（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的ask调制解调的研究.pdf

中文摘要 论文题目：基于d s p 的a s k 调制解调的研究 专业：检测技术与自动化装置 硕士生：周燕( 签名)l 虱型至 指导教师：崔琪琳( 签名) j 益丝毕 摘要 在导向钻井系统中，稳定平台与钻井工具之间需要数据传输，但是这两者之间又存 在相对转动，因此不宜采用有线通信方式，适合用无线通信，本课题就是为实现这种无 线通信而提出的。 本文主要是为井下无线短程通信提出了一种新的解调方法，即用离散傅里叶变换来 实现2 a s k 信号的解调。首先，通过对三种基本数字通信方式2 a s k 、2 f s k 、2 p s k 的 深入分析和比较，以及对电磁理论的简要分析，结合井下环境，最终选择了低频2 a s k 通信方式，并采用d s p 芯片来解调2 a s k 调制信号。其次，通过分析和研究离散傅里叶 变换理论，找到了解调的具体方法，设计了解调的软件流程，并在m a t l a b 中进行了仿真。 最后，设计了实现f f t 算法以及解调的软件流程，编写了f f t 算法程序和解调程序，并 对程序进行了调试。 为了验证研究结果的可行性，实现用离散傅里叶变换的方法解调2 a s k 调制信号， 还设计并制作了2 a s k 调制电路。通过对此2 a s k 调制电路仿真分析和对实际电路的测 试，验证了此2 a s k 调制电路满足设计要求，并将调制电路的输出连接到d s p 上a d 的模拟输入通道上，把解调程序通过仿真器下载到d s p 中，用示波器测试d s p 芯片上 用来输出解调信号的管脚，测试得到的波形与原数字信号波形相同，没有出现误码。 关键词：a s k 调制解调数字通信低频通信离散傅里叶变换 论文类型：应用基础 u 英文摘要 s u b j e c t ： a s t u d yo f a s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nb a s e do nd s p s p e c i a l i l y ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nd e v i c e s n a m e ：z h o uy a n ( s i g n a t u r e ) 蕴出y 量 i n s t r u c t o r ：c u iq i l i n ( s i g n a t u r e ) 么：盈纽 a b s r l 上t a c l 。 i nt h es t e e r i n gd r i l l i n gs y s t e m ，t h es t a b l ep l a t f o r ma n dt h e d r i l l i n gt o o l sn e e dd a t a t r a n s m i s s i o n ，b u ti ta l s oe x i s t sr e l a t i v er o t a t i o nb e t w e e nt h e s et w op a r t s i tw o u l db e i n a p p r o p r i a t et oa p p r o a c ht h eu s eo fw i r ec o m m u n i c a t i o n , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni ss u i t a b l e 1 1 1 ea i mo ft h i sp a p e ri sf o r t h er e a l i z a t i o no f s u c hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n l es t u d yi nt h i sp a p e ri sm a i n l yg i v e nan e wd e m o d u l a t i o nm e t h o df o ru n d e r g r o u n d s h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , w h i c hu s e sd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o l t nt oa c h i e v et h e d e m o d u l a t i o no ft h e2 a s ks i g n a l f i r s to f a l l ，f r o mt h ed e e pa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nf o rt h r e e b a s i cd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n2 a s k , 2 f s k , 2 p s i c , a sw e l la sab