CN112887242B - 用于机械天线超低频信号频率调制的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机械天线超低频信号频率调制的装置及方法，装置包括由基带信号处理模块和可扩展标记语言XML处理模块组成的信号发射单元、由驱动器、高速伺服电机和球形永磁体组成的信号调制单元和由信号采集模块、滤波模块、抽样判决模块、巴克码识别模块、基带信号选取模块组成的信号接收单元。本发明方法的步骤包括：(1)对原始基带信号进行预处理；(2)生成运动任务；(3)发射超低频调频信号；(4)生成接收信号的CSV格式文件；(5)对接收信号进行解调。本发明具有调制精度及通信速率可控，装置结构简单的优点。

Description

用于机械天线超低频信号频率调制的装置及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及通信调制技术中的一种用于机械天线超低频信号频率调制的装置及方法。本发明通过装置中信号调制单元驱动装置中机械天线加速减速达到不同转速，实现对机械天线发射信号的频率调制，实现可用于地下或水下的极低频ELF(Extremely Low Frequency)/超低频SLF(Super Low Frequency)频段通信。

背景技术

对于超低频SLF电磁波来说，其较大的波长导致较弱的趋肤效应，在水下或地下的透射性更强，传播深度更大，传播距离更广，在水下或地下的商用通信中应用前景巨大。但传统的超低频通信中发射天线尺寸巨大、功耗较高，辐射效率低，超低频通信的应用领域因发射机受到了严重限制。

机械天线则是对现有超低频电磁发射技术的突破。机械天线采用与传统电短天线通截然不同的电磁发射技术，通过机械装置驱动驻极体或永磁体材料辐射产生超低频电磁信号进行传播。但机械天线的设计面临的主要问题在于：如何实现高效的信号调制。由于整个系统是基于机械装置驱动的设计，在工作原理上完全不同于传统超低频天线，其调制方式也与传统调制方式不同，不同的调制方案决定了不同的硬件设计思路。现有的机械天线移频键控FSK(Frequency Shift Keying)通过外部装置避免了永磁体自身转动所需的频繁调速动作，但是调制精度与通信速率受限于外部装置的响应时间。

大连交通大学在其申请的专利文献“一种可调频的超低频机械天线结构”(申请号：202010479823.2，申请公开号：CN111585018A)中提出了一种在传统机械天线基础上添加切割静磁场模块以实现频率调制的超低频天线装置。该装置中的静磁场产生模块包括电机、多个永磁体、固定旋转电机和多个永磁体的支撑框架，支撑框架布置在电机的外部，多个永磁体均匀的布置在支撑框架的外表面。切割静磁场模块包括圆盘、带有锯齿的圆片和控制圆片的锯齿长度变化和驱动圆片运动的控制开关，锯齿圆片齿数为时变磁场频率与旋转电机工作频率的比值。该装置通过控制切割静磁场模块的圆片的锯齿长度变化实现调频功能。该装置的优点在于避免了永磁体自身转动所需的频繁调速动作，但是，该装置仍然存在的不足之处是，该装置需要外部装置辅助以产生调频信号；同时，该装置调频时需要控制切割静磁场模块中圆片的锯齿长度，导致调制精度与通信速率受限于圆片的锯齿长度变化的响应时间。

武汉船舶通信研究所(中国船舶重工集团公司第七二二研究所)在其申请的专利文献“基于旋转式机械天线的发信系统及信息加载方法”(申请号：201911025042.X，申请公开号：CN110943953A)中提出了一种基于旋转式机械天线的发信装置及信息加载方法。该专利申请公开的发信装置包括发信激励单元、转速控制单元、旋转电机、旋转式机械天线和转速检测单元。发信激励单元根据待发送信息产生激励信号，并将激励信号传输给转速控制单元，转速控制单元通过鉴频方式提取激励信号中的频率参数，得到转速指令，调控电机的转速，以供旋转式机械天线辐射出与转速同频率的电磁波信号，实现调频信号的发送。该装置存在的不足之处是，由于该装置需要转速控制单元通过鉴频方式提取激励信号中的频率参数，则需要额外的鉴频电路，无法直接传递转速指令控制电机达到所需转速，装置结构较为复杂。该专利申请公开的方法的实施步骤是：通过转速控制单元根据转速指令和转速检测单元检测旋转式机械天线的中心轴的实际转速之差，采用偏差控制方式对旋转电机的转速进行调控，将发信激励信号加载到发射电磁波的频率参数上，实现调频信号的加载。该方法存在的不足之处是，该方法需要对电机转速检测及反馈以实现频率调控，导致通信速率受限于检测及反馈的响应时间。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种用于机械天线超低频信号频率调制的装置及方法，以解决现有机械天线超低频调频技术中，调制精度与通信速率受限于外部装置响应时间，装置结构较为复杂的问题。

