CN107069988B - 一种无线能量和数据同步传输系统及其参数获取方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线能量和数据同步传输系统及其参数获取方法，属于无线电能传输技术领域，解决了现有无线能量和数据同步传输方案存在的体积大和误码率随传输功率的增大而增大的问题。本发明将待传输的数据信号作为调制信号，将高频交流电压信号作为载波信号。采用调制信号调制载波信号，得到携带数据的已调信号。将已调信号叠加到待传输的能量信号上，得到叠加信号。通过松耦合变压器将叠加信号自原边电路无线传输至副边电路。将传输至副边电路的叠加信号分离为已调信号和能量信号。将分离到的已调信号解调为数据信号。本发明适用于能量和数据的无线同步传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量和数据同步传输系统及其参数获取方法，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
现有的无线能量和数据同步传输方案主要分为以下四种：
方案一、无线电能传输系统+射频通信模块：该方案在现有无线电能传输系统的基础上引入无线通信模块，例如ZigBee模块、蓝牙模块和Wi-Fi模块等，以实现能量和数据的无线同步传输。然而，该方案却存在以下两个主要问题：
1、因额外引入无线通信模块导致系统的体积增大，成本增高；
2、能量传输对数据传输的影响随传输功率的增大而增大，进而导致误码率升高。
方案二、无线电能传输系统+数据线圈：该方案在现有无线电能传输系统的基础上增设数据线圈，以实现能量和数据的无线同步传输。然而，该方案却存在以下两个主要问题：
3、因额外增设数据线圈导致系统的体积增大，成本增高；
4、随着传输功率的提升，能量线圈与数据线圈的交叉耦合现象愈发严重，进而导致数据传输的可靠性降低，通信系统的误码率升高。
方案三、无线电能传输系统+调制开关：该方案在现有无线电能传输系统的基础上增设调制开关，通过调制开关来控制系统原边传输至系统副边的电能，并将该能量的变化转换为二次侧耦合电感两端电压的变化，以实现能量和数据的无线同步传输。然而，该方案却存在以下三个主要问题：
5、受无线电能传输系统的工作频率的限制，该方案的通信速率较低；
6、因额外引入调制开关导致系统的损耗增大，效率降低；
7、其数据传输以系统传输功率的变化来实现，因此，数据传输对电能传输的影响较大。
方案四、通过切换现有无线电能传输系统的软开关工作频率来实现能量和数据的无线同步传输。理论分析表明：无线电能传输系统存在多个软开关工作频率，每个软开关工作频率都能保证系统中的功率开关管工作于软开关状态，但是每个软开关工作频率对应的谐振电流大小不同。该方案通过控制所述谐振电流的大小来传输数据，进而实现能量和数据的无线同步传输。然而，该方案却存在以下两个主要问题：
8、通信速率低；
9、数据传输对电能传输的影响大。
发明内容
本发明为解决现有无线能量和数据同步传输方案存在的体积大和误码率随传输功率的增大而增大的问题，提出了一种无线能量和数据同步传输系统及其参数获取方法。
本发明所述的无线能量和数据同步传输系统包括松耦合变压器、原边电路和副边电路；
松耦合变压器包括原边线圈Lp和副边线圈Ls；
原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、信号调制单元和信号加载单元；
逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为第一方波电压信号，第一方波电压信号为待传输的能量信号；
原边补偿单元用于提供原边电路工作所需的无功功率；
信号调制单元用于采用第二方波电压信号对高频交流电压信号进行调制，得到已调信号，第二方波电压信号为待传输的数据信号；
信号加载单元用于将已调信号加载到第一方波电压信号上，得到叠加信号；
