一种异步双工零射频无线通信系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信技术，具体涉及直接利用基带变频信号携带码字信息来进行 异步双工通信的零射频系统。
【背景技术】
[0002] 在各种无线通信中当前都面临频谱资源紧缺的问题，特别是对于低频无线通信， 如水下无线通信。由于电磁波在水中传播衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能 在水中远距离传播的能量形式，所以水下通信通常用声波。1HZ-50KHZ声波在水中的衰减系 数约为10 4dB/m~10 2dB/m，随着频率的增加，声波的衰减越来越大，因此水下通信采用低 频声通信且可用带宽只有几十KHz。另外声波传播速度低致使多普勒效应相对明显，以及水 下环境的复杂使得水下通信比陆地上的无线通信质量相差几个量级，进展缓慢。
[0003] 无线体域网也向低频无线通信发展。体域网是附着在人体身上的一种网络，由一 套小巧可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站组成。每一传感器既可佩戴在身上， 也可植入体内。目前，体域网所使用的频带多以802. 11技术为主的2. 4GHz高频段，由于 Zigbee、蓝牙等无线通信技术也用此通用频段，因此电磁干扰严重。另外也可以采用医学植 入通信服务频段（402M-405MHZ)。用这些高频段来通信都是通过载波把采集的信号调制到 此频段，再通过射频天线的无线接收模块来进行无线通信，频率越高，对人的高频辐射危害 越严重。因此现在很多学者研究直接用电流电容耦合的方式，用几十KHz量级的频段来实 现通信。特别是对于体内和体外的近距离通信采用换能的方式，把体内采集的信号转换成 其他能量的信号，如用电磁换能器，转成磁信号，体外磁敏元件来接收；如用电声换能器，把 电信号转成声信号（如小型的麦克），再由体外的超声换能器接收。
[0004] 不管是水声通信还是向低频发展的无线体域网，随着可用带宽的降低，可以从以 下几个方面来提高通信质量：大功率的宽带信号发送，功率大可以使得接收信号不是那么 微弱，宽带信号可以携带更多的信息量，使得抗噪能力提高；其次，充分利用通信有限的频 谱资源，采用高效的频带利用率的调制技术；然后采用有效高精度的解调技术，克服复杂的 传播环境带来的影响。
[0005] 在调制技术领域有多种调频技术，包括了简单的振幅键控（ASK)，移相键控（PSK) 和移频键控（FSK)等调制技术，通过载波的幅度、相位和频率来携带信息，频带利用率低。 在此基础上还有更加复杂和更高频道利用率的调制技术，比如差分移相键控（DPSK)，多进 制移频键控（MFSK)，正交频分复用（OFDM)，跳频扩频技术。跳频扩频技术是通过牺牲带宽 来换取信噪比。多进制移频键控、正交频分复用、跳频扩频技术需要多个载波来携带信息， 频道利用率高，但是对载波频率的漂移要求比较高。如正交频分复用技术，由于接收端和 发送端存在相对运动而造成载波的多普勒频移是难以避免的。OFDM发生载波频率偏移时， 在解调端通过频率估计和补偿来恢复各子载波的正交性，再进行解调。而且OFDM用的载波 多，时域波形叠加后峰均比大，对数模转换芯片、功率放大器等的线性（动态）范围要求高。 另外，虽然多进制移频键控、正交频分复用是用频率来携带信息，但是解调的时候是分析此 频率分量的幅度，是基于检测幅度的，所以估计精度低。而差分移相键控是基于检测相位 的，其估计精度也远远低于频率的估计精度。
[0006] 上述的调制方式不适合用于支持低频通信的水无线通信和体域网体内和体外之 间的通信，主要原因在于：（1)简单的调制方式频带利用率低；（2)复杂的调制方式依赖于 载波的性能，另外为使射频发射和接收装置（天线）比较小，需要用载波来进行调制以及频 谱的搬移，且载波频率高，因此适合用于非低频的通信应用；(3)解调多是基于幅度的检测 和相位的检测，估计精度低。
【发明内容】
[0007] 针对目前无线通信方法多用射频技术把发送信号搬移到高频段不适合低频无线 通信，受载波的影响很大，增加硬件的成本，解调以检测幅度为主，估计精度低等缺点等。本 发明提出一种异步双工零射频无线通信系统，减少对载波的依赖，只需要一个基准频率，把 信息附在发送变频信号的起始频率上，在通信所支持的频段内直接进行基带调制为一个变 频信号，变频信号的起始频率与基准频率和一个或者多个码字之间有一一映射函数关系， 解调时解出起始频率，根据映射函数关系解出一个或者多个码字。本发明通过如下技术方 案实现：
[0008] -种异步双工零射频无线通信方法，假设采用的编码是Nbit编码，则有2N个可 能的码字，对2N个码字赋一定的值，如Sj赋值为dj，在解码时候设定一定的判断准则，如在 djnin~djniax都判为(^，2~个码字的赋值相互之间有一定的冗余间隔，使得解调有一定的容 错能力。无线通信支持的频段为F_~F_，确定基准频率f。，F_<f。<F_。如同时发 送M个码字，则构造M个码字所赋予的值（dsl，ds2,L，cU1}，dsM)和M个变频信号的起始频率 (fsl，fs2,L，fs(M1}，fsM)以及基准频率心之间的M个映射函数关系，这M个函数是不相关的，
[0010] 构造出来的M个变频信号的起始频率（fsl，fs2,L，fsftl &fsM)相互之间有一定的冗 余间隔，使得解调有一定的容错能力，且这M个函数由起始频率（fsl，fs2,L，fsftl1}，fsM)的大 小关系来进行由小到大或者由大到小的排序。假设fsl<fs2<L<fsftlfsM，则F_与 最大频率fsM之间的差，即F_-f_大于一个符号（码字）的频率变化范围。由于频率和基 准频率之间存有函数映射关系，频率漂移后基准频率也会相应的漂移，可以克服频率漂移 带来的影响。
[0011] 假设起始频率为f，频率变化函数为P(t)，这样的变频信号为
[0012] X(f,t) =cos(2JT(f+P(t))t)(公式 2)
[0013]变频信号有一定的带宽f?~f+P(T)，T是信号发送的持续时间。则根据M个变频 信号的频率变化函数以及起始频率，得到一个多元变频宽带信号
[0015] 另外，还一起发送一个频率为基准频率f。的单频信号
[0016] x〇(t) =cos(2JTf〇t)(公式 4)
[0017] 形成宽带变频发送信号
[0019] 接收端收到信号之后，通过一个带通滤波器，进行单频信号与变频信号的分离。分 离出来单频信号对其进行频率估计，求解出基准频率fc的估计值，另外对其和倍频信号 进行整形，提取时钟信息，以便收发双方的时间同步，进行异步通信。分离出来的变频信号， 对其进行时频分析，求解出M个变频信号的起始频率L，/#，且由小到大或由大到 小进行排序。然后根据（公式1)，把&替换成其估计值.? .，fsl，fs2,L，换成其估计值 1厶丄，反解出M个赋值j2，L,?。根据判断准则，判断其所属的赋值，从而从码 本中找出对应的码字。如^^ < 4 < <ma、，则判为解调出为码字j。
[0020] -种异步双工零射频无线通信系统，以换能的方式实现信号的发送和接收，发送 方包括低频发射头、信息发送单元、调制器、发送电路；接收方包括接收