[發(fā)明專利]一種無(wú)線能量與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310116677.0
• 申請(qǐng)日: 2023-02-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN116231878A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王懿杰;李陶;孫智超;麥建偉;徐殿國(guó)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J50/10
• 分類號(hào): H02J50/10;H02J50/40;H02J50/80;H04B1/40;H04L5/14;H04L27/12;H04L27/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽(yáng)光惠遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 陳晶

一種無(wú)線能量與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法，涉及無(wú)線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，解決的技術(shù)問(wèn)題為“如何改善系統(tǒng)通信性能的同時(shí)簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)”，所述系統(tǒng)包括：能量傳輸回路和數(shù)據(jù)傳輸回路；所述數(shù)據(jù)傳輸回路包括全雙工調(diào)制解調(diào)器，以及與所述全雙工調(diào)制解調(diào)器連接的數(shù)據(jù)收發(fā)器，所述數(shù)據(jù)收發(fā)器包括原邊數(shù)據(jù)收發(fā)器和副邊數(shù)據(jù)收發(fā)器；所述原邊數(shù)據(jù)收發(fā)器包括第一電容、第二電容以及原邊隔離變壓器；該系統(tǒng)利用簡(jiǎn)單的電路拓?fù)浜洼^少的元器件充分?jǐn)U展了通信頻段，匹配以具有高頻譜利用率和良好功率譜特性的MSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，能夠顯著地提高系統(tǒng)的通信性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的無(wú)線能量與數(shù)據(jù)傳輸方案主要有以下幾種：

第一種：能量和數(shù)據(jù)通過(guò)不同的物理信道傳輸。設(shè)置兩組不同的線圈，能量載波通過(guò)一對(duì)感應(yīng)線圈傳輸，數(shù)據(jù)載波通過(guò)另一對(duì)感應(yīng)線圈傳輸。但是，一方面，增設(shè)的耦合線圈帶來(lái)的尺寸和成本的增加，對(duì)于有體積或成本限制的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不可接受的；另一方面，能量載波產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾依然會(huì)耦合到數(shù)據(jù)回路而難以消除。

第二種：通過(guò)頻移鍵控(FSK)直接調(diào)制能量載波以實(shí)現(xiàn)電源側(cè)向負(fù)載側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)負(fù)載調(diào)制鍵控(LSK)來(lái)實(shí)現(xiàn)反向數(shù)據(jù)傳輸。這種方案被引入QI標(biāo)準(zhǔn)在消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到了商業(yè)化應(yīng)用。這種無(wú)線能量與數(shù)據(jù)同步傳輸方式的能量傳輸與數(shù)據(jù)傳輸共用同一組耦合線圈。但是，一方面，這種無(wú)線能量與數(shù)據(jù)同步傳輸方式直接對(duì)能量載波進(jìn)行調(diào)制導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量傳輸?shù)母蓴_大，不適用于大功率場(chǎng)合；另一方面，這種無(wú)線能量與數(shù)據(jù)同步傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率受限于能量載波頻率，因而普遍較低。

第三種：基于多載波通信方案，將能量和數(shù)據(jù)載波通過(guò)同一組耦合線圈進(jìn)行無(wú)線傳輸。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)調(diào)制到高頻載波上，經(jīng)功率放大后耦合到功率傳輸電路上。高頻信號(hào)經(jīng)松耦合變壓器傳輸?shù)浇邮斩耍邮斩送ㄟ^(guò)耦合電路提取高頻信號(hào)，再經(jīng)濾波、放大和解調(diào)后還原成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。這種無(wú)線能量與數(shù)據(jù)同步傳輸方式不需要增設(shè)額外的線圈，并且由于數(shù)據(jù)載波與能量載波的頻率不同，使得數(shù)據(jù)傳輸對(duì)功率傳輸?shù)母蓴_較小，高頻的數(shù)據(jù)載波還可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。

為了實(shí)現(xiàn)頻分雙工，現(xiàn)有的方案都采用了非常復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)擴(kuò)展通信頻段，以實(shí)現(xiàn)較高增益和信噪比。同時(shí)，現(xiàn)有的基于多載波通信的無(wú)線能量數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)通常采用ASK或FSK的調(diào)制方式將數(shù)據(jù)調(diào)制到高頻載波上，由于ASK技術(shù)頻譜效率高但是抗干擾能力差，而FSK技術(shù)抗干擾能力較好、誤碼性能好但頻譜效率低，因此導(dǎo)致現(xiàn)有方案無(wú)法在抗干擾能力和頻譜效率方面取得平衡。此外，由于現(xiàn)有基于多載波通信的無(wú)線能量數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)普遍采用模擬調(diào)制解調(diào)技術(shù)，導(dǎo)致電路調(diào)試復(fù)雜，系統(tǒng)抗干擾能力較差，且通信頻段較窄。

因此，如何提供一種無(wú)線能量與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法，使其能夠克服電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及通信性能不理想的問(wèn)題，成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的數(shù)據(jù)傳輸通信性能不理想且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種無(wú)線能量與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)采用全數(shù)字的全雙工調(diào)制解調(diào)器和電路簡(jiǎn)化的全雙工數(shù)據(jù)收發(fā)器，該參數(shù)設(shè)計(jì)方法基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)能量傳輸情況計(jì)算得到適用于該系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)配置，該系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計(jì)方法能夠使數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)電路簡(jiǎn)化的同時(shí)提高通信性能。

一種無(wú)線能量與數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：能量傳輸回路和數(shù)據(jù)傳輸回路；

所述能量傳輸回路用于傳輸能量信號(hào)，包括依次連接的供電模塊、原邊補(bǔ)償電路、帶抽頭的松耦合變壓器、副邊補(bǔ)償電路以及負(fù)載模塊，所述松耦合變壓器用于實(shí)現(xiàn)能量信號(hào)從原邊傳輸至副邊；

所述數(shù)據(jù)傳輸回路包括全雙工調(diào)制解調(diào)器，以及與所述全雙工調(diào)制解調(diào)器連接的數(shù)據(jù)收發(fā)器，所述數(shù)據(jù)收發(fā)器包括原邊數(shù)據(jù)收發(fā)器和副邊數(shù)據(jù)收發(fā)器；

所述全雙工調(diào)制解調(diào)器用于對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)；