所述系统通过松耦合变压器实现叠加信号自原边电路至副边电路的无线传输；
副边电路包括副边补偿单元、信号分离单元、信号解调单元、整流单元和滤波单元；
副边补偿单元用于提供副边电路工作所需的无功功率；
信号分离单元用于将传输至副边电路的叠加信号分离为已调信号和第一方波电压信号；
信号解调单元用于对分离到的已调信号进行解调；
整流单元用于将分离到的第一方波电压信号转换为直流电压信号，滤波单元用于对该直流电压信号进行滤波，滤波后的直流电压信号加载在负载的两端。
作为优选的是，逆变单元为单相全桥逆变电路；
原边补偿单元为电容C1；
信号调制单元包括高频交流电压源Uc、方波电压源Uod和乘法器Mul，方波电压源Uod为具有编程功能的电压源；
信号加载单元包括电容Cdp-p、电容Cdp-s和信号加载变压器TM，信号加载变压器TM包括原边线圈Ldp-p和副边线圈Ldp-s；
单相全桥逆变电路的第一直流输入端和第二直流输入端分别与直流电压源的正极和负极相连，单相全桥逆变电路的第一交流输出端与电容C1的第一端相连，电容C1的第二端同时与副边线圈Ldp-s的第一端和原边线圈Lp的第一端相连，单相全桥逆变电路的第二交流输出端同时与电容Cdp-s的第一端和原边线圈Lp的第二端相连，电容Cdp-s的第二端与副边线圈Ldp-s的第二端相连；
高频交流电压源Uc的正极和方波电压源Uod的正极分别与乘法器Mul的第一输入端和第二输入端相连，乘法器Mul的输出端同时与电容Cdp-p的第一端和原边线圈Ldp-p的第一端相连，高频交流电压源Uc的负极同时与方波电压源Uod的负极、电容Cdp-p的第二端和原边线圈Ldp-p的第二端相连。
作为优选的是，单相全桥逆变电路包括NMOS管Q1～NMOS管Q4；
NMOS管Q1～NMOS管Q4分别自带有体二极管D5～体二极管D8；
每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；
NMOS管Q1的漏极与NMOS管Q2的漏极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第一直流输入端；
NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的源极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第二直流输入端；
NMOS管Q1的源极与NMOS管Q3的漏极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第一交流输出端；
NMOS管Q2的源极与NMOS管Q4的漏极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第二交流输出端。
作为优选的是，副边补偿单元为电容C2；
信号分离单元包括电容Cds-s、信号提取变压器TD、电容Cds-p和电阻Rout，信号提取变压器TD包括原边线圈Lds-p和副边线圈Lds-s；
信号解调单元包括功率放大器Am、高通滤波器HPF1、高通滤波器HPF2、包络检波器ED、低通滤波器LPF和比较器Com，高通滤波器HPF1包括电容Cd1和电阻Rd1，高通滤波器HPF2包括电容Cd2和电阻Rd2，包络检波器ED包括二极管Dd1、电容Cd3和电阻Rd3，低通滤波器LPF包括电容Cd4和电阻Rd4；
整流单元为全波整流电路；
滤波单元为电容CF；
副边线圈Ls的第一端同时与电容C2的第一端和副边线圈Lds-s的第一端相连，电容C2的第二端与全波整流电路的第一交流输入端相连，副边线圈Ls的第二端同时与电容Cds-s的第一端和全波整流电路的第二交流输入端相连，电容Cds-s的第二端与副边线圈Lds-s的第二端相连，全波整流电路的第一直流输出端与电容CF的第一端相连，二者的公共端为负载的第一接入端，全波整流电路的第二直流输出端与电容CF的第二端相连，二者的公共端为负载的第二接入端；
