本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种无线携能通信系统及方法的设计。
背景技术
传统的供电方案(有线供电、内置电池等)作为当前最主要的供电手段，其在安全性、便利性方面的固有缺陷决定其将越来越无法满足社会发展的需求。当前随着智能穿戴设备的不断普及，各式各样的智能手环、智能手表、智能眼镜等智能穿戴设备随处可见，这一类设备具有两个显著的特点：一是功耗极低、电池容量不大并且充电功率不高；二是这些设备大多数时间是暴露在电磁波当中的。因此，通过无限能量传输可以随时随地为这些设备充电。一方面，省去了用户每天摘下智能穿戴充电的麻烦；另一方面，回收利用了那些原本会转化为热量耗散掉的电磁波中的能量，可以说是一个既方便又环保的优秀解决方案。因此，采用无线方式为设备供电已经成为当今能量传输领域的研究新热点和发展趋势，它可以实现非接触式供电，设备也相对简化，且更加安全、方便，具有十分广阔的应用前景。
无线能量传输技术(wirelesspowertransfer，wpt)是一种新兴的输电方式，目前主要有三种实现方式：电磁感应式、磁耦合谐振式以及射频辐射式。
电磁感应式技术主要通过交变电流产生的交变磁场，利用电磁感应原理传输能量，将接收线圈放入到磁场中就可以产生感应电动势向负载充电。该方法比较简单易行，但传输距离较短，通常在1cm以下，距离增大损耗严重，且容易受到收发端的位移与频率变化的影响。
磁耦合谐振式技术是利用发射线圈与接收线圈之间的磁场耦合谐振来传输能量的技术。该技术的理论基础在于两侧振荡电路的强电磁耦合，属于近场无损非辐射谐振耦合，可以在中远距离范围内实现高效能量传输。
射频辐射式技术属于远场传输技术，主要通过功率放大器发射射频信号，然后通过检波、高频整流后得到直流电供负载使用，射频辐射式的优点在于传输距离较远，能达几十米甚至上百米，但通常传输功率很小，大约为几毫瓦到100毫瓦。
无线携能通信技术(simultaneouswirelessinformationandpowertransfer，swipt)将通信技术与输电技术交叉融合，实现了信息与能量的并行传输。swipt作为一项新兴技术，一方面要关注能量的传输效率，另一方面要关注信息传输的可靠性。现有的无线携能通信系统存在误码率较高，且对信噪比要求较高的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有技术中无线携能通信系统存在误码率较高，且对信噪比要求较高的问题，提出了一种无线携能通信系统及方法。
本发明的技术方案为：一种无线携能通信系统，包括发射机子系统和接收机子系统；发射机子系统包括信号生成模块、谐振电路、功放电路以及发射天线；信号生成模块用于根据原始信号和能量生成携能信号；谐振电路的输入端连接信号生成模块的输出端，谐振电路用于对携能信号进行电场能和磁场能相互转换，从而实现携能信号的传递；功放电路的输入端连接谐振电路的输出端，功放电路用于对携能信号进行功率放大；发射天线的输入端连接功放电路的输出端，发射天线用于将携能信号由发射机子系统发送至接收机子系统；接收机子系统包括接收天线、射频开关、信号接收模块、整流电路以及稳压电路；接收天线与发射天线磁场耦合，接收天线用于接收发射天线发送的携能信号；射频开关的输入端与连接接收天线的输出端，射频开关用于对携能信号进行选择，得到数据部分信号和能量部分信号；信号接收模块的输入端连接射频开关的第一输出端，信号接收模块用于接收射频开关选择出的数据部分信号，并对数据部分信号进行处理，得到原始信号；整流电路的输入端连接射频开关的第二输出端，整流电路用于接收射频开关选择出的能量部分信号，并对能量部分信号进行整流；稳压电路的输入端连接整流电路的输出端，稳压电路用于对整流后的能量部分信号进行稳压，并将稳压后的能量部分信号输出至直流负载进行工作与测量。
