CN107112123A - 用于静态和动态谐振感应无线充电的近场全双工数据链路 - Google Patents
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Abstract
一种全双工低时延近场数据链路，该数据链路控制用于对电动车辆和其他电动装置进行充电的静态和/或动态谐振感应无线电力传输系统。相干转发器配置使得能够对来自附近和相邻车辆的信号进行低复杂度的同步检测和积极抑制。地面侧设备中的基准晶体振荡器为前向数据链路和返回数据链路二者提供频率同步。传输借助于环形天线对之间的近场磁感应来进行，这连同低于由车辆底部和地表面构成的截止结构的有效波导大大限制了向紧邻系统天线的区域的信号传播。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年9月5日提交的美国临时专利申请第62/046,392号的优先权。通过引用将该申请的内容并入本文。
技术领域
本发明在示例性实施例中描述了一种旨在对用来给电动车辆充电的谐振感应无线电力传输系统进行控制的全双工近场数据链路。本发明使用相干转发器配置，该相干转发器配置使得能够对源自附近和相邻车辆的信号进行干扰抑制同步检测和积极抑制。
背景技术
感应电力传输具有跨许多行业和市场的许多重要应用。可以将谐振感应无线电力设备视为具有将电力供给输入部和电力供给输出部分离和隔离开的大气隙变压器的开关模式直流-直流电力供给。由于通过调整输入侧参数来控制输出电流，因此必须有一种方式将输出参数传递至输入侧控制电路。常规的隔离的开关模式电力供给使用光耦合器或耦合变压器来进行跨隔离势垒的通信，但是这些常规的方法在存在大物理间隙时没有用。跨电力传输间隙的声通信和光通信在理论上可行，但是在实际应用中当受到泥、道路碎片、雪和冰以及积水的挑战时却无法胜任。可以借助于调制接收电感器阻抗以及检测初级侧电感器上感应的电压变化和电流变化来进行跨电力传输间隙的通信。然而，由于谐振感应无线电力传输设备通常采用的低操作频率以及这种谐振感应无线电力传输系统的初级侧电感器和次级侧电感器的中至高的负载Q值，因此严重限制了可用的数据通信带宽，并且难以实现全双工通信。
由于基于射频的数据通信系统不受上面列举的问题影响，因此优选基于射频的数据通信系统，然而，常规的射频数据通信系统在许多方面存在不足。半双工系统只在一个方向上传输，但通过快速地交替传输方向可以创建充当全双工链路的数据链路。传输数据缓冲或排队会引入显著和可变的传输延迟，因此当在控制系统的反馈路径上出现传输数据缓冲或排队时会造成控制系统不稳定，这是很不可取的。
常规的超外差接收器通常需要很好的中频滤波器以提供信道外干扰抑制。然而，这种滤波器通常很贵并且很难单片集成。
此外，常规的无线数据链路并不固有地区别于附近其他相同类型的数据链路。这意味着，常规基于无线的数据链路当被用于调节电动车辆的无线充电时，经常对由附近或相邻停车位的充电设备发出的无线命令做出响应，这种行为使明确的车辆识别和随后的无线充电控制大大复杂化。
为了高电力无线充电的安全操作，非常期望提供具有最小延迟的通信链路以在负载脱离的情况下提供安全、快速的关闭。为了无线电力传输装置的安全且实用的操作，还非常期望通信链路具有固有区别性以最小化相邻装置或车辆之间的通信串扰或误读的风险。一旦建立了通信，通信链路应该能够保证在操作期间一个车辆只与一个指定的地面站进行通信而不与其他车辆或地面站进行通信。
发明内容
本发明通过实现一种相干全双工射频数据链路来解决上述需求和现有技术的限制，该相干全双工射频数据链路依赖于近场感应耦合而不是如在常规系统中的远场传播以限制有效通信范围，采用同步检测以在没有复杂的频域滤波的情况下抑制信道外和一些同信道的干扰，并且采用相干转发器架构以进行数据链路传输-接收装置对的正确识别。本文使用的“相干”意味着各个频率彼此正好通过比率M/N相关，其中M和N是整数。换言之，包含第一频率的M个整数周期的时间段恰好包含第二频率的N个整数周期。
在本发明的示例性实施例中，提供了两个设备，一个与地面侧无线电力发送装置相关联，另一个与车辆侧无线电力接收装置相关联。位于地面侧设备中的晶控基准振荡器提供用于传输和检测所需的所有射频信号的相干产生的共同基础。由于这是全双工通信设备，因此存在两个独立的发送-接收链路：从地面侧设备到车辆侧设备的前向链路和从车辆侧设备到地面侧设备的返回链路。车辆侧环形天线通常位于车辆的导电底部下方并且相对于地表面平行。在示例性实施例中，前向感应链路和返回感应链路被复用到车辆侧和地面侧的无线电力传输装置的无线电力传输线圈。
