一种基于4ASK的高速全双工无线电能与数据同步传输系统

摘要

本发明公开了一种基于4ASK的高速全双工无线电能与数据同步传输系统，属于无线电能传输控制技术领域，解决了现有技术中无线电能与数据同步传输系统方案中存在的体积大、传输速度慢以及不能满足全双工的问题。本发明提出了一种基于4ASK的高速全双工无线电能与数据同步传输系统及其参数获取方式。基于双谐滤波器选频特性，通过将前向数据传输耦合机构串接于功率耦合线圈，将后向数据传输耦合机构并接于功率耦合线圈，实现全双工无线电能与数据同步传输；通过设计一种基于4ASK的调制与解调电路增快基于ASK调制的无线电能与数据同步传输系统的传输速度。

说明书

技术领域

本发明属于无线电能传输控制技术领域，特别涉及一种基于4ASK的高速全双工无线电能与数据同步传输系统。

背景技术

无线电能传输系统因其可靠、安全、方便以及低维护成本等优势已广泛应用于医疗设备、便携式电子设备、智能家居、交通和航空航天等领域。为实现反馈控制，负载识别以及状态见识等功能，需要可靠的双向数据通讯。但是传统的无线通讯装置(如射频通信技术)电磁兼容性不好，电能传输对信号传输的准确率有影响。

现有文献已经提出了几种基于电磁感应实现电能与数据信号传输的技术，其大致可以以下三种：

1.通过调制能量信号实现无线信号通信；该方案在现有的无线电能传输系统基础上对系统传输电能加以调制，将能量信号的变化转化为副边电压的变化以实现无线电能与数据同步传输。但由于无线电能传输的频率限制，该方案传输速率较低；其次，对传输能量的直接调制会使降低系统效率与稳定性。

2.采用独立通道实现无线电能与信号传输；该方案在现有的无线电能传输系统基础上增加额外的信号传输通道以实现无线电能与数据同步传输。但额外的信号传输通道会显著增加系统的成本与体积；其次，随着传输功率的增大，能量与线圈会出现交叉耦合现象，会显著影响信号传输的可靠性。

3.采用共享通道实现无线电能与信号传输；该方案中电能与信号共享，具有抗干扰强、电磁兼容性好、结构简单与尺寸小等优点。

然而这些方案未能有效解决无线电能与数据同步传输系统的全双工传输需求。现有的调制技术主要包括振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)与移相键控(PSK)等。相比于FSK与PSK，ASK实现简单,频带利用率较高，因而最常被采用于无线电能与数据同步传输系统，但其具有抗噪声性能差与传输速率较慢的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于4ASK的高速全双工无线电能与数据同步传输系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于4ASK的高速全双工无线电能与数据同步传输系统，包括原边电路、副边电路和磁耦合单元；

原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、前向信号调制单元与加载单元和后向信号提取单元与解调单元；逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为高频交流电压信号；原边补偿单元用于提供原边电路工作所需的无功功率以及滤除逆变电路输出的高次谐波；前向信号调制单元与加载单元是将待前向待传输的信号数据进行4ASK调制，并将已调信号加载到待传输的能量信号上；后向信号提取单元与解调单元是提取反向传输的已调信号，并对提取到的已调信号进行4ASK解调，得到数据信号；

副边电路包括整流单元、副边补偿单元、后向信号调制单元与加载单元和前向信号提取单元与解调单元；逆变单元用于将高频交流电压信号转换为直流电压信号；副边补偿单元用于提供副边电路工作所需的无功功率以及滤除整流电路输出的高次谐波；后向信号调制单元与加载单元是将待后向待传输的信号数据进行4ASK调制，并将已调信号加载到待传输的能量信号上；前向信号提取单元与解调单元是提取前向传输的已调信号，并对提取到的已调信号进行4ASK解调，得到数据信号；