原边线圈Lds-p的第一端同时与电阻Rout的第一端和功率放大器Am的反相输入端相连，原边线圈Lds-p的第二端与电容Cds-p的第一端相连，电容Cds-p的第二端同时与电阻Rout的第二端和功率放大器Am的同相输入端相连；
功率放大器Am的输出端与电容Cd1的第一端相连，电容Cd1的第二端同时与电阻Rd1的第一端和电容Cd2的第一端相连，电容Cd2的第二端同时与电阻Rd2的第一端和二极管Dd1的正极相连，二极管Dd1的负极同时与电容Cd3的第一端、电阻Rd3的第一端和电阻Rd4的第一端相连，电阻Rd4的第二端同时与电容Cd4的第一端和比较器Com的同相输入端相连，电阻Rd1的第二端、电阻Rd2的第二端、电容Cd3的第二端、电阻Rd3的第二端和电容Cd4的第二端均与电源地相连，比较器Com的反相输入端与基准电压源相连。
作为优选的是，全波整流电路包括二极管D1～二极管D4；
二极管D1的阳极与二极管D3的阴极相连，二者的公共端为全波整流电路的第一交流输入端；
二极管D2的阳极与二极管D4的阴极相连，二者的公共端为全波整流电路的第二交流输入端；
二极管D1的阴极与二极管D2的阴极相连，二者的公共端为全波整流电路的第一直流输出端；
二极管D3的阳极与二极管D4的阳极相连，二者的公共端为全波整流电路的第二直流输出端；
负载为阻性负载RL。
本发明所述的无线能量和数据同步传输系统的参数获取方法包括：
步骤一、给定所述系统的直流输入电压Uin、输出电流IRL、输出功率PRL和通信速率DTRr以及松耦合变压器的尺寸；
步骤二、确定系统工作频率fp和单相全桥逆变电路的移相角β；
步骤三、求解松耦合变压器的互感系数M和阻性负载RL的阻值：
式中，ωp为系统工作角频率，ωp＝2πfp；
步骤四、根据松耦合变压器的尺寸和松耦合变压器的互感系数M确定具有最优品质因数的松耦合变压器的参数，该参数包括原边线圈Lp的自感、副边线圈Ls的自感和耦合系数k，三者满足：
步骤五、根据系统工作频率fp和所述松耦合变压器的参数确定NMOS管Q1～NMOS管Q4、二极管D1～二极管D4、电容CF、电容C1和电容C2的参数：
步骤六、确定高频交流电压信号的频率fd，并满足：10fp≤fd≤10MHz；
步骤七、确定副边线圈Lds-s的自感和电容Cds-s的电容值：
式中，kEE为超出程度系数，kEE≥10，RE为二极管D1～二极管D4、电容CF和阻性负载RL的等效电阻，
式中，ωd为高频交流电压信号的角频率，ωd＝2πfd；
步骤八、确定原边线圈Lds-p的自感和电容Cds-p的电容值：
Lds-p＝1000μH；
步骤九、确定电阻Rout的阻值，并满足：
步骤十、确定副边线圈Ldp-s的自感和电容Cdp-s的电容值：
步骤十一、确定原边线圈Ldp-p的自感和电容Cdp-p的电容值：
Ldp-p＝NTM 2Ldp-s (11)
式中，NTM为信号加载变压器TM原副边匝数比；
步骤十二、确定高通滤波器HPF1的截止频率fcut-HPF1，并满足：
确定电阻Rd1的阻值，并满足Rd1≥1kΩ；
确定电容Cd1的电容值：
高通滤波器HPF2与高通滤波器HPF1的参数相同；
步骤十三、确定包络检波器ED的参数：
二极管Dd1为低压降锗二极管；
确定电阻Rd3的阻值，并满足：Rd3≥1kΩ；
确定电容Cd3的电容值：
步骤十四、确定低通滤波器LPF的截止频率fcut-LPF，并满足：
确定电阻Rd4的阻值，并满足：Rd4≥1kΩ；
确定电容Cd4的电容值：
步骤十五、确定高频交流电压源Uc的码元速率DTRp，并满足：N为正整数；
确定方波电压源Uod的频率：该频率等于DTRp。
