低频信号穿金属壁简易通信系统设计∗

张文铎（北京圣非凡电子系统技术开发有限公司北京102209）

低频信号穿金属壁简易通信系统设计∗

张文铎
（北京圣非凡电子系统技术开发有限公司北京102209）

当通过金属的电磁波频率不同时，金属的电容率会随之引起变化。金属对较低频率信号和高频信号表现出不同的特性，低频信号呈现为吸收特性，高频信号呈现为反射特性。论文通过搭建一个简易的以FPGA为核心控制芯片的含有发射MSK调制信号和解调MSK信号的通信系统，对在16k～240k之间的低频电磁信号进行实验。对电磁信号在金属中的传播影响进行研究。希望对工业中需要通过金属传播信息提供一种可能的解决方案。

电容率；低频信号；金属；MSK

Class Num ber TN94

1 引言

透过金属壁进行通信有三种常用的方法。分别为通过有线信号、无线信号和声音信号。在不能对金属打孔的情况下，无法通过安装电缆来传输信号，使得有线的方式不能进行信号传输。当金属作为数据传输的介质时，对于使用声音信号作为媒介已有研究证明此种方案是有可能的。通过声音振动，使信号在金属中传播。但使用声音振动在金属中传播会由于声音在金属中的反射叠加而造成通带和阻带交替出现，从而会严重影响传输效果。电磁无线信号对于穿透金属的通信通常被认为是比较困难的，但并非绝对不可能。电磁波从一面辐射而来，部分能量反射，部分能量进入金属，电磁波能量随进入金属的深度成e指数衰减，当金属较薄或信号功率较大时，低频信号能穿透金属层继续传播。而通过低频信号进行传播时虽然衰减较大，通过相应的提高输出功率，在发送端和接收断都在相同位置紧贴金属壁的情况下。可以使信号在一定信道比下被解调出来。相比通过声波传输较为稳定。

2 不同频率电磁波通过金属时的特性

当导体中传播电磁波时，存在于导体内的自由电子会形成传导电流，这主要是由于在电磁波形成的电场作用下，自由电子运动导致的，在导体内部，电流产生的热量不断消耗，电磁能量会部分转化为热量。因此在导体内部电磁波的能量会以热的形式产生衰减，接下来对电磁波通过金属导体的能量衰减进行定量的分析。先从电磁场理论中的最基本的麦克斯韦方程入手，方程如下

假设导体内存在自由电荷且分布均匀，密度大小为ρ，分布的自由电荷激发了电场E，在激发电场E作用下，导体内部产生了传导电流J，根据欧姆定律和以上的麦克斯韦方程以及电荷守恒定律可得下面的方程组：

上面方程组中σ为电导率，ε为电容率，此两式的含义为如果某区域内存在一定量的剩余净电荷，电荷间会因相互排斥导致移动，将产生发散的电流，解上面方程组可得到：

上式表示电荷密度随指数衰减，在导体内部，有ρ=0，结合复电容率的物理含义，与电场方向同相的电流会产生耗散功率，而与电场方向成90°夹角的电流则不会产生耗散功率，再根据亥姆霍兹方程对导体内有无电磁波进行求解，在导体内部有方程：

上式的解在满足Ñ·E=0时，才说明导体中存在电磁波，通过解上面方程可以得到：

式中α代表电磁波幅度的衰减，α的表达式如下：

式中，μ（H/m）为磁导率，ε（F/m）为介电常数，σ（S/m）为电导率，ω为发送电磁波的角频率。由于大部分导体导电性较好。介电常数都非常小，满足(σ/ωε)远大于1，故上式可简化为

已知铜的导电率为1.256629×10-6H/m，磁导率为59.6×106S/m，信号频率假设为100kHz，计算铜的衰减系数：

由上式可知铜的衰减系数约为42db/mm，同样铝的衰减系数约为33db/mm。

在电磁理论中，穿透深度δ是指波幅降至导体表面原值1/e的传播距离。因此其值等于α的倒数，穿透深度反比于电导率的平方根和频率的平方根，对于频率较高的电磁波，电磁场以及和它相互作用的较高频率的电流只集中于很薄的一层导体表面上，这就是常说的趋肤效应，如果是采用低频信号则穿越深度将会加深，如果电磁波的功率继续增大，根据衰减系数则可以继续增加深度。这样较低频率的信号就有可能穿透金属。

3 简易穿金属壁通信系统设计

3.1 简易穿金属壁通信系统硬件电路的设计

穿金属壁通信系统分为发送端和接收端，发送端放置在铜盒内部透过0.5cm的完全封闭铜盒进行码元发送，接收端在铜盒外侧相同位置进行接收。简易通信系统的组成如图1。

发送端在硬件电路的设计上采用控制芯片FPGA、数模转换芯片DA和滤波器和E型磁芯进行完成。FPGA生成MSK调制信号数据流，通过DA转化成模拟信号，再通过滤波器进行滤波，之后在E型磁芯上形成向外辐射的磁场，对信号进行发送。FPGA采用CYCLONEIV系列。型号为EP4CE15F17C8，封装为表贴256-LBGA，核电压1.25V。速度级别为8，逻辑门数为15408个，存储空间为516096位。内置4个锁相环。具有260个9×9位的乘法器，200个18×18位的乘法器。是一款低功耗低成本的芯片，总功耗不超过1.5W。比较适合通信行业的小型应用中。D/A采用AD公司的AD9708，AD9708为8位、125MSPSD/A转换芯片。同样是一款高性能、低功耗并且具有小型封装的芯片。滤波器为7阶Butterworth滤波器。Butterworth滤波器相比于其他滤波器在通频带内外都有平稳的频繁特性，具有较好的滤波效果。E型磁芯则采用PC40材质的EE65型磁芯。

