基于FPGA的微型化低频通信系统的设计与实现

陈海洋，张曙霞，蒋宇中，王永斌，林朋飞，彭 丹

(海军工程大学 电子工程学院， 湖北 武汉 430033)

基于FPGA的微型化低频通信系统的设计与实现

陈海洋，张曙霞，蒋宇中，王永斌，林朋飞，彭 丹

(海军工程大学 电子工程学院， 湖北 武汉 430033)

针对现有低频通信系统功耗过高、天线尺寸太大、调整不灵活等问题，设计了一种基于FPGA的低频通信系统。研究了基于软件无线电的微弱信号处理方案，设计出高效的低频天线，实现了远距离、大穿透深度的可移动通信。在较强的电磁干扰情况下进行了透地和透水模拟实验，结果表明该系统可以在地面和地下以及地面和水下建立起有效的无线电通信，证明了低频无线通信的发展潜力，可以为实际应用提供参考。

FPGA；低频无线通信；微弱信号处理；天线技术

0 引言

随着科技的进步，无线电通信技术飞速发展，在现代社会得到极其广泛的应用。陆地浅层资源因过度开发而潜力受限，使用低频无线电技术探寻海洋资源、地下深层矿藏和深空资源的需求越来越迫切[1]。与此同时，现代城市的空间得到高度利用，楼宇间及地下无线通信的重要性日益凸显。处于无线电频谱末端的低频电磁波，对岩层、沙壤、水等有耗介质具有较大的穿透能力[2]，可以作为透地和透水通信的传播媒介。但是，由于天线尺寸需与低频电磁波波长相比拟，天线的辐射效率很低，加上随频率降低而增加的本底噪声和大气噪声的干扰[3]，以及在有耗介质中传播的衰减，使得微弱的接收信号湮没在噪声之中。因而，相对于高度发展的中高频段的通信方式，低频无线通信的应用进展比较缓慢。近十几年来，天线技术和微弱信号处理技术发展迅速，极具应用前景和发展潜力的低频无线电技术也逐渐成为新的研究热点[4]。

本文运用软件无线电的设计思想，结合微弱信号处理和天线技术[5]，给出一种可以用于透地和透水通信的低频通信系统，实现了在地下和水下较强电磁干扰情况下的低频无线通信，从而证明低频通信在无线电技术领域的应用潜力。

图1 应用于煤矿应急救援通信背景下的低频通信系统

1 低频通信系统的整体结构设计

低频通信系统由发射终端、传输信道及接收终端三部分组成。应用于煤矿应急救援通信背景下的低频通信系统如图1所示。井下发射部分包括警报信息输入模块和发送终端。地面终端接收机包括地面接收机和监控室计算机，其中监控室计算机用来接收并显示由地面接收机接收并处理得到的救援信息。

系统结构框图如图2所示，当操作面板上的按钮被按下后，产生的数据会被FPGA硬件电路捕获，然后进行编码、MFSK调制、滤波、数模转换，生成发射信号，之后经过功率放大器，再由发射天线产生低频交变电磁波。

图2 系统整体结构图

地面接收机是整个设计的重点和难点。接收天线将接收到的电磁波信号转化为微弱的电信号。为了使有用的信号得到放大，同时又把其他无用的干扰信号抑制掉，采用选频网络来限制带宽。之后信号通过一个低噪放大器，将信号增至合适的电平，从而保证合适的电平进入A/D转换电路。A/D转换电路将模拟低噪放大信号转化为数字信号，以便于后面的数字化处理。FPGA在本设计中主要作为处理器 ，对采样后的数字信号进行噪声消除处理，减少雷电脉冲、固定噪声等干扰。此外它还起到逻辑控制的作用，协调硬件间的时序，为DSP提供服务。为提高信号处理的速率，使用FPGA模块进行滤波、MFSK信号解调和译码处理。之后，FPGA协助DSP将处理后的数据写入网卡芯片中，最终通过网络将数据传输到PC机上，并由PC端上位机显示得到的结果，从而获得发射端发送的信息。

2 低频通信系统的关键技术

2.1 软件无线电

由于接收机硬件平台要对大量的数据进行实时运算处理，本系统采用软件无线电的设计思想，选用处理能力较强的FPGA作为主处理器，DSP芯片辅助处理。这种FPGA+DSP的设计方案非常适于模块化设计，使低频通信系统的小型化、可移动性及低功耗化成为可能，更好地贴合各类实际应用。由于低频通信环境的极度复杂性，在整个调试、测试和使用过程中，各个模块均可以进行修改和调整，使整个系统具有极强的适应性和灵活性。