r i e f a n a l y s i so ft h e e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , c o m b i n e dw i t hu n d e r g r o u n de n v i r o n m e n t ，t h ef i n a lc h o i c ei st h e l o w - f r e q u e n c y2 a s kc o m m u n i c a t i o n , a n du s ed s pc h i pt od e m o d u l a t e2 a s km o d u l a t i o n s i g n a l s e c o n d l y , t h r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c hd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r mt h e o r y , w ef o u n dt h e s p e c i f i cm e t h o d so fd e m o d u l a t i o n , a n dd e s i g n e dt h es o f t w a r ef l o wd i a g r a m ，a n dc o n d u c t e da s i m u l a t i o ni nm a t l a b f i n a l l y , d e s i g n e dt h ef f ta l g o r i t h ma n dd e m o d u l a t i o ns o f t w a r ef l o w d i a g r a m ，a n dw r o t et h ef f ta l g o r i t h mp r o g r a ma n dd e m o d u l a t i o np r o g r a m ，a n dd e b u g g e dt h e p r o g r a m i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h es t u d y , a n dr e a l i z et h ed e m o d u l a t i o no f2 a s k m o d u l a t i o ns i g n a l u s i n gt h em e t h o do fd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m , i ta l s od e s i g n e da n d p r o d u c e da2 a s km o d u l a t i o nc i r c u i t i ti sv e r i f i e dt h a tt h e2 a s km o d u l a t i o nc i r c u i ti ss a t i s f y f o rd e s i g nr e q u i r e m e n tt h r o u g hc i r c u i ts i m u l a t i o na n dc i r c u i tt e s t ，a n dt h eo u t p u to fm o d u l a t i o n c i r c u i ti sc o n n e c t e dt ot h ea n a l o gi n p u tc h a n n e l s o fa do nd s p , a n dd o w n l o a dt h e d e m o d u l a t i o np r o g r a mt ot h ed s p t h r o u g hs i m u l a t o r , t h e nt e s t st h eo u t p u ts i g n a la tt h ep i no f d s pt h r o u g ho s c i l l o s c o p e ，t h ew a v e f o r mo fr e c e i v e da r es a m ew i t ht h eo r i g i n a ld i g i t a ls i g n a l w a v ef o r m a n dt h e r ei sn oe r r o r k e y w o r d s ：a s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，l o w f r e q u e n c y c o m m u n i c a t i o n ，d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：固整日期：2 盥( ：星 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：瞧 导师签名：料 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 篡， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 基于d s p 的a s k 调制解调技术的研究是为了解决导向钻井系统中井下稳定平台与 钻井工具之间的无线短程通信的问题。