一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置和通信方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置和通信方法，利用多組磁場(chǎng)發(fā)生器和磁傳感器實(shí)現(xiàn)全雙工通信，當(dāng)存在多個(gè)收發(fā)裝置時(shí)可采用多頻率傳輸?shù)姆椒?，還可以合理匹配發(fā)射裝置與接收裝置的位置，對(duì)接收信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行排序，使用帶通濾波器濾除多余信號(hào)提取有用信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置和通信方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置和通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 透地通信整個(gè)礦山通信中系統(tǒng)的主干，是連接井上和井下的重要環(huán)節(jié)，在礦山應(yīng) 急救援中是連接被困礦工與救援人員的樞紐。礦山環(huán)境復(fù)雜，空間狹窄不宜布設(shè)過(guò)多線纜， 無(wú)線通信系統(tǒng)較有線通信系統(tǒng)在一定程度上靈活性高，沒(méi)有過(guò)多的線纜，能夠減少因線纜 損壞造成的通信故障概率。傳統(tǒng)的透地通信系統(tǒng)利用電磁波作為載體傳播信號(hào)，由于電磁 波在含有水分的±壤中受到的干擾較大，國(guó)內(nèi)外的透地通信系統(tǒng)采用甚低頻，超低頻的方 法來(lái)提高通信距離。工作頻率的降低使得發(fā)射和接收天線的尺寸變大，在井下通常沒(méi)有足 夠的空間來(lái)布置運(yùn)些天線。
[0003] 磁感應(yīng)(Magnetic Induction)通信技術(shù)有W下優(yōu)點(diǎn)：1)±壤、煤巖、水等地下信號(hào) 傳輸介質(zhì)的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率幾乎一樣，不會(huì)隨時(shí)間和空間而變化，因此信道穩(wěn)定;2) 信號(hào)通過(guò)磁場(chǎng)禪合到接收端，因此不存在多路徑損耗的問(wèn)題;3)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用小線 圈作為天線，尺寸大小可W根據(jù)工作環(huán)境改變，不存在天線尺寸過(guò)大的問(wèn)題。但磁場(chǎng)的衰落 速率較電磁波要快，因此磁感應(yīng)通信的問(wèn)題是信號(hào)的傳播距離短。
[0004] 磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中W感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量電流、位置、方 向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類(lèi)型的傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)和其他參數(shù)，例如采 用霍爾化all)元件，各向異性磁電阻(AniSOtropic Ma即eto resiS化nce,AMR)元件或巨磁 電阻（Giant Ma即eto resistance,GMR)元件為敏感元件的磁傳感器。TMR(Tunnel Ma即eto Resistance)元件是近年來(lái)開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，通常也用磁隧道結(jié) (Ma即etic l\innel Junction，MTJ)來(lái)代指TMR元件。其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁 電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的異性磁電阻(Anisotropic Magneto resistance,AMR)元件或巨磁電阻（Giant Magneto resistance, GMR)元件具有更大的電 阻變化率。TMR技術(shù)主要用于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的讀出磁頭、MRAM和各類(lèi)磁傳感器。近年來(lái)，TMR開(kāi) 始用于電流傳感器、角度傳感器等，展示出十分誘人的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)目前礦用透地通信裝置透地距離短，通信信道不穩(wěn)定的問(wèn)題，本發(fā)明提出一 種基于磁感應(yīng)技術(shù)的礦用長(zhǎng)距離無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置和通信方法，該透地通信系統(tǒng)能 夠在低功耗的條件下適應(yīng)礦井內(nèi)空間狹窄、電磁干擾大的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離穩(wěn)定實(shí)時(shí)語(yǔ)音、 控制等信號(hào)的傳輸。