根据软件无线电的思想，所设计的接收机的硬件结构如图3所示。硬件平台主要由前置部分、A/D数据采集部分、信号处理部分、网络传输部分以及其他相关辅助电路部分构成。其中前置部分由选频网络和低噪放大器组成；A/D数字采样部分为AD8138驱动放大器和模数转换芯片ADCLTC2208；FPGA模块作为主处理器，除了要对数字信号进行处理，还要向下协调各个硬件之间的逻辑和接口之间的时序，向上为DSP提供服务；DSP和网卡芯片RTL8019AS构成网络数据传输部分，DSP芯片负责将数据按照以太网帧格式进行封装发送至网卡芯片中，网卡芯片会自动将数据帧转换成物理帧格式在物理层传输至PC机上。

2.2 微弱信号处理

低频信号经过数百米甚至上千米的地层或水层传输，到达接收端时都是十分微弱的，并且大气噪声和雷电脉冲及本底噪声对信号形成很强的干扰。因此为了提高通信系统的可靠性，在降低传输信号频率以保证接收信号信噪比的同时，还要采用合理有效的弱信号检测方法，尽可能地消除干扰，改善通信系统的性能。为此，系统使用先进的通信信号处理和数字信号处理技术。通信信号处理技术针对微弱的接受信号，采用合理高效的弱信号检测算法和噪声消除算法，极大地提高了系统的可靠性。其中，核心的低噪声放大技术可以实现在放大有用信号的同时，只引入较低的本底噪声并减少大量的人为干扰。低噪声放大原理如图4所示。数字信号处理技术针对低频信号的特点，对信号滤波、调制解调函数进行了优化，使低频信号能稳定地传送。

图3 低频通信接收机的硬件结构设计框图

图4 低噪放大器电路原理图

在本设计中FPGA主要作为处理器。天线接收到的微弱通信信号经过前置电路放大并转换为数字信号后，再由FPGA进行噪声消除等处理，提高接收信号的信噪比。FPGA芯片的内部功能框图如图5所示。

此外，为了保证信号能够被地面接收，每一个信号重复发送10遍。由于长波通信信道窄，要考虑信道复用问题，当多个终端机同时需要发送求救信号时，采用载波监听随机竞争信道的方式互相错让发送时隙。

图5 FPGA内部功能框图

2.3 小型高灵敏度天线

电磁波在岩土、水等介质的传播过程中，电场能量因焦耳损耗而散失严重，但磁场能量损耗相对较小。针对电磁波能量在介质中传播的这一特性，本文设计的低频通信系统采用通用的磁性天线——环形天线。通过增加匝数、使用铁氧体磁芯和匹配调谐电容等措施，极大地提高了辐射效率，缩小天线的尺寸。其中，由于铁氧体具有聚合磁场能量的特性，可以在保持辐射效率的同时，成倍地减小天线尺寸[6]。增加天线匝数不仅可以增强天线中的电流强度，也会改变天线的辐射阻抗。调谐电容由两组电容组成，一组用来调节共振频率，另一组调节天线的阻抗匹配。在调试和实际应用过程中，可以通过接入并联电容来改变电容组的电容值。经过计算和调试，系统使用磁芯磁导率为3 000、线圈半径为16 cm、匝数为27圈的发射天线，从而实现发射天线的微型化和高效率。

针对接收端的微弱信号，设计了图6所示的高灵敏度接收天线，由低频信号接收天线和参考噪声接收天线两部分组成。低频信号接收天线是由利兹线螺旋绕制而成，方向图零深很深。因此，该天线具有较好的方向特性，可以减少特定方向的电磁噪声。由于低频信号接收天线可等效为不同直径的线圈，对不同频率的信号都能产生较强的感应电流，因此该天线具有较宽的接收信号频带和较高的灵敏度。参考噪声接收天线主要由一个小型磁性天线构成，用来接收各类噪声干扰作为参考噪声信号。天线接收到的两路信号到达接收机，进行自适应滤波等处理后，可以有效地减少噪声干扰，极大地提高了系统的信噪比。

3 实验结果及分析

为了验证和分析低频通信系统在透地通信和透水通信中应用的可行性和优越性，分别作了穿墙通信实验和水下通信实验，对本文提出的微型化、可移动低频通信系统进行了测试。在测试中，为了更好地研究各类噪声干扰、通信信号的频率、通信距离等因素对低频通信系统的抗噪声干扰性能和微弱信号处理能力及通信质量的影响，使用单一频率的正弦波调制信号。