在井下，电磁波的传播介质是导电介质，而导电 介质中电磁波的传输应该采用的是一种长波低频通信，只有这样才能实现无线通信的目 的。同时，由于硬件解调装置占用空间大，而且使用不灵活，因此采用软件解调方式具 有很大的优势，所以该课题研究的是一种低频数字通信技术，在该技术中解调的方式是 软件解调。 + 低频通信技术美国研究的较早，早在5 0 年代末，美国开始研制北极星战略导弹核潜 艇的同时就考虑其在深水的通信问题。美国在第二次世界大战前后以及5 0 和6 0 年代已 在美国本土、巴拿马、日本、英国和澳大利亚等处建造了可以覆盖全球的甚低频( 3 3 0 千赫) 对潜通信台站网，这一频段的无线电信号在海水中传播的衰减率为3 分贝米，虽 然具有一定的穿透海水能力，但在数千千米外穿透海水的深度一般只有几米，无法保证 对潜航在8 0 - 1 0 0 米以下潜艇指挥控制通信的需要，因此提出利用超极低频来解决深潜 潜艇的通信问题。1 9 6 8 年在威斯康星州克拉姆湖地区的花岗岩低导电率地质结构区开始 建站，1 9 6 9 年建成各长2 2 5 千米的十字型天线，发射机功率为2 兆瓦的试验台。在1 9 7 2 年的试验中，海军成功地实施了与4 6 0 0 千米外，天线在水下1 0 2 米深、航速为1 6 节的 潜艇进行通信联络。从1 9 8 5 年5 月起，美国先后在太平洋舰队、地中海、西太平洋及北 极冰盖条件下对潜极低频通信均试验成功。 英国和法国也是有核潜艇的国家，尽管它们可以利用美国的超极低频对潜通信系 统，但是，它们还是在研究自己的超极低频对潜通信技术。法国也是从1 9 8 4 年开始从 事有关研究工作，法国汤姆逊无线电公司和c g e 公司就在从事这方面的研究工作。 我国在低频通信方面的研究目前也有很多方面，这从国内一些期刊上发表的文章可 以看出，如海军舰艇学院在“甚低频对潜通信信号场强预测【1 】，中提到甚低频( v l f ) 电波 传播过程中因环境因素影响会使信号产生衰减与扰动，导致潜艇收信可靠性下降，给出 了基于传播介质环境地、电离层参数的统计预测，运用波导模式理论对甚低频电波的信 号场强进行预测，为甚低频对潜通信系统在运行中调整其可变参数或在特定参数条件下 避开传播衰减与扰动提供传播环境服务，使通信系统工作性能与信道特性达到良好匹配， 从而实现提高对潜通信效能的目的。太原理工大学在“穿透地层的矿井地下无线通信系 统设计方案探析1 2 p 中针对穿透地层无线通信的特点，采用了终端短路单级天线及单边 带调制和弱信号接收技术，提出一种可行的穿透地层矿井无线电通信系统的方案。 在软件解调技术的研究方面，美国率先于2 0 世纪8 0 年代在军事系统中开始了软件 无线电的研究、开发和试研。美国国防部高级研究计划总署首先提出了s p e a k e a s y t 3 1 计划， 计划第一阶段的目标是研制开发多频段多模式军用电台。1 9 9 5 年s p e a k e a s y 二期工程启 动，全面的研制工作已于1 9 9 7 年展开。s p e a k e a s y 的目标是实现一个三军通用的无线电 西安石油大学硕士学位论文 平台，其软件和硬件都将采用开放式模块结构，工作频段覆盖2 - 2 0 0 0 m h z ，能兼容美军 现有的各种电台，并能同时与其中的任意4 种电台进行通信，并具有全球定位的能力。 同时与其中的任意4 种电台进行通信，并具有全球定位的能力。除s p e a k e a s y 外，还有 a c t s ，r a c e ，s p e c t r u mw a r e ，s o r t ，s l a t s ，p r o m u r a 等。a c t s 是欧洲联合研 究项目，该项目先后启动了四个子项目，f i r s t 、f r a m e s 、m e d i i a n 和t s u n a m ii i 。 为了实现多波段、多模式的可编程软件无线电结构，f i r s t 项目作了大量研究，内容涉 及如何提供多媒体业务以及r f 硬件和d s p 信号处理算法，它已经建立了4 个多模式测 试床，两台用作移动台，另两台用作基站，完成了双制式系统的软件无线电试验；而 f r a m e s 项目则对自适应天线在软件无线电中的使用作了认真研究。 国内对软件无线电技术的研究，开始于1 9 9 5 年美国第一台高水平的软件无线电系统 s p e a k e a s y 问世之后。在1 9 9 6 年1 0 月，我国通信“8 6 3 ”首先立项【4 】，开始了对软件无 线电的小规模探索，九五期间，该技术已成功地在某型号军用单兵短波数字通信系统中 得到应用。国内外很多科研院所、研发机构、高等学府及大公司、大企业都已经投入到 软件无线电技术的研究开发中，经过国内外研究学者的共同努力，对软件无线电技术的 研究已日趋深入细致，理论上已基本成熟。虽然我国对软件无线电技术的研究起步晚于 欧美，但是关于软件无线电的研究已经得到了越来越多的重视，技术水平也得到了长足 的发展。