一个可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信系统及方法

1.本发明属于通信技术领域，涉及一个可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信系统及方法。


背景技术：

2.移动场景下的地下和水下的非视距通信需求与日俱增，传统的有线通信网络在这些场景下布线困难，而电磁波通信的常用频段则很难穿透土壤或海水，而磁感应通信无需布线线且信道与土壤和海水阻挡无关的特点正恰好能满足这些场景的应用需求，因此得到了学术界的广泛关注。然而，已有的磁感应通信研究很少，移动场景下磁感应通信的研究更是凤毛麟角；且已有研究实现的通信速率还不是很高、传输信息的速率相对较慢、传输的数据量也较小、甚至还会出现误码过高的现象。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一个可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信系统及方法。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一个可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信系统，该系统包括：
6.定向天线：使用导线绕制成一定匝数、半径的圆形线圈，留出两个接线端与系统中其他部分进行连接；
7.谐振电容器：设置谐振频率f，其电容根据定向天线的电感和设置的谐振频率计算得出；
8.信源：输出以谐振频率f作为载波频率的qpsk调制信号us；
9.信宿：检测接收到的信号；
10.发送端电路：由匝数n
t
＝3匝、半径a
t
＝5cm的定向天线l
t
与电容为60pf的谐振电容器c
t
并联后，连接所述信源构成；
11.接收端电路：由匝数nr＝3匝、半径ar＝5cm的定向天线lr与电容为60pf的谐振电容器cr并联后，连接所述信宿构成；
12.信道：由发送端电路和接收端电路中的定向天线距离为d共轴放置激发的磁场构成，两定向天线沿其共同轴的方向相向或相离运动，运动速率小于等于2m/s，二者之间放置隔离物作为视距阻挡。
13.可选的，当所述发送端电路的发送信号峰峰值为5v、通信速率在2mbps以内、发送端与接收端的定向天线相对运动速率在2m/s以内时，系统在d≤1.5m的条件下使用f＝10mhz的正弦波作为载波、qpsk作为调制解调方式的通信具有可行性。
14.基于所述通信系统的可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信方法，该方法包括5个阶段：
15.第1个阶段为信号的调制阶段：该阶段中信号产生后，首先根据qpsk的格雷码映射
法则转变为复数信号，然后进行上采样，接着上变频到载波，再取其实部作为调制信号；
16.第2个阶段为信号的发送阶段：将经过第1个阶段处理后的信号通过发送端定向天线两接线端之间的电压变化进行呈现；
17.第3个阶段为信号的传输阶段：该阶段中信号通过磁场信道从发送端传递到接收端；
18.第4个阶段为信号的接收阶段：该阶段中接收端定向天线两端的电压随之相应发生变化；
19.第5个阶段为信号的解调阶段：该阶段中将接收到的信号分别乘以cos(2πfτ)和-sin(2πfτ)后进行下采样，其中，τ表示时间，得出同相路和正交路的下采样信号，然后将这两路信号合并成为复数信号，接着对复数信号进行相偏估计，最后使用qpsk的逆向映射法则恢复出发送端发送的信号。
20.可选的，当所述发送端电路的发送信号峰峰值为5v、通信速率在2mbps以内、发送端与接收端的定向天线相对运动速率在2m/s以内时，在d≤1.5m的条件下使用f＝10mhz的正弦波作为载波、qpsk作为调制解调方式的通信具有可行性。
21.本发明的有益效果在于：本发明磁感应通信系统的通信速率相对较高，且可适用于非视距环境下的移动场景，对后续非视距环境下移动场景的通信研究具有一定的参考价值。
22.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
23.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