图6 低频通信系统接收天线示意图

在透地通信实验中，发射天线和接收天线平行放置，正中间有一面厚度为36 cm的混泥土墙壁。发射机使用在12 V输入电压下最大输出1 A电流的功率放大器。实验结果如图7所示。

图7 透地通信实验结果图

可以看到，频率为16 kHz的电磁波信号在10 m空气和36 cm混泥土组成的介质中传播，只有不到2 dB的衰减。增大通信距离，由30 m空气和36 cm混泥土组成传播介质，16 kHz电磁波传播衰减不到6 dB，7 kHz的电磁波传输衰减约为5 dB，1 kHz的电磁波传输衰减不到5 dB。由此，对于大多数的陆地介质，该通信系统可以实现远距离、大穿透的无线通信。而且随着信号频率降低，传输衰减逐渐减小。

在透水通信实验中，发射天线和接收天线垂直架设。其中，发射天线放置于淡水中，距离水面12 m，接收天线架设在水面上方3 m处。功率放大器的参数不变，信号频率为16 kHz。电磁波信号在水中衰减较大，到达接收天线时十分微弱，图8为实验处理结果。

图8 透水通信实验结果图

实验结果表明，低噪声放大器可以在放大有用信号的同时只引入少量本底噪声干扰，对后续处理十分有利。经过噪声消除处理后，信噪比至少提高6 dB。

应用于煤矿应急救援背景下的PC端上位机如图9所示，可以进行实时监控警报，并处理和显示由接收机传来的处理结果。

4 结束语

本文根据低频通信技术的特点，有效地利用FPGA模块，设计了包括低频发射机和微型天线组成的发射系统，以及由高灵敏接收天线、低频接收机和上位机组成的接收系统。利用这套低频通信系统，可以在不同噪声干扰的环境下，实现远距离、大穿透深度的透地和透水通信。相较于传统的使用模拟电路、高功率、大天线的低频通信系统，该系统使用全数字化设计各个模块，配合使用灵敏度高、体积小的天线，具有微型化、低功耗和便携性等优势，可灵活运用于各类情况下的低频通信，尤其是应急救援通信。

图9 煤矿应急救援通信背景下的PC端实时监控界面

[1] CHENG D K. Field and wave electromagnetics[M]. New York: Addison-wesley, 1989.

[2] 益溪. 无线电波传播: 原理与应用[M]. 北京：人民邮电出版社, 2008.

[3] 蒋宇中. 超低频信道噪声统计特性及应用 [D]. 武汉：华中科技大学, 2008.

[4] 郑鹏, 刘政豪, 魏玉科, 等. HT_cSQUID低频通信接收机和穿墙通信接收实验[J]. 物理学报, 2014, 63(19): 408-416.

[5] MUKHERJEE J, ROBLIN P, AKHTAR S. An analytic circuit-based model for white and flicker phase noise in LC oscillators[J]. Circuits and Systems I: Regular Papers, IEEE Transactions on, 2007, 54(7): 1584-1598.

[6] BAE S, HONG Y K, LEE J, et al. Pulsed ferrite magnetic field generator for through-the-earth communication systems for disaster situation in mines[J]. Journal of Magnetics, 2013, 18(1): 43-49．

Design and implementation of the miniature low frequency communication system based on FPGA

Chen Haiyang，Zhang Shuxia，Jiang Yuzhong，Wang Yongbin,Lin Pengfei，Peng Dan

(School of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

According to the existing problems of high power consumption, large antenna and inflexible adjustment of low frequency wireless communication system, a miniature low frequency communication system based on FPGA was designed. Weak signal processing scheme based on software radio was researched, and the efficient low frequency antennas was designed. The long distance, large penetration of mobile communication had been achieved．The through-earth-and-water simulation experiment was carried out under the condition of strong electromagnetic interference. The results show that the system can establish effective radio communications between the earth′s surface and underground or underwater. The results demonstrate the potential development of the low frequency wireless communication and prove the reference value for the practical application.

FPGA; low frequency communication; weak signal processing; antenna technology

TP915

A

1674-7720(2016)01-0067-04

陈海洋，张曙霞，蒋宇中，等.基于FPGA的微型化低频通信系统的设计与实现[J].微型机与应用，2016，35(1)：67-70.

2015-09-13)

陈海洋(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：通信理论与技术。

张曙霞(1968-)，女，副教授，硕士生导师，主要研究方向：通信技术。

蒋宇中(1963-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：通信信号处理、低频大气噪声。