基于电流场理论的地下数字通信系统设计与实现

摘要

我国矿产资源丰富,然而矿难事件频发。如果能够实现地下与地面的无线通信,将会极大地提高救援效率。目前我国还没有自主知识产权的矿井透地应急救援通信系统。矿难发生时,其他有线通信手段往往会发生中断,信号如何穿透地层实现与地下信息的双向传输问题是矿井无线应急通信的关键瓶颈技术。而采用电偶极子天线,基于传导电流场理论实现透地信息传输是解决该瓶颈问题的行之有效的方法之一。
　　本文在分析国内外地下通信的研究背景下,选用具有天线体积设计小、对环境依赖性小的基于电流场理论的通信方式。
　　首先,介绍传导电流场透地通信理论,分析信号传输的原理。建立该传输方式的数学模型,并构建基于MATLAB的软件仿真平台,分析传输距离、信号频率与电导率对信号传输的影响。
　　然后,在实地环境中建立物理仿真模型,讨论传导电流、传输距离,电磁干扰以及噪声对信号传输的影响,并观察仿真图形,为后续的系统设计提供优化的参数。
　　最后,在理论研究和软件仿真分析的基础上,选取具有频带窄、功率利用率高、抗衰落、可用非相干进行解调的π/4-DQPSK作为数字传输方案,设计了基于FPGA的电流场地下通信系统。重点编制了基于Verilog的π/4-DQPSK调制和解调程序,通过模块化实现调制解调过程,方便程序的修改和调试;研发了该系统的硬件实现平台(含发送、接收电路,小信号放大电路,功率放大电路);此外还进行了变压器的设计,使天线的阻抗与功率放大器阻抗实现匹配,以完成大功率发送信号。整个通信系统从串口收发,对信号进行调制解调以及D/A、A/D控制均可通过软件编写实现,体现了软件无线电的思想。

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第1章 绪论

1.1 地下通信的研究背景及意义

1.2 地下通信的国内外研究现状

1.3 本论文的任务和内容安排

第2章 透地通信系统参数优化设计

2.1 电流场透地通信原理概述

2.2 电流场地下传播特性数学模型

2.2 电流场地下通信信道物理实验仿真模型

2.3 天线等效模型与天线阻抗匹配

2.4 本章小结

第3章 基于电流场理论的地下数字通信系统硬件设计

3.1 数字电路设计

3.2 功率放大电路

3.3 小信号接收电路

3.4 本章小结

第4章 π/4-DQPSK调制解调过程的实现

4.1 π/4-DQPSK信号的调制与解调

4.2 π/4-DQPSK调制解调的实现

4.3 本章小结

第5章 调试结果及其结论

5.1 π/4-DQPSK调制的调试及结果

5.2 π/4-DQPSK解调的调试及结果

5.3 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

附录