24.图1是本发明抽象出来的电路模型结构图；
25.图2为本发明具体实施方式两定向天线放置的物理位置图；
26.图3为本发明具体实施方式抽象出来的通信模型结构图；
27.图4为本发明具体实施方式所使用的随机生成的同相路二进制信号；
28.图5为本发明具体实施方式所使用的随机生成的正交路二进制信号；
29.图6为本发明具体实施方式发送端的星座图；
30.图7为本发明具体实施方式qpsk调制信号；
31.图8为本发明具体实施方式qpsk调制信号部分细节放大图；
32.图9为本发明具体实施方式示波器接收到的信号；
33.图10为本发明具体实施方式接收到的信号与巴克码进行互相关运算结果；
34.图11为本发明具体实施方式提取的一组完整的信号；
35.图12为本发明具体实施方式同相路信号的解调过程；
36.图13为本发明具体实施方式正交路信号的解调过程；
37.图14为本发明具体实施方式接收信号的星座图。
具体实施方式
38.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
40.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
41.本发明抽象出来的电路模型结构如图1所示，包含以下物理器件和仪器：
42.定向天线：使用线径1mm的漆包线绕制而成，为圆形线圈，半径5cm，匝数3匝，发送端电路与接收端电路中各一个，分别为定向天线l
t
与定向天线lr，二者共轴放置，物理位置如图2所示，两个漆包线圈的物理参数完全一致，测得线圈的电感l
t
＝lr＝2.4uh，在图1中抽象表示为一对耦合电感；
43.电容：设置谐振频率f＝10mhz，根据公式(1)进行匹配，结果见公式(2)：
[0044][0045][0046]
其中，f表示频率，π表示圆周率，l表示泛指的电感(包括但不限于l
t
、lr)，c表示泛指的电容(包括但不限于为使系统达到谐振频率，给l
t
和lr分别匹配的电容c
t
'和cr')；
[0047]
在进行本实施例的实际实验时，在谐振频率下由于制成定向天线的漆包线圈在匝与匝之间、线圈与地之间等多处地方都不可避免地存在分布电容，经测试，当c
t
＝cr＝60pf时，并联电路的谐振频率为10mhz，因此实际匹配的电容器容值为60pf；
[0048]
信源：在本实施例中使用信号发生器进行实现，建模为一个理想电压源与一个阻值rs＝50ω的电阻串联而成，输出以谐振频率作为载波频率的qpsk调制信号us；
[0049]
信宿：在本实施例中使用示波器进行实现，建模为阻值为1mω的电阻r
l
与理想电压表并联而成，检测接收到的信号；
[0050]
如图3所示，将一个定向天线l
t
和相匹配的电容c
t
进行并联后再连接信号发生器，构成通信模型的发送端电路；将一个定向天线lr和相匹配的电容cr进行并联后再连接示波器，构成通信模型的接收端电路。
[0051]
在本实施例中，将本通信系统与matlab软件、滑台模组、驱动器、电机、开关电源等设备配合使用来实现在非视距下移动场景中的通信。应该说明的是，示出上述软件和设备只是为了说明本实施例，由于在实际使用中它们可能具有不同的实现形式，因此并不作为所述通信系统的一部分。
[0052]
将发送端定向天线固定在滑台模组的滑块上，接收端定向天线置于滑台模组头部，调整接收端定向天线位置使两定向天线共轴放置，使用开关电源对驱动器进行供电，matlab软件控制驱动器，驱动器控制电机，电机的转动进而带动滑块沿着滑台模组轴向运动，即可实现发送端定向天线与接收端定向天线的共轴相对运动。在本实施例中，将尺寸为90cm
×
90cm
×
3.7cm的木板置于接收端作为视距阻挡，该尺寸与本实验室木门最厚位置的厚度一致，可模拟木门作为视距阻挡的通信场景。设置两定向天线的相向运动，运动速率为2m/s。
[0053]
在本实施例中，信号首先在matlab中通过随机序列产生，然后映射成qpsk符号，上变频到载波后通过发送端定向天线两端的电压变化进行呈现，通过磁场信道进行传递到接收端，此时接收端定向天线两端的电压也会相应发生变化，最后再通过发送过程的逆向操作解调出信号发生器发送的信息，整个通信过程中，具体信号的流向如下：
[0054]
第1个阶段为信号的调制阶段：
[0055]