软件无线电经过十几年的发展和研究，在基本理论方面已经取得了相当的成绩， 基本理论已经确定。现在主要在软件无线电体系结构、开环快速同步技术以及硬件方案 的具体实施等方面还在进行热烈的讨论。 1 2 研究目的 在导向钻井系统中，稳定平台用来测量钻井过程中的一些参数，然后将测量到的参 数传给随钻测量系统，通过随钻测量系统发送到地面上，本课题所研究的是稳定平台与 随钻测量系统之间通信的问题。由于稳定平台与随钻测量系统之间是存在相对运动的， 数据不可能通过有线方式传输，因此需要用无线通信方式来解决两者之间的数据通信问 题。稳定平台测量的数据最终都将是数字量，所以要通信的信息也是数字信号，同时数 字通信具有抗干扰能力强等特点，因此通信方式采用的是数字通信，而数字通信必然需 要调制和解调，调制系统比较简单，所以本课题主要研究的是一种基于d s p 简单硬件系 统的软件解调技术，以便为井下无线通信提供一种可靠、灵活的通信方式。 1 3 研究内容 基于d s p 的a s k 调制解调的研究是为井下的稳定平台与随钻测量系统之间数据传 输的短程通信提供一种调制解调的系统，它实际上是一种数字幅度调制解调，即2 a s k 调 制解调。该系统要能够产生一个特定频率的载波信号，该信号被发射出去以后要能适合 在井下环境中传播；然后再用数字信号调制该载波信号，从而产生一个调制信号，这就 是调制部分。而解调部分是通过对数字信号处理芯片d s p 编程，由软件来实现的。在这 里采用的是一种新的解调算法，即用离散傅里叶变换来解调数字调制信号，因此，本课 2 第一章绪论 题主要从以下几方面进行研究： ( 1 ) 研究数字通信中数字信号的调制解调技术，数字通信应注意的问题等。 ( 2 ) 研究离散傅里叶变换技术及其快速算法，以及离散傅里叶变换在信号频谱分析 方面的应用和如何将该技术用在数字信号的解调上来。 ( 3 ) 根据快速傅里叶变换理论设计能实现该算法的软件流程编写软件程序。 ( 4 ) 使用m a t l a b 仿真快速傅罩叶变换的谱分析特性，同时在m a t l a b 中设计解调的 程序，并进行仿真。 ( 5 ) 研究d s p 芯片在开发过程中应注意的相关问题。由于d s p 比单片机复杂很多， 开发难度较大，在编写主程序前需要对内存进行分配，同时还要对系统初始化等工作。 ( 6 ) 结合d s p 硬件特点，设计出可用于解调的软件流程，编写软件程序，并通过使 用d s p 开发平台和仿真器来共同调试程序，最终用示波器来测试系统的解调效果。 西安石油大学硕士学位论文 第二章数字通信技术分析 要实现井下的无线数字通信，就必须选择一种合适的数字通信方式，基本的数字通 信方式分为三种，即：2 a s k 、2 f s k 和2 p s k ，具体哪一种方式适合井下的无线数字通 信，就需要对数字通信技术做深入的分析。 2 1 数字通信的概念及特点1 4 1 1 s i 从广义上讲，通信就是将消息从一个地方传递到另一个地方的过程，在通信系统中 根据待传输消息的不同，可以分为：数字( 离散) 消息和模拟( 连续) 消息，相应的通 信方式也就分为数字通信和模拟通信，这是对应两种不同类型信号而定义的通信方式。 先看看模拟通信，比如在电话通信中，用户线上传送的电信号是随着用户声音大小 的变化而变化的。这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号 称为模拟信号。在用户线上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信。 数字信号与模拟信号不同，它是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信 息的信号。电报信号就属于数字信号。现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种( 用“0 和“l 代表) 的波形，称为“二进制信号”。“数字通信”是指用数字信号作为载体来 传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。 数字通信相对于模拟通信有很多突出的优点，主要表现在下面几个方面： ( 1 ) 抗干扰能力强，无噪声积累，可实现长距离高质量传输。在模拟通信中，为了 提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程 中不可避免地将叠加上的噪声同时放大，随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，从 而使传输质量严重恶化。而数字通信则由于其信号为有限的离散值，传输过程中虽然也 受到噪声的干扰，但当信号恶化到一定程度时，在适当距离采用判决再生的方法，再生 成没有噪声干扰和与原发送端同样的数字信号，实现长距离高质量的传输。 ( 2 ) 便于存储、处理和交换。数字通信和计算机所用信号一致，都是二进制代码， 因此便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自 动化、智能化，便于与计算机联网。 ( 3 ) 数字通信传输数字信号，可采用简单的逻辑实现加密、解密，以便保密通信。 ( 4 ) 可采用信道编码技术使错误率降低。 ( 5 ) 设备便于集成化、微型化，更有利于传输和交换的综合 ( 6 ) 可兼容电话、电报、数据和图像等各种信息的传输，组成综合业务数字网。 但是数字通信占用信道频带宽，这是数字通信主要的缺点。以电话为例，模拟通信 中一路话音信号占用频带为4 k h z ，而数字电话一般需要十几几十k h z 的带宽。此外， 数字通信的设备一般也比模拟通信复杂。 2 2 数字调制解调原理 数字调制是指调制信号的取值是离散信号。和模拟调制一样，数字调制也有调幅， 4 第二章数字通信技术分析 调频和调相三种基本形式1 5 1 ，并可以派生出多种其它调制形式。数字调制与模拟调制在 原理上并无明显区分，只是模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端则是 对载波信号的已调参量连续的进行估值；而数字信号是用载波信号的某些离散状态来表 征所传输的信息，在接收端也只需要对载波信号的离散已调参量进行检测。 与模拟调制相同，根据已调信号的频谱结构不同，数字调制也可以分为线性调制与 非线性调制。在线性调制中，例如，2 f s k ( - - 进制频移键控) ，已调信号的频谱结构与 基带信号的频谱结构不同，不是简单的频谱搬移，而是有其它新的频谱成分出现。 数字调制解调系统的基本结构由基带预处理、调制、发送滤波器等组成，如图2 1 ： 图2 - 1 数字调制解调系统的基本结构图 。 基带预处理是将单极性不归零的二进制原始数字信息序列形成数字基带信号，主要完成 基带脉冲选择、基带编码、形成无串扰或有可控串扰的基带信号波形、压缩基带信号带 宽等任务；调制指的就是数字调制，例如后面接着将要介绍的2 a s k ( - - 进制幅度键控) 、 2 p s k ( 二进制相位键控) 、2 f s k ( 二进制频率键控) 等；发送滤波器主要是将已调信号 形成适合于传输的信道信号，可以选择单边带滤波器、残留边带滤波器或双边带滤波器 等形式；接收滤波器主要是用来提取有用信号，滤除频带外干扰和噪声，通常选择带通 滤波器；解调就是将频带信号变为基带信号，常用的解调方式有相干解调和非相干解调； 低通滤波器主要是去掉解调器输出信号中的高频分量，恢复出基带信号；抽样判决，与 模拟调制接收系统相比，数字调制接收系统中都增加了一个抽样判决器，其作用是码元 再生，力求准确无误的恢复出数字基带信号。这是恢复数字基带信号所必需的，同时也 是提高数字信号接收性能的必要部件。 2 3 数字调制的基本方式【6 】【7 】 数字基带信号是低频信号，其功率谱集中在零频率附近，它可以直接在低通型信道 中传输。然而，实际信道很多是带通型的，数字基带信号无法直接通过带通型信道。因 此，在发送端需要把数字信号的频谱搬移到带通信道的通带范围内，以便信号在带通型 信道中传输，这个频谱的搬移过程称为数字调制，频谱搬移前的数字基带信号称为调制 信号，频谱搬移后的信号称为已调信号。相应的，在接收端需要将已调信号的频谱搬移 回来，还原为原数字基带信号，这个频谱的反搬移过程称为数字解调。 调制的目的是实现频谱的搬移，而实现频谱搬移的方法是用基带信号去控制正弦波 的某个参量，使这个参量随基带信号的变化而变化。由于正弦波有幅度、频率和相位三 西安石油大学硕士学位论文 个参数，因此，数字调制技术也有三种基本基本形式：数字振幅调制、数字频率调制和 数字相位调制。 由于数字信息只有离散的有限种取值，因此调制后的载波参量也只有离散的有限种 取值。数字调制的过程就像用数字信号控制开关一样，从几个具有不同参量的独立振荡 源中选择参量，所以数字调制称为“键控 。数字调制常用的有三种基本方式：二进制幅 度键控( 2 a s k ) 、二进制频率键控( 2 f s k ) 、二进制相位键控( 2 p s k ) ，如图2 2 所示。 l001 s ( ，) 二。 二 - 0瓦t 2 a s 晡l 彩乇广气户口 2 骼晡l 牟a 岛仁弋7 仁弋夕对对扣 2 髂贿l 影乇d 弋尹影弋p 弋户汀 图2 - 22 a s k 、2 f s k 及2 p s k 波形图 这三种数字调制方式中最简单的是二进制调制，即调制信号是二进制数字信号。在 二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。 2 3 1 二进制幅度键控( 2 a s k ) 在振幅键控中载波幅度是随着基带信号的变化而变化的。使载波在二进制基带信号 “1 或“0 的控制下通或断，即用载波幅度的有或无来代表信号中的“l ”或“0 ”，这样 就可以得到2 a s k 信号，这种二进制振幅键控方式称为通一断键控( o o k ) 。2 a s k 信号 典型的时域波形如图2 3 所示，其时域数学表达式如式2 1 ： 翌脚( r ) = a c o s a i t ( 2 - 1 ) 式2 1 中，彳为未调载波幅度，吃为载波角频率，为符合式2 - 2 关系的二进制序 列的第刀个码元： 。一f 0 出现概率为p r ， 2 l l 出现概率为1 一p 。2 。2 综合式2 1 和式2 2 ，令a = 1 ，则2 a s k 信号的一般时域表达式为： 最似( ，) - i a g ( t - n t , ) i c o s 叫 = s ( t ) c o s o j 。