前向链路传输信号从基准振荡器得出。通过调制器将串行数据施加在前向链路载波上。传输发生在具有明显互感耦合的两个电小环天线之间，所述两个电小环天线被分离得远远小于前向链路操作频率的波长。在前向链路的车辆侧，通过零差检测器来检测接收信号，零差检测器用于提取信号的载波并将该载波用作同步检测器中的检测参考。提取的载波被用作返回链路载波的频率参考，返回链路数据通过第二调制器施加在载波上。从而，返回链路载波与前向链路载波相干，但是在频率上加倍。和以前一样，通过两个间距很小的电小环天线之间的近场感应耦合来进行返回链路传输。也可以使用多个返回路径数据信道，每个返回路径数据信道以第一感应链路的传输频率的不同的M/N倍来发送数据，其中M和N是整数。在链路的地面侧的同步检测器将原始基准振荡器信号的倍频版本用作检测参考来提取返回链路数据。在两个方向上的链路调制可以是幅值调制、频率调制、相位调制或其组合。
由于前向链路载波、前向链路检测参考、返回链路载波和返回链路检测参考全部从相同的初级侧基准振荡器得出，所以通过设计来确保这四个关键信号的一致性。不需要复杂的频率获取电路和频率同步电路。可以使用谐波消除电路以便避免前向通信链路和返回通信链路上的信号之间的自干扰。此外，基准振荡器之间的生产公差和环境引起的频率变化确保来自位于相邻停车位中的设备的链路信号将不是相干的，因此将不受到同步检测。在车辆底部和地表面充当以低于波导传播截止频率操作的波导的两个板的情况下，当链路传输波长超过车辆底部到地表面的间隔距离时引起的衰减造成对源自相邻停车位中的设备和车辆的链路信号的进一步抑制。
在示例性实施例中，提供了一种用于在第一发送/接收系统与第二发送/接收系统之间采用近场感应传输提供全双工数据通信的系统及其相关联的方法。该方法包括以下步骤：第一发送/接收系统通过第一感应链路发送第一信号，第二发送/接收系统通过第一感应链路接收第一信号，第二发送/接收系统通过第二感应链路发送第二信号，以及第一发送/接收系统通过第二感应链路接收第二信号，其中第二信号从第一信号得出并且第一信号和第二信号是频率相干的。第一信号与第二信号是频率同步的并且第一信号的频率和第二信号的频率通过比率M/N相关，其中M和N都是整数。在示例性实施例中，第一信号和第二信号相互之间具有整数谐波关系，其中整数不等于1。因此，第一信号和第二信号彼此具有正好是整数或正好是有理分数的频率关系。
本文描述的方法还包括一种用于通过建立车辆和充电站之间的全双工通信链路，使用无线感应电力传输系统对车辆进行无线充电的方法，其中全双工通信链路在充电站处的第一发送/接收系统和车辆上的第二发送/接收系统之间采用近场感应传输。在示例性实施例中,全双工通信链路包括：第一发送/接收系统通过第一感应链路发送第一信号，第二发送/接收系统通过第一感应链路接收第一信号，第二发送/接收系统通过第二感应链路发送第二信号，以及第一发送/接收系统通过第二感应链路接收第二信号，其中第二信号从第一信号得出并且第一信号和第二信号是频率相干的。然后通过在全双工通信链路上发送控制信号来控制充电站与车辆之间的无线电力传输。当充电站检测到由头顶上的车引起的充电站的无线电力传送线圈、校正线圈和/或近场通信天线的隔离电磁元件之间的阻抗或互阻抗的变化时，启动通信链路。当检测到电感变化时，启动通过第一感应链路进行的控制信号传输。
本文描述的通信系统还可以适用于使用包括安装在道路中的多个充电站的无线感应电力传输系统来提供对移动车辆的动态无线充电。这种方法包括：建立车辆与第一充电站之间的全双工通信链路，其中该全双工通信链路在第一充电站处的第一发送/接收系统与车辆上的第二发送/接收系统之间采用频率相干的近场感应传输。在操作中，第一充电站和/或车辆发送器将关于车辆的位置、时刻和/或速度信息提供至第二充电站，该第二充电站使用位置、时刻和/或速度信息来确定车辆的无线充电接收装置将要位于第二充电站上方的时间。第二充电站在确定的时间提供无线电力传输以向车辆提供无线电力传输，从而在车辆经过多个充电站上方时对该车辆进行充电。在示例性实施例中，前序发射过程建立以与车辆的无线充电接收装置的速率相同的速率进行移动的磁能行波。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他有益特征及优点将变得明显，在附图中：
图1示出了本发明的概念性表示。
图2示出了本发明的示例性实施例。
图3示出了示例性实施例采用的用于避免自干扰的低谐波波形。
图4示出了本发明的示例性实施例使用的数字幅移调制的表示。
图5示出了产生图3所示的波形的低谐波生成电路的实施例。
图6示出了本发明的示例性实施例使用的数字幅移调制的表示。
图7示出了接收器电平检测电路的实施例。
图8示出了用于自干扰消除的设备的实施例。
图9示出了使用本文描述的通信方法的动态充电的实施例。
具体实施方式
