基于磁感應(yīng)技術(shù)的WUSN信號(hào)調(diào)制仿真分析?

劉洲洲，張婷婷，王曉柱

（1.西安航空學(xué)院，西安710072；2.遼寧省武警總隊(duì)，沈陽(yáng)110034；3.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710077）

·微機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信·

基于磁感應(yīng)技術(shù)的WUSN信號(hào)調(diào)制仿真分析?

劉洲洲1，張婷婷2，王曉柱3

（1.西安航空學(xué)院，西安710072；2.遼寧省武警總隊(duì)，沈陽(yáng)110034；3.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710077）

針對(duì)無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Underground Sensor Network，WUSN）的無(wú)線調(diào)制方式進(jìn)行了研究。首先研究了基2FSK以及2PSK的調(diào)制解調(diào)方式，在此基礎(chǔ)上假設(shè)地下干擾信號(hào)相當(dāng)于特定噪聲信號(hào)，對(duì)各調(diào)制方式加入噪聲干擾信號(hào)，然后利用GUI系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面并編寫函數(shù)，分析各調(diào)制方式經(jīng)過(guò)噪聲干擾后的情況，同時(shí)比較各調(diào)制方式的誤碼率。通過(guò)對(duì)比證明了2PSK調(diào)制方式更適合于地下信號(hào)的傳輸。對(duì)比分析了常用的兩種調(diào)制方式（2FSK和2PSK）相干解調(diào)，對(duì)它們的通信性能進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)誤碼率、頻帶寬度、系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜性以及各調(diào)制方式對(duì)信道特性變化的敏感度對(duì)比，確定了2PSK調(diào)制方式用于地下通信，在抗干擾性能上較強(qiáng)，設(shè)備可靠性較高，且有利于長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行信號(hào)傳輸，同時(shí)可用于數(shù)據(jù)的高速傳輸，更適合地下復(fù)雜信道的傳輸。

無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)；磁感應(yīng)技術(shù)；地下通信；調(diào)制方式；解調(diào)方式

1 引 言

無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)（WUSN）是由通過(guò)土壤傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)，其主要目的是采集、處理和傳輸監(jiān)測(cè)地區(qū)的信息［1］。WUSN和傳統(tǒng)的地上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，它是把無(wú)線收發(fā)模塊埋藏在地下土壤中，接收模塊感知到數(shù)據(jù)信息后，通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)線低頻電磁場(chǎng)通過(guò)土壤介質(zhì)進(jìn)行耦合。由于地下土壤環(huán)境和地上空氣環(huán)境不同，WUSN傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)議、算法以及傳輸路徑與模型都不同于地上。對(duì)于無(wú)線地下信道，應(yīng)當(dāng)選取高效率的調(diào)制機(jī)制以使其適用于動(dòng)態(tài)變化且高損耗的地下信道，根據(jù)地下信道的狀況，需要研究多種調(diào)制機(jī)制。如降水過(guò)后信道通信質(zhì)量嚴(yán)重下降，可以通過(guò)降低速率以采用更簡(jiǎn)單的調(diào)制機(jī)制，應(yīng)當(dāng)避免利用探測(cè)數(shù)據(jù)包的調(diào)制機(jī)制，因?yàn)樘綔y(cè)傳輸會(huì)加大能量損耗。

在無(wú)線地下系統(tǒng)中，鋪設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)用來(lái)測(cè)量地下的一些參數(shù)，例如濕度、溫度以及傾角測(cè)量。然后將測(cè)量參數(shù)傳輸?shù)降厣巷@示系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)中最終測(cè)量的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，因此通信的信息也必須是數(shù)字信號(hào)，同時(shí)數(shù)字通信的優(yōu)勢(shì)在于抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)備較為簡(jiǎn)單。

要實(shí)現(xiàn)地下無(wú)線的數(shù)字通信，就需要選擇一種合適的數(shù)字通信方法，方便數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸?？蓪⒒鶐盘?hào)轉(zhuǎn)為頻帶信號(hào)，傳輸頻帶信號(hào)的通信方式即為數(shù)字頻帶傳輸方式。就好比模擬調(diào)制中的一樣，利用相位、頻率、幅度的變化來(lái)傳輸基帶信號(hào)。基本的數(shù)字通信方式分為2FSK以及2PSK，具體哪一種方式更適合無(wú)線地下傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸，需要對(duì)數(shù)字通信技術(shù)做進(jìn)一步深入的研究。

