无线磁感应透地通信理论研究与设计

发布时间：2020-04-09 02:36

【摘要】：随着人们对更深层地下资源的开发和利用,能源产业对提高地下设备设施检测、灾害应急救援、环境安全监测水平提出了更高的要求。稳定可靠的透地通信(Through-the-Earth Communication,TEC)能够有效地连通地表和地下,并将地表控制、监测和报警信号传输到地下,一直以来是国内外专家学者研究的重点。无线透地通信的通信介质不是空气而是土壤、水和岩石,传统电磁波在穿透大地介质时衰减较快,无法满足长距离透地通信的需要。本文针对无线磁感应透地通信展开研究,具体研究内容如下。本文首先分析了导致传统电磁波透地通信透地距离短的原因,即电磁波在穿透大地媒介时自身衰落较大,且分层的土壤和岩石导致电磁波折射和反射而产生的多径效应,进一步增大了电磁波传播过程中的干扰。然后利用线圈磁感应透地通信模型,分析了线圈所产生磁场的特征,并验证了利用磁感应技术进行长距离透地通信的可行性。根据发射与接收线圈之间的耦合关系,本文建立了磁感应透地通信等效电路模型,基于对信道特征进行的分析,提出了增大线圈磁透地通信信道容量的方法,即增大系统的品质因数和线圈之间的耦合系数。利用软件无线电设备USRP N210搭建了线圈磁感应透地通信平台,对线圈磁透地通信性能进行研究,测试了磁透地通信调制与解调方式。实验结果与理论分析一致,线圈磁透地通信存在路径损耗高、信道容量小的问题,同时,为了进行长距离透地通信,接收线圈尺寸较大不适于在空间有限的地下布置。为了解决线圈磁感应透地通信方式存在的问题,本文提出了基于磁阻传感器的磁感应透地通信,即利用隧道磁电阻传感器(Tunnel Magneto-Resistance,TMR)替代线圈作为磁感应透地通信的接收器。首先研究了线性TMR传感器接收磁场信号的原理,分析了TMR传感器线性的工作区域。对TMR磁透地通信模型进行研究,建立了发射功率与接收功率之间的关系表达式,并对信道模型的带宽以及噪声进行了分析。最后利用TMR传感器芯片搭建了实验平台,实现TMR磁感应通信信号的收发。对比发现,TMR传感器磁通信的带宽较大,信道容量较小,但随着磁阻传感器自身噪声的减小,灵敏度的提高以及线性范围的扩大,磁阻传感器将为无线磁感应透地通信发挥越来越多的作用。
【图文】：

软件无线电,透地通信,母板,动态范围

感应透地通信实验平台实现(Implementationtic Induction TEC Experimental Platform)工作是在实验室环境中搭建线圈磁感应透地通信平台，主结果两个部分。实验准备中主要从实验平台整体框架出发发射回路设计以及软件程序设计三个方面；实验结果主要，例如接收功率和信道带宽。最后利用软件无线电平台实制，相干解调数据的收发。实验平台的搭建进一步的证明行性，并且磁感应技术可以实现可靠有效的透地通信。线电及 USRP 简介的无线电(Software Defined Radio，SDR)是一种利用软件技术，软件无线电的特点就是通信协议以及通信过程无过软件进行设计，并且通信系统高效地更新和升级[60]。电外设 USRP 搭建磁感应透地通信实验平台。

磁感应,通信线,透地通信

主要设计了三个模块：透地天线、信号的发射与接收建。图 3-6 为线圈磁感应透地通信实验平台的体系号由 GNU Radio 软件中的信号源产生，信号的收发线产生的电磁场使磁信号在介质中传播。FPGA DAC 射频前端FPGAADC射频前端USRP N210网络接口图 3-6 基于 USRP N210 线圈磁感应透地通信模型Figure 3-6 USRP N210 Coil Magnetic Induction TEC Model通信天线线圈设计
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92

【参考文献】