将结合图1至图9来描述用于对电动车进行充电的本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，本文提供的教导可以用于其他非车辆谐振磁感应无线电力传输系统。旨在使这样的实施例在本公开的范围内。
图1示出了本发明的概念性表示，其中提供了两个设备，即与地面侧无线电力发送装置相关联的地面侧设备以及与车辆侧无线电力接收装置相关联的车辆侧设备。图1所示的数据链路可以例如在2013年8月6日提交的美国临时专利申请第61/682,572号中描述的线圈对准误差检测设备、无线电力传输线圈或在近场通信天线上实现。如图1所示，地面侧设备包括倍频器10、数据调制器20和同步检测器30，数据调制器20用于接收用于发送的输入数据，同步检测器30用于通过返回链路接收来自车辆侧设备的数据以及提供输出数据。类似地，车辆侧设备包括倍频器40、零差检测器50和调制器60，零差检测器50用于通过前向链路接收来自地面侧设备的数据，调制器60用于通过返回链路将数据发送至地面侧设备。地面侧设备的环形天线70和70’通过以常规的方式与车辆侧设备的环形天线80和80’感应来无线通信。位于地面侧设备中的晶控基准振荡器90为发送和检测所需的所有射频信号的相干产生提供共同基础。如上所述，本文使用的“相干”表示对应频率彼此精确通过比率M/N相关，其中M和N是整数。由于这是全双工通信设备，因此存在两个独立的发送-接收链路：从地面侧设备到车辆侧设备的前向链路和从车辆侧设备到地面侧设备的返回链路。车辆侧环形天线80和80’通常位于车辆的导电底座下方并且相对于地面侧环形天线70和70’平行。
本文描述的和图1所示的本发明在以下方面不同于常规的无线数据通信：
-通信路径是全双工和双向的，具有从地面侧设备到车辆侧设备的前向路径，以及起始于向地面侧设备发送数据的车辆侧设备的第二返回数据路径。
-电子通信机制是两个天线70、80和70’、80’之间的对冲击磁场能量敏感的近场磁场耦合，而不是常规实践射频数据通信的远场自由空间传播。
-前向路径信号载波提供了用于借助于倍频来产生返回路径信号的参考频率。这意味着返回路径信号与前向路径信号相干，并且避免了导出用于返回路径同步检测的同步和相干参考信号的技术难度。此外，相干前向路径信号和相干返回路径信号使得可以简单、明确地抑制同信道干扰和信道外干扰，并且抑制源自相邻停车位的其他相同设备的数据链路信号。
在如图2所示的示例性实施例中，来自基准振荡器90的前向路径频率为13.560MHz。返回路径以前向路径的三次谐波(M/N＝3)40.680MHz操作。这两种频率均被国际分配用于非通信行业，科学和医疗(ISM)使用。还允许在ISM信道中进行通信使用，其中，监管要求减少但必须接受来自所有其他ISM信道用户的干扰。本文描述的相干转发器系统的非辐射近场性质连同在典型应用中低于由车辆导电底部和地表面构成的截止结构的波导，使得所描述的系统非常容忍同信道干扰，并且因此很适合在ISM分配的频率上使用。
前向路径信号产生从以13.560MHz的频率操作的基准石英晶体振荡器90开始。该信号被施加到包括三次谐波消除电路22和幅移调制器24的波形生成级，三次谐波消除电路22和幅移调制器24一起构成图1的调制器20。当然，也可使用其他类型的调制器，例如频移调制器、QPSK调制器等。在示例性实施例中，幅移调制器24生成如图3所示的矩形波，其中T是波形周期并且三次谐波的功率接近为0。具有平衡馈电的小环天线70用作前向路径发送天线，而第二车载平衡馈电小环天线80用于前向路径接收天线。天线70和天线80二者远小于操作频率的波长，因此是不良自由空间辐射器。然而，当物理上很接近时，两个小环天线70、80具有显著的相互磁场耦合从而使得前向通信路径和反向通信路径二者都没有显著的自由空间传播。
根据“Engineering Mathematics Handbook,Third Edition,Tuma,Jan J.,McGraw-Hill 1987 ISBN 0-07-065443-3”，图3所示的修正正弦波形的傅里叶级数系数由下式给出：
前二十个傅里叶级数系数中只有六个不为0。相对于期望的n＝1分量，非零系数是：第5个系数和第7个系数，其抑制-14dB和-16.9dB；第11个系数和第13个系数，其抑制-20.8dB和-22.3dB；以及第17个和第19个系数，其抑制-22.9和-25.5dB。尽管数学上理想的波形具有无限的三次谐波抑制，但是由于不相等的0-1和1-0逻辑传播延迟以及其他小波形不对称性，实际实现将具有小于无限的谐波消除。尽管如此，由具有图5所示的电路的三次谐波消除电路22生成的如图3所示的波形具有卓越的三次谐波抑制(3次谐波能量接近于0)，这是非常期望的特征，用于避免前向发送路径的三次谐波与对40.680MHz返回路径的检测之间的自干扰。如果需要，可以使用常规的谐波滤波技术来进一步抑制剩余残存的三次谐波能量。
