基于FSK的感应通信系统设计

摘要：针对海洋石油勘探的需求，设计了电缆定深装置，其采用了基于FSK的感应通信系统。系统地介绍了感应通信的发展状况及其基本原理，重点阐述FSK调制解调模块所选用的XR2206和XR2211芯片。感应通信作为水下非接触通信方式之一，以其功耗低、尺寸小、制作简单等特点必将得到越来越广泛的应用。
关键词：感应通信；频移键控；XR2206；XR2211

O 引言
    海洋是人类资源的宝库，蕴藏着丰富的能源与矿产。随着科学技术的不断进步，人们对海洋资源的探测与开发也不断深入。电缆定深器就是在石油勘探过程中所采用的拖曳电缆深度定位装置，它可以对水下的电缆进行控制与定位，以便电缆内的检波器接收空气枪震源所返回的地震波，其采用的通信方式为基于FSK的感应通信。

1 感应通信的发展现状
    水下通信方式可分为：水声通信、水下激光与红外通信、超长波通信、感应通信。水声通信的缺点是传输速率慢、容量小、抗干扰能力差；而在激光通信中，浮游生物以及海底的泥尘可能造成通讯的暂时中断；超长波通信的弊端则是功耗高、成本大；相比而言，感应通信方式制作简单、造价低廉、对周围的环境不敏感。考虑到功耗、方便性和具体的安装条件，所以在电缆定深器的设计过程中，采用了感应通信方式进行信号传出。
    美国的阿尔文(Alvin)号载人深潜器是非常著名的用于深海探测的载人深潜器，其采样器、化学传感器、温度检测等方面，都采用电磁耦合技术进行信号传输，并在多次出航中的应用都很成功。国外的研究实践经验表明：电磁耦合非接触式信号传输技术是适合用于深海环境下的近距离通信方式。
    另外，国外已利用感应通信方式开发出海洋地震勘探拖曳线阵产品，其利用总线地址轮询和广播通信方式，通信距离可达数公里。
    在国内，某研究所将感应通信技术进行了成功的工程应用，研制出用于海洋探测的电缆定深器，其通信距离、速率和并联的节点数等均有较大优势，良好的性能在多次探测作业中得以验证。其通信部分就是采用基于FSK调制解调方式的感应通信。

2 感应通信的原理
    根据电磁感应原理，主线圈内电流的变化会在其周围产生交变的磁场，这个交变的磁场使次级线圈产生感应电动势，感应通信正是运用了这一原理进行工作。
    在感应通信中，由于信号与空间距离的三次方成比例迅速衰减，所以同时在近距离内的多个通讯能够实现频分复用，相互之间没有干扰。

    图1是电磁耦合信号传输装置的系统简图，由于通讯模式是半双工的，所以只介绍电缆定深器一侧传输数据的工作过程：电缆定深器内解调适配电路将感应装置耦合的信号滤波、放大、均衡整形后解调还原成通信数据，发送给定深器内的中心控制器，控制器根据接收到的数据、指令进行相应的操作；当电缆定深器需上传数据给船上设备时，将通信数据调制后，通过放大驱动电路发送给其内部的感应装置，通过感应耦合以及信号的处理，船上控制设备便可接到该数据。图2为电缆定深器系统工作示意图。

    工作过程中，在长距离通信线缆上，等间隔并联多个感应节点，在该点电缆外部挂接一个电缆定深器或其它设备，船上控制设备通过拖曳线缆内的双绞线上并联的磁棒线圈，与挂接在拖缆外部的电缆定深器内部的磁棒线圈感应耦合传输信号，利用总线地址轮询和广播通信方式，实现船上控制设备与多个拖曳线阵外挂设备传输之间的数据传输，数据传输采用载波通信技术，以达到数公里甚至十几公里无中继传输。电缆定深器由电池供电，在电池电量耗尽后，必须将整个线阵回收后，更换定深器内的电池。

3 FSK调制解调部分的设计
3．1 调制单元设计
    电缆定深器在设计过程中选用XR2206作为调制芯片。XR2206由一个压控振荡器(VCO)、电流开关和一个乘法器与正弦波调整器组成，是一种单片集成函数发生器，可以产生高精度、高稳定度的正弦波、方波、锯齿波等波形信号，输出信号可受外加电压控制，是理想的FSK调制器
芯片，其内部框图如图3所示。