[0006] 本發(fā)明是通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，W信號(hào)傳輸 方向順序設(shè)置有發(fā)射端和接收端，發(fā)射端包括順次連接的基帶信號(hào)處理器I、二進(jìn)制差分相 位調(diào)制器、功率放大器I和鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器;接收端包括順次連接的磁場(chǎng)傳感器、功率放 大器n、噪聲消除濾波器、二進(jìn)制差分相位解調(diào)器和基帶信號(hào)處理器n ;基帶信號(hào)處理器I， 接收來(lái)自各傳感器節(jié)點(diǎn)信號(hào)，通過(guò)抽樣量化編碼的方式把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并整 合數(shù)字信號(hào)便于后續(xù)處理，然后進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率的編碼;二進(jìn)制差分相位調(diào)制器，對(duì)基帶信 號(hào)處理器輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，W適應(yīng)磁通信頻率低，頻帶窄的特點(diǎn)；功率放大器I，把調(diào)制 后的信號(hào)進(jìn)行功率放大，W增大磁信號(hào)的透地距離，增大通信范圍；鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器，把 放大后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁信號(hào)，磁場(chǎng)信號(hào)攜帶信息透地傳輸;磁場(chǎng)傳感器，接收磁場(chǎng)信號(hào)并 轉(zhuǎn)換成電信號(hào);功率放大器n，將磁場(chǎng)傳感器所產(chǎn)生的微弱電信號(hào)中的有用信號(hào)進(jìn)行放大； 噪聲消除濾波器，濾除磁傳感器接收的信號(hào)中地磁所產(chǎn)生的噪聲；二進(jìn)制差分相位解調(diào)器 n，攜帶信息的信號(hào)通過(guò)解調(diào)變成利于處理的基帶信號(hào);基帶信號(hào)處理器n，將有用信號(hào)譯 碼并發(fā)送給用戶;所述鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器和磁場(chǎng)傳感器構(gòu)成磁感應(yīng)透地通信信道。
[0007] 所述鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器由圓柱狀鐵氧體忍，銅線圈，電流輸入和輸出端組成，所述 銅線圈的銅線直徑為0.81mm，外部附著著45WI1厚的聚四氣乙締絕緣層，銅線按逆時(shí)針?lè)较?纏繞在鐵氧體忍上，線圈為200應(yīng)，整個(gè)鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器的直徑為0.18m;所述鐵氧體忍的 材料為儘鋒合成材料。所述鐵氧體磁忍的磁導(dǎo)率為10000,在磁場(chǎng)方向1000 m處達(dá)到的 磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0008] 所述鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器的銅線圈電感L和可變電容器C組成LC諧振回路作為信號(hào) 發(fā)射電路，發(fā)射電路中的電感L、電容C參數(shù)受到鐵氧體忍和±壤的介電常數(shù)和螺旋線圈的 幾何形狀的影響，所述銅線圈采用多應(yīng)圓形線圈，由于裝置的工作頻率較低，所W不考慮寄 生效應(yīng)，包括趨膚效應(yīng)，鄰近效應(yīng)，寄生電容(可能會(huì)發(fā)生在工作頻率非常高的時(shí)候）。線圈 的電感L具有非線性特性，銅線圈電感L隨鐵氧體忍中的磁化電流變化而變化，電容值為
'其中，f為工作頻率;根據(jù)畢奧-薩伐爾定律Biot-Savart law,圓形線圈所產(chǎn)的 磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式為：
[0009]
[0010]其中，W鐵氧體磁導(dǎo)率，郵為±壤介質(zhì)的磁導(dǎo)率，Z為通信距離，R為線圈半徑，i為 線圈中的電流，N為線圈應(yīng)數(shù)。
[0011] 當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，線圈電流達(dá)到最大，運(yùn)時(shí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化范圍最大， 假設(shè)諧振頻率為lk化，LC = 2.53X10-8時(shí)，對(duì)于應(yīng)數(shù)固定的線圈可W得出L為46.4H，在鐵氧 體磁場(chǎng)發(fā)生器中工作頻率1曲Z時(shí)，所需的電容(C)近似為0.55nF。
