基于FPSK星座映射无线电能与信息同步传输系统和方法

基于fpsk星座映射无线电能与信息同步传输系统和方法
技术领域
1.本发明涉及无线电能和信号同步传输领域，尤其涉及一种基于fpsk星座映射的无线电能与信息同步传输技术。


背景技术：

2.随着科技的进步，无线供电技术在各个领域越来越普及，传统的无线能量传输仅能在一接受侧进行能量的传递，当需要传递一定量的信息时，需要辅以额外的设备来进行信号的传输。能量与信号的同步传输技术能够将信号转化为频率、幅值、相位等表现形式，通过磁场的耦合与能量同步传递，在接受侧对包络解调后还原出基带信号。但是单一的调制数据方式对传输速率有很大的限制，且对无线供电效率和传输功率影响较大。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于实现更为稳定、高效的无线电能与信息同步传输，针对swpit 系统输入侧电流进行研究，提供一种基于fpsk星座映射的无线电能与信息同步传输系统和方法，将逆变器的控制频率分别设置为传能频率和通信频率。传能频率等于谐振线圈谐振频率，通信频率等于谐振线圈谐振频率的1/3。当需要进行通信时，通过将传能频率降低为通信频率，在发射侧构造通信载波。通过在发射侧进行相位调制和频率调制，利用通信频率基波的幅值信息和三次谐波的频率信息实现单线圈的多编码数据传输。发射侧始终工作在谐振或次谐振状态，通信频率的三次谐波进行着高效率的电能传输。其电路包括：高频逆变器、无线供电发射线圈和接收线圈、选频电路以及频率信息解调电路和相位信息解调电路等。本发明解决现有技术中的单一的调制数据方式对传输速率有很大限制的以及对无线供电效率和传输功率影响较大问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于fpsk星座映射的无线电能与信息同步传输系统，包括星座映射模块以及与星座映射模块依次顺序相连的调制电路模块、逆变电路模块、发射侧电路模块、接收侧电路模块、解调电路模块、解映射模块；所述星座映射模块用于对基带信号进行星座映射，获得多组包含载波频率与载波幅值相对应的组合信息，所述调制电路模块，利用所述组合信息进行调制，为逆变电路模块提供包含频率信息和相位信息的驱动信号；所述逆变电路模块利用所述驱动信号控制逆变器开关进行频率调制和幅值调制，并将产生的交流信号输出至发射侧电路模块；所述发射侧电路模块接收逆变电路模块的交流信号，产生标准正弦波并输出至接收侧电路模块，所述接受测电路模块接收该标准正弦波并通过电磁感应原理，分别输出带有频率信息和幅值信息的信号至解调电路模块；所述解调电路模块用于检测通信时的三次谐振频率信号和基波幅值信号，分别对应获得包含串行的频率比特和串行的相位比特的解调信号；所述解映射模块基于fpsk星座映射原理用于接收解调电路模块输出的包含频率比特和相位比特的解调信号，获得并行的基带信号。
5.进一步地，前述的调制电路模块包括pwm生成器、以及与pwm生成器相连接的相位
调制模块以及频率调制模块，所述相位调制电路用于调制基带信号通信载波的幅值，并输出相位信息至pwm生成器，所述频率调制模块用于调基带信号通信载波的频率，并输出频率信息至pwm生成器；所述pwm为逆变电路模块提供包含频率信息和相位信息的驱动信号。
6.进一步地，前述的逆变电路模块包括电源、开关q1、开关q2、开关q3、开关q4；电源与开关q1与开关q2串联，且所述电源与开关q3、开关q4串联，构成的全桥逆变电路；开关q1与开关q2的相连端a构成逆变电路模块的第一输出端，开关q3与开关q4的相连端b构成逆变电路模块的第二输出端，该第一输出端与该第二输出端构成逆变电路模块的输出端，用于向发射侧电路输送交流信号。
7.进一步地，前述的发射侧电路模块包括依次相连的发射侧谐振电容c
