器和磁场传感器分别对应设置多个，磁场发生器设置不同的 频段进行发送，磁场传感器设置不同的滤波器参数进行分频接收，实现全覆盖的多发多收 无线通信系统。
[0015] 所述噪声消除滤波器包括低噪声放大器和带通滤波器。
[0016] -种无线磁感应透地通信方法，包括W下步骤：
[0017] 1)将原始信号经过基带信号处理器I处理作为输入信号；
[001引2)根据LC发射电路的谐振规律，采用差分相位调制的方式，将输入信号加载到正 弦波上并进行功率放大；
[0019] 3)铁氧体磁场发生器把调制后的电信号转换为磁场信号，加载到LC振荡回路中， 产生脉冲式的磁场；
[0020] 4)磁场传感器利用磁电阻TMR随磁场强度变化且变化率高的特点，接收变化的磁 场信号并转换为电信号；
[0021] 5)接收到的电信号经功率放大器n将其中的有用信号进行放大；
[0022] 6)经噪声消除滤波器过滤，除去其中的地磁信号干扰；
[0023] 7)提取出有用信号后，经过差分相位的解调还原出源信号；
[0024] 8)基带信号处理器n对源信号进行译码，根据用户的要求分别将信号传输到不同 的设备中。
[0025] 原始信号包括来自地上地下人员的模拟信号和各个传感器节点的数字信号，模拟 信号由基带信号处理器I通过抽样、量化、编码的方式转换为数字信号。信号通过差分相位 (2DPSK)调制的方式加载到500k化的正弦波上，为了提高发射信号的强度，调制的信号经过 功率放大后输入到LC发射电路中。
[0026] 在信号的接收端磁场传感器所接收的磁场信号包括有用信号和地球磁场信号，地 球的磁场在不同的地理坐标下，W低于IHz的频率从20至80叫变化，所W发射的磁场信号可 W通过低噪声放大器和带通滤波器从接收的磁场信号分离出来。
[0027] 在接收端，经过带通滤波器的信号进行2DPSK解调，信号时延一个码元间隔并与原 信号相乘通过低通滤波器后进行抽样判决，输出源信号。
[00%]本发明可W利用多组磁场发生器和磁传感器实现全双工通信，当存在多个收发装 置时可采用多频率传输的方法，还可W合理匹配发射装置与接收装置的位置，对接收信号 的强度进行排序，使用带通滤波器滤除多余信号提取有用信号。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的无线磁感应透地通信装置结构示意图；
[0030] 图2为本发明的发射端与接收端电路图；
[0031 ]图3为本发明的铁氧体磁场发生器及所产生的理论磁场图；
[0032] 图4为本发明的矿用无线磁感应透地通信实施例流程图；
[0033] 图中，1.基带信号处理器I、2.二进制差分相位调制器，3.功率放大器1,4.铁氧体 磁场发生器，5.磁场传感器，6.功率放大器n，7 .噪声消除滤波器，8.二进制差分相位解调 器，9.基带信号处理器n。
【具体实施方式】
[0034] 本发明设计传输井上井下语音信号W及设置在矿井内部各个传感器所发出的信 号，在煤炭日常生产运输，监督管理乃至应急救援工作都起着重要作用。运些传感器探测矿 井内部溫度、湿度、有害气体含量、设备机械运转情况等，同样检测矿工所在位置、生命体征 等。运种无线透地通信作为日常井上井下有线通信的补充，同样在矿难发生，有线通信和电 磁波无线通信擁痕时作为应急通信使用。
[0035] 如图1所示，一种无线磁感应透地通信装置，W信号传输方向顺序设置有发射端和 接收端，发射端包括顺次连接的基带信号处理器II、二进制差分相位调制器2、功率放大器I 3和铁氧体磁场发生器4;接收端包括顺次连接的磁场传感器5、功率放大器n 6、噪声消除滤 波器7、二进制差分相位解调器8和基带信号处理器n 9;基带信号处理器II，接收来自各传 感器节点信号，通过抽样量化编码的方式把模拟信号转化为数字信号，并整合数字信号便 于后续处理，然后进行低数据速率的编码；二进制差分相位调制器2,对基带信号处理器输 出的信号进行调制，W适应磁通信频率低，频带窄的特点；功率放大器13,把调制后的信号 进行功率放大，W增大磁信号的透地距离，增大通信范围；铁氧体磁场发生器4,把放大后的 电信号转换为磁信号，磁场信号携带信息透地传输;磁场传感器5,接收磁场信号并转换成 电信号；功率放大器116,将磁场传感器所产生的微弱电信号中的有用信号进行放大;噪声 消除滤波器7,滤除磁传感器接收的信号中地磁所产生的噪声;二进制差分相位解调器ns, 携带信息的信号通过解调变成利于处理的基带信号;基带信号处理器119,将有用信号译码 并发送给用户;所述铁氧体磁场发生器4和磁场传感器5构成磁感应透地通信信道。