    XR2206的工作特性：a．电压电源10～26V；b．频率温度稳定性20ppm／℃；c．频率扫描范围2000：1；d．振荡频率为0．01Hz～lMHz；e．正弦波失真度O．5％；f. FSK键控电平1．4V；g．正弦波输出阻抗600Ω；h．功耗≤750mW。
    用于电缆定深器的调制器如图4所示。

    在利用XR2206芯片进行调频时，1脚接地，9脚为数字电平输入引脚，2脚为信号输出引脚，13脚和14脚的电阻R6用来调节正弦波的畸变，3脚为乘法器与正弦波调整器的输出端，所接电阻R7的作用是调节输出的幅度，即2脚输出信号幅度正比于3脚外接电阻，对于正弦FSK波形来说Vout(p-p)≈0.6R7(V)。内部的压控振荡器VCO实际上是一个输出频率与输入电流成正比的可控振荡器，其振荡频率取决于定时电容和电阻，该VCO定时电阻端有两引脚，与地之间可以接两个电阻，因此可以由7、8引脚提供两个离散的输出频率，以方便地组成FSK调制器。设9脚为高电平时对应输出频率f1=24．7kHz，低电平时对应输出频率f2=27．4kHz，波特率fb=2400b／s。取定时电容C0=330pF，可算出定时电阻R1=1／f1C0=122.68kΩ，R2=1／f2C0=110.59kΩ。13脚与14脚串入200Ω电阻可以改善输出波形。
3．2 解调单元的设计
    电缆定深器在设计过程中以XR221l为解调单元的核心芯片，它由一个预放大器、锁相环PLL、相位检波器、内部基准电压源和比较器等组成，使用其中的VCO鉴相器和外部环接滤波器组成基本的锁相环路，再和FSK比较器组成，就可实现FSK解调功能。其内部结构框图如图5所示。

    XR2211的工作特性：a．工作电压范围4．5～20V：b．工作频率范围O．01Hz～300kHz；c．宽动态范围10mV～3V；d．频率温度稳定性Max=50ppm／℃。

    图6为XR2211外围电路。载波中心频率26kHz，数字“1”调制频率24．7kHz，数字“O”调制频率27．4kHz。传输波特率2400b／s，根据以下公式确定其外围电路相关参数，实际应用时适当调整参数。a．中心振荡频率：；b．定时电阻：；c．定时电容：；d．。其余各参数选取如下：R3=100kΩ；R4=510kΩ；C3=1nF；C6=10nF；R8=470kΩ。其中，RO和C0决定锁相环中心频率f0，R2决定系统带宽，C2决定锁相滤波时间常数和锁相阻尼因子，C3、R3组成一阶数字滤波，决定输出FSK波形。
    XR2206的频率范围是0．01～1MHz，XR2211的频率范围是0．01～300kHz，两者配合使用时调制器的载频应该在0．0l～300kHz范围内选取。调制端的信号是峰值为3V的等幅调频信号，当两个线圈距离很近时，用这个信号来驱动发信线圈，收信线圈的耦合信号强度和调制端信号强度基本相同。解调芯片XR2211接收信号的电压范围是10mV～3V，当线圈的距离增大而耦合电信号幅值不超出这个范围时，仍能保证通信。

4 总结与展望
    由于工作环境在水下，因此不适合通过传统的电缆直接进行信号传输，尤其在深海高压的情况下，如果电缆扯断，水将通过导线的缝隙进入运载设备，造成破坏性甚至灾难性的后果，即使电缆没有扯断，它与其他物体的缠绕也可能引发一系列的故障。因此必须采用非接触信号传输的方式来确保水下作业安全顺利地进行。海下的工作环境与工作状况的特殊性，要求必须采用无线信号传输方式。
    另外，传统的有线通信中较为常用的RS232在通信距离小于15m时，传输速率小于20kb／s，当通信距离在100m时，其通信速率很难让人满意。功能较为完善的RS485的通信最长距离也不过1200m，最多并联32个通信节点。在海水中通信时，由于信道环境更为恶劣，其通信距离、速率以及并联的节点数将更低。通过中海油服多次海上实际作业验证，目前，感应通信的通信距离可达到6000m，此时的通信速率为2400b／  s，可并联的节点数多达128个，通信成功率达98％左右，具有较强的抗干扰能力。感应通信在传输距离与并联节点方面的优势将在水下通信领域发挥更为重要的作用。
    研究电磁感应信号传输技术将促进我国的海洋探测能力和海洋科学的发展。同时，感应式无线信号传输技术在其它近距离无线通信场合也具有很大的应用潜力。