[发明专利]用于机械天线超低频信号频率调制的装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于机械天线超低频信号频率调制的装置及方法，装置包括由基带信号处理模块和可扩展标记语言XML处理模块组成的信号发射单元、由驱动器、高速伺服电机和球形永磁体组成的信号调制单元和由信号采集模块、滤波模块、抽样判决模块、巴克码识别模块、基带信号选取模块组成的信号接收单元。本发明方法的步骤包括：(1)对原始基带信号进行预处理；(2)生成运动任务；(3)发射超低频调频信号；(4)生成接收信号的CSV格式文件；(5)对接收信号进行解调。本发明具有调制精度及通信速率可控，装置结构简单的优点。

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及通信调制技术中的一种用于机械天线超低频信号频率调制的装置及方法。本发明通过装置中信号调制单元驱动装置中机械天线加速减速达到不同转速，实现对机械天线发射信号的频率调制，实现可用于地下或水下的极低频ELF(Extremely Low Frequency)/超低频SLF(Super Low Frequency)频段通信。

背景技术

对于超低频SLF电磁波来说，其较大的波长导致较弱的趋肤效应，在水下或地下的透射性更强，传播深度更大，传播距离更广，在水下或地下的商用通信中应用前景巨大。但传统的超低频通信中发射天线尺寸巨大、功耗较高，辐射效率低，超低频通信的应用领域因发射机受到了严重限制。

机械天线则是对现有超低频电磁发射技术的突破。机械天线采用与传统电短天线通截然不同的电磁发射技术，通过机械装置驱动驻极体或永磁体材料辐射产生超低频电磁信号进行传播。但机械天线的设计面临的主要问题在于：如何实现高效的信号调制。由于整个系统是基于机械装置驱动的设计，在工作原理上完全不同于传统超低频天线，其调制方式也与传统调制方式不同，不同的调制方案决定了不同的硬件设计思路。现有的机械天线移频键控FSK(Frequency Shift Keying)通过外部装置避免了永磁体自身转动所需的频繁调速动作，但是调制精度与通信速率受限于外部装置的响应时间。

大连交通大学在其申请的专利文献“一种可调频的超低频机械天线结构”(申请号：202010479823.2，申请公开号：CN111585018A)中提出了一种在传统机械天线基础上添加切割静磁场模块以实现频率调制的超低频天线装置。该装置中的静磁场产生模块包括电机、多个永磁体、固定旋转电机和多个永磁体的支撑框架，支撑框架布置在电机的外部，多个永磁体均匀的布置在支撑框架的外表面。切割静磁场模块包括圆盘、带有锯齿的圆片和控制圆片的锯齿长度变化和驱动圆片运动的控制开关，锯齿圆片齿数为时变磁场频率与旋转电机工作频率的比值。该装置通过控制切割静磁场模块的圆片的锯齿长度变化实现调频功能。该装置的优点在于避免了永磁体自身转动所需的频繁调速动作，但是，该装置仍然存在的不足之处是，该装置需要外部装置辅助以产生调频信号；同时，该装置调频时需要控制切割静磁场模块中圆片的锯齿长度，导致调制精度与通信速率受限于圆片的锯齿长度变化的响应时间。

武汉船舶通信研究所(中国船舶重工集团公司第七二二研究所)在其申请的专利文献“基于旋转式机械天线的发信系统及信息加载方法”(申请号：201911025042.X，申请公开号：CN110943953A)中提出了一种基于旋转式机械天线的发信装置及信息加载方法。该专利申请公开的发信装置包括发信激励单元、转速控制单元、旋转电机、旋转式机械天线和转速检测单元。发信激励单元根据待发送信息产生激励信号，并将激励信号传输给转速控制单元，转速控制单元通过鉴频方式提取激励信号中的频率参数，得到转速指令，调控电机的转速，以供旋转式机械天线辐射出与转速同频率的电磁波信号，实现调频信号的发送。该装置存在的不足之处是，由于该装置需要转速控制单元通过鉴频方式提取激励信号中的频率参数，则需要额外的鉴频电路，无法直接传递转速指令控制电机达到所需转速，装置结构较为复杂。该专利申请公开的方法的实施步骤是：通过转速控制单元根据转速指令和转速检测单元检测旋转式机械天线的中心轴的实际转速之差，采用偏差控制方式对旋转电机的转速进行调控，将发信激励信号加载到发射电磁波的频率参数上，实现调频信号的加载。该方法存在的不足之处是，该方法需要对电机转速检测及反馈以实现频率调控，导致通信速率受限于检测及反馈的响应时间。

发明内容