CN111478872A - 基于机电耦合的低频机械天线及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机电耦合的低频机械天线及信号处理方法，主要解决现有技术中传统机械天线系统稳定性差、调制效率低的问题。其技术方案包括：采用通过高速轴承与电机主轴同径套接的圆柱固定套固定球型永磁体保证运转稳定性，利用高速伺服电机带动球形永磁体旋转并向外辐射同频电磁波，球型永磁体置于信号加载器的磁屏蔽罩中，通过改变屏蔽罩的磁导率，实现低频磁场上调幅信息的加载，调制信号经信号采集器进行滤波放大，再在信号处理器中实现同步和解调。本发明增加了机械天线旋转系统的稳定性，提出了适应机械天线调制信号的编码与调制方法，有效提高了天线的信号处理效率，更利于信息传输应用中的工程实现，可用于低频无线通信系统。

Description

基于机电耦合的低频机械天线及信号处理方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及通信调制技术，更进一步涉及基于机电耦合的低频机械天线及其信号处理方法，可用于地下或水下的ULF/SLF频段通信。

背景技术

机械天线主要用以解决传统电短天线在低频通信中天线尺寸巨大、辐射效率低的问题。不同于电短天线通过内部震荡电流激发电磁场，机械天线通过驱动强电体或强磁体机械运动辐射产生低频电磁信号。其在ULF/SLF频段通信的应用前景巨大。

机械天线的设计难点在于如何在保证信号处理方法与机械加载结构相契合的基础上实现高效的信号调制，不同的调制方案决定了不同的硬件设计思路。常见的调制方式有移频键控FSK、幅移键控ASK等，其中，移频键控FSK是载波频率随数字信号而变化的一种调制方式，利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术；幅移键控ASK又称为振幅键控，是一种相对简单的调制方式；现有的调制思路是对永磁体变速旋转，将基带信号加载在不同的旋转频率生成载波之上。如FSK通过控制永磁体转速在两个频率间切换，但这种设计在切换电机频率时，受限于磁体重量和机械惯性，对电机扭矩大小和机械结构强度都有较高要求，且该切换状态无法精准控制，导致工程实现难度大且调制效率低。

宋忠国等人在申请号为201910218470.8，名称为“用于机械天线低频磁信号辐射的幅度调制装置及调制方法”的专利申请文件中提出了一种利用独立的机械装置驱动调制器转动，对旋转柱形永磁体辐射电磁波的幅度进行空间干预的装置及调制方法，该方法虽然避免了永磁体自身转动所需的频繁调速动作，但调制器仍需使用电机驱动变速，导致调制精度与通信速率受限于调制电机的变频响应时间；同时，单一的调制器使得调幅信号不具有全向均匀性。

Nathan Strachen等人在论文”Mechanical Super-Low Frequency TransmitterUsing Electrically-Modulated Reluctance”中提出了一种使用载流线圈来调制围绕辐射源屏蔽材料的磁导率，从而调制旋转磁体的辐射磁场的方法。该方法提供了一种不涉及改变磁体转速的新调制思路。其原理样机的系统稳定性与通信性能较差，且单一的调幅方案应用场景有限，缺少信号处理方法的优化与设计，使其无法解决载波同步的问题，难以落地于实际信息传输应用中。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于机电耦合的低频机械天线及其信号处理方法，在现有机电混合天线的基础上，通过圆柱固定套及高速轴承结构保证系统稳定性，利用高速伺服电机结合磁屏蔽罩实现更为丰富的调制方法，并详细设计了基带编码与调制信号处理方式。解决了传统机械天线系统稳定性差、调制效率低，以及信息传输应用中工程落地困难的问题。

实现本发明的基本思路是：采用可在调幅基础上实现更多调制方式的高速伺服电机作为机械天线载波发射器的电机，使用通过高速轴承与电机主轴同径套接的圆柱固定套固定球型永磁体保证系统稳定性，利用电机带动球形永磁体旋转并向外辐射同频电磁波；信号加载器在信号加载前首先对基带信号进行预编码处理，在天线的信号加载器中设置磁屏蔽罩、缠绕磁屏蔽罩的通电线圈以及控制线圈电流的开关电路，将球型永磁体置于该屏蔽罩内部，通过开关电路控制缠绕屏蔽罩上漆包线圈内部的电流通断，进而改变屏蔽罩的磁导率和屏蔽效果；实现低频磁场上调幅信息的加载，同时还可通过编码器设计高速伺服电机的时域转速特性曲线，实现低频磁场上相位信息的加载，对于信号接收机，除了包含信号采集器之外还设有信号处理器，调制信号通过信号采集器滤波放大后，在信号处理器中经过采用非相干解调恢复基带信号、使用同步模块和差错控制模块实现同步处理等操作完成同步和解调。

