CN102215194A - 非线性复合调制无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非线性复合调制无线通信方法，包括以下步骤：S1：将低频载波与携带信号的高频调频波相叠加，所述低频载波信号幅度大于高频调频波幅度；S2：将叠加后的信号发送到非线性介质中传播。本发明使用低频高能量信号来携带高频复合信号，利用非线性介质的非线性特点增加无线通信在土壤、海水等非线性介质中的传输距离和传输速率。

Description

非线性复合调制无线通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种非线性复合调制无线通信方法。

背景技术

一个典型的通信系统由三部分组成，如图1所示：发送设备、传输信道和接收设备。

为了实现无线信号的有效发射，在信号被发送之前，要进行调制。传统的模拟调制方法有三种：调幅、调频和调相。其基本思路都是利用低频信号改变高频正弦载波的参数(幅度、频率和相位)，从而使信号的发送更有效率。接收端要对调制信号进行解调，从而恢复原有信号。根据传输信道的不同，可以分为有线信道和无线信道。由于西方科学对线性问题研究较为深入，无线信道的传输特性一般都假定为线性，其调制编码方法也更加适合线性系统。

经典的无线通信系统在空气和真空中传播时性能良好，但是在透地通信和透海水通信时性能不佳。由于趋肤效应的存在，高频电磁波很容易被衰减。低频电磁波虽然可以穿透较深的海水和岩层，但是其信息携带能力大大减弱，无法进行高速数据传输。

利用非线性对信号进行处理的技术在近年来取得较大进展。非线性光纤放大器利用光纤本身的非线性，对光纤注入泵浦光，从而利用光纤信道对信号进行放大，大大增加了光信号的传播距离，减少了中继器的数量。非线性光学和非线性声学的研究也表明，非线性是介质中普遍存在的现象。特别地，对土壤和海水，加入一定强度的低频电压，会观察到明显的非线性现象。

综上所述，现有的无线通信技术由于没有充分利用信道本身的非线性特点，其编码发射和解码接收系统无法克服趋肤效应的衰减，从而在透地通信和透海水通信时距离较近、速率较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何克服无线信号在非线性信道传输中由于趋肤效应的衰减，从而提高传输速率和增加传输距离。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种非线性复合调制无线通信方法，包括以下步骤：

S1：将低频载波与高频调制信号相叠加，所述低频载波的幅度大于高频调制信号的幅度；

S2：将叠加后的信号发送到非线性介质中传播。

其中，所述低频载波的幅度为高频信号的幅度10倍以上。

其中，所述高频调制信号的频率为所述低频载波的频率10倍以上。

其中，所述低频载波的频率为30Hz～100KHz之间的任意值。

其中，低频载波的频率为50Hz。

其中，所述高频调制信号的频率为1MHz到900MHz之间的任意值。

(三)有益效果

本发明通过将低频高能量信号和高频低能量信号叠加，并利用非线性介质的非线性特点增加了无线通信在土壤、海水等非线性介质中的传输距离和传输速率。

附图说明

图1是现有技术中无线通信框图；

图2是本发明实施例的一种非线性复合调制无线通信方法流程图；

图3是图2方法中利用的低频载波波形图；

图4是图2方法中利用的高频调频波波形图；

图5是图3和图4的波形叠加后的波形图；

图6是通过耦合电容实现非线性复合调制波的一种方法；

图7是通过传输线变压器实现非线性复合调制波的一种方法；

图8是接收非线性复合调制波的一种典型方法。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明充分利用信道的非线性特点，特别是大地和海水在低频电压下明显的非线性效应，利用非线性过程中不同频率的能量可以转移的特点，设计出了一种非线性复合调制无线通信方法，以增大无线通信在土壤、海水等非线性介质中的传输距离和提高传输速率。如图2所示，包括：

步骤S201，将低频载波与高频调制信号(其它调制类型如：调相波、调幅波均可应用此方法)相叠加。本发明的方法进行低频载高频的复合调制，即低频载波信号为高能量低频，需要携带的信号是高频普通调制信号，包括调频、调幅或调相。以调频为例。低频载波信号为：

其波形如图3所示。标准调频波形如图4所示，调频波的疏密变化代表原始信号。非线性复合调制的波形是将图3和图4的波形叠加。其中，高频调频波的载波频率远远大于低频载波，高频调频波的幅度远远小于低频载波，即A₁＞＞A₂，F＞＞f，低频载波的幅度要尽量大，以便激发出非线性介质的特点，这有利于实现其能量向高频信号的转移。调频波的频率要远高于低频载波，以便于调制和解调电路的工作。优选，低频载波的幅度为高频信号的幅度10倍以上，高频调制信号的频率为低频载波的频率10倍以上。