本发明所述的无线能量和数据同步传输系统的原理为：将待传输的数据信号作为调制信号，将高频交流电压信号作为载波信号。采用调制信号调制载波信号，得到携带数据的已调信号。将已调信号叠加到待传输的能量信号上，得到叠加信号。通过松耦合变压器将叠加信号自原边电路无线传输至副边电路。将传输至副边电路的叠加信号分离为已调信号和能量信号。将分离到的已调信号解调为数据信号。
本发明所述的无线能量和数据同步传输系统，采用同一耦合通道传输能量和数据，无需增设无线通信模块或信号线圈，系统体积小，成本较低。
本发明所述的无线能量和数据同步传输系统，采用载波通信的方式传输数据，其误码率不随传输功率的增大而增大，通信速率快。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的无线能量和数据同步传输系统及其参数获取方法进行更详细的描述，其中：
图1为实施例所述的无线能量和数据同步传输系统的电路原理图，其中，uAB为单相全桥逆变电路的输出电压，uab为全波整流电路的输入电压；
图2为实施例提及的信号调制单元的电路原理图，其中，Ud为已调信号；
图3为实施例提及的信号解调单元的电路原理图，其中，UR-out为电阻Rout两端的电压，UDem为比较器Com的输出电压。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的无线能量和数据同步传输系统及其参数获取方法作进一步说明。
实施例：下面结合图1至图3详细地说明本实施例。
本实施例所述的无线能量和数据同步传输系统包括松耦合变压器、原边电路和副边电路；
松耦合变压器包括原边线圈Lp和副边线圈Ls；
原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、信号调制单元和信号加载单元；
逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为第一方波电压信号，第一方波电压信号为待传输的能量信号；
原边补偿单元用于提供原边电路工作所需的无功功率；
信号调制单元用于采用第二方波电压信号对高频交流电压信号进行调制，得到已调信号，第二方波电压信号为待传输的数据信号；
信号加载单元用于将已调信号加载到第一方波电压信号上，得到叠加信号；
所述系统通过松耦合变压器实现叠加信号自原边电路至副边电路的无线传输；
副边电路包括副边补偿单元、信号分离单元、信号解调单元、整流单元和滤波单元；
副边补偿单元用于提供副边电路工作所需的无功功率；
信号分离单元用于将传输至副边电路的叠加信号分离为已调信号和第一方波电压信号；
信号解调单元用于对分离到的已调信号进行解调；
整流单元用于将分离到的第一方波电压信号转换为直流电压信号，滤波单元用于对该直流电压信号进行滤波，滤波后的直流电压信号加载在负载的两端。
逆变单元为单相全桥逆变电路；
原边补偿单元为电容C1；
信号调制单元包括高频交流电压源Uc、方波电压源Uod和乘法器Mul，方波电压源Uod为具有编程功能的电压源；
信号加载单元包括电容Cdp-p、电容Cdp-s和信号加载变压器TM，信号加载变压器TM包括原边线圈Ldp-p和副边线圈Ldp-s；
单相全桥逆变电路的第一直流输入端和第二直流输入端分别与直流电压源的正极和负极相连，单相全桥逆变电路的第一交流输出端与电容C1的第一端相连，电容C1的第二端同时与副边线圈Ldp-s的第一端和原边线圈Lp的第一端相连，单相全桥逆变电路的第二交流输出端同时与电容Cdp-s的第一端和原边线圈Lp的第二端相连，电容Cdp-s的第二端与副边线圈Ldp-s的第二端相连；
高频交流电压源Uc的正极和方波电压源Uod的正极分别与乘法器Mul的第一输入端和第二输入端相连，乘法器Mul的输出端同时与电容Cdp-p的第一端和原边线圈Ldp-p的第一端相连，高频交流电压源Uc的负极同时与方波电压源Uod的负极、电容Cdp-p的第二端和原边线圈Ldp-p的第二端相连。
单相全桥逆变电路包括NMOS管Q1～NMOS管Q4；
