基于可调频率源的无线信能同传系统及其工作方法

1.本发明涉及无线技术领域，特别涉及一种基于可调频率源的无线信能同传系统及其工作方法。


背景技术：

2.传统的电能传输依靠导线传输，即有线能量传输，也是目前最广泛应用的电能传输形式。然而，随着科技的进步和人类生活水平的提高，有线电能传输的不足之处也愈发不可忽视：大量导线的使用使人类生活显得杂乱无章；电源插座的频繁插拔、导线材质的易磨损性等因素带来了许多安全隐患；导线的使用使得电能的应用场合受到了限制等。因此，近年来无线能量传输得到了很大的发展。
3.然而在很多应用场合不仅需要实现能量的无线传输，同时还需要实现信息的无线传输，即实现无线能量与信息的同步传输。比如在智能弹药、人体植入式设备、传感器网络、rfid、移动设备等领域，发射机在传输能量的同时还需要和接收机进行双向数据的传输，如发射机向接收机发送控制命令，以及接收机向发射机反向传输传感器数据、用户id、充电状态、用户数、接收功率等信息。所以对无线能量与信息的同步传输技术进行研究是非常有必要的。
4.现有的无线信能同传方法主要有两类，一类是信号和能量分通道传输，一类是信号和能量同通道传输。
5.(1)信号和能量分通道传输
6.信号和能量分通道传输是采用不同的两组线圈以及驱动电路，分别进行独立的能量传输和信号传输，如图1所示。
7.这种信能同传方式能通过各自的通道进行传输，具有效率高、速度快等优点，但在同一设备中由于两组耦合线圈相距太近，会相互干扰，尤其是大功率的能量传输很容易对信号传输造成很大的干扰，从而影响系统传输特性。
8.(2)信号和能量同通道传输
9.信号与能量同一通道传输一般分为三种：调幅调制信能同传、调频调制信能同传、直接调频调制信能同传以及信号反向信能同传。
10.a、基于调幅调制的信能同传
11.这种同传方式是在主电路中加入开关管，通过开关管的闭合与断开控制电源输入，使电能传输的幅值发生改变，从而在输出端接收到的电能幅值上具有数字信号“1”、“0”的特征。接收端根据电能的这种变化解调出发射端的信号。
12.b、基于调频调制信能同传
13.基于调频调制的信能同传技术是通过软开关技术控制逆变电路中信号发生器所产生脉冲信号的频率，在实验中通常是在逆变电路的开关管上设置两个不同频率的脉冲信号，分别代表数字信号“0”和“1”，在系统接收端负载上将得到呈现出010101特征的电压波形，即完成了信能同传，该系统的电路结构如图2所示。
14.c、直接调频调制的信能同传
15.这种方式是在不改变感应式电能传输系统结构的前提下，增加一组信号发送线圈和一组信号接收线圈，这两组耦合线圈类似于耦合变压器，利用信号发送线圈直接将高频信号加载到电能发射电路中，然后信号接收线圈再从电能接收回路进行信号的拾取，经过解调电路得到正向信号。电路结构图如图3所示。
16.d、信号反向传输
17.信号反向传输是在接收回路做出改变，为接收端加入两个电容，一个为谐振电容，另一个为失谐电容，通过对两电容的选通改变补偿结构，影响接收回路已经接收到的电能使其具有数字信号的特征，然后获取信号并解调。
18.基于调幅调制的信能同传技术通过控制编码开关的通断可以准确地将信号传输至接收端，具有0、1信号传输界限明确、信号传输受电能传输影响较小等优点，但该发明最大的缺点是电能传输稳定性下降明显，开关断开闭合瞬间易产生谐波干扰，使负载功率在断开期间严重下降，进而影响传输性；基于调频调制信能同传技术是通过改变信号的频率特性来进行调制的，因此与调幅调制相比不会出现能量传输的突然中断和重启，但是仍会降低电能传输效率，且系统调制时延会影响信号传输速率；直接调频调制的信能同传局限于设备体积，不适用于空间狭小的设备，且在传输过程中电能传输会对信号耦合造成较大干扰；信号反向传输技术易引起系统的谐振状态发生偏移，且当系统传输功率较大时会引起较强的电磁干扰，影响周围环境。
19.可见，虽然上述几种方式均能实现信号与能量的同步无线传输，但是每一种方法都各有优缺点，因此需要设计一种既能够克服供电不连续又能够避免系统偏移频率的信能同传系统。此外，上述几种方式都是采用磁耦合式无线传输，该方式虽然传输效率高、穿透性好，但是传输功率低、不适合远距离传输。针对以上问题进行了本发明的设计。


