CN103312420A - 一种磁导透地通信装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于磁矢量调制技术的磁导透地通信装置与方法。针对透地通信中存在的传输速率低的问题，在透地通信系统的发送、接收端分别安装三副环形天线。当天线通电被激励后，将产生磁场的三维矢量场，通过改变三副天线中电流的通断状态及方向，产生方向随之改变的三维磁场矢量；用三副环形天线中的一副通以某一极性的电流极性、其他两个线圈不通电来表示一个调制符号，三副环形天线可发送6种不同的数据符号。采用磁矢量调制技术，通过控制三副环形天线按一定顺序导通与断开，提高了传输速率。与一般的BPSK调制相比，在耗费相同功率条件下，传输速率提高到2.58倍。

Description

一种磁导透地通信装置与方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种磁导透地通信装置与方法。

背景技术

当自然灾害、事故等紧急情况发生时，矿井、隧道、地铁和地下建筑物等场所的常规通信设施易于受到破坏，造成地下及周边地区的通信瘫痪，给救援工作造成了极大困难。因此，急需研究能够应用于地下灾后救援和安全生产的透地通信系统。

近年来，为了满足地下通信业务需求，透地通信研究进入了新阶段。如采用超低频信号实现井下无线通信与紧急救援指挥系统(PED)，平均透地深度为800～1100m；利用低频语音信号的透地通信系统，其传输距离超过100m、数据传输率达2400bps。国内一些单位也开展了透地通信技术研究：如原机电部36所与淮南无线电一厂合作开发的KT2007中频地下无线电通信装置，通信距离为1km左右，具有穿透煤层和岩石的通信能力，但穿透能力较弱；原煤炭科学研究院等单位研制出“矿井多功能移动与救灾通信系统”，采用泄漏电缆作为信息传输通道，实现矿井无线电双向通信。

上述现有透地通信系统大都利用电磁波的传播原理，采用甚低频或超低频电磁波进行透地通信，这种透地通信系统需要在地表或者地下配置非常大的环形天线，地下接收器才能收到天线辐射信号，大多数这类系统都是单向的。此外，这类系统对配电设备的干扰比较敏感，也会对已有通信和控制设备产生干扰；地表天线不易铺设；信道容量小，通信距离短，信号覆盖范围很难预测，一些死角或者屏蔽区域经常没有信号。

由于传统的电磁波辐射的透地通信存在上述局限，人们开始研究基于磁导的透地通信技术。在磁导透地通信技术中为了增加覆盖距离，一般采用窄带信号，这有利于提高接收信噪比，但限制了传输速率，成为磁导透地通信面临的难题。

发明内容

针对透地通信中存在的传输速率低的问题，本发明提出了一种基于磁矢量调制技术的磁导透地通信系统，该透地通信系统可以在相同带宽和功率的条件下提高信息传输速率。

本发明的设计思想是：在透地通信系统的发送、接收端分别安装三副环形天线。当环形天线通电被激励后，将产生磁场的三维矢量场；通过改变三副天线中电流的通断状态及电流方向，产生方向随之改变的三维磁场矢量。用三副环形天线中的一副线圈通以某一极性的电流、其他两个线圈不通电来表示一个调制符号，三副环形天线可发送6种不同的数据符号。因此，该透地通信系统可以在相同带宽和功率的条件下，提高信息传输速率。

一种磁导透地通信装置，包括发射支路、接收支路和收发开关。发射支路包括基带信号处理器、数模转换器、射频RF调制器和功率放大器；接收支路包括低噪声放大器、射频RF解调器、模数转换器和基带信号处理器。其特征在于还包括：

天线单元，由天线控制器和天线组成。其中，

天线控制器，由微处理器、射频开关等组成。分别与天线和收发开关相连，用于控制天线的通断、接通顺序及通电电流的方向。

天线，通过天线控制器与收发转换开关相连，用于三维磁场矢量信号的发送和接收。为了提高信息传输速率，本发明的天线采用三副环形天线，三副天线同一时刻只有一副通电，其它两副断开。

三副环形天线加电工作时的示意图如图4所示。图4（a）是环形天线1通电时的情况，当环形天线1通以图示方向的电流时，在A点产生的磁场方向为X轴正向，在B、C两点产生的磁场方向为X轴负向；当电流反向时，在A点产生的磁场方向为X轴负向，在B、C两点产生的磁场方向为X轴正向。

图4（b）和图4（c）分别是环形天线2和环形天线3通电时在A、B、C三点产生磁场的情况。因此，如果以一副线圈通电、其他两个线圈不通电来表示一个调制符号，共可得到6种不同的数据符号。与采用一般BPSK（Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控）调制相比，它们的传输速率之比为：

log₂(6)/log₂(2)＝2.58

也就是说，传输速率是一般BPSK的2.58倍。

一种基于磁矢量调制技术的磁导透地通信方法，包括以下步骤：

步骤一，发送信号时，输入信息比特流在基带信号处理器中经编码、调制等基带处理后形成数据符号，经数模转换、RF调制、功率放大后由收发转换开关输入到天线单元；

步骤二，天线控制器控制环形天线按一定的顺序接通与断开，同一时刻只有一副环形天线通电，其它两副不通电，在线圈内部产生特定方向的磁场，以此表示一个调制符号，通过控制器调整三副线圈中电流的极性和线圈通电顺序，产生随之改变的可控三维磁场矢量，完成发送信号的磁矢量调制，并由天线向空中辐射；

步骤三，接收信号时，三副环形天线分别接收来自另一端的与之对应的天线发射的电磁信号，经过放大、变换后输入到基带处理器，完成基带处理后恢复信息比特流。

本发明的有益效果是：采用磁矢量调制技术，通过控制三副环形天线按一定顺序导通与断开，提高了传输速率。与一般的BPSK调制相比，在耗费相同功率条件下，传输速率提高到2.58倍。

