基于FSK的感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)海洋石油勘探的需求，設(shè)計(jì)了電纜定深裝置，其采用了基于FSK的感應(yīng)通信系統(tǒng)。系統(tǒng)地介紹了感應(yīng)通信的發(fā)展?fàn)顩r及其基本原理，重點(diǎn)闡述FSK調(diào)制解調(diào)模塊所選用的XR2206和XR2211芯片。感應(yīng)通信作為水下非接觸通信方式之一，以其功耗低、尺寸小、制作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

0 引言

海洋是人類資源的寶庫(kù)，蘊(yùn)藏著豐富的能源與礦產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)海洋資源的探測(cè)與開發(fā)也不斷深入。電纜定深器就是在石油勘探過程中所采用的拖曳電纜深度定位裝置，它可以對(duì)水下的電纜進(jìn)行控制與定位，以便電纜內(nèi)的檢波器接收空氣槍震源所返回的地震波，其采用的通信方式為基于FSK的感應(yīng)通信。

1 感應(yīng)通信的發(fā)展現(xiàn)狀

水下通信方式可分為：水聲通信、水下激光與紅外通信、超長(zhǎng)波通信、感應(yīng)通信。水聲通信的缺點(diǎn)是傳輸速率慢、容量小、抗干擾能力差；而在激光通信中，浮游生物以及海底的泥塵可能造成通訊的暫時(shí)中斷；超長(zhǎng)波通信的弊端則是功耗高、成本大；相比而言，感應(yīng)通信方式制作簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、對(duì)周圍的環(huán)境不敏感�？紤]到功耗、方便性和具體的安裝條件，所以在電纜定深器的設(shè)計(jì)過程中，采用了感應(yīng)通信方式進(jìn)行信號(hào)傳出。

美國(guó)的阿爾文(Alvin)號(hào)載人深潛器是非常著名的用于深海探測(cè)的載人深潛器，其采樣器、化學(xué)傳感器、溫度檢測(cè)等方面，都采用電磁耦合技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸，并在多次出航中的應(yīng)用都很成功。國(guó)外的研究實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：電磁耦合非接觸式信號(hào)傳輸技術(shù)是適合用于深海環(huán)境下的近距離通信方式。

另外，國(guó)外已利用感應(yīng)通信方式開發(fā)出海洋地震勘探拖曳線陣產(chǎn)品，其利用總線地址輪詢和廣播通信方式，通信距離可達(dá)數(shù)公里。

在國(guó)內(nèi)，某研究所將感應(yīng)通信技術(shù)進(jìn)行了成功的工程應(yīng)用，研制出用于海洋探測(cè)的電纜定深器，其通信距離、速率和并聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)等均有較大優(yōu)勢(shì)，良好的性能在多次探測(cè)作業(yè)中得以驗(yàn)證。其通信部分就是采用基于FSK調(diào)制解調(diào)方式的感應(yīng)通信。

2 感應(yīng)通信的原理

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，主線圈內(nèi)電流的變化會(huì)在其周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，這個(gè)交變的磁場(chǎng)使次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)通信正是運(yùn)用了這一原理進(jìn)行工作。

在感應(yīng)通信中，由于信號(hào)與空間距離的三次方成比例迅速衰減，所以同時(shí)在近距離內(nèi)的多個(gè)通訊能夠?qū)崿F(xiàn)頻分復(fù)用，相互之間沒有干擾。

圖1是電磁耦合信號(hào)傳輸裝置的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，由于通訊模式是半雙工的，所以只介紹電纜定深器一側(cè)傳輸數(shù)據(jù)的工作過程：電纜定深器內(nèi)解調(diào)適配電路將感應(yīng)裝置耦合的信號(hào)濾波、放大、均衡整形后解調(diào)還原成通信數(shù)據(jù)，發(fā)送給定深器內(nèi)的中心控制器，控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)、指令進(jìn)行相應(yīng)的操作；當(dāng)電纜定深器需上傳數(shù)據(jù)給船上設(shè)備時(shí)，將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過放大驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送給其內(nèi)部的感應(yīng)裝置，通過感應(yīng)耦合以及信號(hào)的處理，船上控制設(shè)備便可接到該數(shù)據(jù)。圖2為電纜定深器系統(tǒng)工作示意圖。

工作過程中，在長(zhǎng)距離通信線纜上，等間隔并聯(lián)多個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，在該點(diǎn)電纜外部掛接一個(gè)電纜定深器或其它設(shè)備，船上控制設(shè)備通過拖曳線纜內(nèi)的雙絞線上并聯(lián)的磁棒線圈，與掛接在拖纜外部的電纜定深器內(nèi)部的磁棒線圈感應(yīng)耦合傳輸信號(hào)，利用總線地址輪詢和廣播通信方式，實(shí)現(xiàn)船上控制設(shè)備與多個(gè)拖曳線陣外掛設(shè)備傳輸之間的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸采用載波通信技術(shù)，以達(dá)到數(shù)公里甚至十幾公里無中繼傳輸。電纜定深器由電池供電，在電池電量耗盡后，必須將整個(gè)線陣回收后，更換定深器內(nèi)的電池。

3 FSK調(diào)制解調(diào)部分的設(shè)計(jì)

3．1 調(diào)制單元設(shè)計(jì)

電纜定深器在設(shè)計(jì)過程中選用XR2206作為調(diào)制芯片。XR2206由一個(gè)壓控振蕩器(VCO)、電流開關(guān)和一個(gè)乘法器與正弦波調(diào)整器組成，是一種單片集成函數(shù)發(fā)生器，可以產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定度的正弦波、方波、鋸齒波等波形信號(hào)，輸出信號(hào)可受外加電壓控制，是理想的FSK調(diào)制器芯片，其內(nèi)部框圖如圖3所示。

XR2206的工作特性：a．電壓電源10～26V；b．頻率溫度穩(wěn)定性20ppm／℃；c．頻率掃描范圍2000：1；d．振蕩頻率為0．01Hz～lMHz；e．正弦波失真度O．5％；f. FSK鍵控電平1．4V；g．正弦波輸出阻抗600Ω；h．功耗≤750mW。