針對(duì)以上問(wèn)題，主要研究信號(hào)在地下土壤中的通信傳輸問(wèn)題：即調(diào)制和解調(diào)方式并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。并且在調(diào)制方式抗干擾能力強(qiáng)的前提下，為無(wú)線地下通信提供一種靈活、可靠的通信方法。

2 基本數(shù)字通信方式

2.1 頻移鍵控調(diào)制解調(diào)方式研究

在頻率調(diào)制中，二進(jìn)制頻移鍵控是數(shù)字調(diào)制中比較簡(jiǎn)單的方法，2FSK鍵控中被傳信息的狀態(tài)是通過(guò)載波頻率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。被調(diào)載波的頻率是隨二進(jìn)制序列“1”和“0”的狀態(tài)變化的，“0”代表載波頻率f1，“1”代表載波頻率f2。2FSK信號(hào)可以被看成以f1和f2為信號(hào)載波頻率，以an和為被傳序列的兩種OOK信號(hào)合成而來(lái)。

2FSK信號(hào)的時(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中an是的反碼。

獨(dú)立學(xué)院開設(shè)的商務(wù)英語(yǔ)專業(yè)學(xué)制為4年，每學(xué)年為一個(gè)階段。一年級(jí)應(yīng)把重心放在語(yǔ)言知識(shí)和技能上，主要開設(shè)聽、說(shuō)、讀、寫及入門類商務(wù)課程，打好英語(yǔ)基礎(chǔ)。二、三年級(jí)應(yīng)該集中開設(shè)商務(wù)類課程，其中二年級(jí)側(cè)重商務(wù)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言運(yùn)用能力和交際能力，為后面學(xué)習(xí)進(jìn)階課程做好準(zhǔn)備；三年級(jí)側(cè)重實(shí)踐技能，重點(diǎn)提高學(xué)生運(yùn)用語(yǔ)言和商務(wù)知識(shí)的能力。四年級(jí)的時(shí)候大多數(shù)學(xué)生已經(jīng)開始實(shí)習(xí)或就業(yè)，因此，這一階段應(yīng)該側(cè)重就業(yè)引導(dǎo)和實(shí)訓(xùn)，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

2FSK信號(hào)和OOK信號(hào)的共同點(diǎn)都是含有載頻離散譜分量，同樣，2FSK也可以采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)方法。在設(shè)計(jì)時(shí)，非相干解調(diào)是要將2FSK信號(hào)在通過(guò)帶通濾波后再經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波器進(jìn)行信號(hào)處理，而相干解調(diào)只需將包絡(luò)檢波換成相干解調(diào)器即行。

2.2 相移鍵控調(diào)制解調(diào)方式研究

在相移鍵控方法中，最常用的是簡(jiǎn)單的2PSK鍵控方式，它是用載波相位按照基帶脈沖信號(hào)改變的一種調(diào)制方式，通常也是用“0”或者“1”表示。二進(jìn)制碼元“0”相對(duì)應(yīng)的相位為π的載波Αcos（2πft-π），“1”相對(duì)應(yīng)相位為0的載波Αcos（2πft），“1”相對(duì)應(yīng)相位為0的載波。所以2PSK信號(hào)的表達(dá)式可以表示為：

2PSK信號(hào)相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)是通過(guò)載波的差別相位直接法得出的，在完全移向方法中，發(fā)射端是基于某一相位基準(zhǔn)，接收端也以一個(gè)特定基準(zhǔn)為參考［4-5］。若是特定基準(zhǔn)的相位發(fā)生改變（π相位變成0相位或者0相位變成π相位），則恢復(fù)出來(lái)的信息與原始的數(shù)字信息相反，造成誤碼。在實(shí)際地下通信中，考慮到特定基準(zhǔn)相位有可能跳變，且不易被發(fā)現(xiàn)，比如某種地質(zhì)變化，導(dǎo)致傳感器中的分頻器發(fā)生轉(zhuǎn)移、鎖相等等，這種情況稱為2PSK的“反向工作”現(xiàn)象。一般情況下，可采用相對(duì)移向方式（2DPSK）進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。