为实现上述目的，本发明提出的一种基于机电耦合的低频机械天线，包括：载波发射器、信号加载器、信号接收机和天线底座；

上述载波发射机包括高速伺服电机、球形永磁体、圆柱固定套及高速轴承；圆柱固定套通过高速轴承与高速伺服电机主轴同径套接，并固定于天线底座上，球形永磁体固定于圆柱固定套中；球形永磁体、高速伺服电机主轴、圆柱固定套以及高速轴承保持同一轴心，在电机的带动下实现同步转动；

上述信号加载器包括磁屏蔽罩、漆包线圈以及开关电路；磁屏蔽罩为包裹在载波发射机外部的圆柱形装置，且竖直固定于天线底座上，漆包线圈均匀缠绕在磁屏蔽罩外围，并串联开关电路；

上述信号接收机包括信号采集器和信号处理器两部分；信号采集器由磁棒线圈通过导线连接低频接收电路构成，用于采集调制信号；信号处理器由数据采集器DAQ结合Labview软件或FPGA硬件电路构成，用于对信号采集器传递的信号进行解调和同步处理；信号接收机与载波发射机之间通过动态磁场传输。

本发明提出基于机电耦合的低频机械天线信号处理方法，包括如下步骤：

(1)信号加载器通过开关电路中的单片机对基带信号进行预编码处理，获取特定基带信号；

(2)给载波发射机的高速伺服电机供电，驱动高速伺服电机稳定转动并带动圆柱固定套以及球形永磁体匀速旋转，永磁体机械旋转向外辐射激发与旋转频率同频的动态电磁波，即低频载波信号；

(3)开关电路向其场效应管漏极供电，通过单片机向场效应管的栅极输入特定基带信号，利用场效应管的通断特性使得磁屏蔽罩产生动态变化的磁导率，低频载波信号在动态磁导率的作用下，产生与基带信号同步的高低电平，得到幅度调制信号；

(4)幅度调制信号在信号采集器中通过磁棒线圈产生感应电动势，再经过低频接收电路完成放大滤波，之后进入信号处理器进行信号的解调和同步处理，恢复基带信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一、由于本发明在硬件设计上采用编码器设计高速伺服电机的时域转速特性曲线，精准控制载波相位，使得调相与调幅同步进行，同时利用载波的幅度和相位传递信息比特，可产生类似“QAM正交振幅调制”的调制信号；相较现有机械天线方案，本发明充分利用了电机旋转时的连续相位特性，摆脱了磁体转动惯性与电机扭矩的限制，降低了机械结构强度和工程实现难度；且在调幅基础上实现调频，使调制速率不再受限于电机频点切换时间，在同等条件下提高了调制效率和比特速率。

第二、由于机械天线独特的信号产生与加载方式，难以同时发送调制信号与载波信号，而本发明方法选择同步序列作帧头、对基带信号采用差错控制编码，在接收端通过非相干解调对ASK信号进行解调；通过帧同步模块和位同步模块解决同步问题；在没有同步载波信号的条件下，明确了机械天线调制信号的帧结构，实现了特殊调制信号的同步和解调。

第三、由于本发明中采用设有加固盖片的圆柱固定套、高速轴承以及抗磁性材料底板等结构，有效提高了球型永磁体与固定结构的贴合性，保证了整个硬件结构的同心性和磁体旋转系统的稳定性；高速轴承允许永磁体稳定达到更高的旋转频率，从而提高了其辐射低频磁场的理论频率上限与传输速率。

第四、由于本发明在信号加载器的开关电路中采用单片机控制基带信号的预编码和加载，明确了机械天线的基带信号预处理方式，为接收端中信息处理中的解调和同步打下基础，降低了机械天线信息传输应用的工程落地难度。

附图说明

图1为本发明天线的结构示意图；

图2为本发明天线中圆柱固定套的结构示意图；其中(a)，为主视图，(b)为剖面图；

图3为本发明天线的信号加载器中开关电路结构示意图；

图4为使用本发明进行调幅的通信系统示意图；

图5为本发明方法的实现流程图；

图6为本发明天线幅度调制信号的示意图；

图7为通过Labview对本发明中调制信号检测与解调的实际测试结果图；其中，(a)为本发明通过数据采集器DAQ得到的幅度调制信号实测图，(b)为本发明对调制信号包络检波后恢复的基带信号实测图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的做进一步的描述。

