基于FSK无线通信的随钻测井系统设计

　　根据XR2211芯片手册，按照其步骤计算出相关参数。中心频率，R0的推荐范围是10～100 kΩ，这里选取R0=16.67 kΩ，则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)，当波特率是9 600 b/s时，Cf=27 pF。波特率是其他数值的时候相应的改变Cf的值即可。以上计算得到的数值如果不是标称值的电阻或者电容，可以采用串联或者并联的方式构成所需的电阻或者电容。

　　2.2 滤波电路设计

　　由于信道环境恶劣，存在着各种噪声，信号儿乎都淹没在噪声里面，所以需要对信号进行滤波。这里需要一个带通滤波器，如果选择普通的有源滤波器，实现简单但参数调整困难，而且要用在频率较高的场合。由于元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性，其稳定性也较差。这里选择模拟集成有源滤波器MAX275，使用MAX275可以避免有源滤波器的缺点，其主要的特性参数如下：

　　◆通过外接不同电阻可以实现巴特沃斯、切比雪夫、贝赛尔型的低通、带通滤波器。

　　◆滤波器的中心频率范围为0.01 Hz～300 kHz。

　　◆增益带宽积为16 MHz。

　　◆单5 V电源供电或者±5 V电源供电。

　　由MAX275构成的带通滤波电路如图6所示。

　　根据MAX275手册可以求出外围元件的参数，由于选取的载波频率分别是110kHz和1 30 kHz，所以设定带通滤波器的中心频率为120kHz，且两个载波频率必须在滤波器的通带以内。可设定其通频带范阿是105～135kHz，根据这些要求可求出相关参数：R1=5.1 kΩ，R2=16.7 kΩ(可由10 kΩ电阻串联10 kΩ电位器实现)，R3=16.7 kΩ(可由10 kΩ电阻串联10 kΩ电位器实现)，R4=11.7 kΩ(可由11 kΩ电阻串联1 kΩ电位器实现)。由于MAX275是两级级联的滤波器，因此两级的参数可选取一样，即R5=R1，R6=R2，R7=R3，R8=R4。调试电路时测试该滤波器的性能，得到数据后用MATLAB绘制，其幅度响应如图7所示。

　　由图7可以看出，该滤波器通频带范围大概是110～133 kHz，中心频率在121 kHz左右，能够满足实际要求。

　　2.3 放大电路设计

　　任何通信系统都离不开放大电路，本系统也不例外。信号经过4级钻杆后只有30 mV左右，完全被噪声淹没，所以至少要把信号放大100倍以上才能满足后级电路的处理要求。放大电路的实现方式很多，可以选择分立元件搭建，也可以用集成运放实现。但是这里必须注意集成运放有一个增益带宽积，比如对于一个增益带宽积为1 MHz的运放，就不适合对频率超过100 kHz的信号进行放大，所以本文采用由三极管构成的放大电路。设计放大电路时要注意选取截止频率比较高的三极管，这里选择高频小功率管3DG100，要确保三极管对有用信号的放大不会出现截止失真和饱和失真，放大电路的组态很多，这里选择共射极放大电路。一级放大电路显然不能满足放大的要求，采用二级放大电路后可满足要求，同时共射极放大电路输出与输入反相，二级放大后的输出与输入就满足同相的要求了。关于放大电路有很多书籍资料可供参考，这里不再赘述。

　　3 系统软件设计

　　本系统中软件主要分两部分：一是在系统调试过程中所需的测试软件，比如产生特定频率的方波信号来模拟二进制的“1”和“0”，可在单片机外围增加一个键盘电路来灵活地选择不同波特率的数据进行测试;二是在系统工作过程中起控制作用的软件，用于控制信息的传输方向等。软件的编写必须遵守单片机与计算机的串口通信协议。如果对发送数据进行编码，虽然可以提高通信系统的可靠性，降低误码率，但是会影响有效数据传输的速率，所以这里不对信道进行编码。

　　4 测试方法及结果

　　该系统的测试遵循从部分到整体的原则，先对每个模块进行测试，每个模块测试完毕后再对整个系统进行测试。一台PC机发送数据，另一台PC机接收数据，比较发送的数据和接收的数据从而得到误码率。在波特率为9 600 b/s时，系统误码率测试结果如表1所列。