t ( 2 3 ) 式2 - 3 中，i 为码元间隔，g ( f ) 为持续时间 一c 2 ，i 2 内任意波形形状的脉冲( 分 析时一般设为归一化矩形脉冲) ，- 而s ( t ) 就是代表二进制信息的随机单极性脉冲序列。 6 第二章数字通信技术分析 0 t s 2 t 3五4ts 八厂、八厂、八八八八八，一 v vvv vvv 一 图2 32 a s k 信号的典型时域波形 为了更深入掌握2 a s k 信号的性质，除时域分析外，还应进行频域分析。由于二进 制序列一般为随机序列，其频域分析的对象应为信号功率谱密度。设g ( t ) 为归一化矩形 脉冲，若g ( f ) 的傅氏变换为g ，s ( f ) 则为二进制随机单极性矩形脉冲序列，且任意码 元为“0 的概率为p ，则s ( f ) 的功率谱密度表达式为： 只( 力= z 尸( 1 一p ) i g ( f ) 1 2 + f ( 1 - p ) 2i g ( o ) 1 2f ( 厂) ( 2 - 4 ) 5 戈2 - 4 中，g ( 伊t l 署j ，z2 百1 ，拍瑚制舫啪航粹愿在挚趾 相等。可以看出，单极性矩形脉冲随机序列含有直流分量。2 a s k 信号的双边功率谱密 度表达式为： 墨艘( 厂) = 丢z 尸( 1 一尸) 1 g ( 厂+ z ) 1 2 + i g ( 厂一z ) 1 2 + 去z 2 ( 1 - p ) 2 l a ( o ) 1 2 【f u + z ) + f u z ) 】 ( 2 - 5 ) 式2 5 表明，2 a s k 信号的功率谱密度由两个部分组成：( 1 ) 由g ( ，) 经线性幅度调制 所形成的双边带连续谱；( 2 ) 由被调载波分量确定的载频离散谱。图2 _ 4 为2 a s k 信号 的单边功率谱示意图。 望 s 0 ，、 洲n v 。 z 一4 置工一3 足f o 一2 足z 一是zz + 足z + 2 墨正+ 3 r 工+ 4 r j r 图2 - 42 a s k 信号的单边功军谱密度示意图 对信号进行频域分析的主要目的之一就是确定信号的带宽。在不同应用场合，信号 带宽有多种度量定义，但最常用和最简单的带宽定义是以功率谱主瓣宽度为度量的“谱 零点带宽 ，这种带宽定义特别适用于功率谱主瓣包含信号大部分功率的信号。显然， 2 a s k 信号的谱零点带宽为： 岛舣= ( z + r ) 一( 工一足) l f o = 2 r , = 2 r , ( 2 _ 6 ) 7 西安石油大学硕士学位论文 式2 - 6 中，足为二进制序列的码元速率，它与二进制序列的信息率( 比特率) 民( b i f f s ) 在数值上相等。 2 a s k 信号的产生方法比较简单。首先，因2 a s k 信号的特征是对载波的“通一断 键控 ，用一个模拟开关作为调制载波的输出通断控制门，由二进制序列s ( t ) 控$ l j j - j 的 通断，s ( ，) = 1 时开关导通；s ( r ) = 0 时开关截止，这种调制方式称为通一断键控法。其 次，2 a s k 信号可视为s ( r ) 与载波的乘积，故用模拟乘法器实现2 a s k 调制也是很容易 想到的另一种方式，称其为乘积法。在这里，我们采用的是通一断键控法，2 a s k 调制 的基带信号和载波信号分别从“a s k 基带输入和“a s k 载波输入 输入，其原理框图 如图2 5 所示。 图2 52 a s k 调制原理框图 2 3 2 二进制频移键控( 2 f s k ) 2 f s k 信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进 制序列“0 、1 ”状态而变化，即载波频率为五时代表传“0 ，载波波频率为石时代表传 “1 。显然，2 f s k 信号完全可以看成两个分别以f o 和f , 为载波频率、以和瓦为被传 二进制序列的两种2 a s k 信号的合成。2 f s k 信号的典型时域波形如图2 - 6 所示，其一般 时域数学表达式为： 厂1厂1 是麒( f ) = l g ( 一玎正) i c o s f + l 不。一聆瓦) i c o s q f ( 2 7 ) l 对 jl j 式中，= 2 砥，q = 2 万石，是的反码，即 铲留瓣pi = 0 豁尸 图2 - 62 f s k 信号的典型时域波形 8 第二章数字通信技术分析 因为2 f s k 属于频率调制，通常可定义其移频键控指数为： h = - z t r = l z - a i i r , ( 2 8 ) 显然，h 与模拟调频信号的调频指数的性质是一样的，其大小对已调波带宽有很大 影响。2 f s k 信号与2 a s k 信号的相似之处是含有载波频率离散谱分量，也就是说，二 者均可以采用非相干方式进行解调。可以看出，当h 1 时，2 f s k 信号功率谱呈双峰状，此时的信号带宽近似 为t 垦脚= i 彳一石i + 2 r ( 2 9 ) 2 f s k 信号的产生通常有两种方式：( 1 ) 频率选择法；( 2 ) 载波调频法。