图5所示的低三次谐波生成电路包括步进环计数器，该步进环计数器由时钟为期望输出频率的六倍的三个D触发器102、104、106组成，该期望输出频率是通过PLL倍频器108从基准振荡器90的13.560MHz频率中导出的。一对逻辑(NAND)门110、112对步进环计数器进行解码以产生期望的矩形波，该矩形波借助于以对称的推挽式配置布置的两个晶体管114、116驱动前向链路环形天线70。连接到电压源122的两个射频扼流圈118、120的电感与图5所示的环形天线70的电感以及天线谐振电容器124相结合，构成提供对残存谐波能量特别是所示实施例中的三次谐波的抑制的谐振电路。
如图2所示，在示例性实施例中，通过改变前向链路发送级供给电压的值，幅移调制器24对前向链路载波施加幅移键控(ASK)调制。在发送级在全供给电压下操作的情况下，逻辑1比特被编码为全信号幅值。在发送级在降低的供给电压下操作的情况下，逻辑0比特被编码为全信号幅值的一半。以这种方式改变发送器级供给电压产生如图4所示的发送波形。
在前向链路的车辆侧，可变增益控制放大器52增加从环形天线80接收的信号幅值。由于接收信号即使对逻辑0比特也具有非零值，因此总是存在13.56MHz的载波(见图4)。经放大的接收信号的一部分被施加到限幅放大器54，限幅放大器54去除由幅值数据调制引入的接收信号幅值变化和由于两个前向路径环形天线70、80之间的磁场耦合的偶然改变而引起的接收信号幅值变化。限幅放大器54的输出是指示接收信号的瞬时极性的恒定幅值方波。可变增益放大器52输出中未施加到限幅放大器54的部分被施加到乘法混频器56的一个输入。限幅放大器54的输出驱动另一混频器的输入。限幅放大器54和混频器56包括零差检测器50，在零差检测器50中对传入信号载波进行提取并用于对传入信号进行同步检测。限幅放大器54的传播延迟必须可忽略不计或受到补偿以实现相干检测的全部优点。零差检测器50的输出相当于传入幅值调制信号的全波整流。电阻器-电容器低通滤波去除二次载波频率纹波，留下根据所施加的串行数字调制而改变幅值的直流电压。已进行载波纹波滤波的后零差检测器信号被施加到电平检测电路59，电平检测电路59馈送AGC控制环路58，并且还借助于幅值电平检测来提取前向路径串行数据。以下将参照图7来更详细地描述电平检测电路的实现方式。
由限幅放大器54恢复的前向路径载波在首先通过晶体滤波器44之后被施加到三倍频器42，该三倍频器42被实现为滤波器或等效地锁相环路之后的脉冲发生器，晶体滤波器44只在存在足够强的前向链路信号的情况下允许倍频器的操作，从而避免冲突的频率。通过使用如前所述的100％和50％调制电平将所得的40.680MHz载波施加到第二幅移调制器62，以将串行数字数据编码在返回数据路径上。返回路径幅移调制器62如前述那样驱动小谐振环形天线80’，除了不需要图5的谐波发送消除元件102-112。
在返回链路的地面侧，存在小谐振环形接收天线70'和由AGC电路34控制的放大器32。放大器32以及混频器17和38与三倍频器14一起形成同步检测器30。通过以三倍频的方式生成40.680MHz同步检测参考信号来实现对接收的返回路径信号的同步检测。虽然通过设备的整体设计能确保同步检测参考信号的频率误差为零，但是不能保证零相位误差，因此通过使用移相器级的正交信道相位检测以及锁相环控制来获得零相位误差。将相移级(相移器12)放在三倍频器14之前而非放在三倍频器14之后意味着总相移控制范围仅需要超过120度而不是同步检测器30所需的全360度来确保相位同步检测。为了简化为40.680MHz的正交参考信号生成，来自晶体振荡器90的地面侧13.560MHz信号通过三倍频器14进行复用，三倍频器14输出偏移90°的两个方波。三倍频器14由因数为六的锁相环倍频器来实现，在因数为六的锁相环倍频器之后是如图6所示的包括D触发器130、132的正交二分频电路，以获得I和Q同步检测参考信号。应当理解，当在17处的Q信道信号输出为0V时，不存在相位误差。然而，如果在17处的输出不为0V，则存在相位误差并且相移器12的锁相环路操作起作用以将相位差别驱动至0。
可变相移电路12实现为具有可变供给电压的一系列电容性负载逻辑反相器。电容性负载增加了从反相器输入到反相器输出的传播延迟。增加的供给电压降低了反相器的传播延迟，从而减少了反相器相移。由Q信道混频器17和相关联的环路滤波器16构成的常规锁相环将同步检测器30的Q信道输出驱动至0，从而确保I信道幅值检测的适当的相位同步。
同步检测器30的I信道混频器38将放大器32的输出与三倍频器14的I信道输出混合，从而提供电平检测电路36的幅值输入信号。返回路径电平检测电路36与前向路径电平检测电路59相同，不同之处在于：前者包括用于检测返回路径信号的存在的载波检测功能和相关联的电压比较器138(图7)。
