一种无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法

本发明涉及无线电能传输。

背景技术：

1、现有的无线能量与数据传输方案主要有以下几种：

2、第一种：能量和数据通过不同的物理信道传输。设置两组不同的线圈，能量载波通过一对感应线圈传输，数据载波通过另一对感应线圈传输。但是，一方面，增设的耦合线圈带来的尺寸和成本的增加，对于有体积或成本限制的应用来说是不可接受的；另一方面，能量载波产生的强电磁干扰依然会耦合到数据回路而难以消除。

3、第二种：通过频移键控(fsk)直接调制能量载波以实现电源侧向负载侧的数据传输，并通过负载调制键控(lsk)来实现反向数据传输。这种方案被引入qi标准在消费电子产品中得到了商业化应用。这种无线能量与数据同步传输方式的能量传输与数据传输共用同一组耦合线圈。但是，一方面，这种无线能量与数据同步传输方式直接对能量载波进行调制导致数据传输对能量传输的干扰大，不适用于大功率场合；另一方面，这种无线能量与数据同步传输方式的数据传输速率受限于能量载波频率，因而普遍较低。

4、第三种：基于多载波通信方案，将能量和数据载波通过同一组耦合线圈进行无线传输。在发送数据时，先将数据调制到高频载波上，经功率放大后耦合到功率传输电路上。高频信号经松耦合变压器传输到接收端，接收端通过耦合电路提取高频信号，再经滤波、放大和解调后还原成二进制数字信号。这种无线能量与数据同步传输方式不需要增设额外的线圈，并且由于数据载波与能量载波的频率不同，使得数据传输对功率传输的干扰较小，高频的数据载波还可以提高数据的传输速率。

5、为了实现频分双工，现有的方案都采用了非常复杂的电路结构扩展通信频段，以实现较高增益和信噪比。同时，现有的基于多载波通信的无线能量数据同步传输系统通常采用ask或fsk的调制方式将数据调制到高频载波上，由于ask技术频谱效率高但是抗干扰能力差，而fsk技术抗干扰能力较好、误码性能好但频谱效率低，因此导致现有方案无法在抗干扰能力和频谱效率方面取得平衡。此外，由于现有基于多载波通信的无线能量数据同步传输系统普遍采用模拟调制解调技术，导致电路调试复杂，系统抗干扰能力较差，且通信频段较窄。

6、因此，如何提供一种无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法，使其能够克服电路结构复杂以及通信性能不理想的问题，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的数据传输通信性能不理想且电路结构复杂的技术问题，本发明提供了一种无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法，该系统采用全数字的全双工调制解调器和电路简化的全双工数据收发器，该参数设计方法基于系统结构以及数据能量传输情况计算得到适用于该系统的最优参数配置，该系统及参数设计方法能够使数据传输系统电路简化的同时提高通信性能。

2、一种无线能量与数据同步传输系统，所述系统包括：能量传输回路和数据传输回路；

3、所述能量传输回路用于传输能量信号，包括依次连接的供电模块、原边补偿电路、带抽头的松耦合变压器、副边补偿电路以及负载模块，所述松耦合变压器用于实现能量信号从原边传输至副边；

4、所述数据传输回路包括全双工调制解调器，以及与所述全双工调制解调器连接的数据收发器，所述数据收发器包括原边数据收发器和副边数据收发器；

5、所述全双工调制解调器用于对待发送数据信号进行调制，对接收信号进行解调；

6、所述原边数据收发器包括原边第一电容、原边第二电容以及原边隔离变压器，所述原边第一电容一端与所述全双工调制解调器的数据发送端连接，另一端与所述原边隔离变压器的一次侧连接，所述原边隔离变压器的一次侧同时与所述全双工调制解调器的数据接收端连接，所述原边第二电容一端与所述原边隔离变压器的二次侧连接，另一端与所述松耦合变压器的一次侧抽头连接；

7、所述副边数据收发器与所述松耦合变压器的二次侧抽头连接，且与所述原边数据收发器结构相同。

8、进一步地，所述供电模块包括并联连接的直流电源和逆变器，所述逆变器通过原边补偿电路与所述松耦合变压器的一次侧连接；

9、所述负载模块包括并联连接的整流器、滤波器以及负载，所述整流器通过副边补偿电路与所述松耦合变压器的二次侧连接。

10、进一步地，所述原边补偿电路包括原边并联电容cf1、原边串联电容cp以及原边电感lf1，所述原边电感lf1一端与所述供电模块连接，另一端与所述原边并联电容cf1的一端以及原边串联电容cp的一端连接，所述原边并联电容cf1的另一端以及原边串联电容cp的另一端分别与所述松耦合变压器的一次侧连接，且所述原边并联电容cf1的另一端同时与所述供电模块连接；

11、所述副边补偿电路与所述负载模块连接，且与所述原边补偿电路结构相同；

12、所述副边补偿电路包括副边并联电容cf2、副边串联电容cs以及副边电感lf2，所述副边电感lf2一端与所述负载模块连接，另一端与所述副边并联电容cf2的一端以及副边串联电容cs的一端连接，所述副边并联电容cf2的另一端以及副边串联电容cs的另一端分别与所述松耦合变压器的二次侧连接，且所述副边并联电容cf2的另一端同时与所述供电模块连接。

