[发明专利]一种异步双工零射频无线通信系统

说明书

本发明提供一种异步双工零射频无线通信系统，该方法只需要一个基准频率，把信息附在发送变频信号的起始频率上，在通信所支持的频段内直接进行基带调制为一个变频宽带信号，其起始频率与基准频率和一个或者多个码字之间有一一映射函数关系，解调时解出起始频率，根据映射函数关系解出一个或者多个码字。该系统通过能量的转换来发送和接收信号，无需射频发射模块，发送方低频发射头支持发射宽频信号，接收方由多模小口径接收阵列接收信号。本发明频带利用率高，所需载波少，抗频率漂移，通过估计频率来解调出码字，系统可以用于热声光电磁等能量转换来进行无线通信的场合。

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体涉及直接利用基带变频信号携带码字信息来进行异步双工通信的零射频系统。

背景技术

在各种无线通信中当前都面临频谱资源紧缺的问题，特别是对于低频无线通信，如水下无线通信。由于电磁波在水中传播衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以水下通信通常用声波。1Hz-50KHz声波在水中的衰减系数约为10^-4dB/m～10^-2dB/m，随着频率的增加，声波的衰减越来越大，因此水下通信采用低频声通信且可用带宽只有几十KHz。另外声波传播速度低致使多普勒效应相对明显，以及水下环境的复杂使得水下通信比陆地上的无线通信质量相差几个量级，进展缓慢。

无线体域网也向低频无线通信发展。体域网是附着在人体身上的一种网络，由一套小巧可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站组成。每一传感器既可佩戴在身上，也可植入体内。目前，体域网所使用的频带多以802.11技术为主的2.4GHz高频段，由于Zigbee、蓝牙等无线通信技术也用此通用频段，因此电磁干扰严重。另外也可以采用医学植入通信服务频段(402M-405MHz)。用这些高频段来通信都是通过载波把采集的信号调制到此频段，再通过射频天线的无线接收模块来进行无线通信，频率越高，对人的高频辐射危害越严重。因此现在很多学者研究直接用电流电容耦合的方式，用几十KHz量级的频段来实现通信。特别是对于体内和体外的近距离通信采用换能的方式，把体内采集的信号转换成其他能量的信号，如用电磁换能器，转成磁信号，体外磁敏元件来接收；如用电声换能器，把电信号转成声信号(如小型的麦克)，再由体外的超声换能器接收。

不管是水声通信还是向低频发展的无线体域网，随着可用带宽的降低，可以从以下几个方面来提高通信质量：大功率的宽带信号发送，功率大可以使得接收信号不是那么微弱，宽带信号可以携带更多的信息量，使得抗噪能力提高；其次，充分利用通信有限的频谱资源，采用高效的频带利用率的调制技术；然后采用有效高精度的解调技术，克服复杂的传播环境带来的影响。

在调制技术领域有多种调频技术，包括了简单的振幅键控(ASK)，移相键控(PSK)和移频键控(FSK)等调制技术，通过载波的幅度、相位和频率来携带信息，频带利用率低。在此基础上还有更加复杂和更高频道利用率的调制技术，比如差分移相键控(DPSK)，多进制移频键控(MFSK)，正交频分复用(OFDM)，跳频扩频技术。跳频扩频技术是通过牺牲带宽来换取信噪比。多进制移频键控、正交频分复用、跳频扩频技术需要多个载波来携带信息，频道利用率高，但是对载波频率的漂移要求比较高。如正交频分复用技术，由于接收端和发送端存在相对运动而造成载波的多普勒频移是难以避免的。OFDM发生载波频率偏移时，在解调端通过频率估计和补偿来恢复各子载波的正交性，再进行解调。而且OFDM用的载波多，时域波形叠加后峰均比大，对数模转换芯片、功率放大器等的线性(动态)范围要求高。另外，虽然多进制移频键控、正交频分复用是用频率来携带信息，但是解调的时候是分析此频率分量的幅度，是基于检测幅度的，所以估计精度低。而差分移相键控是基于检测相位的，其估计精度也远远低于频率的估计精度。