NMOS管Q1～NMOS管Q4分别自带有体二极管D5～体二极管D8；
每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；
NMOS管Q1的漏极与NMOS管Q2的漏极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第一直流输入端；
NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的源极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第二直流输入端；
NMOS管Q1的源极与NMOS管Q3的漏极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第一交流输出端；
NMOS管Q2的源极与NMOS管Q4的漏极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第二交流输出端。
副边补偿单元为电容C2；
信号分离单元包括电容Cds-s、信号提取变压器TD、电容Cds-p和电阻Rout，信号提取变压器TD包括原边线圈Lds-p和副边线圈Lds-s；
信号解调单元包括功率放大器Am、高通滤波器HPF1、高通滤波器HPF2、包络检波器ED、低通滤波器LPF和比较器Com，高通滤波器HPF1包括电容Cd1和电阻Rd1，高通滤波器HPF2包括电容Cd2和电阻Rd2，包络检波器ED包括二极管Dd1、电容Cd3和电阻Rd3，低通滤波器LPF包括电容Cd4和电阻Rd4；
整流单元为全波整流电路；
滤波单元为电容CF；
副边线圈Ls的第一端同时与电容C2的第一端和副边线圈Lds-s的第一端相连，电容C2的第二端与全波整流电路的第一交流输入端相连，副边线圈Ls的第二端同时与电容Cds-s的第一端和全波整流电路的第二交流输入端相连，电容Cds-s的第二端与副边线圈Lds-s的第二端相连，全波整流电路的第一直流输出端与电容CF的第一端相连，二者的公共端为负载的第一接入端，全波整流电路的第二直流输出端与电容CF的第二端相连，二者的公共端为负载的第二接入端；
原边线圈Lds-p的第一端同时与电阻Rout的第一端和功率放大器Am的反相输入端相连，原边线圈Lds-p的第二端与电容Cds-p的第一端相连，电容Cds-p的第二端同时与电阻Rout的第二端和功率放大器Am的同相输入端相连；
功率放大器Am的输出端与电容Cd1的第一端相连，电容Cd1的第二端同时与电阻Rd1的第一端和电容Cd2的第一端相连，电容Cd2的第二端同时与电阻Rd2的第一端和二极管Dd1的正极相连，二极管Dd1的负极同时与电容Cd3的第一端、电阻Rd3的第一端和电阻Rd4的第一端相连，电阻Rd4的第二端同时与电容Cd4的第一端和比较器Com的同相输入端相连，电阻Rd1的第二端、电阻Rd2的第二端、电容Cd3的第二端、电阻Rd3的第二端和电容Cd4的第二端均与电源地相连，比较器Com的反相输入端与基准电压源相连。
全波整流电路包括二极管D1～二极管D4；
二极管D1的阳极与二极管D3的阴极相连，二者的公共端为全波整流电路的第一交流输入端；
二极管D2的阳极与二极管D4的阴极相连，二者的公共端为全波整流电路的第二交流输入端；
二极管D1的阴极与二极管D2的阴极相连，二者的公共端为全波整流电路的第一直流输出端；
二极管D3的阳极与二极管D4的阳极相连，二者的公共端为全波整流电路的第二直流输出端；
负载为阻性负载RL。
本实施例的方波电压源Uod输出高电平表示二进制数1，输出低电平表示二进制数0，高、低电平的持续时间即为码元宽度TCE，全波整流电路的工作频率即为系统工作频率fp。
本实施例的功率放大器Am用于放大UR-out，并减小信号解调单元对信号分离单元的影响。
下面详细说明所述无线能量和数据同步传输系统的电路原理：