由于频率 选择法产生的2 f s k 信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状 态转换( 0 1 或1 专0 ) 时刻，2 f s k 信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信 号功率谱旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生2 f s k 信号，这时的 已调信号出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信 号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。频率选择法调制原理框图 如图2 7 所示： 图2 72 f s k 调制原理框图 由图2 7 可知，输入的数字基带信号被分成两路，一路经倒相器倒相后接至模拟开 关的控制端，另一路直接接至模拟开关的控制端。输入的两路载波信号1 和载波信号2 分别接至两个模拟开关的输入端。当基带信号为“1 时，模拟开关1 打开，模拟开关2 关闭，输出第一路载波；当基带信号为“0 时，模拟开关1 关闭，模拟开关2 打开，此 时输出第二路载波，再通过相加器就可以得到2 f s k 调制信号。 2 3 3 二进制相移键控( 2 p s k ) 2 p s k 信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定0 相位载波和兀 相位载波分别代表传“1 和传“0 ，其时域波形图如图2 8 所示。 设二进制单极性码为口。，其对应的双极性二进制码为吮，则2 p s k 信号的一般时域 数学表达式为： s ：枷，= 阻卜舛。r ij 9 ( 2 1 0 ) 西安石油大学硕士学位论文 其中： 2 m ( f ) 彳 ”- 1 ，美嚣群尸 则式2 1 0 可变为： 图2 - 82 p s k 典型时域波形图 r r i le g ( t - n t 。) s 2 e s r , ( t ) = 舻 i i g ( 卜刀t ) l l c o s ( c o 。，+ 万)当口。= 0 ( 2 1 1 ) c o s ( 国。t + 0 )当= l 由式2 1 0 可见，2 p s k 信号是一种双边带信号，比较式2 1 0 和式2 3 可知，其双边 功率谱表达式与2 a s k 的几乎相同，即为： 最麟( 厂) ：f , p o j p ) il i f , p oa ( f + f c ) 1 2 + i g ( 厂一) 1 2i + 三z 2 ( 1 一尸) 2 i g 1 时， 2 - 3 0 近似为巧呈2 ，此时p ( o 1 ) 、p ( “。) 分别为： 盯： 一 p ( o 1 ) = f 2 z ) d x p ( i o ) 2j ：，：f o ( x ) a x 所以，在大信噪比时，包络解调的平均误码率为 p 。= p ( o ) p d o ) + p ( 1 ) p ( o 1 ) i 1p 一7 7 4 由于在小信噪比条件下，包络解调的误码性能比相干解调差， 要用于大信噪比接受环境。 ( 2 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) 所以包络解调方式主 西安石油大学硕士学位论文 第三章通信载波频率分析 根据电磁波理论，我们知道电磁波在电导率不为零的介质中传播时会产生衰减，衰 减的程度与电磁波的频率以及介质的电导率磁导率等因素有关，而2 a s k 信号在介质中 传播时，实际上是被调制的载波信号以电磁波的形式在介质中传播，为了保证电磁波信 号在电导率不为零的介质中传播时衰减最小，有必要研究一下电磁波理论，从而找出电 磁波在导电介质中传播时的衰减规律。 3 1 电磁波理论分析【1 0 】【1 1 】【1 2 】 麦克斯韦、库仑、安培、法拉第等科学家为电磁场理论的研究奠定了坚实的基础， 要研究电磁波理论首先从麦克斯韦方程开始研究。麦克斯韦方程是电磁场的基本方程， 是分析研究电磁问题的基本出发点。 麦克斯韦方程的微分形式为： v xe ：一塑 ( 3 1 ) 研 v x h = ，+ 丝( 3 2 ) 研 v b = 0( 3 3 ) vd=p(3-4) 在各向同性的介质中，场量之间的关系为： d = 6 e( 3 5 ) b = 5 4 ( 3 6 ) j ：e r e( 3 7 ) 其中： e ：电场强度，v m ；d ：电位移，c m 2 ； h ：磁场强度，a m ；b ：磁感应强度，w i r e 2 ； j ：电流密度，a i m 2 ；p 。：体电荷密度，c i m 3 ； 占：介电常数，f m ； ：磁导率，h m ； 仃：电导率，s m ；v ：l a p l a c e 算子。 在无源、无界的导电介质中麦克斯韦方程组为： v xh = o e + j c o c e( 3 8 ) v xe = - j r o l u h( 3 9 ) v h = 0 ( 3 1 0 ) v e = 0 ( 3 1 1 ) 这几个方程是建立在为库仑、安培、法拉第所提供的实验事实和麦克斯韦假想的位 移电流的基础上，也把任何时刻在空间任一点上的电场和磁场的时空关系与同一时空点 的场源联系在一起。 