p
、等效电阻 r
p
、电感l
p
；所述发射侧谐振电容c
p
的一端作为发射侧电路模块的第一输入端，另一端与等效电阻r
p
其中一端相连，等效电阻r
p
的另一端与电感l
p
的一端相连，所述电感l
p
的另一端作为发射侧电路模块的第二输入端，该第一输入端与该第二输入端构成发射侧电路模块的输入端，用于接收逆变电路模块输送的交流信号；其中，发射侧线圈谐振频率为所述电感l
p
作为发射侧电路模块的发射线圈。
8.进一步地，前述的接收侧电路模块包括电感ln、等效电阻rn、谐振电容cs、等效电阻rs、谐振电感ls、谐振电容cn、负载电阻r
l
；所述电感ln作为接收侧电路模块的接收线圈，用于接收发射侧电路模块输送的标准正弦波；所述电感ln、等效电阻rn、谐振电容cs、等效电阻rs、谐振电感ls构成第一选频电路，用于通信，其中：所述电感ln的一端与等效电阻rn的一端相连，等效电阻rn的另一端与谐振电容cs其中一端相连，谐振电容cs的另一端与等效电阻rs其中一端相连，等效电阻rs的另一端与谐振电感ls其中一端相连；谐振电感ls的另一端与电感ln的另一端相连，所述谐振电感ls两端相连，该相连端c构成接收侧电路模块的第一输出端，用于向解调电路模块输送三次谐振频率信号；所述电感ln、等效电阻rn、谐振电容cn、负载电阻r
l
构成第二选频电路，用于传能，其中：所述电感ln的一端与等效电阻rn的一端相连，等效电阻rn的另一端与谐振电容cn的一段相连，谐振电容cn的另一端与负载电阻r
l
的一端相连，负载电阻r
l
的另一端与电感ln的另一端相连，所述负载电阻r
l
的两端相连，该相连端构成接收侧电路模块的第二输出端，用于向解调电路模块输送基波幅值信号；所述电感ln谐振频率为所述第一选频电路的谐振频率为
9.进一步地，前述的基于第二选频电路的传能操作，逆变电路模块的开关q1、开关 q2、开关q3、开关q4频率均为fr；基于第一选频率电路的通信操作，逆变电路模块的开关q1、开关q2、开关q3、开关q4频率均为
10.进一步地，前述的解调电路模块包括包络检测电路、过零检测电路，所述包络检测电路作为解调电路模块的第一输入端，并且作为解调电路模块的第一输出端，输出包含相位比特的解调信号；所述过零检测电路作为解调电路的第二输入端，并且作为解调电路模块的第二输出端，输出包含频率比特的解调信号。
11.本发明的另一方面提出一种基于fpsk星座映射的无线电能与信息同步传输系统
的方法，所述调制电路模块利用包含载波频率与载波幅值相对应的组合信息进行调制，包括以下步骤ⅰ至步骤ⅲ：
12.步骤ⅰ：基于基带信号的载波频率f，经过频率调制后获得载波频率f0和载频率 f1；
13.步骤ⅱ：基于基带信号的载波幅值a，经过相位调制后获得载波相位p0和载波相位p1，
14.步骤ⅲ：以载波频率f0、载频率f1和载波相位p0、载波相位p1为输入，经过pwm 生成器，获得有频率和相位的数字驱动并行信号。
15.进一步地，所述逆变电路模块利用所述驱动信号控制逆变器开关进行幅值调制由控制逆变器的驱动信号之间的时序实现；进行频率调制由控制逆变器的驱动信号的频率实现。
16.进一步地，所述方法在通信时，逆变电路模块的驱动信号工作在两个频率点f0和f1和两个移相角α0和α1组合状态，发射二进制“11”信号时，发射侧电路模块频率和相位为(f1，α1)；当发射二进制“10”信号时，发射侧电路模块频率和相位为(f1，α0)；当发射二进制“00”信号时，发射侧电路模块频率和相位为(f0，α0)；当发射二进制“01”信号时，发射侧电路模块频率和相位为(f0，α1)。
17.进一步地，fpsk星座图上的点用格雷码进行编码，保证相邻点仅有一位比特不同，且点与点之间的距离进行自由分配。