[0012] 所述磁場(chǎng)傳感器由兩個(gè)磁電阻TMR、穩(wěn)恒偏置電壓Vbias、接地端GND和輸出端組成 接收電路，兩個(gè)磁電阻TMR串聯(lián)，其電路的一端施加穩(wěn)恒偏置電壓Vbias,另一端為接地端 GND，在兩個(gè)磁電阻TMR的對(duì)稱(chēng)中屯、引出信號(hào)輸出端W輸出電壓信號(hào)Vout。
[OOU] 磁電阻TMR傳感器能夠檢測(cè)IX ICT^T強(qiáng)度的磁場(chǎng)，在同一外磁場(chǎng)的作用下，一個(gè)磁 電阻的阻值增加的同時(shí)另一個(gè)的阻值會(huì)隨之降低，施加相反方向的外場(chǎng)會(huì)使一個(gè)磁電阻的 阻值降低的同時(shí)另一個(gè)的阻值會(huì)隨之增加。在理想情況下的磁電阻TMR隨外場(chǎng)H的變化是完 美的線性關(guān)系，同時(shí)沒(méi)有磁滯，在實(shí)際情況下，磁電阻的響應(yīng)曲線隨外場(chǎng)變化具有滯后的現(xiàn) 象，我們稱(chēng)之為磁滯。磁電阻的響應(yīng)曲線為一個(gè)回路，通常作為應(yīng)用的磁電阻材料的磁滯很 小，在實(shí)際使用中可W看做一個(gè)完美的線性曲線。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的傳感器領(lǐng)域，由于磁傳感設(shè) 計(jì)的制約W及材料的缺陷，運(yùn)條曲線會(huì)更彎曲。
[0014] 所述鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器和磁場(chǎng)傳感器分別對(duì)應(yīng)設(shè)置多個(gè)，磁場(chǎng)發(fā)生器設(shè)置不同的 頻段進(jìn)行發(fā)送，磁場(chǎng)傳感器設(shè)置不同的濾波器參數(shù)進(jìn)行分頻接收，實(shí)現(xiàn)全覆蓋的多發(fā)多收 無(wú)線通信系統(tǒng)。
[0015] 所述噪聲消除濾波器包括低噪聲放大器和帶通濾波器。
[0016] -種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信方法，包括W下步驟：
[0017] 1)將原始信號(hào)經(jīng)過(guò)基帶信號(hào)處理器I處理作為輸入信號(hào)；
[001引2)根據(jù)LC發(fā)射電路的諧振規(guī)律，采用差分相位調(diào)制的方式，將輸入信號(hào)加載到正 弦波上并進(jìn)行功率放大；
[0019] 3)鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器把調(diào)制后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)信號(hào)，加載到LC振蕩回路中， 產(chǎn)生脈沖式的磁場(chǎng)；
[0020] 4)磁場(chǎng)傳感器利用磁電阻TMR隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化且變化率高的特點(diǎn)，接收變化的磁 場(chǎng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0021] 5)接收到的電信號(hào)經(jīng)功率放大器n將其中的有用信號(hào)進(jìn)行放大；
[0022] 6)經(jīng)噪聲消除濾波器過(guò)濾，除去其中的地磁信號(hào)干擾；
[0023] 7)提取出有用信號(hào)后，經(jīng)過(guò)差分相位的解調(diào)還原出源信號(hào)；
[0024] 8)基帶信號(hào)處理器n對(duì)源信號(hào)進(jìn)行譯碼，根據(jù)用戶的要求分別將信號(hào)傳輸?shù)讲煌?的設(shè)備中。
[0025] 原始信號(hào)包括來(lái)自地上地下人員的模擬信號(hào)和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)，模擬 信號(hào)由基帶信號(hào)處理器I通過(guò)抽樣、量化、編碼的方式轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)通過(guò)差分相位 (2DPSK)調(diào)制的方式加載到500k化的正弦波上，為了提高發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過(guò) 功率放大后輸入到LC發(fā)射電路中。
[0026] 在信號(hào)的接收端磁場(chǎng)傳感器所接收的磁場(chǎng)信號(hào)包括有用信號(hào)和地球磁場(chǎng)信號(hào)，地 球的磁場(chǎng)在不同的地理坐標(biāo)下，W低于IHz的頻率從20至80叫變化，所W發(fā)射的磁場(chǎng)信號(hào)可 W通過(guò)低噪聲放大器和帶通濾波器從接收的磁場(chǎng)信號(hào)分離出來(lái)。
[0027] 在接收端，經(jīng)過(guò)帶通濾波器的信號(hào)進(jìn)行2DPSK解調(diào)，信號(hào)時(shí)延一個(gè)碼元間隔并與原 信號(hào)相乘通過(guò)低通濾波器后進(jìn)行抽樣判決，輸出源信號(hào)。