首先，需要随机生成一定数量的两位二进制信号分别作为qpsk调制的同相路基带信号与正交路基带信号，本实施例中生成的信号如图4、图5所示。然后，通过格雷码进行映射，将信号转化为十进制，由于matlab是处理的离散数据，需要再将每个十进制符号进行上采样，通过插值滤波根据信号发生器的抽样周期和通信速率重复一定的次数，使符号转变成为采样点，本实施例所使用的信号发生器的抽样频率为500msa/s。接着，使用pskmod函数将信号转化为复数，这样就得到了一组比特率为2mbps的基带信号，信号转化后的星座图如图6所示。可以观察到信号质量十分理想，所有的符号都很工整地分布在四个角。最后，将产生的复信号与载波相乘并进行上变频后再取其实部，如图7所示，就得到了最终的调制信号，其部分细节的放大图如图8所示，在空心小圆圈出的位置可清晰地观察出qpsk相位发生的跳变。
[0056]
第2个阶段为信号的发送阶段：
[0057]
使用matlab中visa、fprintf等函数将第1个阶段处理后的信号导入到信号发生器中进行循环发送，本实施例设置信号发生器的峰峰值为5v。该阶段中信号通过发送端定向天线两接线端之间的电压变化进行呈现。
[0058]
第3个阶段为信号的传输阶段：
[0059]
该阶段中信号通过磁场信道从发送端传递到接收端。
[0060]
第4个阶段为信号的接收阶段：
[0061]
该阶段中接收端定向天线两端的电压会随之相应发生变化，当两定向天线间距为1.5m时，使用matlab中visa、fprintf等函数控制示波器对当前时刻接收到的信号进行截取保存。如图9所示，为示波器接收到的信号。
[0062]
第5个阶段为信号的解调阶段：
[0063]
由于在发送端的信号发生器是一直在不停地循环发送信号，因此接收端的示波器也是在不停地接收循环信号，因此，为了后续能够对信号进行解调，需要先找到一组信号的
起始位置。
[0064]
巴克码序列是相位编码信号的一种，具有理想的自相关特性，可通过同步巴克码来找到一组信号的起始位置。因此本实施例中，在信号发送前，将巴克码添加到了信号头部，以便在提取示波器收到的信号后，能够通过互相关函数用巴克码和第4个阶段接收到的信号进行同步，找到信号的起始位置。
[0065]
首先将已知的巴克码单独做第1个阶段所述的调制，唯一不同的是，此处在进行上采样、通过插值滤波将信号重复一定的次数将符号转变为采样点时，是根据通信速率和示波器的抽样频率来确定重复次数，而非信号发生器采样频率。接着，将经过处理的巴克码与第4个阶段接收到的信号做互相关运算，互相关的模如图10所示，其中模值最大的点所对应的时刻即为一组信号的起始时刻，从该时刻开始，经过按照示波器的抽样频率乘以信号持续的时间长度，即可提取出一组完整的信号，本实验所使用的示波器的抽样频率为1gsa/s，从该时刻开始提取的一组数据如图11所示。
[0066]
如图12所示，将信号乘以cos(2πfτ)(其中，τ表示时间)后，可得出同相路信号，再通过下采样，即可得出同相路的下采样信号。如图13所示，将信号乘以-sin(2πfτ)后，再通过下采样，即可得出正交路的下采样信号。将两路信号合并成为复数信号，其星座图如图14所示。信号在信道中进行传输的时候，会发生相位的偏转，因此，我们需要使用相偏估计的算法，将已知的巴克码相位与该复数信号巴克码的相位作差后求平均，该平均值即为发生偏转的相位。最后，再将复数信号使用pskdemod函数进行解调，即可得出发送端发送的信号。
[0067]
将第5个阶段处理完的信号与最初第1个阶段随机产生的信号进行对比，结果显示，二者完全相同。
[0068]
在其他条件不变的情况下，分别设置发送端定向天线的移动速率为1m/s、1.5m/s、2m/s，运动方向为相向或者相离，共6种移动速度；分别设置信号的速率为1mbps、2mbps，每个信号速率使用matlab生成5组随机信号，共10组随机信号；分别在无视距阻挡以及有木板、砖块(单块尺寸为9.0cm
×
4.7cm
×
19.5cm，累加尺寸约为67cm
×
91cm
×
19.5cm，与建筑物中搭建墙体所用的砖块材料一致，可模拟建筑物墙壁作为视距阻挡的通信场景)作为视距阻挡的情况下进行实验，共3种视距阻挡情况；分别在发送端定向天线与接收端定向天线间隔1m、1.5m时对信号进行截取保存分析，共2种截取位置。将上述移动速率、信号速率、随机信号、视距阻挡情况、截取位置分别组合进行实验，则共有360种组合，在每种组合的场景下对数据进行5次截取保存分析，共进行1800次实验，其平均误符号率为1.40625
