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基于FSK的感应通信系统设计

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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。

0 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。