无线能量传输部分：直流电压信号Uin经单相全桥逆变电路转换为第一方波电压信号，所述单相全桥逆变电路为了实现软开关，采用全桥移相控制。电容C1与原边线圈Lp在系统工作频率fp处谐振，以减小系统对直流电压源Uin的无功需求。电容C1与原边线圈Lp串联谐振，构成二阶带通滤波器，用于滤除第一方波电压信号中的高次谐波。因此，原边线圈Lp中流过近似正弦的交流电流Ip。交流电流Ip在原边线圈Lp的周围激发出交变磁场，副边线圈Ls处于该交变磁场中，在其两端感应出交流电压。电容C2与副边线圈Ls在系统工作频率fp处谐振，以减小系统的输入阻抗角和无功分量，提高系统效率。电容C2与副边线圈Ls串联谐振，构成二阶带通滤波器，进一步滤除副边线圈电流Is中的高次谐波。交流电流Is经整流、滤波后加载到负载上，实现能量的无线传输。
无线数据传输部分：将直流电压源Uin和单相全桥逆变电路等效为导线，将全波整流电路、电容CF和阻性负载RL等效为电阻RE。当方波电压源Uod输出高电平时，传输的二进制数为1。已调信号依次经过由原边线圈Ldp-p和电容Cdp-p构成的并联谐振电路、信号加载变压器TM和由副边线圈Ldp-s和电容Cdp-s构成的串联谐振电路加载到原边线圈Lp的两端。在电磁感应的作用下，副边线圈Ls在其两端感应出已调信号，该已调信号依次经过由副边线圈Lds-s和电容Cds-s构成的串联谐振电路、信号提取变压器TD和由原边线圈Lds-p和电容Cds-p构成的串联谐振电路加载到电阻Rout的两端，并经过信号解调单元的解调，获得原边传输的二进制数1。当方波电压源Uod输出低电平时，传输的二进制数为0。此时系统无激励电源，UR-out为零，经过信号解调单元的解调，恢复出原边传输的二进制数0。
关于参数设计部分：
为了增加单相全桥逆变电路中NMOS管的工作时间，本实施例的单相全桥逆变电路的移相角β＝0°。
根据无线充电标准J2954TM，将系统工作频率fp设定为85kHz。
在选取NMOS管时，应综合考虑系统的直流输入电压Uin、输出功率PRL和工作频率fp以及NMOS管的通态电阻等因素。
在选取二极管时，应综合考虑系统的输出电流IRL、输出功率PRL、工作频率fp、二极管的导通压降以及反向恢复特性等因素。
电容CF的选取原则：输出电流纹波满足设计要求，电容CF的耐压值高于阻性负载RL的电压。
本实施例所述无线能量和数据同步传输系统的各项参数如表1所示：
表1系统参数
其中，L×W×H为松耦合变压器的尺寸(长×宽×高)；
kTM为信号加载变压器TM的耦合系数；
kTD为信号提取变压器TD的耦合系数；
δ为功率放大器Am的放大倍数；
Ud-ref为比较器Com的基准电压。
本实施例所述的无线能量和数据同步传输系统，无需增设功率开关器件，在降低系统功耗和保证电能传输效率的同时，降低了系统的成本。
本实施例所述的无线能量和数据同步传输系统，数据传输对电能传输的影响较小，电能传输结构可以采用无线电能传输系统的设计方法进行设计，降低了系统设计难度。
本实施例所述的无线能量和数据同步传输系统，与现有基于载波通信方式的无线能量和数据同步传输系统相比，其电路结构简单，易于实现。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (5)
1.一种无线能量和数据同步传输系统，所述系统包括松耦合变压器、原边电路和副边电路；
松耦合变压器包括原边线圈Lp和副边线圈Ls；
原边电路包括逆变单元、原边补偿单元、信号调制单元和信号加载单元；
逆变单元用于将直流电压源输出的直流电压信号转换为第一方波电压信号，第一方波电压信号为待传输的能量信号；
原边补偿单元用于提供原边电路工作所需的无功功率；
信号调制单元用于采用第二方波电压信号对高频交流电压信号进行调制，得到已调信号，第二方波电压信号为待传输的数据信号；
信号加载单元用于将已调信号加载到第一方波电压信号上，得到叠加信号；