图7示出了接收器电平检测电路36的实施例。由全波精密整流器136驱动的峰值保持电容器134保持最大检测电压电平，该最大检测电压电平又通过自动增益控制(AGC)电路34(图2)保持在恒定值。AGC幅值稳定的峰值检测电压借助于R-2R-R电阻器分压器142来提供1-0串行、二进制检测电压比较器138的参考电压和载波检测电压比较器140的参考电压，R-2R-R电阻器分压器142用于将电压比较器参考电压分别设置为图4所示的后检测波形的峰值的25％和75％。载波检测电压比较器140提供车辆侧故障发生的快速指示。如果在车辆侧发生故障，例如突然意外负载脱落，则立即禁用返回链路载波。地面侧设备仅检测由预检测滤波器延迟和后检测滤波器延迟所延迟的载波去除，并且立即停止无线电力传输。峰值保持函数的全值被施加到AGC积分器144，AGC积分器144用于调整AGC环路电压从而调整放大器32的增益，以使峰值保持电容器134的电压保持等于AGC设置点146的电压。常规的精密整流器136生成与输入电压的绝对值成比例的输出电压，并且包括放置在运算放大器反馈路径内的一个或更多个小信号二极管，这是有效地消除二极管前向电压降从而能够以最小误差实现对低电平信号的精密整流的配置。
可替换地，可以通过使用相干的但不是相位同步的I和Q检测信道来进行返回链路同步检测。可以以常规的方式来提取幅值和相位调制，其中幅值是I和Q信道的均方根，并且相位角是I和Q的比率的反正切。在该替选实施例中，不需要相移和相位控制环电路。
图1和图2示出了四个环形天线：用于前向链路的发送和接收天线对70、80以及用于返回链路的第二天线对70’、80’。在替选实施例中，前向和返回链路天线对可以合并成具有常规天线双工器的单环天线，以分离和隔离前向链路信号与返回链路信号。同样，也可以将一个或两个数据链路信号复用到无线电力传输线圈上或者辅助电磁结构上，例如作为美国临时专利申请第61/682,572号中描述的线圈对准误差检测设备的一部分的涡流生成线圈。
为了简化和降低成本，期望前向路径和反向路径共享公共天线结构。于是问题是对前向路径信号和返回路径信号进行组合以及随后使前向路径信号和返回路径信号彼此分离并且与通过将功能组合成单个天线结构而遇到的其他电信号分离。通常，存在两种一般的方法来实现信号组合、分离和路由。第一种方法使用混合变压器、混合耦合器或定向耦合器，定向耦合器借助于信号流方向来区分前向路径信号与反向路径信号。第二种方法依赖于频率选择滤波器，该频率选择滤波器基于频率来区分信号。频率选择复用器可以用LC集总组件、分布式组件或者作为包含多个谐振元件和耦合元件的单片电路来实现。频率复用功能块可以组合信号方向鉴别与信号频率鉴别二者。
可以通过添加如图8所示的电子信号消除来增强信号复用器功能块(电路)的性能。电子信号消除功能块(电路)被放置在公共前向/返回路径天线和接收器之间的路径中。公共天线连接至信号分离器204的端口202。一个分离器的输出借助于隔离放大器208到达混频器206的输入端口。要消除的信号的样本被施加到端口210，并且所施加的信号通过可变移相器212进行相移，并且借助于限幅放大器214被施加到混频器206的本地振荡器端口。混频器206的输出被施加到环路滤波器216，然后被施加到可变移相器212的控制端口。组件212、组件214、组件206和组件216构成相位控制环路，该相位控制环路用于确保消除信号与施加到端口202的不想要的信号分量的相位相差90度。零相位误差对应于混频器206输出处的零直流电压。
如图8所示，分离器204的第二输出借助于隔离放大器220到达组合器218。如图所示，信号组合器218、分离器222、隔离放大器224、混频器226、环路滤波器228和衰减器230一起构成幅值控制环。由移相器212输出的正交采样信号的一部分被施加到固定90度移相器232，产生消除信号的180度异相版本，该消除信号的180度异相版本通过受控衰减器230进入信号组合器218，其中如果消除信号幅值正确，则完成对不想要的信号的完全消除。组合器218的输出信号的一部分经由分离器222被引导至234处的接收器输入。另一部分通过隔离放大器224被引导至混频器226的信号端口，该信号端口用作由180度异相消除信号的未衰减部分驱动的相干幅值检测器。混频器226的输出通过用于控制可变衰减器230的环路滤波器228。本领域技术人员将理解，零消除信号幅值误差对应于混频器226的输出处的零直流电压。
