基于磁感應技術的WUSN信號調制仿真分析?

劉洲洲，張婷婷，王曉柱

（1.西安航空學院，西安710072；2.遼寧省武警總隊，沈陽110034；3.西北工業大學電子信息學院，西安710077）

·微機網絡與通信·

基于磁感應技術的WUSN信號調制仿真分析?

劉洲洲1，張婷婷2，王曉柱3

（1.西安航空學院，西安710072；2.遼寧省武警總隊，沈陽110034；3.西北工業大學電子信息學院，西安710077）

針對無線地下傳感器網絡（Wireless Underground Sensor Network，WUSN）的無線調制方式進行了研究。首先研究了基2FSK以及2PSK的調制解調方式，在此基礎上假設地下干擾信號相當于特定噪聲信號，對各調制方式加入噪聲干擾信號，然后利用GUI系統設計界面并編寫函數，分析各調制方式經過噪聲干擾后的情況，同時比較各調制方式的誤碼率。通過對比證明了2PSK調制方式更適合于地下信號的傳輸。對比分析了常用的兩種調制方式（2FSK和2PSK）相干解調，對它們的通信性能進行比較，經過誤碼率、頻帶寬度、系統設備復雜性以及各調制方式對信道特性變化的敏感度對比，確定了2PSK調制方式用于地下通信，在抗干擾性能上較強，設備可靠性較高，且有利于長時間進行信號傳輸，同時可用于數據的高速傳輸，更適合地下復雜信道的傳輸。

無線地下傳感器網絡；磁感應技術；地下通信；調制方式；解調方式

1 引 言

無線地下傳感器網絡（WUSN）是由通過土壤傳輸的傳感器節點形成的網絡，其主要目的是采集、處理和傳輸監測地區的信息［1］。WUSN和傳統的地上無線傳感器網絡不同，它是把無線收發模塊埋藏在地下土壤中，接收模塊感知到數據信息后，通過無線方式發送數據，無線低頻電磁場通過土壤介質進行耦合。由于地下土壤環境和地上空氣環境不同，WUSN傳感器節點、協議、算法以及傳輸路徑與模型都不同于地上。對于無線地下信道，應當選取高效率的調制機制以使其適用于動態變化且高損耗的地下信道，根據地下信道的狀況，需要研究多種調制機制。如降水過后信道通信質量嚴重下降，可以通過降低速率以采用更簡單的調制機制，應當避免利用探測數據包的調制機制，因為探測傳輸會加大能量損耗。

在無線地下系統中，鋪設傳感器節點用來測量地下的一些參數，例如濕度、溫度以及傾角測量。然后將測量參數傳輸到地上顯示系統。顯示系統中最終測量的數據都是數字量，因此通信的信息也必須是數字信號，同時數字通信的優勢在于抗干擾能力強、設備較為簡單。

要實現地下無線的數字通信，就需要選擇一種合適的數字通信方法，方便數字信號在帶通信道中傳輸。可將基帶信號轉為頻帶信號，傳輸頻帶信號的通信方式即為數字頻帶傳輸方式。就好比模擬調制中的一樣，利用相位、頻率、幅度的變化來傳輸基帶信號。基本的數字通信方式分為2FSK以及2PSK，具體哪一種方式更適合無線地下傳感網絡的傳輸，需要對數字通信技術做進一步深入的研究。

針對以上問題，主要研究信號在地下土壤中的通信傳輸問題：即調制和解調方式并進行仿真驗證。并且在調制方式抗干擾能力強的前提下，為無線地下通信提供一種靈活、可靠的通信方法。

2 基本數字通信方式

2.1 頻移鍵控調制解調方式研究

在頻率調制中，二進制頻移鍵控是數字調制中比較簡單的方法，2FSK鍵控中被傳信息的狀態是通過載波頻率的變化來實現的。被調載波的頻率是隨二進制序列“1”和“0”的狀態變化的，“0”代表載波頻率f1，“1”代表載波頻率f2。2FSK信號可以被看成以f1和f2為信號載波頻率，以an和為被傳序列的兩種OOK信號合成而來。

2FSK信號的時域數學表達式為：

式中an是的反碼。

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2FSK信號和OOK信號的共同點都是含有載頻離散譜分量，同樣，2FSK也可以采用非相干解調和相干解調方法。在設計時，非相干解調是要將2FSK信號在通過帶通濾波后再經過包絡檢波器進行信號處理，而相干解調只需將包絡檢波換成相干解調器即行。

2.2 相移鍵控調制解調方式研究

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

2PSK信號相應的數字信號是通過載波的差別相位直接法得出的，在完全移向方法中，發射端是基于某一相位基準，接收端也以一個特定基準為參考［4-5］。若是特定基準的相位發生改變（π相位變成0相位或者0相位變成π相位），則恢復出來的信息與原始的數字信息相反，造成誤碼。在實際地下通信中，考慮到特定基準相位有可能跳變，且不易被發現，比如某種地質變化，導致傳感器中的分頻器發生轉移、鎖相等等，這種情況稱為2PSK的“反向工作”現象。一般情況下，可采用相對移向方式（2DPSK）進行調制解調。

3 噪聲信道下分析

3.1 系統設計

由于所研究的磁感應技術調制方式是基于地下信道環境中的，噪聲信號是特別復雜的，要考慮諸多因素，如地下衰減、路徑損耗等［6-7］。所以假設給出一個噪聲信號加入信道中，理論上相當于地下土壤信道的噪聲模型，在MATLAB中基于GUI設計噪聲信號，經過三種調制解調方式后的信號對比以及誤碼率分析。系統整體設計思路如圖1所示。