所述系统通过松耦合变压器实现叠加信号自原边电路至副边电路的无线传输；
副边电路包括副边补偿单元、信号分离单元、信号解调单元、整流单元和滤波单元；
副边补偿单元用于提供副边电路工作所需的无功功率；
信号分离单元用于将传输至副边电路的叠加信号分离为已调信号和第一方波电压信号；
信号解调单元用于对分离到的已调信号进行解调；
整流单元用于将分离到的第一方波电压信号转换为直流电压信号，滤波单元用于对该直流电压信号进行滤波，滤波后的直流电压信号加载在负载的两端；
其特征在于，逆变单元为单相全桥逆变电路；
原边补偿单元为电容C1；
信号调制单元包括高频交流电压源Uc、方波电压源Uod和乘法器Mul，方波电压源Uod为具有编程功能的电压源；
信号加载单元包括电容Cdp-p、电容Cdp-s和信号加载变压器TM，信号加载变压器TM包括原边线圈Ldp-p和副边线圈Ldp-s；
单相全桥逆变电路的第一直流输入端和第二直流输入端分别与直流电压源的正极和负极相连，单相全桥逆变电路的第一交流输出端与电容C1的第一端相连，电容C1的第二端同时与副边线圈Ldp-s的第一端和原边线圈Lp的第一端相连，单相全桥逆变电路的第二交流输出端同时与电容Cdp-s的第一端和原边线圈Lp的第二端相连，电容Cdp-s的第二端与副边线圈Ldp-s的第二端相连；
高频交流电压源Uc的正极和方波电压源Uod的正极分别与乘法器Mul的第一输入端和第二输入端相连，乘法器Mul的输出端同时与电容Cdp-p的第一端和原边线圈Ldp-p的第一端相连，高频交流电压源Uc的负极同时与方波电压源Uod的负极、电容Cdp-p的第二端和原边线圈Ldp-p的第二端相连。
2.如权利要求1所述的无线能量和数据同步传输系统，其特征在于，单相全桥逆变电路包括NMOS管Q1～NMOS管Q4；
NMOS管Q1～NMOS管Q4分别自带有体二极管D5～体二极管D8；
每个体二极管的阳极和阴极分别与其所属NMOS管的源极和漏极相连；
NMOS管Q1的漏极与NMOS管Q2的漏极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第一直流输入端；
NMOS管Q3的源极与NMOS管Q4的源极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第二直流输入端；
NMOS管Q1的源极与NMOS管Q3的漏极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第一交流输出端；
NMOS管Q2的源极与NMOS管Q4的漏极相连，二者的公共端为单相全桥逆变电路的第二交流输出端。
3.如权利要求2所述的无线能量和数据同步传输系统，其特征在于，副边补偿单元为电容C2；
信号分离单元包括电容Cds-s、信号提取变压器TD、电容Cds-p和电阻Rout，信号提取变压器TD包括原边线圈Lds-p和副边线圈Lds-s；
信号解调单元包括功率放大器Am、高通滤波器HPF1、高通滤波器HPF2、包络检波器ED、低通滤波器LPF和比较器Com，高通滤波器HPF1包括电容Cd1和电阻Rd1，高通滤波器HPF2包括电容Cd2和电阻Rd2，包络检波器ED包括二极管Dd1、电容Cd3和电阻Rd3，低通滤波器LPF包括电容Cd4和电阻Rd4；
整流单元为全波整流电路；
滤波单元为电容CF；
副边线圈Ls的第一端同时与电容C2的第一端和副边线圈Lds-s的第一端相连，电容C2的第二端与全波整流电路的第一交流输入端相连，副边线圈Ls的第二端同时与电容Cds-s的第一端和全波整流电路的第二交流输入端相连，电容Cds-s的第二端与副边线圈Lds-s的第二端相连，全波整流电路的第一直流输出端与电容CF的第一端相连，二者的公共端为负载的第一接入端，全波整流电路的第二直流输出端与电容CF的第二端相连，二者的公共端为负载的第二接入端；
