基于Chirp信号的电流场透地通信系统设计与实现

摘要

随着人类社会的发展，人类越来越多地利用到如煤炭、金属等深埋于地下的资源，这需要人们在地下矿井内进行作业。除了采矿，勘探、地铁、隧道等诸多场合都需要人类较长时间地在有一定深度的地下进行活动。而地下并非确保安全，可能会发生塌方、爆炸、透水等事故灾害，这时就需要有一种通信手段将灾害现场的情况及时传递给地面，以方便开展救援工作。对于地下而言，传统的无线通信手段难以使用，而有线通信在发生事故时又容易被损坏。所以研制一款可以用于实际的透地应急通信设备有着极强的现实意义。本文提出了使用Chirp信号进行调制、利用传导电流场理论进行通信的透地应急通信系统解决方案。对该系统的基本理论进行了分析验证和建模优化，设计了样机，并进行了外场实测。
　　本文主要研究了以下几个方面：
　　（1）介绍了基于传导电流场理论进行透地应急通信的基本方法，阐述了传导电流场理论数学模型，对数学模型进行了分析，并对理论分析结果进行了仿真验证。
　　（2）针对理论分析结果，开发了传导电流场透地通信信道测试系统，并在实际环境中进行了信道特性和电磁环境测试，验证了理论分析结果。同时通过分析信道特性和噪声组成，提出了基于Chirp信号的矿井透地通信解决方案。
　　（3）建立了电偶极子天线模型，研究了提高电偶极子天线辐射性能的方法，并对电偶极子天线的性能进行了优化。
　　（4）介绍了Chirp信号的概念、特性。介绍了Chirp调制解调的特点。分析了Chirp信号的误码性能和抗干扰性能，并对分析结果进行了仿真验证。
　　（5）根据理论分析结果设计了一套基于 Chirp信号的电流场透地通信系统，介绍了系统各部分的组成。介绍了系统硬件电路的设计思路和实现过程，展示了硬件设计成果。介绍了系统软件的组成模块和实现方法。展示了系统软件模块的工作流程。
　　（6）对设计和开发的透地通信系统进行了外场测试。针对外场测试结果对系统进行了性能分析，并在此基础上提出了改进措施。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要内容和章节安排

第2章 电流场传播特性及电偶极子天线建模

2.1 基于电流场的透地通信原理概述

2.2 电流场传播特性数学模型

2.3 电流场传播特性仿真

2.4 电流场透地通信信道特性测试

2.5 电偶极子天线建模与优化

2.6 本章小结

第3章 Chirp通信的基本原理

3.1 Chirp信号的概念和基本特征

3.2 Chirp信号的脉冲压缩特性

3.3 Chirp调制基本模型

3.4 Chirp解调基本方法

3.5 Chirp信号性能分析

3.6 本章小结

第4章 透地通信系统设计与硬件实现

4.1 系统的组成和参数设计

4.2数字电路设计

4.3 数模转换电路设计

4.4 功率放大电路

4.5 阻抗匹配模块

4.6 放大滤波电路

4.7 本章小结

第5章 系统软件的设计与实现

5.1 系统软件的工作流程

5.2 STM32软件设计

5.3 编码解码系统设计

5.4 调制系统设计

5.5 解调系统设计

5.6 上位机软件设计

5.7 本章小结

第6章 通信系统外场功能测试

6.1 外场功能测试系统组成

6.2 外场功能测试结果

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