接收端同样采用FPGA芯片作为解调的核心，通过AD对E型磁芯上通过磁力线接收MSK调制信号进行采样，再经过衰减电路进行衰减，衰减为合适的电压幅度，将采样点送入FPGA进行解调。FPGA采用与发送端相同的型号的EP4CE15F17C8作为解调算法的平台。AD芯片采用AD9280，最大采样率为32MSPS的8位高速采样芯片。

3.2 MSK信号的形式与特点

本系统采用MSK信号进行传递信息，由于在不变的带宽下MSK传送数据能够达到较高的比特速率，且MSK信号的旁瓣比2PSK低20dB左右，干扰比较小。MSK信号的数学表达式和谱密度表达式如下

式（1）和（2）中：ai为发送的第i个码元，φi是ai的初相，在整个周期中取φi=nπ，ωC为载波频率，Tb为码元宽度。

当发送码元1时，ai为1，由式（1）三角关系可知相应的产生一个和频

当发送码元0时，ai为-1，由式（1）可知相应的产生一个差频

3.3 M SK信号的调制与解调。

通信系统的发送端发送MSK信号，MSK调制原理框图如图2所示。

由以上调制原理框图，先根据差分编码原理将原始的0和1的数据流分开，形成I、Q两路最初的基带数据，将Q数据延时一个码元宽度后与I路数据分别加载到四分之一周期与码元速率相同的余弦波和正弦波上。再将携带数据信息的2路信号分别与余弦载频和正弦载频相乘。之后将输出的两路信号合成就得到MSK信号。

在通信系统的接收端对MSK信号进行解调，MSK解调解调原理框图如图3。

由以上解调原理框图，将MSK的采样信号与本地振荡器NCO产生的2路正交载频分别相乘，这两路信号再分别通过低通滤波器进行滤波，之后通过解调算法进行解调，将码元进行还原，得到发送端的原始信息。

4 实验及波形

简易系统能够发送不同载波频率的MSK调制波，发送方式为间歇性发送。发送原始信息为8位数字，将8位数字分别转化成4位二进制码0或1，一共32位0或1进行发送。基带速率可以改变，变化范围为75Hz~8kHz。铜盒外部对穿过金属的MSK信号进行测量，当载波频率达到最小的16k左右时，波形失真比较严重，但依然可将波形解调，随着载波频率变大，波形失真情况逐渐变轻，在16k~ 240k的载频变化区间内，均能正确还原数字信息，可以达到较好的传输效果。实验结果截图如下。

5 结语

当声音在金属中传输时，会有许多干扰因素。而且反射导致的声波振动的叠加仍然没有一个成熟的解决办法。当进行较长时间的声波传播时，这些因素对波形传播的影响更大。低频信号穿透金属传递不会受时间长短的影响，在具有一定功率的低频信号作为信息载体时，低频信号可以穿透一定厚度的金属，此种方法相对比较稳定。在接收端更容易识别解调出信息。

［1］郭硕鸿.电动力学［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［2］李海廷，杨涛.超声波穿金属厚壁通信电路系统设计与实现［J］.仪表技术与传感器，2013（3）：33-39.

［3］王玉龙，基于声波的潜艇应急通信技术研究［J］.舰船电子工程，2012（7）：14-15.

［4］谢观福.低频小信号的分析与处理［J］.工程技术（引文版），2016，11（1）：278-279.

［5］李光明，宋裕农，蔡广友.甚低频通信信道建模与仿真［J］.通信技术，2010，43（6）：41-42.

［6］李光明，温东.甚低频对潜通信信号场强预测［J］.电讯技术，2008，48（2）：29-32.

［7］陈海洋，张曙霞，蒋宇中，王永斌，林朋飞，彭丹.基于FPGA的微型化低频通信系统的设计与实现［J］.微型机与应用，2016，35（1）：67-70.

［8］付天晖，王永斌.特低频对潜通信系统研究［J］.舰船电子工程，2006，156（6）：31-34.

［9］惠七明，张忠智.低频无线通信的综述与探索［J］.现代电子技术，1997（3）：16-18.

［10］张跟鹏，李洪涛.甚低频通信系统效能评估［J］.舰船电子工程，2013，33（2）：55-57.

［11］王胜坤.矿井无线通信系统探讨［J］.电信科学，1998（3）：47-48.

［12］张清毅，朱建铭.透地通信信道特性研究［J］.电波科学学报，1999（1）：36-40.

Design of Sim p le Comm unication System for M etalW allw ith Low Frequency Signal

ZHANGW enduo
（Beijing Shengfeifan Electronic System Technology DevelopmentCo.，Ltd，Beijing 102209）

When the frequency of electromagnetic waves through themetal is different，themetal's capacitance rate will be caused by changes.Themetal exhibits different characteristics for the lower frequency signaland the high frequency signal，the low frequency signalexhibits the absorption characteristic，and the high frequency signalexhibits the reflection characteristic.In this pa⁃per，a low-frequency electromagnetic signal between 16k~240k is experimented by building a simple communication system which contains the MSK modulation signaland the demodulated MSK signalwith FPGA as the core control chip.The influence of electro⁃magnetic signal propagation inmetal is studied.It is desirable to provide a possible solution to the need for industry to disseminate information viametal.

capacitance，low frequency signal，metal，MSK

TN94 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.015

2016年11月21日，

2016年12月27日作者简介：张文铎，男，硕士研究生，研究方向：电力电子电路及其控制