18.本发明所述基于fpsk星座映射的无线电能与信息同步传输系统和方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
19.1、通过解调电路得到相位比特和频率比特后，通过解映射流程，进行输出信号点的选择。这种适用于fpsk星座映射的硬判决方法，避免了大量的对数运算，并且依靠 fpsk星座图设计的特殊性，实现了低误码率。
20.2、利用基波相位和三次谐波频率搭建的双通道进行数据传输大大提高了数据传输的速率。
21.3、电能传输始终处于谐振状态下，提高了传输效率与传输功率。
22.4、利用谐波放大效应，在通信基波较小的频偏下依然可以在接受侧获得稳定的信道带宽。
23.发射侧和接收侧电路都采用谐振电路，通过降低逆变器的控制频率构造通信载波，使系统始终进行着高效率的电能传输。解决现有技术中的单一的调制数据方式对传输速率有很大限制的以及对无线供电效率和传输功率影响较大问题。
附图说明
24.图1是本发明的电路框图；
25.图2是2fpsk映射星座图；
26.图3是基于fpsk星座映射调制与解调原理框图；
27.图4是基于fpsk星座映射解调流程图；
28.图5是相位与谐波电流幅值衰减关系图。
具体实施方式
29.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
30.在本发明中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明性实施例。本发明的实施例不局限于附图所述。应当理解，本发明通过上面介绍的多种构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
31.如图1所示，电路部分包括调制电路模块、逆变电路模块、发射侧电路模块、接收侧电路模块、解调电路模块、解映射模块。调制电路模块，利用包含载波频率与载波幅值相对应的组合信息所述进行调制，为逆变电路模块提供包含频率信息和相位信息的驱动信号；逆变电路模块利用所述驱动信号控制逆变器开关进行频率调制和幅值调制，并将产生的交流信号输出至发射侧电路模块；发射侧电路模块接收逆变电路模块的交流信号，产生谐振发射电流，输出标准正弦波至接收侧电路模块，接收测电路模块接收该标准正弦波并通过电磁感应原理，分别输出带有频率信息和幅值信息的信号至解调电路模块；所述解调电路模块用于检测通信时的三次谐振频率信号和基波幅值信号，分别对应获得包含串行的频率比特和串行的相位比特的解调信号；
32.调制电路模块包括pwm生成器、以及与pwm生成器相连接的相位调制模块以及频率调制模块，相位调制电路用于调制基带信号通信载波的幅值，并输出相位信息至 pwm生成器，频率调制模块用于调基带信号通信载波的频率，并输出频率信息至pwm 生成器；pwm为逆变电路模块提供包含频率信息和相位信息的驱动信号。
33.所述无线电能与信息同步传输技术将逆变器的控制频率分别设置为传能频率和通信频率。传能频率等于谐振线圈谐振频率，通信频率等于谐振线圈谐振频率的1/3。通过将传能频率降低为通信频率来构造通信所用载波，使系统在进行信息传输的同时进行着高效率的电能传输。
34.调制电路模块利用包含载波频率与载波幅值相对应的组合信息进行调制，包括以下步骤ⅰ至步骤ⅲ：
35.步骤ⅰ：基于基带信号的载波频率f，经过频率调制后获得载波频率f0和载频率f1；
36.步骤ⅱ：基于基带信号的载波幅值a，经过相位调制后获得载波相位p0和载波相位p1，
37.步骤ⅲ：以载波频率f0、载频率f1和载波相位p0、载波相位p1为输入，经过pwm 生成器，获得有频率和相位的数字驱动并行信号。