附图说明

图1为本发明所涉及的磁导透地通信装置组成框图；

图2为本发明所涉及的磁导透地通信方法流程图；

图3为环形天线安装位置示意图；

图4为磁矢量调制原理示意图：（a）为环形天线1通电情况，（b）为环形天线2通电情况，（c）为环形天线3通电情况。

具体实施方式

下面结合附图给出具体的实施方式。

图1是本发明所述磁导透地通信装置的组成框图，包括发射支路、接收支路和收发开关。发射支路包括基带信号处理器、数模转换器、射频RF调制器和功率放大器；接收支路包括低噪声放大器、射频RF解调器、模数转换器和基带信号处理器。其特征在于还包括：天线单元，由天线控制器和天线组成。其中，

天线控制器，由微处理器、射频开关等组成。分别与天线和收发开关相连，用于控制天线的通断、接通顺序及通电电流的方向。三副天线同一时刻只有一副通电，其它两副断开，通电顺序为：环形天线1+→2+→3+→1-→2-→3-→1+……，其中，“+”表示正极性电流，“-”表示负极性电流。

天线，通过天线控制器与收发转换开关相连，用于三维磁场矢量信号的发送和接收。本发明的天线为三副环形天线，它们的安装位置示意图如图3所示，环形天线所在平面两两垂直，环形天线1所在平面为YOZ平面，环形天线2所在平面为XOZ平面，环形天线3所在平面为XOY平面。

三副环形天线形成三维磁场矢量的原理如图4所示。

图4（a）是天线1线圈通正电、天线2和天线3不通电的情况。通电天线1周围产生磁场，由右手螺旋定则可知，磁场方向为x轴正方向，即i_x＝+1，i_y＝0，i_z＝0，以此来表示调制符号0。图4（b）是天线2通正电，天线1和天线3不通电的情况。产生的磁场方向为y轴正方向，即i_y＝+1，i_x＝0，i_z＝0，以此来表示调制符号1。图4（c）是天线3通正电，天线1和天线2不通电的情况。产生磁场方向为z轴正方向，即i_z＝+1，i_x＝0，i_y＝0，以此来表示调制符号2。当天线通电极性变为负时，产生方向相反的磁场，又可以形成3种不同的数据符号：天线1、2、3通以反极性电流时分别形成调制符号3、4、5。由此共产生6种不同的数据符号，如表1所示。

本发明所述的磁导透地通信方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤一，信号发送阶段，发射支路的基带信号处理器输出数据符号，经数模转换、RF调制、功率放大后由收发转换开关送到天线单元；

表1 三副环形天线产生的6种数据符号

步骤二，环形天线在天线控制器控制下，按1+→2+→3+→1-→2-→3-→1+……的顺序加电，即同一时刻只有一副环形天线通电，其它两副不通电。以每一个通电状态表示一个调制符号，通过控制器调整三副线圈中电流的极性和线圈通电顺序，产生随之改变的可控三维磁场矢量，完成发送信号的磁矢量调制，并由天线向空中辐射。

步骤三，信号接收阶段，三副环形天线分别接收来自另一端的与之对应的天线发射的电磁信号，经过低噪声放大、频率变换变换、模数转换后送到基带处理器，完成基带处理后恢复信息比特流。

Claims (5)

1.一种磁导透地通信装置，包括发射支路、接收支路和收发开关；发射支路包括基带信号处理器、数模转换器、射频RF调制器和功率放大器；接收支路包括低噪声放大器、射频RF解调器、模数转换器和基带信号处理器；其特征在于还包括：

天线单元，由天线控制器和天线组成；其中，

天线控制器，由微处理器、射频开关等组成；分别与天线和收发开关相连，用于控制天线的通断、接通顺序及通电电流的方向；

天线，通过天线控制器与收发转换开关相连，用于三维磁场矢量信号的发送和接收；为了提高信息传输速率，本发明的天线采用三副环形天线。

2.根据权利要求1所述的一种磁导透地通信装置，所述三副环形天线所在平面两两垂直，环形天线1所在平面为YOZ平面，环形天线2所在平面为XOZ平面，环形天线3所在平面为XOY平面。

3.根据权利要求1所述的一种磁导透地通信装置，所述三副环形天线同一时刻只有一副通电，其它两副断开，通电顺序为环形天线1+→2+→3+→1-→2-→3-→1+……，其中，“+”表示正极性电流，“-”表示负极性电流。

4.根据权利要求1～3中任一权利要求所述的一种磁导透地通信装置，以所述三副环形天线中的一副通以某一极性的电流、其它两副不通电表示一个调制符号，三副环形天线可发送6种不同的数据符号；其传输速率是采用一般二进制相移键控调制的2.58倍。

5.一种磁导透地通信方法，包括以下步骤：

步骤一，发送信号时，输入信息比特流在基带信号处理器中经编码、调制等基带处理后形成数据符号，经数模转换、RF调制、功率放大后由收发转换开关输入到天线单元；

步骤二，天线控制器控制环形天线按一定的顺序接通与断开，同一时刻只有一副环形天线通电，其它两副不通电，在线圈内部产生特定方向的磁场，以此表示一个调制符号，通过控制器调整三副线圈中电流的极性和线圈通电顺序，产生随之改变的可控三维磁场矢量，完成发送信号的磁矢量调制，并由天线向空中辐射；

步骤三，接收信号时，三副环形天线分别接收来自另一端的与之对应的天线发射的电磁信号，经过放大、变换后输入到基带处理器，完成基带处理后恢复信息比特流。

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