进一步地，信号生成模块包括信号发生器、扩频码发生器、扩频器、载波发生器以及数据调制器；扩频器的输入端分别与信号发生器的输出端以及扩频码发生器的输出端连接，数据调制器的输入端分别与扩频器的输出端以及载波发生器的输出端连接，数据调制器的输出端为信号生成模块的输出端；信号发生器用于将原始信号和能量进行成帧操作，得到携能信号；扩频码发生器用于产生扩频码；扩频器用于根据扩频码对携能信号进行扩频处理；载波发生器用于产生载波；数据调制器用于根据载波对携能信号进行调制。
进一步地，谐振电路包括电阻r1、电容c1以及电感l1，电阻r1的一端与电容c1的一端共同作为谐振电路的输入端，电阻r1的另一端与电感l1的一端连接，电容c1的另一端与电感l1的另一端连接并作为谐振电路的输出端。
进一步地，功放电路包括电阻r2、电容c2、电感l2、电感l3、电感l4以及mos管q1，mos管q1的源极接地，其栅极为功放电路的输入端，其漏极分别与电感l2的一端以及电感l4的一端连接，电感l4的另一端连接电源，电感l2的另一端与电感l3的一端连接，电感l3的另一端与电容c2的一端连接，电容c2的另一端为功放电路的输出端，并与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端接地。
进一步地，信号接收模块包括本地载波发生器、数据解调器、解扩码发生器以及解扩器；数据解调器的输入端分别与射频开关的第一输出端以及本地载波发生器的输出端连接，解扩器的输入端分别与数据解调器的输出端以及解扩码发生器的输出端连接；本地载波发生器用于产生本地载波；数据解调器用于根据本地载波对数据部分信号进行解调；解扩码发生器用于产生解扩码；解扩器用于根据解扩码对解调后的数据部分信号进行解扩处理，得到原始信号。
进一步地，整流电路包括变压器t1、电容c4、电容c5、电阻r3、二极管d1以及二极管d2，变压器t1的初级线圈的两端共同作为整流电路的输入端，其次级线圈的一端与电容c4的一端连接，其次级线圈的另一端分别与二极管d1的负极、电容c5的一端以及电阻r3的一端连接，电容c4的另一端分别与二极管d1的正极以及二极管d2的负极连接，二极管d2的正极分别与电容c5的另一端以及电阻r3的另一端连接，电阻r3的两端共同作为整流电路的输出端。
本发明还提供了一种无线携能通信方法，包括以下步骤：
s1、在信号生成模块中根据原始信号和能量生成携能信号，并对携能信号进行扩频和调制处理。
s2、通过谐振电路对携能信号进行电场能和磁场能相互转换，从而实现携能信号的传递。
s3、通过功放电路对携能信号进行功率放大。
s4、通过发射天线将功率放大后的携能信号从发射机子系统发送至接收机子系统的接收天线。
s5、通过射频开关对接收天线接收到的携能信号进行选择，得到数据部分信号和能量部分信号，并将数据部分信号通过射频开关的第一输出端输出至信号接收模块，将能量部分信号通过射频开关的第二输出端输出至整流电路。
s6、通过信号接收模块对数据部分信号进行解调和解扩处理，得到原始信号。
s7、通过整流电路对能量部分信号进行整流。
s8、通过稳压电路对整流后的能量部分信号进行稳压，并将稳压后的能量部分信号输出至直流负载进行工作与测量。
进一步地，步骤s1包括以下分步骤：
s11、通过信号发生器将原始信号和能量进行成帧操作，得到携能信号。
s12、通过扩频码发生器产生扩频码。
s13、在扩频器中根据扩频码对携能信号进行扩频处理。
s14、通过载波发生器产生载波。
s15、在数据调制器中根据载波对扩频后的携能信号进行调制。
进一步地，步骤s11具体为：
将原始信号与8位能量帧头进行同步成帧，将得到的8位同步帧头与后续的4位类型帧以及20位数据帧共同构成32位的携能信号帧。
进一步地，步骤s6包括以下分步骤：
s61、通过本地载波发生器产生本地载波。
s62、在数据解调器中根据本地载波对数据部分信号进行解调。