实现本发明目的的技术思路为：选择巴克码同步序列作帧头设计发送数据，在硬件上驱动器直接控制高速伺服电机带动永磁体转速在两个频率间切换，实现超低频调频信号的生成，通过信号采集模块采集超低频调频信号，经过滤波，采样，同步处理，抽样判决，实现超低频调频信号的解调。

实现本发明目的的装置包括信号发射单元、信号调制单元和信号接收单元，所述信号调制单元由基带信号处理模块和可扩展标记语言XML(Extensible Markup Language)处理模块组成，所述信号发射单元包括驱动器、高速伺服电机和球形永磁体，所述信号接收单元包括信号采集模块、滤波模块、抽样判决模块、巴克码识别模块、基带信号选取模块；所述的信号采集模块输出端与滤波模块输入端相连，滤波模块输出端与抽样判决模块输入端相连，抽样判决模块输出端与巴克码识别模块输入端相连，巴克码识别模块输出端与基带信号选取模块输入端相连；其中：

所述的基带信号处理模块，用于在信号长度为p比特的原始基带信号帧头添加13位巴克码同步序列，组成基带信号，其中，p取值范围为1～115的正整数；在基带信号的比特数小于128位的基带信号帧尾处添加多个比特“0”，将基带信号的比特数补充至128位，得到待发送数据；

所述的可扩展标记语言XML处理模块，生成与待发送数据对应的XML格式文件；

所述驱动器用于将与待发送数据对应的XML格式文件导入，生成与待发送数据对应的包含转速与角度的运动任务；驱动所述高速伺服电机带动所述球形永磁体达到运动任务中设定的转速，所述球形永磁体在该转速下转动到运动任务中设定的角度，旋转过程中所述球形永磁体向外辐射激发与旋转频率同频的动态电磁波，发射全部运动任务执行后的超低频调频信号；

所述的信号采集模块，用于接收超低频调频信号，得到接收信号，生成与接收信号对应的字符分隔值CSV(Comma-Separated Values)格式文件；

所述的滤波模块，用于对接收信号进行快速傅立叶变换FFT，得到接收信号频谱，从接收信号频谱中提取幅值最大和次大的两个载波频率，使用与两个载波频率匹配的两个带通滤波器分别对接收信号进行滤波，得到两路频率不同的滤波后信号；

所述的抽样判决模块，用于对每路滤波后信号进行等间隔采样10次，得到10组采样序列，每组采样序列起始点为

其中，n表示每组采样序列的序号，T_s表示接收信号的符号周期；随机选取一组未选过的采样序列，判断所选采样序列中频率高的滤波后信号与频率低的滤波后信号在同一采样点处的信号幅值，若频率高的滤波后信号幅值大，则将采样序列对应的基带二进制信号在该采样点处的值设置为“1”比特，否则，将该采样点处的值设置为“0”比特；

