基于FSK無線通信的隨鉆測井系統(tǒng)設(shè)計

　　根據(jù)XR2211芯片手冊，按照其步驟計算出相關(guān)參數(shù)。中心頻率，R0的推薦范圍是10～100 kΩ，這里選取R0=16.67 kΩ，則C0=1/f0R0=500 pF，R1=2R0·f0/(f2-f1)=200 kΩ，C1=1 250×C0/R10.52=12 pF;Rf≥5R1，取Rf=1 MΩ，RB≥5Rf，取RB=5 MΩ，Rsum=(Rf+R1)RB/(Rf+R1+RB)=967 kΩ;Cf=0.25/(Rsum×波特率)，當波特率是9 600 b/s時，Cf=27 pF。波特率是其他數(shù)值的時候相應的改變Cf的值即可。以上計算得到的數(shù)值如果不是標稱值的電阻或者電容，可以采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式構(gòu)成所需的電阻或者電容。

　　2.2 濾波電路設(shè)計

　　由于信道環(huán)境惡劣，存在著各種噪聲，信號兒乎都淹沒在噪聲里面，所以需要對信號進行濾波。這里需要一個帶通濾波器，如果選擇普通的有源濾波器，實現(xiàn)簡單但參數(shù)調(diào)整困難，而且要用在頻率較高的場合。由于元件周圍的分布電容將嚴重影響濾波器的特性，其穩(wěn)定性也較差。這里選擇模擬集成有源濾波器MAX275，使用MAX275可以避免有源濾波器的缺點，其主要的特性參數(shù)如下：

　　◆通過外接不同電阻可以實現(xiàn)巴特沃斯、切比雪夫、貝賽爾型的低通、帶通濾波器。

　　◆濾波器的中心頻率范圍為0.01 Hz～300 kHz。

　　◆增益帶寬積為16 MHz。

　　◆單5 V電源供電或者±5 V電源供電。

　　由MAX275構(gòu)成的帶通濾波電路如圖6所示。

　　根據(jù)MAX275手冊可以求出外圍元件的參數(shù)，由于選取的載波頻率分別是110kHz和1 30 kHz，所以設(shè)定帶通濾波器的中心頻率為120kHz，且兩個載波頻率必須在濾波器的通帶以內(nèi)?？稍O(shè)定其通頻帶范阿是105～135kHz，根據(jù)這些要求可求出相關(guān)參數(shù)：R1=5.1 kΩ，R2=16.7 kΩ(可由10 kΩ電阻串聯(lián)10 kΩ電位器實現(xiàn))，R3=16.7 kΩ(可由10 kΩ電阻串聯(lián)10 kΩ電位器實現(xiàn))，R4=11.7 kΩ(可由11 kΩ電阻串聯(lián)1 kΩ電位器實現(xiàn))。由于MAX275是兩級級聯(lián)的濾波器，因此兩級的參數(shù)可選取一樣，即R5=R1，R6=R2，R7=R3，R8=R4。調(diào)試電路時測試該濾波器的性能，得到數(shù)據(jù)后用MATLAB繪制，其幅度響應如圖7所示。

　　由圖7可以看出，該濾波器通頻帶范圍大概是110～133 kHz，中心頻率在121 kHz左右，能夠滿足實際要求。

　　2.3 放大電路設(shè)計

　　任何通信系統(tǒng)都離不開放大電路，本系統(tǒng)也不例外。信號經(jīng)過4級鉆桿后只有30 mV左右，完全被噪聲淹沒，所以至少要把信號放大100倍以上才能滿足后級電路的處理要求。放大電路的實現(xiàn)方式很多，可以選擇分立元件搭建，也可以用集成運放實現(xiàn)。但是這里必須注意集成運放有一個增益帶寬積，比如對于一個增益帶寬積為1 MHz的運放，就不適合對頻率超過100 kHz的信號進行放大，所以本文采用由三極管構(gòu)成的放大電路。設(shè)計放大電路時要注意選取截止頻率比較高的三極管，這里選擇高頻小功率管3DG100，要確保三極管對有用信號的放大不會出現(xiàn)截止失真和飽和失真，放大電路的組態(tài)很多，這里選擇共射極放大電路。一級放大電路顯然不能滿足放大的要求，采用二級放大電路后可滿足要求，同時共射極放大電路輸出與輸入反相，二級放大后的輸出與輸入就滿足同相的要求了。關(guān)于放大電路有很多書籍資料可供參考，這里不再贅述。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)中軟件主要分兩部分：一是在系統(tǒng)調(diào)試過程中所需的測試軟件，比如產(chǎn)生特定頻率的方波信號來模擬二進制的“1”和“0”，可在單片機外圍增加一個鍵盤電路來靈活地選擇不同波特率的數(shù)據(jù)進行測試;二是在系統(tǒng)工作過程中起控制作用的軟件，用于控制信息的傳輸方向等。軟件的編寫必須遵守單片機與計算機的串口通信協(xié)議。如果對發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼，雖然可以提高通信系統(tǒng)的可靠性，降低誤碼率，但是會影響有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，所以這里不對信道進行編碼。

　　4 測試方法及結(jié)果

　　該系統(tǒng)的測試遵循從部分到整體的原則，先對每個模塊進行測試，每個模塊測試完畢后再對整個系統(tǒng)進行測試。一臺PC機發(fā)送數(shù)據(jù)，另一臺PC機接收數(shù)據(jù)，比較發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)從而得到誤碼率。在波特率為9 600 b/s時，系統(tǒng)誤碼率測試結(jié)果如表1所列。