3 噪聲信道下分析

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于所研究的磁感應(yīng)技術(shù)調(diào)制方式是基于地下信道環(huán)境中的，噪聲信號(hào)是特別復(fù)雜的，要考慮諸多因素，如地下衰減、路徑損耗等［6-7］。所以假設(shè)給出一個(gè)噪聲信號(hào)加入信道中，理論上相當(dāng)于地下土壤信道的噪聲模型，在MATLAB中基于GUI設(shè)計(jì)噪聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)三種調(diào)制解調(diào)方式后的信號(hào)對(duì)比以及誤碼率分析。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

3.2 噪聲信道下的2FSK性能分析

2FSK信號(hào)的相同點(diǎn)都是含有載頻離散譜分量，但是2FSK信號(hào)要經(jīng)過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的頻率源產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)，因此相鄰碼元的相位不一定是連續(xù)的。2FSK信號(hào)可以采用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法，但相干解調(diào)要優(yōu)于非相干解調(diào)，圖2和圖3是兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)噪聲干擾后的解調(diào)信號(hào)波形圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體流程圖

圖2 基帶信號(hào)

圖3 調(diào)制信號(hào)

圖4 為2FSK的基帶信號(hào)S（t）與兩個(gè)不同頻率的載波信號(hào)S（1）和S（2）相乘后得到的信號(hào)。生成調(diào)制信號(hào)的過(guò)程可以看成是兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號(hào)的疊加。在給調(diào)制信號(hào)加噪聲干擾后，對(duì)所得信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器可得到兩個(gè)波形相反的對(duì)比圖，如圖5所示。最后通過(guò)抽樣判決比較得到解調(diào)信號(hào)。由于2FSK的系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，可能傳輸速率較低，但穩(wěn)定可靠，在土壤中抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)。

圖4 加噪聲信號(hào)

圖5 解調(diào)信號(hào)

3.3 噪聲信道下的2PSK性能分析

2PSK是載波相位按照基帶脈沖改變的一種數(shù)字調(diào)制方式，它的調(diào)制是用相移鍵控來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可得如圖6和圖7所示。

由圖8可知產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)“1010100101”經(jīng)過(guò)反相產(chǎn)生反碼，并將原碼跟反碼一起合成雙極性碼，即雙極性信號(hào)S（t3）是由基帶信號(hào)S（t1）減去基帶信號(hào)反碼S（t2）得到的，再與載波信號(hào)相乘后得到調(diào)制信號(hào)。通過(guò)噪聲干擾后，采用相干解調(diào)產(chǎn)生上圖波形，然后對(duì)其抽樣判決，完成對(duì)2PSK數(shù)字信號(hào)的解調(diào)。通過(guò)圖9基帶信號(hào)的由來(lái)可分析出2PSK的抗干擾噪聲信號(hào)比較強(qiáng)，對(duì)地下信道特性變化的敏感性最強(qiáng)。

圖6 基帶信號(hào)

圖7 調(diào)制信號(hào)

圖8 加噪聲信號(hào)

圖9 解調(diào)信號(hào)

4 調(diào)制方式性能研究對(duì)比

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，主要使用的調(diào)制方法是2FSK以及2PSK，它們?cè)谟行?、抗干擾性與可靠性上有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于地下無(wú)線通信，考慮的首要問(wèn)題是抗干擾性與可靠性，因?yàn)樾盘?hào)在土壤與巖層環(huán)境中傳輸，會(huì)造成大幅度衰減，使得地下土壤信道遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的通信狀況，所以必須對(duì)地下通信的質(zhì)量問(wèn)題更加重視。為給出合理的調(diào)制方式，通過(guò)研究二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的三種主要性能，從上面的仿真數(shù)據(jù)以及理論知識(shí)可以對(duì)其進(jìn)行分析，比如系統(tǒng)的抗噪聲性能、調(diào)制與解調(diào)方法等等。

（1）誤碼率（抗噪聲性能）

對(duì)比表1中調(diào)制方法的相干解調(diào)與非相干解調(diào)誤碼率，可看出相干解調(diào)優(yōu)于非相干解調(diào)，兩者是與erfc（-r）的關(guān)系，并且隨著r→∞趨向極限值。當(dāng)高斯噪聲干擾調(diào)制信號(hào)時(shí)，解調(diào)器產(chǎn)生錯(cuò)判造成誤碼。為便于對(duì)比，將各調(diào)制方法的誤碼率表示如下。