磁耦合单元为松散耦合变压器，能够双向传输原边与副边电路的电能与信号的叠加信号。

进一步的，原边电路、副边电路和磁耦合单元包括功率传输通道、前向数据传输通道和后向数据传输通道。

进一步的，对于功率传输通道，V

进一步的，对于前向数据传输通道，前向加载单元与提取单元是通过数据加载变压器T

其中ω

进一步的，对于后向数据传输通道，后向加载单元与提取单元是通过数据加载变压器T

其中ω

进一步的，通过设置频率ω

进一步的，优先确定L

其中，U

对于后向输出传输通道，前向数据传输通道相当于断路，L

其中，U

进一步的，基于4ASK前向与后向的信号调制与解调单元机理一致，包括一个四选一的模拟开关、一个二选一的模拟开关以及甲乙类功率放大电路；

传输数据0时，二进制选通信号为00，四选一的模拟开关选通占空比为15％的方波信号S0；

传输数据1时，二进制选通信号为01，四选一的模拟开关选通占空比为30％的方波信号S1；

传输数据2时，二进制选通信号为10，四选一的模拟开关选通占空比为45％的方波信号S2；

传输数据3时，二进制选通信号为11，四选一的模拟开关选通占空比为60％的方波信号S3；

通过四选一的模拟开关输出的方波信号经二选一的模拟开关对高频载波实现OOK调制得到已调信号U

信号提取单元提取已调信号V

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明所述的无线电能与数据同步传输系统采用共享通道实现电能与信号传输，无需增设无线通信模块或信号线圈，具有抗干扰强、电磁兼容性好与结构简单等优点。

本发明通过双谐滤波器构建加载信号单元与提取单元，利用双谐滤波器的选频特性将前向数据传输耦合机构串接于功率耦合线圈，将后向数据传输耦合机构并接于功率耦合线圈，实现全双工无线电能与数据同步传输。

本发明通过设计一种基于4ASK的调制与解调方法，以增快基于传统ASK的无线电能与数据同步传输系统的传输速度。

附图说明

图1是本发明提出的高速全双工无线能量电能与数据同步传输系统结构示意图；

图2是本发明前向信号传输通道的等效结构示意图；

图3是本发明后向信号传输通道的等效结构示意图；

图4是本发明4ASK信号调制电路结构示意图；

图5是本发明4ASK信号解调电路结构示意图；

图6是本发明4ASK信号解调电路工作机理示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

所述无线电能与数据同步传输系统包括原边电路、副边电路和磁耦合单元。

原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、前向信号调制单元与加载单元、后向信号提取单元与解调单元。逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为高频交流电压信号；原边补偿单元用于提供原边电路工作所需的无功功率以及滤除逆变电路输出的高次谐波；前向信号调制单元与加载单元是将待前向待传输的信号数据进行4ASK调制，并将已调信号加载到待传输的能量信号上；后向信号提取单元与解调单元是提取反向传输的已调信号，并对提取到的已调信号进行4ASK解调，得到数据信号。

副边电路包括整流单元、副边补偿单元、后向信号调制单元与加载单元、前向信号提取单元与解调单元。逆变单元用于将高频交流电压信号转换为直流电压信号；副边补偿单元用于提供副边电路工作所需的无功功率以及滤除整流电路输出的高次谐波；后向信号调制单元与加载单元是将待后向待传输的信号数据进行4ASK调制，并将已调信号加载到待传输的能量信号上；前向信号提取单元与解调单元是提取前向传输的已调信号，并对提取到的已调信号进行4ASK解调，得到数据信号。

磁耦合单元为松散耦合变压器，能够双向传输原边与副边电路的电能与信号的叠加信号。

进一步地，对于功率传输通道，V

对于前向数据传输通道，前向加载单元与提取单元是通过数据加载变压器T

其中ω

对于后向数据传输通道，后向加载单元与提取单元是通过数据加载变压器T

其中ω

通过合理的设置频率ω

因为前向数据传输通道为串联耦合，信息传输增益相比于后向通道小，则优先确定L

其中，U

对于后向输出传输通道，前向数据传输通道相当于断路，L

其中，U

进一步地，基于4ASK前向与后向的信号调制与解调单元机理一致，包括一个四选一的模拟开关、一个二选一的模拟开关以及甲乙类功率放大电路。传输数据0时，二进制选通信号为00，四选一的模拟开关选通占空比为15％的方波信号S0；传输数据1时，二进制选通信号为01，四选一的模拟开关选通占空比为30％的方波信号S1；传输数据2时，二进制选通信号为10，四选一的模拟开关选通占空比为45％的方波信号S2；传输数据3时，二进制选通信号为11，四选一的模拟开关选通占空比为60％的方波信号S3。通过四选一的模拟开关输出的方波信号经二选一的模拟开关对高频载波实现OOK调制得到已调信号U