1 8 第三章通信载波频率分析 麦克斯韦方程组中式( 3 8 ) 可以写为： v x 日= j r o ( 6 一j f 詈) e = j c 0 6 。e ( 3 - 1 2 ) 其中： 占。= g j 国o = f ( 1 一昙) ，称为导电介质的复介电常数。 对式( 3 8 ) 、式( 3 9 ) 两边取旋度后代入式( 3 1 0 ) 、式( 3 1 1 ) 可得到波动方程： v 2 e y 2 e = 0 ( 3 1 3 ) v 2 日一y 2 日= 0 ( 3 1 4 ) 其中y 2 = 国2 肛c ，直角坐标中，对于沿+ z 方向传播均匀的电磁波，如果假定电场只 有x 分量e 工，那么式( 3 1 3 ) 的一个解为： e = e x e 一筘 ( 3 - 1 5 ) 在式3 - 1 5 中，令厂= 卢一j a ，则： e = e ，e o e 一伊归k ( 3 1 6 ) e = p ，e o e 一茁p 一伽 ( 3 1 7 ) 显然电场强度的复振幅以因子p 唯随z 轴增大而减小，口是说明每单位距离衰减的 常数，称为衰减常数。表示每单位距离落后的相位，称为相位常数。7 = 一j a ，称 为传播常数。 因为t 2 = 缈2 胆c ，所以： ( f l - j 0 0 2 = 国2 ( 占一，暑) ( 3 1 8 ) 因此： 2 一口2 一j 2 筇= 国2 肛一_ ，掣盯 ( 3 1 9 ) 从而有： 2 一口2 = 国2 肜 ( 3 2 0 ) 2 筇= c o p o ( 3 - 2 1 ) 由式3 2 0 和3 2 l 两方程可解得： 再 f 可一 协2 2 ， = 国乒 而+ 一 ( 3 - 2 3 ) 式3 2 2 、3 2 3 中： 占：介电常数；0 ：电导率； ：磁导率；国：角频率。 1 9 西安石油大学硕士学位论文 通常，按二的比值把介质分为三类： 电介质：旦 1 。 可以看出，介质属于电介质还是良导体，不仅与介质参数有关，而且与电磁波频率 有关。 在良导体中，式3 2 2 可简化为： 万：，f 坐 ( 3 2 4 ) v2 可见在良导体中，随频率的增加衰减常数t 2 增大，从而电磁波的衰减增大。高频电 磁波在良导体中衰减极快，往往在微米级的距离内就衰减的近于零了。因此高频电磁场 只能存在于良导体一个薄层内，这种现象称为趋肤效应( s k i ne f f e c t ) ，电磁场强振幅衰 减到表面处的1 儿的深度，称为趋肤深度( 穿透深度) ，以万表示。 因为： e o e 一脚= e o 二 ( 3 2 5 ) 所以万与口满足如下关系： 牡吉刮去- j 去 协2 6 ， 可见导电性能越好( 电导率越大) ，工作频率越高，则趋肤深度越小，越不利于电磁 波的传输。 通过以上的电磁理论研究，结合井下短程通信的环境，即电磁波要在盐性泥浆中传 播，盐性泥浆是导电介质，故所选择的载波频率不能太高，要使用低频通信。下面对低 频通信做简单的分析。 3 2 低频通信分析【1 3 i t l 4 1 3 2 1 低频无线传输系统的原理及应用 麦克斯韦电磁场理论提出，变化的电场周围能产生磁场，而变化的磁场周围也能产 生电场。按照该理论，如果在空间某处有一个交替变化的电场，那么该交替变化的电场 就会产生一个交替变化的磁场，而交替变化的磁场又会产生交替变化的电场，如此下去 就会在原交替变化的电场周围空间产生交替变化的电磁场，电磁场会以这种相互交替变 化的形式向周围扩散，形成电磁波，这就是电磁波形成的原理。 电磁波的频谱范围很宽，按波长从长到短可分为无线电波、红外线、可见光、紫外 钱、x 射线、等。无线电波是电磁波中波长最长频率最低的部分。但是，并不是任何带 电物体都可以产生电磁辐射，产生电磁辐射和辐射的强弱主要由工作频率的高低及发射 天线的几何形状决定。低频信号如音频电信号的频率范围在2 0 h z 2 0 k h z 之间。属于甚 第三章通信载波频率分析 低频范围，其辐射电磁场变化慢、辐射量很小，不能远距离辐射。所以，一般广播电视 在发射前都必须先对低频信号进行高频调制使其附着在一定的高频“载波上发射出去。 低频信号不能产生大面积的辐射电磁场，进行远距离的信号传输也受到限制，正是 由于这一原因，这一频段的无线传输一直未受重视。事实上，在某些特殊场合，这种在 有限空间内的低频辐射正好可以得到利用。随着科学技术的发展，低频感应通信也得到 了一定的应用。例如：( 1 ) 感应通信可应用于矿业地下巷道及工作面等环境中的通信。 这种通信不是完全的无线电通信，而是半有线半无线方式的通信。( 2 ) 感应通信可应用 于铁路列车无线列调系统，使得通信系统结构简单、易实现、投资少、见效快，工作可 靠而有效。( 3 ) 教学广播系统。学校需要英语教学的广播及收听系统，用于听力的教学 训练和考试，可在教学楼区域或楼道架设感应传输线路，发射机输出可直接与感应线相 联接，感应线终端接匹配电阻，沿线周围教室的学生可用简单的无线接收机收听。这是 一种单向广播系统，信号只作用于有限的区域范围，而且工作于中频以下频段，对其它 系统无干扰，其结构简单、投资少、易实现。 3 2 2 低频无线通信的几种方式 低频无线通信常见的有以下几种方式： ( 1 ) 低频无线电通信。在对于数千赫兹以下波段的无线电波能够穿透地层以较低的 损耗传播，这种无线电通信在地面