[00%]本發(fā)明可W利用多組磁場(chǎng)發(fā)生器和磁傳感器實(shí)現(xiàn)全雙工通信，當(dāng)存在多個(gè)收發(fā)裝 置時(shí)可采用多頻率傳輸?shù)姆椒ǎ€可W合理匹配發(fā)射裝置與接收裝置的位置，對(duì)接收信號(hào) 的強(qiáng)度進(jìn)行排序，使用帶通濾波器濾除多余信號(hào)提取有用信號(hào)。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明的發(fā)射端與接收端電路圖；
[0031 ]圖3為本發(fā)明的鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器及所產(chǎn)生的理論磁場(chǎng)圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明的礦用無(wú)線磁感應(yīng)透地通信實(shí)施例流程圖；
[0033] 圖中，1.基帶信號(hào)處理器I、2.二進(jìn)制差分相位調(diào)制器，3.功率放大器1,4.鐵氧體 磁場(chǎng)發(fā)生器，5.磁場(chǎng)傳感器，6.功率放大器n，7 .噪聲消除濾波器，8.二進(jìn)制差分相位解調(diào) 器，9.基帶信號(hào)處理器n。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本發(fā)明設(shè)計(jì)傳輸井上井下語(yǔ)音信號(hào)W及設(shè)置在礦井內(nèi)部各個(gè)傳感器所發(fā)出的信 號(hào)，在煤炭日常生產(chǎn)運(yùn)輸，監(jiān)督管理乃至應(yīng)急救援工作都起著重要作用。運(yùn)些傳感器探測(cè)礦 井內(nèi)部溫度、濕度、有害氣體含量、設(shè)備機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況等，同樣檢測(cè)礦工所在位置、生命體征 等。運(yùn)種無(wú)線透地通信作為日常井上井下有線通信的補(bǔ)充，同樣在礦難發(fā)生，有線通信和電 磁波無(wú)線通信擁痕時(shí)作為應(yīng)急通信使用。
[0035] 如圖1所示，一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，W信號(hào)傳輸方向順序設(shè)置有發(fā)射端和 接收端，發(fā)射端包括順次連接的基帶信號(hào)處理器II、二進(jìn)制差分相位調(diào)制器2、功率放大器I 3和鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器4;接收端包括順次連接的磁場(chǎng)傳感器5、功率放大器n 6、噪聲消除濾 波器7、二進(jìn)制差分相位解調(diào)器8和基帶信號(hào)處理器n 9;基帶信號(hào)處理器II，接收來(lái)自各傳 感器節(jié)點(diǎn)信號(hào)，通過(guò)抽樣量化編碼的方式把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并整合數(shù)字信號(hào)便 于后續(xù)處理，然后進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率的編碼；二進(jìn)制差分相位調(diào)制器2,對(duì)基帶信號(hào)處理器輸 出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，W適應(yīng)磁通信頻率低，頻帶窄的特點(diǎn)；功率放大器13,把調(diào)制后的信號(hào) 進(jìn)行功率放大，W增大磁信號(hào)的透地距離，增大通信范圍；鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器4,把放大后的 電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁信號(hào)，磁場(chǎng)信號(hào)攜帶信息透地傳輸;磁場(chǎng)傳感器5,接收磁場(chǎng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)；功率放大器116,將磁場(chǎng)傳感器所產(chǎn)生的微弱電信號(hào)中的有用信號(hào)進(jìn)行放大;噪聲 消除濾波器7,濾除磁傳感器接收的信號(hào)中地磁所產(chǎn)生的噪聲;二進(jìn)制差分相位解調(diào)器ns, 攜帶信息的信號(hào)通過(guò)解調(diào)變成利于處理的基帶信號(hào);基帶信號(hào)處理器119,將有用信號(hào)譯碼 并發(fā)送給用戶;所述鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器4和磁場(chǎng)傳感器5構(gòu)成磁感應(yīng)透地通信信道。
[0036] 如圖2,3所示，由于鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器4和磁場(chǎng)傳感器5都具有微型化的特征，所W 發(fā)射與接收裝置都具有便攜性，在煤礦井下，礦工可W隨身攜帶。運(yùn)樣如果災(zāi)害突然發(fā)生時(shí) 也能保證通信的楊通，從而提高應(yīng)急救援效率。