信号提取单元提取已调信号V

本发明解决了现有技术中无线电能与数据同步传输系统方案中存在的体积大、传输速度慢以及不能满足全双工的问题。本发明提出了一种基于4ASK的高速全双工无线电能与数据同步传输系统及其参数获取方式。基于双谐滤波器选频特性，通过将前向数据传输耦合机构串接于功率耦合线圈，将后向数据传输耦合机构并接于功率耦合线圈，实现全双工无线电能与数据同步传输；通过设计一种基于4ASK的调制与解调电路增快基于ASK调制的无线电能与数据同步传输系统的传输速度。

实施例1

本实施方式的基于4ASK的高速全双工无线能量电能与数据同步传输系统包括原边电路、副边电路和磁耦合单元。

原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、前向信号调制单元与加载单元、后向信号提取单元与解调单元。逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为高频交流电压信号；原边补偿单元用于提供原边电路工作所需的无功功率以及滤除逆变电路输出的高次谐波；前向信号调制单元与加载单元是将待前向待传输的信号数据进行4ASK调制，并将已调信号加载到待传输的能量信号上；后向信号提取单元与解调单元是提取反向传输的已调信号，并对提取到的已调信号进行4ASK解调，得到数据信号。

副边电路包括整流单元、副边补偿单元、后向信号调制单元与加载单元、前向信号提取单元与解调单元。逆变单元用于将高频交流电压信号转换为直流电压信号；副边补偿单元用于提供副边电路工作所需的无功功率以及滤除整流电路输出的高次谐波；后向信号调制单元与加载单元是将待后向待传输的信号数据进行4ASK调制，并将已调信号加载到待传输的能量信号上；前向信号提取单元与解调单元是提取前向传输的已调信号，并对提取到的已调信号进行4ASK解调，得到数据信号。

磁耦合单元为松散耦合变压器，能够双向传输原边与副边电路的电能与信号的叠加信号。

实施例2

在实施例1的基础上，如图1所示，对于功率传输通道，V

对于前向数据传输通道，前向加载单元与提取单元是通过数据加载变压器T

其中ω

对于后向数据传输通道，后向加载单元与提取单元是通过数据加载变压器T

其中ω

通过合理的设置频率ω

因为前向数据传输通道为串联耦合，信息传输增益相比于后向通道小，则优先确定L

U

则前向数据传输通道电压增益G

其中，U

当后向数据传输时，前向传输加载与提取通道相当于断路，后向数据传输通道的等效电路图如图3所示，后向通道的各部分阻抗表示为：

U

则后向数据传输通道电压增益G

其中，U

实施例3

在实施例1的基础上，基于4ASK前向与后向的信号调制与解调单元机理一致，前向与后向的信号调制单元如图4所示，包括一个四选一的模拟开关、一个二选一的模拟开关以及甲乙类功率放大电路。传输数据0时，二进制选通信号为00，四选一的模拟开关选通占空比为15％的方波信号S0；传输数据1时，二进制选通信号为01，四选一的模拟开关选通占空比为30％的方波信号S1；传输数据2时，二进制选通信号为10，四选一的模拟开关选通占空比为45％的方波信号S2；传输数据3时，二进制选通信号为11，四选一的模拟开关选通占空比为60％的方波信号S3。通过四选一的模拟开关输出的方波信号经二选一的模拟开关对高频载波实现OOK调制得到已调信号U

前向与后向的信号解调单元如图5所示，其工作机理如图6所示。信号提取单元提取已调信号V

表1 3线-2线解码器的真值表

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。