在操作中，当车辆接近无线充电站时，在充电开始之前建立通信。一旦充电开始，全双工通信用于调节和控制无线电力传送操作的多个方面，包括传输电力电平，输出电压和电流，以及对适当系统操作的监视。为了建立控制通信，地面装置可以在连续地或周期性地发送前向路径信号的同时收听车辆生成的返回路径信号。在检测到车辆生成的返回路径信号时启动双向通信。或者，车辆侧电子器件可以与临时导出自临时晶体振荡器(未示出)的返回路径信号进行初始接触，而不是与通常使用的由零差检测器50恢复且由地面侧电子器件非相干地检测到的载波进行初始接触。在地面侧接收车辆信号时，地面侧装置发送前向路径信号。在车辆侧通信启动的情况下，车辆侧设备禁用临时晶体振荡器，并且在成功进行了零差检测和载波恢复时回复成相干转发器操作。
上述两种启动方法都依赖于前向路径信号或返回路径信号的发送。也可以有利地在没有前向或反向路径发送的情况下启动通信。在示例性实施例中，地面装置检测由头顶上的车引起的在无线电力传输线圈的阻抗中的变化，并通过发出前向路径信号来响应。该实施例减少或消除了不必要的信号发送，并且在一些规定环境下是有利的。除了无线电力传输线圈之外，还可以在线圈对准辅助线圈中或在近场通信天线中检测启动阻抗变化。除了阻抗变化之外，隔离电磁元件之间的互阻抗的变化也可以用于启动通信。
在本文描述的示例性实施例中，40.680MHz的反向信号是13.560MHz的前向信号频率的简单整数倍，并且两个信号都落在现有的国际标准的ISM-行业，科学医学频率分配之中。也可以使用具有非整数频率比的其他频率和频率对。例如，也可以使用中心频率为2450MHz和5800MHz的两个国际ISM频带。本文描述的与常规锁相环技术组合的相干转发器架构可以产生与频率比M/N为116/49的2450MHz信号频率同步的5800MHz信号，其中M＝5800MHz和N＝2450MHz。ISM频带和非ISM频带频率的其他组合、具有其他整数或有理分数频率的频率对和多个同时传输和接收的载波频率也是可能的。例如，也可以使用多个返回路径数据信道，每个返回路径数据信道以第一感应链路的传输频率的不同的M/N倍来传输数据，其中M和N是整数。全双工、频率相干的通信也是可能的，其中地面装置和远程设备通过远场传播来连接，而不是通过近场传播来连接。
动态充电
动态电动车充电是在电力驱动的车辆运动时向车辆提供电能的特殊情况。如图9所示，可以用谐振磁感应来实现动态充电的使用，其中多个独立的发送器300以线性阵列的形式安装在道路中，并且随着目标车辆310、312在线性阵列300上行进以受控的顺序被激励。可以在仅有一个车辆310在发送器阵列300上移动时，或者在更真实的环境下，在存在多个不同类型、速度和电力要求的多个电动车辆310、312在所述发送器阵列300上移动时实现动态充电。在后一种情况下，特定发送器300的激励顺序在阵列内是可变的，并且将取决于各种车辆的类型及其运动、固有地不可预测的因素。因此，动态充电的技术要求造成特殊的技术挑战。上述系统解决了下面列举的动态充电的多个问题。
动态充电的最严重的问题是需要车辆对地面以及地面对车辆的通信，其中当要操纵和控制充电系统时必须要传输离散的、高速的、高差别性的和可靠的数据。在一个或几个车辆可以穿过嵌入地面的感应电力发射器的串行阵列的情况下，需要所述数据来操作充电系统。
如图9所示，在道路下方安装有感应电力发送器300的阵列，将每个发送器300沿着道路的纵向轴线以串联阵列的形式放置。意图是提供一段道路，当电动车辆310、312在该段道路上行驶时，该段道路可以向在感应发送器300的线性阵列上行进的车辆310、312供应电能。期望的是仅激励直接在车辆接收器下方的发送器300。没有车辆在其上方的发送器300应保持惰性(即，不被激励)。
在感应电力传输的每种情况下，无论是在这里描述的动态充电模式中，还是在上述固定充电的即配备有单个电力接收器的车辆停放在嵌入路面中的单个电力发送器上方并且保持不动的更简单的情况下，必须发生基于车辆的接收器和基于地面的发送器之间的通信。这对于车辆识别、能量购买的计费、调节电流和电压、谐振频率、垂直间隙分离距离、初级至次级的对准以及用于其他目的，例如安全操作和紧急断电来说是期望的。在移动车辆在运动的同时进行充电的情况下也是如此，不同之处在于内置于车辆中的单个发送器按顺序与多个独立的发送器进行通信。这种移动的一对一关系造成非常显著的通信挑战。
用于对移动车辆进行充电的操作方法是使得线性阵列中的每个独立的发送器300随着车辆接收器320经过每个独立的发送器300上方以顺序模式来激励以产生谐振磁场。车辆的类型、车辆特定充电要求、车辆的速度、相对于发送器300的对准以及车辆的预测轨迹都是使得该问题难以解决的重要因素。