[0036] 如图2,3所示，由于铁氧体磁场发生器4和磁场传感器5都具有微型化的特征，所W 发射与接收装置都具有便携性，在煤矿井下，矿工可W随身携带。运样如果灾害突然发生时 也能保证通信的杨通，从而提高应急救援效率。
[0037] 输入信号主要由来自井下人员的语音模拟信号和来自各个传感器节点的数字信 号，模数转换器采用TI公司的ADS5203忍片，双10位ADS5203的每一个通道模拟到数字采样 率为40MSPS，所有的数字输入和输出为3.3V，兼容ITL和CMOS。
[0038] 基带信号处理器I、ni、9和二进制差分相位调制、解调器2、8由可编程口阵列 (FPGA)核屯、板及其周围电路实现，FPGA忍片选用Xilinx公司的邸artanS3 A - DS P篡3400 FPGA，利用FPGA实现软件无线电功能，对基带信号进行编码，然后按照差分相位调制(DPSK) 的方法把信号调制到500曲Z的频率范围。
[0039] 功率放大器I、n3、6采用ADI公司AD8139，AD8139是一款超低噪声、高性能差分放 大器，提供轨到轨输出。它具有低噪声、高S抑R和宽带宽特性。
[0040] 图3中铁氧体磁场发生器4的作用是把调制后的电信号转换为磁场信号，由圆柱状 铁氧体忍，铜线圈，电流输入和输出端组成，所述铜线圈的铜线直径为0.81mm，外部附着着 45WI1厚的聚四氣乙締绝缘层，铜线按逆时针方向缠绕在铁氧体忍上，线圈为200应，整个铁 氧体磁场发生器的直径为0.18m;所述铁氧体忍的材料为儘锋合成材料。所述铁氧体磁忍的 磁导率为10000,在磁场方向1000 m处达到ICT^T的磁场强度，对接收端所在处的磁感应强度 有增强作用。
[0041] 磁场传感器5采用隧道磁电阻TMR，相对于其他磁传感器具有更大的电阻变化率， 更好的溫度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度。桥式TMR电阻设计提高了接 收灵敏度，将变化的磁场信号转换为电信号。
[0042] 磁场传感器5可忍片化，主要包括电源模块、波形预处理模块W及保护模块。
[0043] 接收到的信号需要去除地球磁场所产生的干扰，根据地磁信号在不同的地理坐标 下，W低于IHz的频率从20至SOiiT变化的特点，采用低噪声滤波器加 W滤除。
[0044] 所述噪声消除滤波器7采用MAX275模块，由噪声放大器和带通滤波器组成，MAX275 是MAXIM公司推出的一款连续时间模拟集成有源滤波器，片内硬件由4个运算放大器及若干 电阻电容组成。通过不同组合形式的外接电阻实现带通滤波器的作用。提取出有用信号后， 先经过放大，然后信号时延一个码元间隔并与原信号相乘通过低通滤波器后进行抽样判 决，输出原基带信号。通过FPGA核屯、系统及其周围电路实现信号的解调与解码，同时分配给 多路用户，并根据用户的要求分别将信号传输到不同的设备中。
[0045] 图4为本发明提出的矿用无线磁感应透地通信模块流程图，W语音信号为例，包 括：
[0046] 1)语音输入，井下矿工通过麦克风设备输入语音信号，进行AD采样转换为数字信 号；
[0047] 2)信号处理，基带信号处理器I接收采样后的语音信号，通过低速率语音编码后传 输到二进制差分相位调制器进行调制，W适应磁通信频率低，频带窄的特点，功率放大器I 是把调制后的信号在矿井安全电压下进行功率放大，W增大磁信号的透地距离，增大通信 范围；
[0048] 3)磁信号发射，铁氧体磁场发生器利用线圈把放大后的电信号转换为磁信号，磁 场信号携带信息透地传输；
[0049] 4)磁信号接收，井上磁场传感器接收磁场信号并转换成电信号，磁传感器所产生 的电信号为微弱信号，需要功率放大器对有用信号进行放大，噪声消除滤波器滤除磁传感 器接收的信号中地磁所产生的噪声；
[0050] 5)信号处理，携带语音信息的信号经过二进制差分相位解调变换为适合基带处理 的信号，利用基带信号处理器n进行译码并输出到数模转换器，
[0051] 6)语音信号输出，语音信号输出模块，将语音信号传输到扬声器中，实现井上井下 工作人员的语音通信。
【主权项】
