超声波穿厚壁通信信道自适应均衡和能量采集技术研究

发布时间：2017-09-14 22:24

  本文关键词：超声波穿厚壁通信信道自适应均衡和能量采集技术研究

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【摘要】：由于超声波在金属厚壁中损耗较小,信号不受电磁屏蔽影响,因此超声波信号非常适合作为特殊环境下的信号载波。本文设计了一种超声波穿金属厚壁自适应通信系统,利用自适应回波抵消技术提高数据传送速度,同时采集振动能量用于系统自供电。通过分析超声波换能器的特性,从配置结构、阻抗匹配、频率共振等方面对超声波换能器发射和接收结构进行了优化,以达到较高的能量传递效率。根据超声波在信道中传递的特点,提出一种有指导的自适应均衡方案对回波进行抵消。采用基于LMS的自适应滤波器用以辨识超声波信道,并在FPGA中通过软消除的方法消除回波。基于System Generator开发环境对算法进行了仿真和实现,通过参数化封装实现了高阶滤波器的自动绘制。通过仿真验证了设计的有效性,并且根据仿真反馈的参数对系统进行相应的优化和调整。根据墙内模块处于封闭空间中需自供电的需求,墙内模块收集超声振动的能量,经整流后储存在超级电容中为模块供电。为保证电容能够在设定的安全电压范围内,并为墙内模块提供电能,设计了相应的电源管理电路。根据墙内与墙外的不同环境,分别设计了墙内、墙外发射接收模块以及墙内能量采集模块。墙外发射模块采用基于FPGA的数字信号发生器产生波形,通过滤波、电压放大及功率放大实现对换能器的激励,并采用模数转换、电压放大实现对墙内上传信息的接收。墙内模块通过以MSP430为核心的电路在功耗较低的前提下实现了信号的接收和发送任务。最后,通过仿真验证了自适应均衡器的正确性。并通过设计搭建了相应的硬件电路,使其能够实现信号以超声波作为载波传递信息,以达到70kbps的信号传输速率。
【关键词】：超声波穿墙通信 System Generator LMS 自适应均衡 回波消除 能量采集
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-15
• 1.1 背景和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势9-14
• 1.3 主要研究内容14-15
• 2 超声波信道特性及配置15-25
• 2.1 超声波换能器特性15-18
• 2.1.1 超声波换能器阻抗匹配15-17
• 2.1.2 超声波换能器频率特性17-18
• 2.2 厚壁对超声波穿墙通信性能的影响18-24
• 2.2.1 回波的形成机理及消除方法18-23
• 2.2.2 多层厚壁对超声波穿墙信号的衰减测试23-24
• 2.3 本章小结24-25
• 3 自适应信道均衡器理论分析、仿真及实现25-46
• 3.1 基于自适应均衡器的回声抵消技术方案分析25-30
• 3.1.1 信道辨识方法及自适应均衡器的提出25-27
• 3.1.2 基于LMS的自适应均衡器27-29
• 3.1.3 自适应均衡回波消除程序29-30
• 3.2 基于System Generator的均衡器模型建立30-39
• 3.2.1 横向均衡器模型30-32
• 3.2.2 均衡器的自动绘制及封装32-35
• 3.2.3 脉冲激励延迟模块35-36
• 3.2.4 滤波器离线输出控制模块36-37
• 3.2.5 回声消除模块37
• 3.2.6 峰值检测模块37-39
• 3.3 自适应信道均衡器仿真39-45
• 3.3.1 基于System Generator的自适应均衡器仿真结果分析39-44
• 3.3.2 自适应滤波器结构的优化44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 4 超声波振动能量采集系统设计46-54
• 4.1 超声波穿金属厚壁能量采集系统整体结构46-47
• 4.2 能量采集模块前端电路设计47-50
• 4.3 能量采集电路设计50-53
• 4.4 本章小结53-54
• 5 系统发射接收硬件实现54-74
• 5.1 系统总体结构54-55
• 5.2 超声波通信墙外模块设计55-69
• 5.2.1 墙外发射模块55-64
• 5.2.2 墙外接收模块64-69
• 5.3 超声波通信墙内模块设计69-73
• 5.3.1 墙内发射模块69-70
• 5.3.2 墙内接收模块70-72
• 5.3.3 墙内模块多路选通设计72-73
• 5.4 本章小结73-74
• 6 结论74-76
• 6.1 研究工作总结74-75
• 6.2 后续工作猜想75-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-81
• 附录81-83
• 攻读学位期间发表的学术论文及研究成果83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 朱冰莲;程联营;孔杰;;基于分布式算法的高阶FIR滤波器及其FPGA实现[J];电讯技术;2006年02期

2 张立萍;;标准串行LMS自适应滤波器的MATLAB实现[J];赤峰学院学报(自然科学版);2013年19期

3 朱洪涛,严国萍;基于自适应滤波的信号处理系统建模及其系统实现[J];仪器仪表学报;2003年S1期

4 殷海波;许果;王广君;;基于单片机和FPGA的任意频率发生器设计[J];自动化技术与应用;2010年04期

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本文编号：852694