技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種磁導(dǎo)透地通信裝置與方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)自然災(zāi)害、事故等緊急情況發(fā)生時(shí)，礦井、隧道、地鐵和地下建筑物等場(chǎng)所的常規(guī)通信設(shè)施易于受到破壞，造成地下及周邊地區(qū)的通信癱瘓，給救援工作造成了極大困難。因此，急需研究能夠應(yīng)用于地下災(zāi)后救援和安全生產(chǎn)的透地通信系統(tǒng)。

近年來(lái)，為了滿(mǎn)足地下通信業(yè)務(wù)需求，透地通信研究進(jìn)入了新階段。如采用超低頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線通信與緊急救援指揮系統(tǒng)(PED)，平均透地深度為800～1100m；利用低頻語(yǔ)音信號(hào)的透地通信系統(tǒng)，其傳輸距離超過(guò)100m、數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)2400bps。國(guó)內(nèi)一些單位也開(kāi)展了透地通信技術(shù)研究：如原機(jī)電部36所與淮南無(wú)線電一廠合作開(kāi)發(fā)的KT2007中頻地下無(wú)線電通信裝置，通信距離為1km左右，具有穿透煤層和巖石的通信能力，但穿透能力較弱；原煤炭科學(xué)研究院等單位研制出“礦井多功能移動(dòng)與救災(zāi)通信系統(tǒng)”，采用泄漏電纜作為信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)礦井無(wú)線電雙向通信。

上述現(xiàn)有透地通信系統(tǒng)大都利用電磁波的傳播原理，采用甚低頻或超低頻電磁波進(jìn)行透地通信，這種透地通信系統(tǒng)需要在地表或者地下配置非常大的環(huán)形天線，地下接收器才能收到天線輻射信號(hào)，大多數(shù)這類(lèi)系統(tǒng)都是單向的。此外，這類(lèi)系統(tǒng)對(duì)配電設(shè)備的干擾比較敏感，也會(huì)對(duì)已有通信和控制設(shè)備產(chǎn)生干擾；地表天線不易鋪設(shè)；信道容量小，通信距離短，信號(hào)覆蓋范圍很難預(yù)測(cè)，一些死角或者屏蔽區(qū)域經(jīng)常沒(méi)有信號(hào)。

由于傳統(tǒng)的電磁波輻射的透地通信存在上述局限，人們開(kāi)始研究基于磁導(dǎo)的透地通信技術(shù)。在磁導(dǎo)透地通信技術(shù)中為了增加覆蓋距離，一般采用窄帶信號(hào)，這有利于提高接收信噪比，但限制了傳輸速率，成為磁導(dǎo)透地通信面臨的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)透地通信中存在的傳輸速率低的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于磁矢量調(diào)制技術(shù)的磁導(dǎo)透地通信系統(tǒng)，該透地通信系統(tǒng)可以在相同帶寬和功率的條件下提高信息傳輸速率。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是：在透地通信系統(tǒng)的發(fā)送、接收端分別安裝三副環(huán)形天線。當(dāng)環(huán)形天線通電被激勵(lì)后，將產(chǎn)生磁場(chǎng)的三維矢量場(chǎng)；通過(guò)改變?nèi)碧炀€中電流的通斷狀態(tài)及電流方向，產(chǎn)生方向隨之改變的三維磁場(chǎng)矢量。用三副環(huán)形天線中的一副線圈通以某一極性的電流、其他兩個(gè)線圈不通電來(lái)表示一個(gè)調(diào)制符號(hào)，三副環(huán)形天線可發(fā)送6種不同的數(shù)據(jù)符號(hào)。因此，該透地通信系統(tǒng)可以在相同帶寬和功率的條件下，提高信息傳輸速率。