参照附图1，本发明提出的一种基于机电耦合的低频机械天线，包括：载波发射器、信号加载器、信号接收机和天线底座。

载波发射机包括高速伺服电机、球形永磁体、圆柱固定套及高速轴承。其中，高速伺服电机固定于天线底座上，不仅用于控制球形永磁体旋转，在完成基础幅度调制的同时，该电机外接编码器还可实现旋转频率的精确切换，具有使调幅与调相同步进行的功能；圆柱固定套包括螺钉、加固盖片和固定块，且固定块内径与球形永磁体直径相同、加固盖片内径略小于球形永磁体直径，加固盖片位于固定块正上方，且二者外径相同并通过螺钉固定在一起，用于固定球形永磁体，如图2所示；这里的圆柱固定套可通过机械加工打磨电木或者铝合金得到，也可采用树脂材料通过3D打印得到；本实施例采用树脂材料进行3D打印获取该圆柱固定套，在保证与磁球紧密贴合和同步旋转的同时，树脂材料对辐射磁场的影响可忽略不计；圆柱固定套通过高速轴承与电机主轴同径套接，并固定在天线底座上，高速轴承的轴承座平行于天线底座，主要用于固定和承接圆柱固定套；球形永磁体固定于圆柱固定套中，整个轴承固定结构保证了磁体旋转系统的稳定性，高速轴承能够允许球形永磁体稳定达到更高的旋转频率，从而提高辐射低频磁场的频率上限和带宽；上述球形永磁体为高剩磁的汝铁硼材质，嵌入在圆柱固定套中，通过固定套的螺钉与加固盖片进行紧固，两者同步旋转；上述球形永磁体、电机主轴、圆柱固定套以及高速轴承保持同一轴心，在电机的带动下实现同步转动；该载波发射机整体位于信号加载器内部。

信号加载器包括磁屏蔽罩、漆包线圈以及开关电路；磁屏蔽罩为包裹在载波发射机外部的圆柱形装置，且竖直固定于天线底座上，该磁屏蔽罩由退火坡莫合金或非晶体合金制成，本实施例采用退火坡莫合金制作的磁屏蔽罩；漆包线圈均匀缠绕在磁屏蔽罩外围，并串联开关电路。线圈上的电流导致内部极化进而改变坡莫合金的磁导率，影响坡莫合金的屏蔽效果。线圈电流的通断受控于开关电路，开关电路由场效应管、单片机以及电源组成；其中场效应管漏极D通过缠绕线圈与12V电源连接，栅极G连接单片机输出的10bit/s的方波信号，控制漏极D与源极S的通断，在线圈上产生开关电流，对磁屏蔽罩外部的信号强度实现调制；如图3所示。

信号接收机包括信号采集器和信号处理器两部分；信号采集器由磁棒线圈和低频接收电路组成，二者通过导线连接，用于完成调制信号的采集工作；信号处理器可由数据采集器DAQ和虚拟仪器工程平台Labview软件实现，也可通过数据采集器DAQ和其他FPGA硬件电路来实现，用于处理信号采集器传递的信号，对其进行解调和同步处理；信号采集器机与载波发射机之间通过动态磁场传输；

为降低对磁场的影响，天线底座选择使用铝合金或电木等抗磁性材料，通过机械加工制成。

参照附图4、图5，使用本发明进行调幅的通信系统示意图和本发明方法的实现流程图，对本发明提出的基于机电耦合的低频机械天线信号处理方法，进行详细描述。

基于机电耦合的低频机械天线信号处理方法，包括：

步骤1，信号加载器通过开关电路中的单片机对基带信号进行预编码处理，获取特定基带信号；其中，预编码处理具体为：对基带信号进行差错控制编码，采用曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码等方式，并在基带信号帧头插入同步序列，例如7位巴克码或小m序列等，得到处理后的基带信号，即特定基带信号，以便接收端实现帧同步和位同步。

步骤2，给载波发射机的高速伺服电机供电，驱动高速伺服电机稳定转动并带动圆柱固定套以及球形永磁体匀速旋转，永磁体机械旋转向外辐射激发与旋转频率同频的动态电磁波，即低频载波信号。