所述的巴克码识别模块，使用13位巴克码识别器，确定每个设置比特值的基带二进制信号中两个巴克码的位置，将两个位置之间的二进制信号作为该组采样序列对应的同步后序列；

所述的基带信号选取模块，从10组比特位数不同的同步后序列中选取比特位数为115位的任一组，完成解调。

本发明方法的步骤包括如下：

(1)对原始基带信号进行预处理：

(1a)基带信号处理模块在信号长度为p比特的原始基带信号帧头添加13位巴克码同步序列，组成基带信号，其中，p取值范围为1～115的正整数；

(1b)基带信号处理模块在基带信号的比特数小于128位的基带信号帧尾处添加多个比特“0”，将基带信号的比特数补充至128位，得到待发送数据；

(1c)可扩展标记语言XML处理模块生成与待发送数据对应的XML格式文件；

(2)生成运动任务：

将与待发送数据对应的XML格式文件导入到驱动器内，驱动器生成与待发送数据对应的包含转速与角度的运动任务；

(3)发射超低频调频信号：

驱动器驱动高速伺服电机带动球形永磁体达到运动任务中设定的转速，球形永磁体在该转速下转动到运动任务中设定的角度，旋转过程中球形永磁体向外辐射激发与旋转频率同频的动态电磁波，发射全部运动任务执行后的超低频调频信号；

(4)生成接收信号的CSV格式文件：

信号采集模块接收超低频调频信号，得到接收信号，生成与接收信号对应的字符分隔值CSV格式文件；

(5)对接收信号进行解调：

(5a)滤波模块对接收信号进行快速傅立叶变换FFT，得到接收信号频谱，从接收信号频谱中提取幅值最大和次大的两个载波频率，使用与两个载波频率匹配的两个带通滤波器分别对接收信号进行滤波，得到两路频率不同的滤波后信号；

(5b)抽样判决模块对每路滤波后信号进行等间隔采样10次，得到10组采样序列，每组采样序列起始点为，每组采样序列起始点为

其中，n表示每组采样序列的序号，T_s表示接收信号的符号周期；

(5c)随机选取一组未选过的采样序列；

(5d)抽样判决模块判断所选采样序列中频率高的滤波后信号与频率低的滤波后信号在同一采样点处的信号幅值，若频率高的滤波后信号幅值大，则将采样序列对应的基带二进制信号在该采样点处的值设置为“1”比特，否则，将该采样点处的值设置为“0”比特；

(5e)使用巴克码识别模块中的13位巴克码识别器，确定每个设置比特值的基带二进制信号中两个巴克码的位置，将两个位置之间的二进制信号作为该组采样序列对应的同步后序列；

(5f)判断是否选择完10组采样序列，若是，则执行步骤(5g)，否则，执行步骤(5c)；

(5g)基带信号选取模块从10组比特位数不同的同步后序列中选取比特位数为115位的任一组，完成解调。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

第一，本发明的装置采用信号发射单元中的驱动器驱动高速伺服电机带动球形永磁体在两个频率间切换，无需外部装置辅助即可实现调制精度可控的超低频调频信号的发射，克服了现有技术需要外部装置辅助以产生调频信号，调制精度受限于外部装置变化响应时间，带来的限制调制精度的问题，使得本发明的装置具有调制精度可控，装置结构简单的优点。

第二，本发明的方法对原始基带信号进行预处理，选择巴克码同步序列作帧头，产生通信速率和调制精度可控的XML格式文件，对接收信号经过滤波，采样，同步处理，抽样判决，实现超低频调频信号的解调，恢复基带信号，解决了现有技术通信速率受限于检测及反馈的响应时间，带来的限制通信速率的问题，使得本发明的方法具有通信速率可控的优点。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明天线中发射单元的结构示意图；

图3为本发明方法的实现流程图；

图4为本发明的频率调制信号实测图；

图5为本发明对接收信号解调后恢复的基带信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照附图1，对本发明的装置结构作进一步的详细描述。

本发明提出用于机械天线超低频信号的频率调制装置，包括信号发射单元、信号调制单元和信号接收单元。

信号调制单元由基带信号处理模块和可扩展标记语言XML处理模块组成，其中基带信号处理模块输出端与可扩展标记语言XML处理模块输入端相连。

信号发射单元包括驱动器、高速伺服电机、球形永磁体、圆柱固定套、固定平台、联轴器、螺栓、天线底座、导线。

信号接收单元包括信号采集模块、滤波模块、抽样判决模块、巴克码识别模块、基带信号选取模块，其中信号采集模块输出端与滤波模块输入端相连，滤波模块输出端与抽样判决模块输入端相连，抽样判决模块输出端与巴克码识别模块输入端相连，巴克码识别模块输出端与基带信号选取模块输入端相连。