表1 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率

由表1可以看出，各調(diào)制方法的抗噪聲性能由弱到強(qiáng)的排序是2ASK非相干解調(diào)、2ASK相干解調(diào)、2FSK非相干解調(diào)、2FSK相干解調(diào)、2PSK相干解調(diào)。相對(duì)比，在抗高斯噪聲方面2PSK最好、2FSK次之。

對(duì)各調(diào)制方法進(jìn)行仿真來(lái)對(duì)比誤碼率的變化，如圖10所示，可以看出仿真與理論吻合，顯示2PSK的調(diào)制方法誤碼率最小，抗干擾性能強(qiáng)。

圖10 不同調(diào)制方式下的誤碼率對(duì)比

（2）頻帶寬度

假設(shè)傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號(hào)時(shí)間寬度為Ts，相移鍵控信號(hào)和振幅鍵控信號(hào)的第一零點(diǎn)帶寬近似為2／Ts，頻移鍵控信號(hào)的帶寬為|f1-f2|+2／Ts。因此，從頻帶利用率與寬度上可看出，2FSK的調(diào)制方法最差。

（3）各調(diào)制方法對(duì)信道特性變化的敏感度

在2PSK方法中，發(fā)送信號(hào)為等概率時(shí)，判決器端門限是零，與接收端幅度無(wú)關(guān)。在2FSK方法中，不需要去設(shè)置門限，通過(guò)兩個(gè)支路解調(diào)輸出大小，對(duì)于信道的敏感度不強(qiáng)。

（4）系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜程度

在同種調(diào)制方法中，相干解調(diào)要復(fù)雜于非相干解調(diào)，因?yàn)橄喔山庹{(diào)需要提取的本地載頻與調(diào)制載波同頻同相［8］。對(duì)于三種相干解調(diào)方法，2PSK的設(shè)備最復(fù)雜，2FSK基于兩個(gè)之間所以較復(fù)雜。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上綜合性能比較，因?yàn)樵谕寥纻鞑r(shí)，頻率越低則衰落越小，所以只能以低頻來(lái)保證通信，利用低頻載波意味著要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘?PSK帶寬利用率高，適合傳輸。與地上WSN相比，無(wú)線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率受限，傳輸速率比較低，極端的路徑損耗也將影響WUSN的數(shù)據(jù)傳輸速率。所以在設(shè)備的復(fù)雜性選擇上，更希望它的設(shè)備可靠性高，且有利于在地下長(zhǎng)時(shí)間獲取數(shù)據(jù)信息。地下信道最重要的關(guān)鍵問(wèn)題是抗干擾性能問(wèn)題。綜合比較起來(lái)應(yīng)選擇2PSK調(diào)制方式，2PSK在抗干擾性能上較強(qiáng)，設(shè)備可靠性高，利于長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)傳輸，且其可用于數(shù)據(jù)的高速傳輸，更適合地下復(fù)雜信道的傳輸。下一步的主要方向是研究2PSK在土壤中噪聲模型與衰減模型下的調(diào)制與解調(diào)，并進(jìn)行地下實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果去驗(yàn)證理論的可行性。

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Simulation of SignalModulation in W ireless Underground Sensor Networks Based on Magnetic Induction Technology

Liu Zhouzhou1，Zhang Tingting2，Wang Xiaozhu3
（1.Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710077，China；2.Liaoning Armed Police Force of China，Shenyang，110034；2.School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）

Aiming at the wireless underground sensor networks（Wireless Underground sensor network（briefly called WUSN），wirelessmodulation methods have been studied.Two kinds of common modulation（2FSK and 2PSK）coherent demodulation are compared and analyzed.The communication performance are compared，by the comparison among the complexity of the bit error rate（BER），band width，system equipment and variousmodulation modes，and the channel characteristics sensitivity.The 2PSK modulation for underground communication is determined，with the strong anti-jamming performance，high reliability of the equipment and long time signal transmission，which is used for data transmission in high speed and the complicated underground channel transmission.

Wireless Underground sensor networks；Magnetic induction technology；Underground communication；Modulation mode；Demodulation mode；2PSK

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.006

TP393

A

1002-2279（2016）06-0019-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61401499）

劉洲洲（1981-），男，山西省運(yùn)城市人，博士生，主研方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2016-02-29