s63、通过解扩码发生器产生解扩码。
s64、在解扩器中根据解扩码对解调后的数据部分信号进行解扩处理，得到原始信号。
本发明的有益效果是：本发明将扩频通信技术应用于无线携能通信系统中，在携能信号进行无线传输之前首先对其进行扩频及调制处理，在接收机子系统中再对信号进行解调及解扩，能够有效地降低整个系统的误码率，同时经过扩频处理的携能信号受各种干扰信号的影响较小，因此采取扩频调制方式可以减轻系统对于信噪比的要求。
附图说明
图1所示为本发明实施例一提供的一种无线携能通信系统结构框图。
图2所示为本发明实施例一提供的谐振电路示意图。
图3所示为本发明实施例一提供的功放电路示意图。
图4所示为本发明实施例一提供的整流电路示意图。
图5所示为本发明实施例二提供的一种无线携能通信方法流程图。
图6所示为本发明实施例二提供的携能信号帧结构示意图。
图7所示为本发明实施例二提供的误码率曲线示意图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
实施例一：
本发明实施例提供了一种无线携能通信系统，如图1所示，包括发射机子系统和接收机子系统。
其中，发射机子系统包括信号生成模块、谐振电路、功放电路以及发射天线。
信号生成模块用于根据原始信号和能量生成携能信号；谐振电路的输入端连接信号生成模块的输出端，谐振电路用于对携能信号进行电场能和磁场能相互转换，从而实现携能信号的传递；功放电路的输入端连接谐振电路的输出端，功放电路用于对携能信号进行功率放大；发射天线的输入端连接功放电路的输出端，发射天线用于将携能信号由发射机子系统发送至接收机子系统。
信号生成模块包括信号发生器、扩频码发生器、扩频器、载波发生器以及数据调制器；扩频器的输入端分别与信号发生器的输出端以及扩频码发生器的输出端连接，数据调制器的输入端分别与扩频器的输出端以及载波发生器的输出端连接，数据调制器的输出端为信号生成模块的输出端；信号发生器用于将原始信号和能量进行成帧操作，得到携能信号；扩频码发生器用于产生扩频码；扩频器用于根据扩频码对携能信号进行扩频处理；载波发生器用于产生载波；数据调制器用于根据载波对携能信号进行调制。
本发明实施例中，信号生成模块可以由扩频芯片实现，或者辅以fpga完成信号调制配合扩频芯片实现，例如采用stanfordtelecom公司的stel-2000a芯片。stel-2000a拥有两路独立的pn码序列，可以实现信号的扩频，还支持bpsk、qpsk等调制，可以实现信号的调制过程。
谐振电路主要负责系统的能量转换过程，其实质是电容中的电场能与电感中的磁场能相互转换，而总能量不变，谐振电路的作用是实现两个具有相同谐振频率的物体之间高效的能量交换。
本发明实施例中，如图2所示，谐振电路包括电阻r1、电容c1以及电感l1，电阻r1的一端与电容c1的一端共同作为谐振电路的输入端v_in，电阻r1的另一端与电感l1的一端连接，电容c1的另一端与电感l1的另一端连接并作为谐振电路的输出端v_out。
携能通信系统在传输信息的同时需要传输能量，因此在将信号送入发射天线之前首先要对信号进行功率放大。另一方面，磁耦合谐振式无线输能的谐振频率点较高，一般的直流功放或低频功放会使信号产生严重的非线性失真，因此要选择在谐振频率点附近线性较好的功放对信号进行放大。
本发明实施例中，功放电路采用e类功放，如图3所示，包括电阻r2、电容c2、电感l2、电感l3、电感l4以及mos管q1，mos管q1的源极接地，其栅极为功放电路的输入端v_in，其漏极分别与电感l2的一端以及电感l4的一端连接，电感l4的另一端连接电源，电感l2的另一端与电感l3的一端连接，电感l3的另一端与电容c2的一端连接，电容c2的另一端为功放电路的输出端v_out，并与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端接地。