信号调制单元通过网络线缆与信号发射单元中的驱动器连接，信号发射单元通过与信号发射单元之间通过动态磁场传输。

参照附图2，对本发明的信号发射单元作进一步的详细描述。

本发明的信号发射单元包括球形永磁体、圆柱固定套、联轴器、高速伺服电机、固定平台、螺栓、天线底座、驱动器及导线。

在本发明的实施例中球形永磁体嵌入在圆柱固定套中，通过圆柱固定套紧固。球形永磁体采用高剩磁的汝铁硼材质制成。圆柱固定套包括螺钉、加固盖片和固定块，且固定块的内径与球形永磁体的直径相等、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。本发明的实施例采用铝合金加工得到该圆柱固定套，在保证与磁球紧密贴合和同步旋转的同时，铝合金对辐射磁场的影响可忽略不计。球形永磁体通过联轴器与高速伺服电机主轴保持同一轴心，在电机的带动下实现同步转动。联轴器位于两个固定平台中间。图2中的M表示高速伺服电机。高速伺服电机通过螺栓与固定平台固定于天线底座上。电机通过导线与驱动器连接，驱动器用于控制电机旋转。机械天线的整个结构通过位于固定平台四角处的螺栓与固定平台加固，保证信号发射单元的稳定性。

参照附图3，对本发明方法的实现步骤作进一步地描述。

步骤1，对原始基带信号进行预处理。

基带信号处理模块在信号长度为p比特的原始基带信号帧头添加13位巴克码同步序列，组成基带信号，其中，p取值范围为1～115的正整数。

在基带信号的比特数小于128位的基带信号帧尾处添加多个比特“0”，将基带信号的比特数补充至128位，得到待发送数据。

可扩展标记语言XML处理模块生成与待发送数据对应的XML格式文件。

步骤2，生成运动任务。

驱动器将与待发送数据对应的XML格式文件导入到驱动器内，驱动器生成与待发送数据对应的包含转速与角度的运动任务。

步骤3，发射超低频调频信号。

驱动器驱动高速伺服电机带动球形永磁体达到运动任务中设定的转速，球形永磁体在该转速下转动到运动任务中设定的角度，旋转过程中球形永磁体向外辐射激发与旋转频率同频的动态电磁波，全部运动任务执行完毕后，即发射了与待发送数据对应的超低频调频信号。

步骤4：生成接收信号的CSV格式文件。

信号采集模块接收超低频调频信号，得到接收信号，生成与接收信号对应的字符分隔值CSV格式文件，方便后续进行处理。

步骤5，对接收信号进行解调。

第1步，滤波模块对接收信号进行快速傅立叶变换FFT，得到接收信号频谱，从接收信号频谱中提取幅值最大和次大的两个载波频率，使用与两个载波频率匹配的两个带通滤波器分别对接收信号进行滤波，得到两路频率不同的滤波后信号。

第2步，抽样判决模块对每路滤波后信号进行等间隔采样10次，得到10组采样序列，每组采样序列起始点为

其中，n表示每组采样序列的序号，T_s表示接收信号的符号周期。

第3步，随机选取一组未选过的采样序列。

第4步，抽样判决模块判断所选采样序列中频率高的滤波后信号与频率低的滤波后信号在同一采样点处的信号幅值，若频率高的滤波后信号幅值大，则将采样序列对应的基带二进制信号在该采样点处的值设置为“1”比特，否则，将该采样点处的值设置为“0”比特。

第5步，使用巴克码识别模块中的13位巴克码识别器，确定每个设置比特值的基带二进制信号中两个巴克码的位置，将两个位置之间的二进制信号作为该组采样序列对应的同步后序列。