[0037] 輸入信號(hào)主要由來(lái)自井下人員的語(yǔ)音模擬信號(hào)和來(lái)自各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信 號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TI公司的ADS5203忍片，雙10位ADS5203的每一個(gè)通道模擬到數(shù)字采樣 率為40MSPS，所有的數(shù)字輸入和輸出為3.3V，兼容ITL和CMOS。
[0038] 基帶信號(hào)處理器I、ni、9和二進(jìn)制差分相位調(diào)制、解調(diào)器2、8由可編程口陣列 (FPGA)核屯、板及其周?chē)娐穼?shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA忍片選用Xilinx公司的邸artanS3 A - DS P篡3400 FPGA，利用FPGA實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電功能，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行編碼，然后按照差分相位調(diào)制(DPSK) 的方法把信號(hào)調(diào)制到500曲Z的頻率范圍。
[0039] 功率放大器I、n3、6采用ADI公司AD8139，AD8139是一款超低噪聲、高性能差分放 大器，提供軌到軌輸出。它具有低噪聲、高S抑R和寬帶寬特性。
[0040] 圖3中鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器4的作用是把調(diào)制后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)信號(hào)，由圓柱狀 鐵氧體忍，銅線圈，電流輸入和輸出端組成，所述銅線圈的銅線直徑為0.81mm，外部附著著 45WI1厚的聚四氣乙締絕緣層，銅線按逆時(shí)針?lè)较蚶p繞在鐵氧體忍上，線圈為200應(yīng)，整個(gè)鐵 氧體磁場(chǎng)發(fā)生器的直徑為0.18m;所述鐵氧體忍的材料為儘鋒合成材料。所述鐵氧體磁忍的 磁導(dǎo)率為10000,在磁場(chǎng)方向1000 m處達(dá)到ICT^T的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)接收端所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度 有增強(qiáng)作用。
[0041] 磁場(chǎng)傳感器5采用隧道磁電阻TMR，相對(duì)于其他磁傳感器具有更大的電阻變化率， 更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度。橋式TMR電阻設(shè)計(jì)提高了接 收靈敏度，將變化的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
[0042] 磁場(chǎng)傳感器5可忍片化，主要包括電源模塊、波形預(yù)處理模塊W及保護(hù)模塊。
[0043] 接收到的信號(hào)需要去除地球磁場(chǎng)所產(chǎn)生的干擾，根據(jù)地磁信號(hào)在不同的地理坐標(biāo) 下，W低于IHz的頻率從20至SOiiT變化的特點(diǎn)，采用低噪聲濾波器加 W濾除。
[0044] 所述噪聲消除濾波器7采用MAX275模塊，由噪聲放大器和帶通濾波器組成，MAX275 是MAXIM公司推出的一款連續(xù)時(shí)間模擬集成有源濾波器，片內(nèi)硬件由4個(gè)運(yùn)算放大器及若干 電阻電容組成。通過(guò)不同組合形式的外接電阻實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的作用。提取出有用信號(hào)后， 先經(jīng)過(guò)放大，然后信號(hào)時(shí)延一個(gè)碼元間隔并與原信號(hào)相乘通過(guò)低通濾波器后進(jìn)行抽樣判 決，輸出原基帶信號(hào)。通過(guò)FPGA核屯、系統(tǒng)及其周?chē)娐穼?shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)與解碼，同時(shí)分配給 多路用戶，并根據(jù)用戶的要求分別將信號(hào)傳輸?shù)讲煌脑O(shè)備中。
[0045] 圖4為本發(fā)明提出的礦用無(wú)線磁感應(yīng)透地通信模塊流程圖，W語(yǔ)音信號(hào)為例，包 括：
[0046] 1)語(yǔ)音輸入，井下礦工通過(guò)麥克風(fēng)設(shè)備輸入語(yǔ)音信號(hào)，進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào)；
[0047] 2)信號(hào)處理，基帶信號(hào)處理器I接收采樣后的語(yǔ)音信號(hào)，通過(guò)低速率語(yǔ)音編碼后傳 輸?shù)蕉M(jìn)制差分相位調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，W適應(yīng)磁通信頻率低，頻帶窄的特點(diǎn)，功率放大器I 是把調(diào)制后的信號(hào)在礦井安全電壓下進(jìn)行功率放大，W增大磁信號(hào)的透地距離，增大通信 范圍；