3.2 噪聲信道下的2FSK性能分析

2FSK信號的相同點都是含有載頻離散譜分量，但是2FSK信號要經過兩個獨立的頻率源產生不同頻率的信號，因此相鄰碼元的相位不一定是連續的。2FSK信號可以采用非相干解調和相干解調兩種方法，但相干解調要優于非相干解調，圖2和圖3是兩路信號經過噪聲干擾后的解調信號波形圖。

圖1 系統設計總體流程圖

圖2 基帶信號

圖3 調制信號

圖4 為2FSK的基帶信號S（t）與兩個不同頻率的載波信號S（1）和S（2）相乘后得到的信號。生成調制信號的過程可以看成是兩個不同載波的二進制振幅鍵控信號的疊加。在給調制信號加噪聲干擾后，對所得信號經過低通濾波器可得到兩個波形相反的對比圖，如圖5所示。最后通過抽樣判決比較得到解調信號。由于2FSK的系統設計比較復雜，可能傳輸速率較低，但穩定可靠，在土壤中抗多徑效應能力強。

圖4 加噪聲信號

圖5 解調信號

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字調制方式，它的調制是用相移鍵控來實現的，對此進行系統設計，可得如圖6和圖7所示。

由圖8可知產生的隨機信號“1010100101”經過反相產生反碼，并將原碼跟反碼一起合成雙極性碼，即雙極性信號S（t3）是由基帶信號S（t1）減去基帶信號反碼S（t2）得到的，再與載波信號相乘后得到調制信號。通過噪聲干擾后，采用相干解調產生上圖波形，然后對其抽樣判決，完成對2PSK數字信號的解調。通過圖9基帶信號的由來可分析出2PSK的抗干擾噪聲信號比較強，對地下信道特性變化的敏感性最強。

圖6 基帶信號

圖7 調制信號

圖8 加噪聲信號

圖9 解調信號

4 調制方式性能研究對比

在無線通信系統中，主要使用的調制方法是2FSK以及2PSK，它們在有效性、抗干擾性與可靠性上有著各自的優缺點。對于地下無線通信，考慮的首要問題是抗干擾性與可靠性，因為信號在土壤與巖層環境中傳輸，會造成大幅度衰減，使得地下土壤信道遠不能達到理想的通信狀況，所以必須對地下通信的質量問題更加重視。為給出合理的調制方式，通過研究二進制數字調制系統的三種主要性能，從上面的仿真數據以及理論知識可以對其進行分析，比如系統的抗噪聲性能、調制與解調方法等等。

（1）誤碼率（抗噪聲性能）

對比表1中調制方法的相干解調與非相干解調誤碼率，可看出相干解調優于非相干解調，兩者是與erfc（-r）的關系，并且隨著r→∞趨向極限值。當高斯噪聲干擾調制信號時，解調器產生錯判造成誤碼。為便于對比，將各調制方法的誤碼率表示如下。

表1 二進制數字調制系統的誤碼率

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

對各調制方法進行仿真來對比誤碼率的變化，如圖10所示，可以看出仿真與理論吻合，顯示2PSK的調制方法誤碼率最小，抗干擾性能強。

圖10 不同調制方式下的誤碼率對比

（2）頻帶寬度

假設傳輸的數字基帶信號時間寬度為Ts，相移鍵控信號和振幅鍵控信號的第一零點帶寬近似為2／Ts，頻移鍵控信號的帶寬為|f1-f2|+2／Ts。因此，從頻帶利用率與寬度上可看出，2FSK的調制方法最差。

（3）各調制方法對信道特性變化的敏感度

在2PSK方法中，發送信號為等概率時，判決器端門限是零，與接收端幅度無關。在2FSK方法中，不需要去設置門限，通過兩個支路解調輸出大小，對于信道的敏感度不強。

（4）系統設備的復雜程度

在同種調制方法中，相干解調要復雜于非相干解調，因為相干解調需要提取的本地載頻與調制載波同頻同相［8］。對于三種相干解調方法，2PSK的設備最復雜，2FSK基于兩個之間所以較復雜。

5 結束語

通過以上綜合性能比較，因為在土壤傳播時，頻率越低則衰落越小，所以只能以低頻來保證通信，利用低頻載波意味著要考慮數據傳輸的帶寬，2PSK帶寬利用率高，適合傳輸。與地上WSN相比，無線地下傳感器網絡的數據傳輸速率受限，傳輸速率比較低，極端的路徑損耗也將影響WUSN的數據傳輸速率。所以在設備的復雜性選擇上，更希望它的設備可靠性高，且有利于在地下長時間獲取數據信息。地下信道最重要的關鍵問題是抗干擾性能問題。綜合比較起來應選擇2PSK調制方式，2PSK在抗干擾性能上較強，設備可靠性高，利于長時間的信號傳輸，且其可用于數據的高速傳輸，更適合地下復雜信道的傳輸。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制與解調，并進行地下實驗，用實驗結果去驗證理論的可行性。

［1］ Agbinya J I，Masihpour M.Power equations and capacity performance ofmagnetic induction communication systems［J］.Wireless Personal Communications，2012，64（4）：831-845.

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［8］ 蔡卓燃.基于W-SVM的數字通信調制模式分類技術的研究［D］.哈爾濱工程大學，2009. Cai Zhuoran.Research on the digital communicationmodulation pattern classification technology based on［D］. W-SVM Harbin Engineering University，2009.

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

國家自然科學基金資助項目（61401499）

劉洲洲（1981-），男，山西省運城市人，博士生，主研方向：無線傳感器網絡。

2016-02-29