1. 一种无线磁感应透地通信装置，W信号传输方向顺序设置有发射端和接收端，其特 征在于，发射端包括顺次连接的基带信号处理器I、二进制差分相位调制器、功率放大器I和 铁氧体磁场发生器;接收端包括顺次连接的磁场传感器、功率放大器Π 、噪声消除滤波器、 二进制差分相位解调器和基带信号处理器Π ;基带信号处理器I，接收来自各传感器节点信 号，通过抽样量化编码的方式把模拟信号转化为数字信号，并整合数字信号便于后续处理， 然后进行低数据速率的编码;二进制差分相位调制器，对基带信号处理器输出的信号进行 调制，W适应磁通信频率低，频带窄的特点；功率放大器I，把调制后的信号进行功率放大， W增大磁信号的透地距离，增大通信范围；铁氧体磁场发生器，把放大后的电信号转换为磁 信号，磁场信号携带信息透地传输;磁场传感器，接收磁场信号并转换成电信号；功率放大 器Π ，将磁场传感器所产生的微弱电信号中的有用信号进行放大;噪声消除滤波器，滤除磁 传感器接收的信号中地磁所产生的噪声；二进制差分相位解调器Π ，携带信息的信号通过 解调变成利于处理的基带信号;基带信号处理器Π ，将有用信号译码并发送给用户;所述铁 氧体磁场发生器和磁场传感器构成磁感应透地通信信道。2. 根据权利要求1所述的一种无线磁感应透地通信装置，其特征在于，铁氧体磁场发生 器由圆柱状铁氧体忍，铜线圈，电流输入和输出端组成，所述铜线圈的铜线直径为0.81mm， 外部附着着45μπι厚的聚四氣乙締绝缘层，铜线按逆时针方向缠绕在铁氧体忍上，线圈为200 应，整个铁氧体磁场发生器的直径为0.18m;所述铁氧体忍的材料为儘锋合成材料。3. 根据权利要求2所述的一种无线磁感应透地通信装置，其特征在于，铁氧体磁忍的磁 导率为10000,在磁场方向1000m处达到Ι?Τ^Τ的磁场强度。4. 根据权利要求2所述的一种无线磁感应透地通信装置，其特征在于，铁氧体磁场发生 器的铜线圈电感L和可变电容器C组成LC谐振回路作为信号发射电路，发射电路中的电感L、 电容C参数受到铁氧体忍和±壤的介电常数和螺旋线圈的几何形状的影响，线圈的电感L具 有非线性特性，铜线圈电感L随铁氧体忍中的磁化电流变化而变化，电容值为其中，f为工作频率;根据毕奥-萨伐尔定律Biot-Savart law,圆形线圈所产的磁感应强度 计算公式为：其中，yr铁氧体磁导率，4〇为±壤介质的磁导率，Z为通信距离，R为线圈半径，i为线圈 中的电流，N为线圈应数。5. 根据权利要求1所述的一种无线磁感应透地通信装置，其特征在于，磁场传感器由两 个磁电阻TMR、稳恒偏置电压Vbias、接地端GND和输出端组成接收电路，两个磁电阻TMR串联， 其电路的一端施加稳恒偏置电压Vbias，另一端为接地端GND，在两个磁电阻TMR的对称中屯、 引出信号输出端W输出电压信号V?t。6. 根据权利要求5所述的一种无线磁感应透地通信装置，其特征在于，磁电阻TMR传感 器能够检测IX 强度的磁场，在同一外磁场的作用下，一个磁电阻的阻值增加的同时 另一个的阻值会随之降低，施加相反方向的外场会使一个磁电阻的阻值降低的同时另一个 的阻值会随之增加。7. 根据权利要求1所述的一种无线磁感应透地通信装置，其特征在于，所述铁氧体磁场 发生器和磁场传感器分别对应设置多个，磁场发生器设置不同的频段进行发送，磁场传感 器设置不同的滤波器参数进行分频接收，实现全覆盖的多发多收无线通信系统。8. 根据权利要求1所述的一种无线磁感应透地通信装置，其特征在于，噪声消除滤波器 包括低噪声放大器和带通滤波器。9. 根据权利要求1~8任意一项权利要求所述的一种无线磁感应透地通信方法，其特征 在于，包括W下步骤： 1) 将原始信号经过基带信号处理器I处理作为输入信号； 2) 根据LC发射电路的谐振规律，采用差分相位调制的方式，将输入信号加载到正弦波 上并进行功率放大； 3) 铁氧体磁场发生器把调制后的电信号转换为磁场信号，加载到LC振荡回路中，产生 脉冲式的磁场； 4) 磁场传感器利用磁电阻TMR随磁场强度变化且变化率高的特点，接收变化的磁场信 号并转换为电信号； 5) 接收到的电信号经功率放大器Π 将其中的有用信号进行放大； 6) 经噪声消除滤波器过滤，除去其中的地磁信号干扰； 7) 提取出有用信号后，经过差分相位的解调还原出源信号； 8) 基带信号处理器Π 对源信号进行译码，根据用户的要求分别将信号传输到不同的设 备中。10. 根据权利要求9所述的一种矿用无线磁感应透地通信方法，其特征在于，步骤1)中 的原始信号包括来自地上地下人员的模拟信号和各个传感器节点的数字信号，模拟信号由 基带信号处理器I通过抽样量化编码的方式转换为数字信号。
【文档编号】H04B1/00GK105846914SQ201610453602
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】孙彦景, 吴天琦, 李松, 蔡黎, 江海峰, 王艳芬, 翟文艳
【申请人】中国矿业大学