技术实现要素：

20.本发明的目的是提供一种基于可调频率源的无线信能同传系统及其工作方法，以解决现有系统传输功率低、不适合远距离传输等实际技术问题。
21.本发明解决上述技术问题的技术发明如下：
22.一种基于可调频率源的无线信能同传系统，包括可调频率源、功率放大电路、功率分配器、整流电路、滤波电路、信息解调电路、负载，所述可调频率源与功率放大电路相连，所述功率放大电路通过发射天线将信号和能量以电磁波的形式发射到接收天线，所述接收天线接收发射端发射的信号和能量，所述接收天线与功率分配器相连，所述功率分配器分别与整流电路、信息解调电路连接，所述整流电路与滤波电路相连，所述滤波电路与负载相连。
23.进一步地，所述的可调频率源为可调微波频率源，可控制不同频率的持续时间，实现2fsk调制。
24.进一步地，所述的功率放大电路包括晶体管。
25.进一步地，所述的功率分配器为功分器或耦合器。
26.进一步地，所述的整流电路由整流二极管组成。
27.进一步地，所述的滤波电路可去除基频分量以及高次谐波分量。
28.进一步地，所述的信息解调电路可实现发射端信号的复原，得到需要的数字信息。
29.本发明还提供一种基于可调频率源的无线信能同传系统的工作方法，包括以下步骤：
30.(1)发射端：
31.1)晶振产生频率为f1的参考信号s1；
32.2)信号s1经过功率分配器将信号分为了s2和s3两路信号，s2和s3频率皆为f1，功率按照一定的比例被分为了两部分，其中，信号s2作为倍频链路的参考源，信号s3作为锁相环或者dds的参考源；
33.3)信号s2经过放大器放大功率，然后再通过倍频器得到频率为f2的信号s4，信号s4通过滤波器滤掉由倍频器产生的高次谐波和交调信号等干扰信号，得到频率为f2的信号s5；
34.4)信号s3输入到锁相环或者dds中，利用fpga或者单片机控制锁相环或者dds，产生频率可调且频率持续时间可调的信号s6，这里假设任意可调信号s6的频率为f3；
35.5)信号s5经过放大器放大功率后送入混频器，与信号s6相混频，产生频率为f3 f2的信号s7；
36.6)信号s7经过滤波器滤掉由混频器产生的一些杂散信号后，输出频率为f3 f2的信号s8；
37.7)信号s8经过功率放大器放大信号的功率，得到输出频率为f3 f2的信号s9，再由天线将信号发射出去；
38.(2)接收端：
39.1)天线接收到信号s9后经过功率分配器，将信号分为了s10和s11两路信号；
40.2)s10输入到整流电路中，将接收到的交流电能转换为了直流，再经滤波器滤去基频分量以及高次谐波分量后输送给负载；
41.3)s11输入到信息解调电路中，可以解调出相应的信息。
42.本发明具有以下有益效果：
43.本发明采用微波式无线信能传输，且没有采用开关进行信号的切换，与现有技术相比，不仅灵活性强，能较少系统的损耗，提高使用寿命，而且抗干扰性强，突出了本发明技术的显著进步。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
45.图1为能量与信号分通道传输原理图；
46.图2为基于调频调制信能同传系统电路图；
47.图3为直接调制信能同传系统；
48.图4为2fsk信号波形图；
49.图5为基于可调频率源的无线信能同传系统框图；
50.图6为信息解调电路具体方案框图；
51.图7为可调频率源的具体方案框图。
具体实施方式
52.以下结合实施例及附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
53.一、本发明技术原理
54.本发明采用2fsk调制，这种调制方式是一种调频调制，是用载波的频率来传送数字信息(基带信号)，即用所传送的数字信息控制载波的频率。用符号“0”代表载波频率f2，用符号“1”代表载波频率f1(f1与f2是不同的频率)。系统传送信号“0”时，发送频率为f2的载波；传送信号“1”时，发送频率为f1的载波。2fsk波形图如图4所示。
55.本发明利用fpga或单片机软件编程，控制锁相环或者dds使之不同的频率保持不同的时间(2fsk信号)，假设符号“1”代表频率f1，符号“0”代表频率f2，一个符号的持续时间为t1(可看作图4中的100us)。那么可调频率源输出保持时间为2t1的频率f1，然后再输出保持时间为t1的频率f2，则代表基带信号(即数字信息)为110。