×
10-3
。
[0069]
因此，本系统在无视距阻挡以及有木板、砖块作为视距阻挡的情况下，当发送信号峰峰值为5v、通信速率在2mbps以内、发送端与接收端的定向天线相对运动速率在2m/s以内时，该系统在d≤1.5m的条件下使用f＝10mhz的正弦波作为载波、qpsk作为调制解调方式的通信具有可行性。
[0070]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一个可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信系统，其特征在于：该系统包括：定向天线：使用导线绕制成一定匝数、半径的圆形线圈，留出两个接线端与系统中其他部分进行连接；谐振电容器：设置谐振频率f，其电容根据定向天线的电感和设置的谐振频率计算得出；信源：输出以谐振频率f作为载波频率的qpsk调制信号u
s
；信宿：检测接收到的信号；发送端电路：由匝数n
t
＝3匝、半径a
t
＝5cm的定向天线l
t
与电容为60pf的谐振电容器c
t
并联后，连接所述信源构成；接收端电路：由匝数n
r
＝3匝、半径a
r
＝5cm的定向天线l
r
与电容为60pf的谐振电容器c
r
并联后，连接所述信宿构成；信道：由发送端电路和接收端电路中的定向天线距离为d共轴放置激发的磁场构成，两定向天线沿其共同轴的方向相向或相离运动，运动速率小于等于2m/s，二者之间放置隔离物作为视距阻挡。2.根据权利要求1所述的可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信系统，其特征在于：当所述发送端电路的发送信号峰峰值为5v、通信速率在2mbps以内、发送端与接收端的定向天线相对运动速率在2m/s以内时，系统在d≤1.5m的条件下使用f＝10mhz的正弦波作为载波、qpsk作为调制解调方式的通信具有可行性。3.基于权利要求1所述通信系统的可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信方法，其特征在于：该方法包括5个阶段：第1个阶段为信号的调制阶段：该阶段中信号产生后，首先根据qpsk的格雷码映射法则转变为复数信号，然后进行上采样，接着上变频到载波，再取其实部作为调制信号；第2个阶段为信号的发送阶段：将经过第1个阶段处理后的信号通过发送端定向天线两接线端之间的电压变化进行呈现；第3个阶段为信号的传输阶段：该阶段中信号通过磁场信道从发送端传递到接收端；第4个阶段为信号的接收阶段：该阶段中接收端定向天线两端的电压随之相应发生变化；第5个阶段为信号的解调阶段：该阶段中将接收到的信号分别乘以cos(2πfτ)和-sin(2πfτ)后进行下采样，其中，τ表示时间，得出同相路和正交路的下采样信号，然后将这两路信号合并成为复数信号，接着对复数信号进行相偏估计，最后使用qpsk的逆向映射法则恢复出发送端发送的信号。4.根据权利要求3所述的可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信方法，其特征在于：当所述发送端电路的发送信号峰峰值为5v、通信速率在2mbps以内、发送端与接收端的定向天线相对运动速率在2m/s以内时，在d≤1.5m的条件下使用f＝10mhz的正弦波作为载波、qpsk作为调制解调方式的通信具有可行性。

技术总结
本发明涉及一个可用于非视距场景下移动环境的磁感应通信系统及方法，属于通信技术领域。在无视距阻挡以及有木板、砖块作为视距阻挡的情况下，当发送信号峰峰值为5V、通信速率在2Mbps以内、发送端与接收端的定向天线相对运动速率在2m/s以内时，该系统在d≤1.5m的条件下使用f＝10MHz的正弦波作为载波、QPSK作为调制解调方式的通信具有可行性。调制解调方式的通信具有可行性。调制解调方式的通信具有可行性。


技术研发人员：尹露瑶 张琦涵 张旭 郭磊
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/12