38.逆变电路模块包括电源、开关q1、开关q2、开关q3、开关q4；电源与开关q1 与开关q2串联，且电源与开关q3、开关q4串联，构成的全桥逆变电路。开关q1与开关q2的相连端a构成逆变电路模块的第一输出端，开关q3与开关q4的相连端b 构成逆变电路模块的第二输出端，该第一输出端与该第二输出端构成逆变电路模块的输出端，用于向发射侧电路输送交流信号。所述逆变电路模块利用所述驱动信号控制逆变器开关进行幅值调制由控制逆变器的驱动信号之间的时序实现；进行频率调制由控制逆变器的驱动信号的频率实现。通过对逆变器控制频率进行频率调制使通信频率产生频偏，并根据三次谐波对频偏的放大效应在接受侧功率线圈检测到足够大的频偏，实现频率信号解调。
39.发射侧电路模块包括依次相连的发射侧谐振电容c
p
、等效电阻r
p
、电感l
p
；发射侧谐振电容c
p
的一端作为发射侧电路模块的第一输入端，另一端与等效电阻r
p
其中一端相连，等效电阻r
p
的另一端与电感l
p
的一端相连，电感l
p
的另一端作为发射侧电路模块的第二输入端，该第一输入端与该第二输入端构成发射侧电路模块的输入端，用于接收逆变电路模块输送的交流信号；其中，发射侧线圈谐振频率为所述电感l
p
作为发射侧电路模块的发射线圈。
40.接收侧电路模块包括电感ln、等效电阻rn、谐振电容cs、等效电阻rs、谐振电感 ls、谐振电容cn、负载电阻r
l
；电感ln作为接收侧电路模块的接收线圈，用于接收发射侧电路模块输送的标准正弦波；电感ln、等效电阻rn、谐振电容cs、等效电阻rs、谐振电感ls构成第一选频电路，用于通信，其中：所述电感ln的一端与等效电阻rn的一端相连，等效电阻rn的另一端与谐振电容cs其中一端相连，谐振电容cs的另一端与等效电阻rs其中一端相连，等效电阻rs的另一端与谐振电感ls其中一端相连；谐振电感ls的另一端与电感ln的另一端相连，谐振电感ls两端相连，该相连端c构成接收侧电路模块的第一输出端，用于向解调电路模块输送三次谐振频率信号；电感ln、等效电阻rn、谐振电容cn、负载电阻r
l
构成第二选频电路，用于传能，其中：所述电感ln的一端与等效电阻rn的一端相连，等效电阻rn的另一端与谐振电容cn的一段相连，谐振电容cn的另一端与负载电阻r
l
的一端相连，负载电阻r
l
的另一端与电感ln的另一端相连，所述负载电阻r
l
的两端相连，该相连端构成接收侧电路模块的第二输出端，用于向解调电路模块输送基波幅值信号；所述电感ln谐振频率为所述第一选频电路的谐振频率为基于第二选频电路的传能操作，逆变电路模块的开关 q1、开关q2、开关q3、开关q4频率均为fr；基于第一选频率电路的通信操作，逆变电路模块的开关q1、开关q2、开关q3、开关q4频率均为接收侧电路模块不需要构建单独的通信线圈，具体实施时选频电路获取基波幅值信息，其谐振频率为通信频率。
41.解调电路模块包括包络检测电路、过零检测电路，所述包络检测电路作为解调电路模块的第一输入端，并且作为解调电路模块的第一输出端，输出包含相位比特的解调信号；所述过零检测电路作为解调电路的第二输入端，并且作为解调电路模块的第二输出端，输出包含频率比特的解调信号。
42.图2为2fpsk映射星座图。对基带信号进行星座映射，获得多组包含载波频率与载波幅值相对应的组合信息，基于fpsk映射的星座图横坐标为频率、纵坐标为相位，独特的坐标轴构成方式让fpsk星座图上点与点之间的距离可以自由分配，很大程度上降低了误码率。星座图上的点采用格雷码进行编码，保证相邻的点间仅有一位比特不同，提高了系统的稳定性。进行fpsk星座图映射时，先将串行输入的基带信号两个比特编为一组，前一个比特为频率比特，后一个比特为相位比特，然后再定位到星座图上的点。本发明为简化分析，仅讨论包含四个点的2fpsk星座图，每个点表示一种频率与相位的搭配，每2位二进制数规定了4态中的1态，这样每个符号时间就能实现2比特映射。事实上，我们通过研究可以充分利