其中，电感l4为射频扼流圈，通直流为电路提供能量，阻隔射频电流流出。当输入电压v_in大于开启电压时，mos管q1导通，而v_in小于开启电压时，mos管q1处于截止状态，相当于开关断开。
接收机子系统包括接收天线、射频开关、信号接收模块、整流电路以及稳压电路。
接收天线与发射天线磁场耦合，接收天线用于接收发射天线发送的携能信号；射频开关的输入端与连接接收天线的输出端，射频开关用于对携能信号进行选择，得到数据部分信号和能量部分信号；信号接收模块的输入端连接射频开关的第一输出端，信号接收模块用于接收射频开关选择出的数据部分信号，并对数据部分信号进行处理，得到原始信号；整流电路的输入端连接射频开关的第二输出端，整流电路用于接收射频开关选择出的能量部分信号，并对能量部分信号进行整流；稳压电路的输入端连接整流电路的输出端，稳压电路用于对整流后的能量部分信号进行稳压，并将稳压后的能量部分信号输出至直流负载进行工作与测量。
本发明实施例中，射频开关可选用日本psemi公司的射频开关pe42020或pe423422，其中pe42020具有较大的隔离度，而pe423422则具有较小的插入损耗。
信号接收模块包括本地载波发生器、数据解调器、解扩码发生器以及解扩器；数据解调器的输入端分别与射频开关的第一输出端以及本地载波发生器的输出端连接，解扩器的输入端分别与数据解调器的输出端以及解扩码发生器的输出端连接；本地载波发生器用于产生本地载波；数据解调器用于根据本地载波对数据部分信号进行解调；解扩码发生器用于产生解扩码；解扩器用于根据解扩码对解调后的数据部分信号进行解扩处理，得到原始信号。
信号接收模块负责信号接收过程，实际过程与信号生成模块为互逆的过程，因此，本地载波发生器产生的本地载波应当与载波发生器产生的载波相同，解扩码发生器产生的解扩码也应当与扩频码发生器产生的扩频码相对应。信号接收过程中，经由射频开关选择过来的数据部分信号经过数据解调器进行数据解调，再经由解扩器还原为原始信号，至此完成携能通信系统的通信部分过程。本发明实施例中，此处功能亦可由芯片完成，大多数扩频芯片包含有扩频与解扩功能以满足大多数情况的需要，如前文提到的stel-2000a芯片便同时支持信号的解扩以及解调功能。
整流电路的主要作用是把交流电能转换为直流电能。一般的整流电路主要由变压器、整流主电路和滤波器等组成：主电路多采用硅整流二极管和晶闸管；滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分；变压器用于实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。本发明中的整流电路除了上面提到的功能外，还要进行倍压。所谓倍压就是通过多级整流电路的串联，将接收端的低压交流电转化为高压直流电(由于接收端没有外接电源以及每级整流的功率损耗，电压提高的同时总功率略下降)。
本发明实施例中，整流电路采用二倍压整流电路，如图4所示，包括变压器t1、电容c4、电容c5、电阻r3、二极管d1以及二极管d2，变压器t1的初级线圈的两端共同作为整流电路的输入端v_in，其次级线圈的一端与电容c4的一端连接，其次级线圈的另一端分别与二极管d1的负极、电容c5的一端以及电阻r3的一端连接，电容c4的另一端分别与二极管d1的正极以及二极管d2的负极连接，二极管d2的正极分别与电容c5的另一端以及电阻r3的另一端连接，电阻r3的两端共同作为整流电路的输出端v_out。
在电源的正半周，变压器t1次级线圈上端为正下端为负，二极管d1导通，二极管d2截止，电容c4通过二极管d1充电，充电后电容c4两端电压接近变压器t1次级线圈电压峰值；在电源的负半周，变压器t1次级线圈上端为负下端为正，二极管d1截止，二极管d2导通，电容c5通过二极管d2充电，充电后电容c5两端电压接近电容c4两端电压与变压器t1次级线圈电压峰值之和。由于负载电阻r3与电容c5并联，当电阻r3足够大时，电阻r3两端的电压即为接近2倍变压器t1次级线圈电压，即所谓的二倍压整流电路。