如图9所示，确定是嵌入路面的发送器300的阵列将同时经历两个或更多个车辆310、312的存在并且对每个车辆310、312的可变条件做出响应的情况。在这种情况下，每个车辆310、312与该车辆310、312位于其上方的特定地面发送器300之间的通信是离散的和有区别的，使得没有其他车辆310、312被混淆也没有来自附近车辆310、312的数据传输被接收和误读。对此的要求包括数据通信系统被最近地约束到预期的车辆310、312的目标区域。通过比较，广播无线电和诸如Wi-Fi的其他系统具有可以容易地被许多附近车辆接收的范围。
第一要求是具有高度接近的发送接收能力，也就是说被限制为小于2米(以60MPH移动的车辆以每秒88英尺行进。接收器暴露于发送器的时间可以是大约0.02秒的数量级。在这个时间帧中，在典型的数字通信系统的信号传输中的0.04至0.07秒的时间延迟显然是不行的)。
第二要求是在信号中没有时间延迟或具有非常低的时间延迟(或时延)。需要这样做是因为车辆310、312可以在多个发送器300上以高速率移动，并且应当确保车载接收器320与任何一个发送器300之间的离散通信。
第三要求是通信系统能够对与发送器300的有序阵列的通信进行“切换”或排序。这可以通过将发送器300彼此接线或通过允许一个发送器300使用本发明的近场通信系统进行通信来寻址有序阵列中的相邻发送器300来实现。
第四要求是全双工操作或双向性的，从而确保在车辆310,312存在于发送器300之上的非常短的时间跨度内，数据可在从车辆到地面以及从地面到车辆的两个方向上交换。
第五要求是允许在所有天气和环境条件下的不间断通信。这通过使用如本文所描述的磁能来实现，磁能使得能够穿过水体、雪、冰和其他恶劣路面表面条件来通信。
第六要求是避免在车辆310、312远端的多个天线的问题。多个远端天线引入由于道路铺路和车体干扰而造成的显著问题，例如多径信号无效。具有多个天线的高可靠性车辆识别难以确保避免恶意黑客或其他网络破坏行为。
本领域技术人员将理解，本文描述的通信系统提供了统一的解决方案以解决这些要求中的每一个要求。
如上所述，动态充电使得能够随着车辆310、312经过道路中的发送器300上方，在车辆行驶的同时对移动的车辆进行充电。当预期在其上方存在车辆310、312时，每个发送器300以受控的顺序被激励。由于车辆接收器320仅在短时间内“存在”在于任一个充电站上方，因此需要一个排序系统，该排序系统实时地知道车辆的接收器与充电站的发送器在何处相互关联。理想地，前序发射程序有效地建立磁能行波，该磁能行波以与车辆接收器320的速率相同的速率进行移动。为了做到这一点，需要具有最小时延的通信系统，例如本文所描述的通信系统。如上所述，本文描述的通信系统非常快(接近零时延)并且非常接近，从而了解接收器320相对于发送器300的位置。因此，为了实现动态充电，提供了配备有本文所描述的通信系统的一系列充电站。在操作期间，每个充电站和/或车辆发送器将信息提供至下一个发送器，所述信息包括：例如，车辆识别、用于能量购买的计费、调节电流和电压、谐振频率、垂直间隙分离距离、初级至次级的对准以及用于其他目的例如安全操作和紧急断电的信息、关于车辆310、312的位置、时刻、轨迹和/或速度信息，使得在行驶期间当车辆的无线充电接收器320位于发送器300上方时下一个发送器进行发射。
本领域技术人员将理解，本文所描述的拓扑和电路实现方法使得能够有效地实现为单个专用集成电路。此外，虽然本文包含的公开内容涉及向车辆提供电力，但是应当理解，这仅仅是许多可能应用中的一个，并且包括非车辆应用的其他实施例是可能的。例如，本领域技术人员将理解，存在在非车辆感应充电应用中提供全双工数据链路的许多应用，例如便携式消费电子装置充电器，例如用于对牙刷、蜂窝电话和其他装置充电的充电器(例如，PowerMatTM)。此外，本领域技术人员将理解，可以使用采用了其他复杂调制方法的同步幅值和角度调制并且通过使用多个调制的前向路径载波和反向路径载波来增加本文描述的通信系统的传输带宽(数据速率)。因此，这些和其他这种应用包括在所附权利要求的范围内。
Claims (50)
1.一种采用近场感应传输的全双工数据通信系统，包括：
第一发送/接收系统，所述第一发送/接收系统通过第一感应链路发送第一信号并且通过第二感应链路接收第二信号；以及
第二发送/接收系统，所述第二发送/接收系统通过第一感应链路接收第一信号并且通过第二感应链路发送第二信号，
