基于FSK的感应通信系统设计

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。