稳压电路的主要作用是在输入电压、负载、电路参数以及环境温度等因素变化的情况下，仍能保持输出电压恒定，以提供稳定可靠的直流电压。本发明实施例中，当发射天线与接收天线距离变化时，不仅传输效率受到了影响，接收端耦合到的电压也在随之变化，因此应当选择一个输入动态范围较大的稳压芯片对输出电压进行稳压，以确保输出电压恒定，因此稳压电路可以使用lm2930t-5.05.0v低压差稳压器进行实现，实际过程中可根据负载需要进行调整。
实施例二：
本发明实施例提供了一种无线携能通信方法，如图5所示，包括以下步骤s1-s8：
s1、在信号生成模块中根据原始信号和能量生成携能信号，并对携能信号进行扩频和调制处理。
步骤s1包括以下分步骤s11-s15：
s11、通过信号发生器将原始信号和能量进行成帧操作，得到携能信号。
本发明实施例中，将原始信号与8bit能量帧头进行同步成帧，得到8bit的同步帧头，然后再将得到的同步帧头与后续的4bit类型帧(用于区分不同信号的类型)以及20bit数据帧(用于传输数据)共同构成32位的携能信号帧，如图6所示。
s12、通过扩频码发生器产生扩频码。
s13、在扩频器中根据扩频码对携能信号进行扩频处理。
扩频通信技术(spreadspectrumcommunication)，它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。通过增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。
本发明实施例中，使用pn伪随机码对携能信号进行1024倍扩频，且扩频码序列生成多项式为z10+z7+1。
s14、通过载波发生器产生载波。
s15、在数据调制器中根据载波对扩频后的携能信号进行调制。
本发明实施例中，采用bpsk调制的方式对携能信号进行调制。
s2、通过谐振电路对携能信号进行电场能和磁场能相互转换，从而实现携能信号的传递。
s3、通过功放电路对携能信号进行功率放大。
s4、通过发射天线将功率放大后的携能信号从发射机子系统发送至接收机子系统的接收天线。
s5、通过射频开关对接收天线接收到的携能信号进行选择，得到数据部分信号和能量部分信号，并将数据部分信号通过射频开关的第一输出端输出至信号接收模块，将能量部分信号通过射频开关的第二输出端输出至整流电路。
s6、通过信号接收模块对数据部分信号进行解调和解扩处理，得到原始信号。
步骤s6包括以下分步骤s61-s64：
s61、通过本地载波发生器产生本地载波。
s62、在数据解调器中根据本地载波对数据部分信号进行解调。
s63、通过解扩码发生器产生解扩码。
s64、在解扩器中根据解扩码对解调后的数据部分信号进行解扩处理，得到原始信号，进行后续处理。
本发明实施例中，解调和解扩的过程实质上为与调制和扩频互逆的过程，因此，步骤s61产生的本地载波应当与步骤s14产生的载波相同，即可采用同步解调的方式；步骤s63产生的解扩码也应当与步骤s12产生的扩频码相对应。
s7、通过整流电路对能量部分信号进行整流。
s8、通过稳压电路对整流后的能量部分信号进行稳压，并将稳压后的能量部分信号输出至直流负载进行工作与测量。
对本发明进行simulink仿真，将步骤s6得到的原始信号与步骤s1中信号发生器产生的原始信号进行误码率估计，误码率曲线如图7所示。
由图7所示的误码率曲线可以明显发现，采用扩频调制的信号误码率有了显著的降低，经过扩频处理的信号受各种干扰信号的影响较小，这同时也意味着采取扩频调制方式可以减轻系统对于信噪比的要求，这也是扩频通信最大的优势之一。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。