原边线圈Lds-p的第一端同时与电阻Rout的第一端和功率放大器Am的反相输入端相连，原边线圈Lds-p的第二端与电容Cds-p的第一端相连，电容Cds-p的第二端同时与电阻Rout的第二端和功率放大器Am的同相输入端相连；
功率放大器Am的输出端与电容Cd1的第一端相连，电容Cd1的第二端同时与电阻Rd1的第一端和电容Cd2的第一端相连，电容Cd2的第二端同时与电阻Rd2的第一端和二极管Dd1的正极相连，二极管Dd1的负极同时与电容Cd3的第一端、电阻Rd3的第一端和电阻Rd4的第一端相连，电阻Rd4的第二端同时与电容Cd4的第一端和比较器Com的同相输入端相连，电阻Rd1的第二端、电阻Rd2的第二端、电容Cd3的第二端、电阻Rd3的第二端和电容Cd4的第二端均与电源地相连，比较器Com的反相输入端与基准电压源相连。
4.权利要求3所述的无线能量和数据同步传输系统，其特征在于，全波整流电路包括二极管D1～二极管D4；
二极管D1的阳极与二极管D3的阴极相连，二者的公共端为全波整流电路的第一交流输入端；
二极管D2的阳极与二极管D4的阴极相连，二者的公共端为全波整流电路的第二交流输入端；
二极管D1的阴极与二极管D2的阴极相连，二者的公共端为全波整流电路的第一直流输出端；
二极管D3的阳极与二极管D4的阳极相连，二者的公共端为全波整流电路的第二直流输出端；
负载为阻性负载RL。
5.权利要求4所述的无线能量和数据同步传输系统的参数获取方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、给定所述系统的直流输入电压Uin、输出电流IRL、输出功率PRL和通信速率DTRr以及松耦合变压器的尺寸；
步骤二、确定系统工作频率fp和单相全桥逆变电路的移相角β；
步骤三、求解松耦合变压器的互感系数M和阻性负载RL的阻值：
式中，ωp为系统工作角频率，ωp＝2πfp；
步骤四、根据松耦合变压器的尺寸和松耦合变压器的互感系数M确定具有最优品质因数的松耦合变压器的参数，该参数包括原边线圈Lp的自感、副边线圈Ls的自感和耦合系数k，三者满足：
步骤五、根据系统工作频率fp和所述松耦合变压器的参数确定NMOS管Q1～NMOS管Q4、二极管D1～二极管D4、电容CF、电容C1和电容C2的参数：
步骤六、确定高频交流电压信号的频率fd，并满足：10fp≤fd≤10MHz；
步骤七、确定副边线圈Lds-s的自感和电容Cds-s的电容值：
式中，kEE为超出程度系数，kEE≥10，RE为二极管D1～二极管D4、电容CF和阻性负载RL的等效电阻，
式中，ωd为高频交流电压信号的角频率，ωd＝2πfd；
步骤八、确定原边线圈Lds-p的自感和电容Cds-p的电容值：
Lds-p＝1000μH；
步骤九、确定电阻Rout的阻值，并满足：
步骤十、确定副边线圈Ldp-s的自感和电容Cdp-s的电容值：
步骤十一、确定原边线圈Ldp-p的自感和电容Cdp-p的电容值：
Ldp-p＝NTM 2Ldp-s (11)
式中，NTM为信号加载变压器TM原副边匝数比；
步骤十二、确定高通滤波器HPF1的截止频率fcut-HPF1，并满足：
确定电阻Rd1的阻值，并满足Rd1≥1kΩ；
确定电容Cd1的电容值：
高通滤波器HPF2与高通滤波器HPF1的参数相同；
步骤十三、确定包络检波器ED的参数：
二极管Dd1为低压降锗二极管；
确定电阻Rd3的阻值，并满足：Rd3≥1kΩ；
确定电容Cd3的电容值：
步骤十四、确定低通滤波器LPF的截止频率fcut-LPF，并满足：
确定电阻Rd4的阻值，并满足：Rd4≥1kΩ；
确定电容Cd4的电容值：
步骤十五、确定高频交流电压源Uc的码元速率DTRp，并满足：N为正整数；
确定方波电压源Uod的频率：该频率等于DTRp。
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