基于2FSK钢轨超声导波通信系统设计

发布时间：2023-03-26 13:45

　　钢轨在长期的工作和外界环境影响下,很容易发生损伤甚至断裂,进而影响列车行车安全。因此,能够以通信方式实时获取在役钢轨损伤信息,对保障列车安全运行具有十分重要意义。现有无线通信方式主要有数传模块、移动通信等,但在隧道等场所存在信号盲区等缺点,而利用超声波在钢轨中实现通信可弥补其不足。本文设计了基于2FSK钢轨超声导波通信系统。首先对系统的整体方案和调制解调算法进行设计。为了提高超声换能器的发射效率,系统的两个载波频率选择在换能器的中心频率附近。在此基础上,本文完成了系统的软硬件设计,系统包括发射端模块和接收端模块。为了提高发射端信号能量,采用全桥脉冲驱动方式对实验室原有换能器驱动电路进行改进,并添加尾波吸收电路以减少激励信号的高频拖尾。接收端解调电路采用非相干解调方法。接收到的信号通过前置放大电路、带通滤波器电路、施密特整形电路和电平移位电路等电路进行处理,然后通过STM32微控制器对信号完成解调。最后,通过系统联调验证了通信功能的正确性。系统设计完成后,在铁路现场完成100米超声波通信实验。通过大量实验验证,系统的通信速率为800bps,误码率为0.008,可在钢轨中实现低速率通信,为...

【文章页数】：64 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 研究内容与章节安排
        1.3.1 论文研究内容
        1.3.2 论文章节安排
2 超声导波通信系统相关理论
    2.1 超声导波相关理论
        2.1.1 超声导波基本概念
        2.1.2 超声导波多模态特性与频散特性
        2.1.3 超声导波的相速度与群速度
        2.1.4 超声导波的衰减特性
    2.2 超声波换能器模型分析
        2.2.1 换能器工作原理
        2.2.2 换能器性能指标
        2.2.3 压电超声换能器等效电路
        2.2.4 压电超声换能器匹配电路
    2.3 功率放大模型对比分析
    2.4 激励信号频率的选择
    2.5 本章小结
3 超声导波通信系统整体方案设计
    3.1 系统总体方案
    3.2 2FSK调制与解调研究
        3.2.1 2FSK调制方法介绍
        3.2.2 2FSK解调方法介绍
    3.3 发射端设计
        3.3.1 激励电路功率放大方案选择
        3.3.2 IR2110S驱动电路分析
        3.3.3 吸收电路分析
    3.4 接收端设计
        3.4.1 前置放大电路分析
        3.4.2 带通滤波器电路分析
        3.4.3 低通滤波器电路分析
        3.4.4 施密特整形电路分析
    3.5 本章小结
4 超声导波通信系统实现
    4.1 发射端实现
        4.1.1 IR2110S驱动电路
        4.1.2 功率放大电路
        4.1.3 可控硅SCR吸收电路
    4.2 接收端实现
        4.2.1 前置放大电路
        4.2.2 带通滤波器电路
        4.2.3 乘法器电路
        4.2.4 低通滤波器电路
        4.2.5 施密特整形与电平移位电路
    4.3 系统软件实现
        4.3.1 超声通信发射软件实现
        4.3.2 超声通信接收软件实现
    4.4 本章小结
5 超声导波通信系统实验验证
    5.1 调制波形验证
    5.2 全桥电路脉冲发生器验证
    5.3 接收解调电路实验验证
        5.3.1 带通滤波器电路测试
        5.3.2 乘法器电路与低通滤波器电路测试
        5.3.3 减法器电路与整形电路测试
    5.4 系统实验验证
    5.5 本章小结
6 总结与展望
    6.1 论文总结
    6.2 研究课题展望
致谢
参考文献



本文编号：3771074