一種磁導(dǎo)透地通信裝置，包括發(fā)射支路、接收支路和收發(fā)開(kāi)關(guān)。發(fā)射支路包括基帶信號(hào)處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、射頻RF調(diào)制器和功率放大器；接收支路包括低噪聲放大器、射頻RF解調(diào)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和基帶信號(hào)處理器。其特征在于還包括：

天線單元，由天線控制器和天線組成。其中，

天線控制器，由微處理器、射頻開(kāi)關(guān)等組成。分別與天線和收發(fā)開(kāi)關(guān)相連，用于控制天線的通斷、接通順序及通電電流的方向。

天線，通過(guò)天線控制器與收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)相連，用于三維磁場(chǎng)矢量信號(hào)的發(fā)送和接收。為了提高信息傳輸速率，本發(fā)明的天線采用三副環(huán)形天線，三副天線同一時(shí)刻只有一副通電，其它兩副斷開(kāi)。

三副環(huán)形天線加電工作時(shí)的示意圖如圖4所示。圖4（a）是環(huán)形天線1通電時(shí)的情況，當(dāng)環(huán)形天線1通以圖示方向的電流時(shí)，在A點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閄軸正向，在B、C兩點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閄軸負(fù)向；當(dāng)電流反向時(shí)，在A點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閄軸負(fù)向，在B、C兩點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閄軸正向。

圖4（b）和圖4（c）分別是環(huán)形天線2和環(huán)形天線3通電時(shí)在A、B、C三點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)的情況。因此，如果以一副線圈通電、其他兩個(gè)線圈不通電來(lái)表示一個(gè)調(diào)制符號(hào)，共可得到6種不同的數(shù)據(jù)符號(hào)。與采用一般BPSK（BinaryPhaseShiftKeying，二進(jìn)制相移鍵控）調(diào)制相比，它們的傳輸速率之比為：

log2(6)/log2(2)＝2.58

也就是說(shuō)，傳輸速率是一般BPSK的2.58倍。

一種基于磁矢量調(diào)制技術(shù)的磁導(dǎo)透地通信方法，包括以下步驟：

步驟一，發(fā)送信號(hào)時(shí)，輸入信息比特流在基帶信號(hào)處理器中經(jīng)編碼、調(diào)制等基帶處理后形成數(shù)據(jù)符號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、RF調(diào)制、功率放大后由收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輸入到天線單元；

步驟二，天線控制器控制環(huán)形天線按一定的順序接通與斷開(kāi)，同一時(shí)刻只有一副環(huán)形天線通電，其它兩副不通電，在線圈內(nèi)部產(chǎn)生特定方向的磁場(chǎng)，以此表示一個(gè)調(diào)制符號(hào)，通過(guò)控制器調(diào)整三副線圈中電流的極性和線圈通電順序，產(chǎn)生隨之改變的可控三維磁場(chǎng)矢量，完成發(fā)送信號(hào)的磁矢量調(diào)制，并由天線向空中輻射；

步驟三，接收信號(hào)時(shí)，三副環(huán)形天線分別接收來(lái)自另一端的與之對(duì)應(yīng)的天線發(fā)射的電磁信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、變換后輸入到基帶處理器，完成基帶處理后恢復(fù)信息比特流。

本發(fā)明的有益效果是：采用磁矢量調(diào)制技術(shù)，通過(guò)控制三副環(huán)形天線按一定順序?qū)ㄅc斷開(kāi)，提高了傳輸速率。與一般的BPSK調(diào)制相比，在耗費(fèi)相同功率條件下，傳輸速率提高到2.58倍。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所涉及的磁導(dǎo)透地通信裝置組成框圖；

圖2為本發(fā)明所涉及的磁導(dǎo)透地通信方法流程圖；

圖3為環(huán)形天線安裝位置示意圖；

圖4為磁矢量調(diào)制原理示意圖：（a）為環(huán)形天線1通電情況，（b）為環(huán)形天線2通電情況，（c）為環(huán)形天線3通電情況。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖給出具體的實(shí)施方式。