13、进一步地，所述全双工调制解调器包括数字式频率合成器dds、模拟数字转换器adc以及现场可编程逻辑门阵列fpga，所述现场可编程逻辑门阵列fpga包括差分编码单元、带通滤波单元、最小频移键控msk解调单元以及差分解码单元；

14、调制时，发送数据依次经过差分编码单元和数字式频率合成器dds，得到已调制的数据信号；解调时，待解调的数据信号依次经过模拟数字转换器adc、带通滤波单元、最小频移键控msk解调单元以及差分解码单元，得到接收数据。

15、一种无线能量与数据同步传输系统参数设计方法，应用于上述系统，所述方法包括如下步骤：

16、s1、获取能量信号参数、松耦合变压器参数以及数据传输参数；

17、s2、根据所述松耦合变压器参数，得到以及原副边数据收发器与所述松耦合变压器的连接位置；

18、s3、基于所述能量信号参数以及松耦合变压器参数，计算原副边补偿电路参数；

19、s4、基于所述数据传输参数，计算原副边数据收发器参数以及正反向数据传输的载波中心频率。

20、进一步地，步骤s3包括：

21、基于松耦合变压器原边线圈的自感lp、副边线圈的自感ls以及待传输能量信号的角频率ωp，计算所述原副边补偿电路参数，所述原副边补偿电路参数包括原边并联电容cf1、原边串联电容cp、原边电感lf1、副边并联电容cf2、副边串联电容cs、副边电感lf2；

22、计算能量传输的功率和效率；

23、根据所述功率和/或效率，对所述原副边补偿电路参数进行优化。

24、进一步地，步骤s2包括：

25、将所述松耦合变压器参数输入至电磁仿真软件对数据传输过程进行仿真，获取所述松耦合变压器原副边线圈等效耦合系数最大时一次侧抽头位置和二次侧抽头位置，所述一次侧抽头位置为所述原边数据收发器与所述松耦合变压器的连接位置，所述二次侧抽头位置为所述副边数据收发器与所述松耦合变压器的连接位置。

26、进一步地，步骤s4包括：

27、通过数学分析软件生成多条数据传输增益曲线；

28、基于所述数据传输参数选择一条数据传输增益曲线，确定选定的数据传输增益曲线对应的环路阻抗系数、环路电感值以及环路电容值；

29、根据所述环路阻抗系数、环路电感值以及环路电容值，计算得到原边数据收发器参数、副边数据收发器参数以及正反向数据传输的载波中心频率。

30、一种无线能量与数据同步传输系统参数设计装置，包括：

31、参数获取模块，用于获取能量信号参数、松耦合变压器参数以及数据传输参数；

32、连接位置确定模块，用于根据所述松耦合变压器参数，得到原边数据收发器与所述松耦合变压器的连接位置以及副边数据收发器与所述松耦合变压器的连接位置；

33、补偿电路计算模块，用于基于所述能量信号参数以及松耦合变压器参数，计算原副边补偿电路参数；

34、数据收发器计算模块，用于基于所述数据传输参数，计算原边数据收发器参数、副边数据收发器参数、正向数据传输的载波中心频率以及反向数据传输的载波中心频率。

35、一种电子设备，包括处理器和存储装置，所述存储装置中存有多条指令，所述处理器用于读取所述存储装置中的多条指令并执行如本发明所述的任意一种参数设计方法。

36、本发明提供的无线能量与数据同步传输系统及其参数设计方法，至少包括如下有益效果：

37、(1)本发明提出的无线能量数据同步传输系统采用了新型数据收发器电路，引入了msk调制解调技术和基于fpga的全数字调制解调技术，并且简化了电路结构，减少了元器件数量，避免了传统方案的双工器等复杂电路结构，仅需四个电容和两个隔离变压器即可实现全双工通信的数据载波的注入和提取，采用两个隔离变压器便能够有效保护全双工调制解调器，该系统利用简单的电路拓扑和较少的元器件充分扩展了通信频段，匹配以具有高频谱利用率和良好功率谱特性的msk数字调制解调技术，能够显著地提高系统的通信性能，误码率低、带宽较大且数据通道增益较大。

38、(2)本发明提出的无线能量数据同步传输系统通过优化松耦合变压器抽头位置，提高了数据传输通道的耦合系数，由于数据收发器与松耦合变压器采取抽头连接，电路设计上也具有较高的灵活性，可以根据应用的需要灵活选取数据收发器的四个电容值实现不同的信道特征。

39、(3)本发明提出的无线能量数据同步传输系统采用原副边补偿电路，可以提供原边电路工作所需的无功功率，实现系统恒流输出和零相角输入的特性，此外，还可以滤除因逆变单元的逆变而引入至原边电路中的高次谐波，降低能量传输对于数据传输的干扰，误码率低，使得数据信号波形在有无能量传输时基本保持一致。

40、本发明所述的无线能量与数据同步传输系统能够应用于多载波通信领域。