第6步，判断是否选择完10组采样序列，若是，则执行本步骤的第7步，否则，执行本步骤的第3步。

第7步，基带信号选取模块从10组比特位数不同的同步后序列中选取比特位数为115位的任一组，完成解调。

本发明的效果可以通过下面的信号收发实验得到进一步的证明。

1、实验条件：

使用本发明装置中的信号调制单元完成对5bit/s的基带信号的预处理，信号发射单元通过旋转球形永磁体产生25Hz与35Hz的低频信号，信号发射单元中的球形永磁体的直径为5cm，圆柱固定套的直径为6cm，高5cm，联轴器的直径为4cm，高6cm，固定平台长宽高尺寸为10cm*10cm*2cm，天线底座长宽高的尺寸为30cm*15cm*5cm。驱动器采用KOLLMORGENAKD型，该驱动器长宽高的尺寸为15cm*6cm*15.5cm，高速伺服电机采用AKM24F型，该高速伺服电机长宽高的尺寸为6cm*6cm*15cm。调制信号被径向距离500cm外的信号接收单元中的信号采集模块接收。在MATLAB R2019b中实现解调。

2、实验内容及结果分析：

信号调制单元产生与原始基带信号“010100110100111101010011”相匹配的XML文件，信号发射单元中的驱动器导入该XML文件，生成对应的运动任务，驱动器重复执行该运动任务，驱动高速伺服电机带动球形永磁体旋转，完成载波频率为25Hz与35Hz的超低频调频信号的发射。信号接收单元中的信号采集模块接收该超低频调频信号，对接收信号经过滤波，采样，同步处理，抽样判决，实现超低频调频信号的解调，尝试恢复出原始的基带信号“010100110100111101010011”。

参照图4本发明的频率调制信号实测图，对本发明接收到的超低频调频信号做进一步说明。

图4中FSK信号是通过数据采集模块，采集信号发射单元发射的超低频调频信号1分钟，由数据采集模块感应的磁场强度1:1转化为信号幅值绘制得到的超低频调频信号幅值-时间图，结果显示数据采集模块采集到了本发明装置中的信号发射单元发射的超低频调频信号，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示信号幅值。

参照图5本发明接收信号解调后恢复的基带信号图，对接收信号解调后恢复的的基带信号做进一步说明。

图5中信号是接收信号经过滤波，采样，同步处理，抽样判决后恢复的基带信号图，结果显示恢复得到了正确的原始基带信号“010100110100111101010011”。其中，横坐标表示时间，纵坐标表示信号幅值。同时可以看出，目前实际的比特速率可达到5bit/s。

由图4和图5说明本发明的装置及方法，可以实现通信速率与调制精度可控的超低频调频信号的调制、发射、接收及解调。

上述实验结果分析证明了本发明所提的装置及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 (2)

1.一种用于机械天线超低频信号频率调制的装置，包括信号发射单元、信号调制单元和信号接收单元，所述信号调制单元由基带信号处理模块和可扩展标记语言XML处理模块组成，其特征在于，所述信号发射单元包括驱动器、高速伺服电机和球形永磁体，所述信号接收单元包括信号采集模块、滤波模块、抽样判决模块、巴克码识别模块、基带信号选取模块；所述的信号采集模块输出端与滤波模块输入端相连，滤波模块输出端与抽样判决模块输入端相连，抽样判决模块输出端与巴克码识别模块输入端相连，巴克码识别模块输出端与基带信号选取模块输入端相连；其中：

所述的基带信号处理模块，用于在信号长度为p比特的原始基带信号帧头添加13位巴克码同步序列，组成基带信号，其中，p取值范围为1～115的正整数；在基带信号的比特数小于128位的基带信号帧尾处添加多个比特“0”，将基带信号的比特数补充至128位，得到待发送数据；

所述的可扩展标记语言XML处理模块，生成与待发送数据对应的XML格式文件；

所述驱动器用于将与待发送数据对应的XML格式文件导入，生成与待发送数据对应的包含转速与角度的运动任务；驱动所述高速伺服电机带动所述球形永磁体达到运动任务中设定的转速，所述球形永磁体在该转速下转动到运动任务中设定的角度，旋转过程中所述球形永磁体向外辐射激发与旋转频率同频的动态电磁波，发射全部运动任务执行后的超低频调频信号；