56.本发明是利用可调频率源输出2fsk信号，接收端接收到信号将信号功率分为两部分，一部分经过解调电路可以得到发射端发射的信息(即基带信号)。
57.二、本发明系统各模块说明
58.本发明基于可调频率源的无线信能同传系统，如图5所示，包括以下几部分，各部分的说明如下：
59.(1)可调频率源：为可调微波频率源，该模块可以实现任意频率的输出，并且可以控制不同频率的持续时间，实现2fsk调制。
60.(2)功率放大电路：实现信号功率的放大，主要由晶体管组成。
61.(3)功率分配器：可以保持信号的频率不变，将功率按照一定的比例进行分配，一般由功分器或耦合器实现，这两者通常使用微带线设计而成。
62.(4)整流电路：将接收到的交流电能转换为直流的电路，一般由整流二极管组成。
63.(5)滤波电路：整流电路是由整流二极管实现的，二极管的非线性特性会产生高次谐波分量，导致负载端的直流电压脉动成分很大，滤波电路是用来去除基频分量以及高次谐波分量。
64.(6)信息解调电路：实现发射端信号的复原，得到需要的数字信息。
65.信息解调电路：
66.工作原理如图6所示，进入信息解调电路中的信号s9的频率为f3 f2，因为频率f3是可调的，因此进入信息解调电路中的信号频率是变化的。假设两个频率不同的信号为f4和f5，当频率为f4的信号输入电路时，f4 lc并联谐振电路发生谐振，f5 lc并联谐振电路不发生谐振，发生谐振的电路的电压大于不谐振电路的电压，此时电压比较器输出高电平“1”；同理，当频率为f5的信号输入时，输出低电平“0”，即完成了2fsk信号的解调。
67.如图6所示，各模块的说明如下：
68.(1)f4 lc并联谐振电路：由电感和电容组成的谐振电路，谐振频率为f4，频率为f4的信号可以顺利通过。
69.(2)f5 lc并联谐振电路：同f4 lc并联谐振电路。
70.(3)电压比较器：用来比较两个输入电压的大小，由运算放大器组成。当“ ”输入端电压高于
“‑”
输入端时，电压比较器输出为高电平，可表示为数字“1”；当“ ”输入端电压低于
“‑”
输入端时，电压比较器输出为低电平，可表示为“0”。
71.三、本发明系统的工作方法详细说明
72.结合图5、附图6和附图7对整个系统的工作方法进行说明：
73.(1)发射端：
74.1)晶振产生频率为f1的参考信号s1；
75.2)信号s1经过功率分配器将信号分为了s2和s3两路信号，s2和s3频率皆为f1，功率按照一定的比例被分为了两部分，其中，信号s2作为倍频链路的参考源，信号s3作为锁相环或者dds的参考源；
76.3)信号s2经过放大器放大功率，然后再通过倍频器得到频率为f2的信号s4，信号s4通过滤波器滤掉由倍频器产生的高次谐波和交调信号等干扰信号，得到频率为f2的信号s5；
77.4)信号s3输入到锁相环或者dds中，利用fpga或者单片机控制锁相环或者dds，产生频率可调且频率持续时间可调的信号s6，这里假设任意可调信号s6的频率为f3；
78.5)信号s5经过放大器放大功率后送入混频器，与信号s6相混频，产生频率为f3 f2的信号s7；
79.6)信号s7经过滤波器滤掉由混频器产生的一些杂散信号后，输出频率为f3 f2的信号s8；
80.7)信号s8经过功率放大器放大信号的功率，得到输出频率为f3 f2的信号s9，再由天线将信号发射出去；
81.(2)接收端：
82.1)天线接收到信号s9后经过功率分配器，将信号分为了s10和s11两路信号；
83.2)s10输入到整流电路中，将接收到的交流电能转换为了直流，再经滤波器滤去基频分量以及高次谐波分量后输送给负载；
84.3)s11输入到信息解调电路中，可以解调出相应的信息。
85.本发明系统采用微波式无线信能传输，且没有采用开关进行信号的切换，与现有技术相比，具有以下技术优势：
86.(1)灵活性强，只需要改变fpga或者dds的代码，不需要切换开关，即可将不同的信号进行传送；
87.(2)利用微波式传输可实现中远距离信号输送；
88.(3)较少系统的损耗，提高使用寿命。其现有技术利用开关切换，对开关要求性能高，且如果要传送连续不断的信号，则需要开关不断地切换，对开关要求性能高，容易产生开关损耗，本发明直接利用软件控制，则不存在此类问题；
89.(4)抗干扰性强。采用2fsk调制不依赖幅度来传输信号，所以即使有相同频率的干扰源扰乱了电波的幅度，也不会对2fsk信号形成噪声。
90.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。