步骤3，开关电路向其场效应管漏极D供电，通过上位机和STM32单片机编程向场效应管中的栅极G输入步骤1预处理后的特定基带信号，利用场效应管的通断特性使得磁屏蔽罩产生动态变化的磁导率，低频载波信号在动态磁导率的作用下，产生与基带信号同步的高低电平，得到幅度调制信号；例如当开关电路导通时，产生高电平；当开关电路断开时，产生低电平；如此交替变换实现对低频载波信号的幅度调制。具体为：当单片机输出特定基带信号时，开关电路的场效应管处于源极S与漏极D交替通断状态，此时磁屏蔽罩上缠绕的线圈内部存在开关电流，通过开关电流的极化影响坡莫合金的磁导率，即影响磁屏蔽罩的屏蔽效果，从而产生动态变化的磁导率，对球形永磁体辐射的电磁波强度产生不同程度的削弱。坡莫合金磁导率随开关电流交替变化，对旋转球形永磁体的低频磁场信号产生交替不同的削弱作用，得到幅度调制信号。使用Matlab软件得到本发明机械天线幅度调制信号的示意图，如图6所示，其中符号“1”代表高电平，符号“0”代表低电平。

另外，可利用载波的幅度和相位传递信息比特，在幅度调制的同时进行相位调制，使得调制效率进一步提高，具体做法是：给高速伺服电机附加编码器，通过编码器实现对电机时域转速特性曲线的设计，用于精准控制载波相位，使得调相与调幅同步进行，从而产生类似“QAM正交振幅调制”或“CPM连续相位调制”的混合调制信号。

步骤4：幅度调制信号在信号采集器中通过磁棒线圈产生感应电动势，经过低频接收电路完成放大滤波，而后进入信号处理器进行信号的解调和同步处理；这里的信号处理器可由数据采集器DAQ和虚拟仪器工程平台Labview软件实现，也可通过数据采集器DAQ和其他FPGA硬件电路来实现。幅度调制信号的解调采用非相干解调方式；信号的同步包括位同步和帧同步，可采用曼彻斯特解码或差分曼彻斯特解码等实现位同步、用巴克码识别器或小m序列检测器实现帧同步。

信号处理器进行信号的解调和同步处理，具体步骤如下：

(4a)幅度调制信号的磁场通过磁棒线圈时，根据磁感应效应产生感生电压，之后该电压信号通过低频接收电路进行去噪，得到放大滤波后的幅度调制信号；

(4b)对放大滤波后的幅度调制信号，利用曼彻斯特码的码元跳变特性提取位同步信号，再利用巴克码组自相关函数R(j)的尖锐特性作相关检测，确定帧起始位置，即完成信号的同步处理；

巴克码组的自相关函数R(j)表达式如下：

其中，n表示巴克码的位数，x_i表示第i位巴克码，j代表偏移距离。

由上式可以看出在j＝0时其自相关函数具有峰值。

(4c)在Labview上通过包络检波，包括整流器及低通滤波器，对幅度调制信号实现非相干解调，再利用位同步信号抽样判决恢复基带信号。

参照附图7，通过Labview对本发明中调制信号检测与解调过程的实际测试结果图，结合以下解调测试实验具体内容对本发明的效果作进一步的说明：

1.实验环境：

载波发射机通过旋转球形永磁体产生70Hz左右的低频载波信号，信号加载器完成10bit/s的基带信号加载，调制信号被径向距离100cm外的信号接收机采集和滤波放大，通过DAQ连接PC在Labview上实现联合解调仿真。解调方法为包络检波，首先通过半波整流和低通滤波，然后利用位同步信号进行抽样判决。

2.实验的内容及其结果分析：

在发端通过单片机上位机重复发送符号“a”的unicode码流，“a”的码元序列为：“01100001”，控制基于机电耦合的低频机械天线完成信号的调制。通过低频接收电路采集该幅度调制信号，即ASK信号；并通过DAQ连接Labview联合测试，采用包络检波对ASK信号进行解调恢复，尝试恢复出原始的信号码元“01100001”。