用三次谐波的特征，在0到π内选取多个相位，在谐振频率附近选取多个频率组合后进行更多点位的星座映射。
43.图3示出了该技术通过频移键控和相移键控在发射侧进行信号调制并映射出fpsk 星座图，利用基波的幅值信息和三次谐波的频率信息搭建两条数据传输通道，进而在接受侧通过包络检波和过零检测实现通信信号的解调。此时发射侧始终工作在谐振或次谐振状态，用三次谐波进行着高效率的电能传输。所述通信方法通过系统的频率特性和相位特性实现了多编码的数据传输。
44.图4是基于fpsk星座映射数字调制技术的解调过程。因为基于fpsk星座映射的数字调制技术本质上是对通信载波的幅度和频率进行调制，所以对星座图进行解映射时，也要从这两个变量出发。首先通过相位调制解调电路和频率调制解调电路对通信载波的幅值信息和频率信息进行解调。相位调制解调电路通过对信号接收线圈通信频率基波电流的幅值进行包络检波，获取幅值信息，得到相位比特。频率调制解调电路利用过零检测电路得到通信频率三次谐波的频率信息，从而得到频率比特。然后将得到的相位比特和频率比特代入解映射流程，完成fpsk星座映射的解映射。
45.从解调过程图我们可以看出，将频率调制与相位调制结合运用在移相全逆变器的控制信号上，通过改变全桥逆变器的输出波形，从幅度和频率两个变量去对通信载波进行调制解调可有效提升通信速度。在实际通信时，在谐振频率fr附近选取两个频率点f0和 f1，同时选择两个移相角α0和α1。当发射二进制“11”信号时，发射侧频率和相位为(f1，α1)；当发射二进制“10”信号时，发射侧频率和相位为(f1，α0)；当发射二进制“00”信号时，发射侧频率和相位为(f0，α0)；当发射二进制“01”信号时，发射侧频率和相位为(f0，α1)。
46.图5示出了当通信需要控制逆变器工作在不同移相角度下，通信基波幅值可以发生明显变化，有利于幅值检波与解调。其三次谐波分量与接受侧谐振频率一致，有利于无线供电的高效率传输。
47.本实施例提供一种基于fpsk星座映射的无线电能与信息同步传输系统。系统传能频率为150khz，通信频率为50khz。输入侧耦合线圈l
p
电感值为20uh，谐振电容c
p
为 56.3nf，等效电阻r
p
为10mω；接收侧接收线圈ln电感值为20uh，谐振电容cn为56.3nf，等效电阻rn为10mω；接受侧50khz选频电路谐振电感ls为40uh，谐振电容cs为253 nf，等效电阻rs为10mω，接收侧负载r
l
为10ω。调制时f0＝50khz，f1＝51khz,α0＝0
°
和α1＝120
°
。fpga为zynq7020，驱动芯片si8271。
48.本发明所述基于fpsk星座映射的无线电能与信息同步传输系统和方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
49.1、通过解调电路得到相位比特和频率比特后，通过解映射流程，进行输出信号点的选择。这种适用于fpsk星座映射的硬判决方法，避免了大量的对数运算，并且依靠 fpsk星座图设计的特殊性，实现了低误码率。
50.2、利用基波相位和三次谐波频率搭建的双通道进行数据传输大大提高了数据传输的速率。
51.3、电能传输始终处于谐振状态下，提高了传输效率与传输功率。
52.4、利用谐波放大效应，在通信基波较小的频偏下依然可以在接受侧获得稳定的信道带宽。
53.发射侧和接收侧电路都采用谐振电路，通过降低逆变器的控制频率构造通信载波，使系统始终进行着高效率的电能传输。解决现有技术中的单一的调制数据方式对传输速率有很大限制的以及对无线供电效率和传输功率影响较大问题。
54.虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。