圖1是本發(fā)明所述磁導(dǎo)透地通信裝置的組成框圖，包括發(fā)射支路、接收支路和收發(fā)開(kāi)關(guān)。發(fā)射支路包括基帶信號(hào)處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、射頻RF調(diào)制器和功率放大器；接收支路包括低噪聲放大器、射頻RF解調(diào)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和基帶信號(hào)處理器。其特征在于還包括：天線單元，由天線控制器和天線組成。其中，

天線控制器，由微處理器、射頻開(kāi)關(guān)等組成。分別與天線和收發(fā)開(kāi)關(guān)相連，用于控制天線的通斷、接通順序及通電電流的方向。三副天線同一時(shí)刻只有一副通電，其它兩副斷開(kāi)，通電順序?yàn)椋涵h(huán)形天線1+→2+→3+→1-→2-→3-→1+……，其中，“+”表示正極性電流，“-”表示負(fù)極性電流。

天線，通過(guò)天線控制器與收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)相連，用于三維磁場(chǎng)矢量信號(hào)的發(fā)送和接收。本發(fā)明的天線為三副環(huán)形天線，它們的安裝位置示意圖如圖3所示，環(huán)形天線所在平面兩兩垂直，環(huán)形天線1所在平面為YOZ平面，環(huán)形天線2所在平面為XOZ平面，環(huán)形天線3所在平面為XOY平面。

三副環(huán)形天線形成三維磁場(chǎng)矢量的原理如圖4所示。

圖4（a）是天線1線圈通正電、天線2和天線3不通電的情況。通電天線1周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，由右手螺旋定則可知，磁場(chǎng)方向?yàn)閤軸正方向，即ix＝+1，iy＝0，iz＝0，以此來(lái)表示調(diào)制符號(hào)0。圖4（b）是天線2通正電，天線1和天線3不通電的情況。產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閥軸正方向，即iy＝+1，ix＝0，iz＝0，以此來(lái)表示調(diào)制符號(hào)1。圖4（c）是天線3通正電，天線1和天線2不通電的情況。產(chǎn)生磁場(chǎng)方向?yàn)閦軸正方向，即iz＝+1，ix＝0，iy＝0，以此來(lái)表示調(diào)制符號(hào)2。當(dāng)天線通電極性變?yōu)樨?fù)時(shí)，產(chǎn)生方向相反的磁場(chǎng)，又可以形成3種不同的數(shù)據(jù)符號(hào)：天線1、2、3通以反極性電流時(shí)分別形成調(diào)制符號(hào)3、4、5。由此共產(chǎn)生6種不同的數(shù)據(jù)符號(hào)，如表1所示。

本發(fā)明所述的磁導(dǎo)透地通信方法的流程圖如圖2所示，包括以下步驟：

步驟一，信號(hào)發(fā)送階段，發(fā)射支路的基帶信號(hào)處理器輸出數(shù)據(jù)符號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、RF調(diào)制、功率放大后由收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)送到天線單元；

表1三副環(huán)形天線產(chǎn)生的6種數(shù)據(jù)符號(hào)

步驟二，環(huán)形天線在天線控制器控制下，按1+→2+→3+→1-→2-→3-→1+……的順序加電，即同一時(shí)刻只有一副環(huán)形天線通電，其它兩副不通電。以每一個(gè)通電狀態(tài)表示一個(gè)調(diào)制符號(hào)，通過(guò)控制器調(diào)整三副線圈中電流的極性和線圈通電順序，產(chǎn)生隨之改變的可控三維磁場(chǎng)矢量，完成發(fā)送信號(hào)的磁矢量調(diào)制，并由天線向空中輻射。

步驟三，信號(hào)接收階段，三副環(huán)形天線分別接收來(lái)自另一端的與之對(duì)應(yīng)的天線發(fā)射的電磁信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大、頻率變換變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換后送到基帶處理器，完成基帶處理后恢復(fù)信息比特流。