图7(a)为本发明中通过数据采集DAQ得到的幅度调制信号实测图，图7(b)为本发明对调制信号包络检波后恢复的基带信号实测图。Labview上采集到的ASK信号以及经过包络检波后的基带信号结果显示，在发端发送的重复字符“a”，在接收端经过包络检波和滤波后，恢复得到了正确的unicode基带信号码流序列“01100001”。同时可以看出，目前实际的比特速率可达到10bit/s。验证了本发明天线及信号处理方法的有效性。本发明采用通过高速轴承与电机主轴同径套接的圆柱固定套固定球型永磁体保证系统运转稳定性，利用高速伺服电机带动球形永磁体旋转并向外辐射同频电磁波，球型永磁体置于信号加载器的磁屏蔽罩中，通过改变磁屏蔽罩的磁导率，实现低频磁场上调幅信息的加载，调制信号经信号采集器进行滤波放大，再在信号处理器中实现同步和解调。该技术方案增加了机械天线旋转系统的稳定性，所提出的信号调制解调方法与机械天线的硬件结构相契合，能够达到较高的天线信号处理效率，更利于信息传输应用中的工程实现，可应用于低频无线通信系统中实现同步解调。

上述仿真分析与测试证明了本发明所提方法的正确性与有效性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于机电耦合的低频机械天线，其特征在于包括：载波发射器、信号加载器、信号接收机和天线底座；

所述载波发射机包括高速伺服电机、球形永磁体、圆柱固定套及高速轴承；圆柱固定套通过高速轴承与高速伺服电机主轴同径套接，并固定于天线底座上，球形永磁体固定于圆柱固定套中；球形永磁体、高速伺服电机主轴、圆柱固定套以及高速轴承保持同一轴心，在电机的带动下实现同步转动；

所述信号加载器包括磁屏蔽罩、漆包线圈以及开关电路；磁屏蔽罩为包裹在载波发射机外部的圆柱形装置，且竖直固定于天线底座上，漆包线圈均匀缠绕在磁屏蔽罩外围，并串联开关电路；

所述信号接收机包括信号采集器和信号处理器两部分；信号采集器由磁棒线圈通过导线连接低频接收电路构成，用于采集调制信号；信号处理器由数据采集器DAQ结合Labview软件或FPGA硬件电路构成，用于对信号采集器传递的信号进行解调和同步处理；信号接收机与载波发射机之间通过动态磁场传输。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：圆柱固定套采用树脂材料通过3D打印得到。

3.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于：圆柱固定套包括螺钉、加固盖片和固定块；加固盖片位于固定块正上方，二者通过螺钉连接；固定块内径与球形永磁体直径相同、加固盖片内径略小于球形永磁体直径。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：球形永磁体为高剩磁的汝铁硼材质。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：磁屏蔽罩由高磁导率的退火后坡莫合金制成。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：开关电路由场效应管、单片机以及电源组成，其中场效应管的漏极串联漆包线圈、栅极连接单片机输出引脚、源极接地。

7.一种基于机电耦合的低频机械天线信号处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)信号加载器通过开关电路中的单片机对基带信号进行预编码处理，获取特定基带信号；

(2)给载波发射机的高速伺服电机供电，驱动高速伺服电机稳定转动并带动圆柱固定套以及球形永磁体匀速旋转，永磁体机械旋转向外辐射激发与旋转频率同频的动态电磁波，即低频载波信号；

(3)开关电路向其场效应管漏极供电，通过单片机向场效应管的栅极输入特定基带信号，利用场效应管的通断特性使得磁屏蔽罩产生动态变化的磁导率，低频载波信号在动态磁导率的作用下，产生与基带信号同步的高低电平，得到幅度调制信号；

(4)幅度调制信号在信号采集器中通过磁棒线圈产生感应电动势，再经过低频接收电路完成放大滤波，之后进入信号处理器进行信号的解调和同步处理，恢复基带信号。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于：步骤(1)预编码处理是对基带信号进行差错控制编码，并在基带信号帧头插入同步序列；用于在接收端实现帧同步和位同步。

9.根据权利要求7所述方法，其特征在于：步骤(2)中的高速伺服电机可附加编码器，通过编码控制载波相位实现调相与调幅同步进行。

10.根据权利要求7所述方法，其特征在于：步骤(4)中信号处理器进行信号的解调和同步处理，具体步骤如下：

(4a)幅度调制信号的磁场通过磁棒线圈时，根据磁感应效应产生感生电压，之后该电压信号通过低频接收电路进行去噪，得到放大滤波后的幅度调制信号；

(4b)对放大滤波后的幅度调制信号，利用曼彻斯特码的码元跳变特性提取位同步信号，再利用巴克码组自相关函数的尖锐特性作相关检测，确定帧起始位置，即完成信号的同步处理；

(4c)通过包络检波对幅度调制信号实现非相干解调，再利用位同步信号抽样判决恢复基带信号。

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