叠加后如图5所示。高幅度低频率的载波与携带信号的低幅度高频率调频波相叠加，原始信号藏在高频调频波中，由于此调频波的频率可以很高，根据香农定律，可以携带大量信息。低频载波虽然不携带信息，但是可以穿透很深的土壤和海水。由于土壤和海水在越大的幅度低频载波的激励下呈现非线性越明显，因此，利用此编码的无线通信系统将会展现出非线性行为。高频信号将被低频信号放大。

步骤S202，将叠加后的信号发送到非线性介质中传播。非线性介质典型地如：土壤和海水等。严格来讲，任何一种介质都具有非线性，而土壤、海水等的非线性非常明显。对于非线性电路的分析，可以使用幂级数展开法。

在非线性介质中，电压和电流的关系是：i＝f(u)，其中，u为电压，i为电流。对于非线性的函数关系f，可以使用幂级数将其展开为：

i＝b₀+b₁(v-V₀)+b₂(v-V₀)²+b₃(v-V₀)³+...(1)

其中，b₀、b₁、b₂为幂级数展开的系数。

如果使用两个叠加的电压信号：

u＝V₀+V₁cosw₁t+V₂cosw₂t    (2)

其中，V₀为直流偏置，V₁cosw₁t为低频大幅度载波信号，V₂cosw₂t为高频调制信号(为便于说明其放大特性，调制特性暂不包含在公式中)。

将(2)代入(1)中并整理，可得：

$i=b_0+b_1{V}_1^2+\frac{1}{2}{b}_2{V}_2^2...$

$+(b_1{V}_1+\frac{3}{4}{b}_3{V}_1^3+\frac{3}{2}{b}_3{V}_1{V}_2^2)\cos w_{1}t...---\left(3\right)$

$+(b_1{V}_2+\frac{3}{4}{b}_3{V}_2^3+\frac{3}{2}{b}_3{V^2}_1{V}_2)\cos w_{2}t...$

$+........$

在公式(3)第三行中，高频信号V₂cosw₂t的幅度由于非线性作用被改变为：

即低频信号的幅度V₁参与了放大过程，V₁越大，则在信号传输过程中由低频转移到高频的能量越大。这就实现了调制信号在非线性介质中的放大。这个过程类似于光学中的非线性光纤放大。由于工作频率远低于光纤，因而易于实现，有较高的潜在应用价值。

这种叠加后波形的调制和解调电路都很简单。调制电路可以使用传统的大功率低频正弦波信号发生器和一个调频发射机，两个信号叠加后，常用的叠加方式有两种：电容注入或基于传输线变压器的功率合成电路。其它能够实现宽带信号叠加的电路也可以。如图6、图7。图6的电容参数及图7的绕线方法应该依据实际情况确定。通过接地天线送入地下(或海水中)。由于大能量的低频载波频率很低，其发射类似于超低频通信。优选的低频载波的频率在30Hz到100KHz之间，包含30Hz的目的是，可以利用50赫兹的交流电携带此信号。这样可以大大增加低频信号的功率，高频调制信号的频率为1MHz到900MHz土壤和海水在这样的大功率低频激励下非线性会相当明显，因而其通道特性可以被利用。高频的信号在传输过程中会被低频信号和非线性的通道不断放大，因而其衰减会远远小于单纯的高频信号。透地和透海水通信的距离将大大增加，通信速率由高频信号的信息携带量决定。

解调电路也相当简单。一个典型的方法是，使用电感将低频信号接地，而高频信号送入下级放大电路。亦可设计低频信号的陷波电路和高频信号的谐振电路，以增强接收性能。如图8。接收天线使用普通超低频天线，经上述电路处理后的信号就是标准调频信号(也可以是调幅和调相信号)，使用典型的解调电路就可以了。

本发明的主要特点是利用低频调制了高频信号，利用低频能量衰减缓慢的特性和土壤的非线性对高频进行持续放大，从而可以大大增加无线信号在非线性介质中(土壤、海水)的传输距离。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种非线性复合调制无线通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将低频载波与高频调制信号相叠加，所述低频载波的幅度大于高频调制信号的幅度；

S2：将叠加后的信号发送到非线性介质中传播。

2.如权利要求1所述的非线性复合调制无线通信方法，其特征在于，所述低频载波的幅度为高频信号的幅度10倍以上。

3.如权利要求1或2所述的非线性复合调制无线通信方法，其特征在于，所述高频调制信号的频率为所述低频载波的频率10倍以上。

4.如权利要求3所述的非线性复合调制无线通信方法，其特征在于，所述低频载波的频率为30Hz～100KHz之间的任意值。

5.如权利要求4所述的非线性复合调制无线通信方法，其特征在于，低频载波的频率为50Hz。

6.如权利要求4所述的非线性复合调制无线通信方法，其特征在于，所述高频调制信号的频率为1MHz到900MHz之间的任意值。

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