所述的信号采集模块，用于接收超低频调频信号，得到接收信号，生成与接收信号对应的字符分隔值CSV格式文件；

所述的滤波模块，用于对接收信号进行快速傅立叶变换FFT，得到接收信号频谱，从接收信号频谱中提取幅值最大和次大的两个载波频率，使用与两个载波频率匹配的两个带通滤波器分别对接收信号进行滤波，得到两路频率不同的滤波后信号；

所述的抽样判决模块，用于对每路滤波后信号进行等间隔采样10次，得到10组采样序列，每组采样序列起始点为

其中，n表示每组采样序列的序号，T_s表示接收信号的符号周期；随机选取一组未选过的采样序列，判断所选采样序列中频率高的滤波后信号与频率低的滤波后信号在同一采样点处的信号幅值，若频率高的滤波后信号幅值大，则将采样序列对应的基带二进制信号在该采样点处的值设置为“1”比特，否则，将该采样点处的值设置为“0”比特；

所述的巴克码识别模块，使用13位巴克码识别器，确定每个设置比特值的基带二进制信号中两个巴克码的位置，将两个位置之间的二进制信号作为该组采样序列对应的同步后序列；

所述的基带信号选取模块，从10组比特位数不同的同步后序列中选取比特位数为115位的任一组，完成解调。

2.根据权利要求1所述装置的一种用于机械天线超低频信号的频率调制方法，其特征在于：驱动器驱动高速伺服电机带动球形永磁体转动，发射超低频调频信号，对接收信号进行解调，恢复基带信号，该方法的步骤包括如下：

(1)对原始基带信号进行预处理：

(1a)基带信号处理模块在信号长度为p比特的原始基带信号帧头添加13位巴克码同步序列，组成基带信号，其中，p取值范围为1～115的正整数；

(1b)基带信号处理模块在基带信号的比特数小于128位的基带信号帧尾处添加多个比特“0”，将基带信号的比特数补充至128位，得到待发送数据；

(1c)可扩展标记语言XML处理模块生成与待发送数据对应的XML格式文件；

(2)生成运动任务：

将与待发送数据对应的XML格式文件导入到驱动器内，驱动器生成与待发送数据对应的包含转速与角度的运动任务；

(3)发射超低频调频信号：

驱动器驱动高速伺服电机带动球形永磁体达到运动任务中设定的转速，球形永磁体在该转速下转动到运动任务中设定的角度，旋转过程中球形永磁体向外辐射激发与旋转频率同频的动态电磁波，发射全部运动任务执行后的超低频调频信号；

(4)生成接收信号的CSV格式文件：

信号采集模块接收超低频调频信号，得到接收信号，生成与接收信号对应的字符分隔值CSV格式文件；

(5)对接收信号进行解调：

(5a)滤波模块对接收信号进行快速傅立叶变换FFT，得到接收信号频谱，从接收信号频谱中提取幅值最大和次大的两个载波频率，使用与两个载波频率匹配的两个带通滤波器分别对接收信号进行滤波，得到两路频率不同的滤波后信号；

(5b)抽样判决模块对每路滤波后信号进行等间隔采样10次，得到10组采样序列，每组采样序列起始点为

其中，n表示每组采样序列的序号，T_s表示接收信号的符号周期；

(5c)随机选取一组未选过的采样序列；

(5d)抽样判决模块判断所选采样序列中频率高的滤波后信号与频率低的滤波后信号在同一采样点处的信号幅值，若频率高的滤波后信号幅值大，则将采样序列对应的基带二进制信号在该采样点处的值设置为“1”比特，否则，将该采样点处的值设置为“0”比特；

(5e)使用巴克码识别模块中的13位巴克码识别器，确定每个设置比特值的基带二进制信号中两个巴克码的位置，将两个位置之间的二进制信号作为该组采样序列对应的同步后序列；

(5f)判断是否选择完10组采样序列，若是，则执行步骤(5g)，否则，执行步骤(5c)；

(5g)基带信号选取模块从10组比特位数不同的同步后序列中选取比特位数为115位的任一组，完成解调。

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