[0048] 3)磁信號(hào)發(fā)射，鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器利用線圈把放大后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁信號(hào)，磁 場(chǎng)信號(hào)攜帶信息透地傳輸；
[0049] 4)磁信號(hào)接收，井上磁場(chǎng)傳感器接收磁場(chǎng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，磁傳感器所產(chǎn)生 的電信號(hào)為微弱信號(hào)，需要功率放大器對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大，噪聲消除濾波器濾除磁傳感 器接收的信號(hào)中地磁所產(chǎn)生的噪聲；
[0050] 5)信號(hào)處理，攜帶語(yǔ)音信息的信號(hào)經(jīng)過(guò)二進(jìn)制差分相位解調(diào)變換為適合基帶處理 的信號(hào)，利用基帶信號(hào)處理器n進(jìn)行譯碼并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，
[0051] 6)語(yǔ)音信號(hào)輸出，語(yǔ)音信號(hào)輸出模塊，將語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)綋P(yáng)聲器中，實(shí)現(xiàn)井上井下 工作人員的語(yǔ)音通信。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，W信號(hào)傳輸方向順序設(shè)置有發(fā)射端和接收端，其特 征在于，發(fā)射端包括順次連接的基帶信號(hào)處理器I、二進(jìn)制差分相位調(diào)制器、功率放大器I和 鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器;接收端包括順次連接的磁場(chǎng)傳感器、功率放大器Π 、噪聲消除濾波器、 二進(jìn)制差分相位解調(diào)器和基帶信號(hào)處理器Π ;基帶信號(hào)處理器I，接收來(lái)自各傳感器節(jié)點(diǎn)信 號(hào)，通過(guò)抽樣量化編碼的方式把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并整合數(shù)字信號(hào)便于后續(xù)處理， 然后進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率的編碼;二進(jìn)制差分相位調(diào)制器，對(duì)基帶信號(hào)處理器輸出的信號(hào)進(jìn)行 調(diào)制，W適應(yīng)磁通信頻率低，頻帶窄的特點(diǎn)；功率放大器I，把調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行功率放大， W增大磁信號(hào)的透地距離，增大通信范圍；鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器，把放大后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁 信號(hào)，磁場(chǎng)信號(hào)攜帶信息透地傳輸;磁場(chǎng)傳感器，接收磁場(chǎng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；功率放大 器Π ，將磁場(chǎng)傳感器所產(chǎn)生的微弱電信號(hào)中的有用信號(hào)進(jìn)行放大;噪聲消除濾波器，濾除磁 傳感器接收的信號(hào)中地磁所產(chǎn)生的噪聲；二進(jìn)制差分相位解調(diào)器Π ，攜帶信息的信號(hào)通過(guò) 解調(diào)變成利于處理的基帶信號(hào);基帶信號(hào)處理器Π ，將有用信號(hào)譯碼并發(fā)送給用戶;所述鐵 氧體磁場(chǎng)發(fā)生器和磁場(chǎng)傳感器構(gòu)成磁感應(yīng)透地通信信道。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，其特征在于，鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生 器由圓柱狀鐵氧體忍，銅線圈，電流輸入和輸出端組成，所述銅線圈的銅線直徑為0.81mm， 外部附著著45μπι厚的聚四氣乙締絕緣層，銅線按逆時(shí)針?lè)较蚶p繞在鐵氧體忍上，線圈為200 應(yīng)，整個(gè)鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器的直徑為0.18m;所述鐵氧體忍的材料為儘鋒合成材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，其特征在于，鐵氧體磁忍的磁 導(dǎo)率為10000,在磁場(chǎng)方向1000m處達(dá)到Ι?Τ^Τ的磁場(chǎng)強(qiáng)度。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，其特征在于，鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生 器的銅線圈電感L和可變電容器C組成LC諧振回路作為信號(hào)發(fā)射電路，發(fā)射電路中的電感L、 電容C參數(shù)受到鐵氧體忍和±壤的介電常數(shù)和螺旋線圈的幾何形狀的影響，線圈的電感L具 有非線性特性，銅線圈電感L隨鐵氧體忍中的磁化電流變化而變化，電容值為其中，f為工作頻率;根據(jù)畢奧-薩伐爾定律Biot-Savart law,圓形線圈所產(chǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 計(jì)算公式為：其中，yr鐵氧體磁導(dǎo)率，4〇為±壤介質(zhì)的磁導(dǎo)率，Z為通信距離，R為線圈半徑，i為線圈 中的電流，N為線圈應(yīng)數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，其特征在于，磁場(chǎng)傳感器由兩 個(gè)磁電阻TMR、穩(wěn)恒偏置電壓Vbias、接地端GND和輸出端組成接收電路，兩個(gè)磁電阻TMR串聯(lián)， 其電路的一端施加穩(wěn)恒偏置電壓Vbias，另一端為接地端GND，在兩個(gè)磁電阻TMR的對(duì)稱(chēng)中屯、 引出信號(hào)輸出端W輸出電壓信號(hào)V?t。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，其特征在于，磁電阻TMR傳感 器能夠檢測(cè)IX 強(qiáng)度的磁場(chǎng)，在同一外磁場(chǎng)的作用下，一個(gè)磁電阻的阻值增加的同時(shí) 另一個(gè)的阻值會(huì)隨之降低，施加相反方向的外場(chǎng)會(huì)使一個(gè)磁電阻的阻值降低的同時(shí)另一個(gè) 的阻值會(huì)隨之增加。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，其特征在于，所述鐵氧體磁場(chǎng) 發(fā)生器和磁場(chǎng)傳感器分別對(duì)應(yīng)設(shè)置多個(gè)，磁場(chǎng)發(fā)生器設(shè)置不同的頻段進(jìn)行發(fā)送，磁場(chǎng)傳感 器設(shè)置不同的濾波器參數(shù)進(jìn)行分頻接收，實(shí)現(xiàn)全覆蓋的多發(fā)多收無(wú)線通信系統(tǒng)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信裝置，其特征在于，噪聲消除濾波器 包括低噪聲放大器和帶通濾波器。9. 根據(jù)權(quán)利要求1~8任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種無(wú)線磁感應(yīng)透地通信方法，其特征 在于，包括W下步驟： 1) 將原始信號(hào)經(jīng)過(guò)基帶信號(hào)處理器I處理作為輸入信號(hào)； 2) 根據(jù)LC發(fā)射電路的諧振規(guī)律，采用差分相位調(diào)制的方式，將輸入信號(hào)加載到正弦波 上并進(jìn)行功率放大； 3) 鐵氧體磁場(chǎng)發(fā)生器把調(diào)制后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)信號(hào)，加載到LC振蕩回路中，產(chǎn)生 脈沖式的磁場(chǎng)； 4) 磁場(chǎng)傳感器利用磁電阻TMR隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化且變化率高的特點(diǎn)，接收變化的磁場(chǎng)信 號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 5) 接收到的電信號(hào)經(jīng)功率放大器Π 將其中的有用信號(hào)進(jìn)行放大； 6) 經(jīng)噪聲消除濾波器過(guò)濾，除去其中的地磁信號(hào)干擾； 7) 提取出有用信號(hào)后，經(jīng)過(guò)差分相位的解調(diào)還原出源信號(hào)； 8) 基帶信號(hào)處理器Π 對(duì)源信號(hào)進(jìn)行譯碼，根據(jù)用戶的要求分別將信號(hào)傳輸?shù)讲煌脑O(shè) 備中。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種礦用無(wú)線磁感應(yīng)透地通信方法，其特征在于，步驟1)中 的原始信號(hào)包括來(lái)自地上地下人員的模擬信號(hào)和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)由 基帶信號(hào)處理器I通過(guò)抽樣量化編碼的方式轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H04B1/00GK105846914SQ201610453602
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】孫彥景, 吳天琦, 李松, 蔡黎, 江海峰, 王艷芬, 翟文艷
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)