其中，所述第二信号从所述第一信号得出，并且所述第一信号与所述第二信号是频率相干的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一信号与所述第二信号是频率同步的并且第一信号的频率和第二信号的频率通过比率M/N相关，其中M和N都是整数。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一信号和所述第二信号彼此具有整数谐波关系，其中所述整数不等于1。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，使用用于基于转发器的通信链路的操作的数据来调制通过所述第一感应链路和所述第二感应链路发送的所述第一信号和所述第二信号，所述基于转发器的通信链路用于控制无线感应电力传输系统。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一发送/接收系统和所述第二发送/接收系统中的每一个包括：幅移调制器，所述幅移调制器对用于所述基于转发器的通信链路的操作的数据进行调制以生成矩形波传输波形，所述矩形波传输波形具有被选择成给出固有整数谐波抑制的傅里叶级数系数，从而抑制所述第一信号与所述第二信号之间的相干转发器谐波自干扰。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述傅里叶级数系数βn由以下公式给出：
针对每个系数n，
<mrow>
<msub>
<mi>&beta;</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mi>S</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mfrac>
<mi>n</mi>
<mn>3</mn>
</mfrac>
<mi>&pi;</mi>
<mi>S</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mfrac>
<mi>n</mi>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述幅移调制器将逻辑1比特编码为供给电压的全信号幅值并且将逻辑0比特编码为供给电压的全信号幅值的一半。
8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一发送/接收系统和所述第二发送/接收系统中的每一个包括：相位调制器或频率调制器，所述相位调制器或所述频率调制器对用于所述基于转发器的通信链路的操作的数据进行调制。
9.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一发送/接收系统在对车辆无线充电的无线感应电力传输系统的地面侧并且所述第二发送/接收系统在该无线感应电力传输系统的车辆侧，并且其中所述第一信号和所述第二信号具有足够低的载波频率，使得所述载波频率的波长大于所述车辆的导电底部与所述地面的表面之间的距离，从而使得所述车辆底部和所述地表面充当低于波导传播截止频率的波导。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一感应链路和所述第二感应链路中的至少一个被复用到无线电力传输线圈上。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一发送/接收系统包括第一发送天线和第一接收天线，并且所述第二发送/接收系统包括第二发送天线和第二接收天线，并且其中所述车辆导电底部和所述地面的表面含有紧邻所述第一发送天线和所述第二发送天线的所述第一信号和所述第二信号。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一发送天线、所述第一接收天线、所述第二发送天线和所述第二接收天线中的每一个小于所述载波频率的波长，由此在所述第一发送天线和所述第二接收天线以及所述第二发送天线和所述第一接收天线物理上接近时，所述第一发送天线和所述第二接收天线以及所述第二发送天线和所述第一接收天线分别具有足够的相互磁场耦合，以使得所述第一发送接收/系统与所述第二发送/接收系统之间的前向通信路径和反向通信路径二者都没有显著的自由空间传播。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一发送天线和所述第一接收天线被合并成单环天线，所述单环天线具有用于分离和转发所述第一信号和所述第二信号的天线双工器。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括：频率复用电路和电信号消除电路，所述频率复用电路用于区分所述的第一感应链路和所述第二感应链路中的信号，所述电信号消除电路在功能上被置于所述单环天线和所述第一发送/接收系统的接收器之间。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述电信号消除电路包括：分离器，所述分离器连接至所述单环天线以接收要消除的信号，所述分离器将所述分离器的第一输出提供至混频器的第一输入，并且要消除的信号的样本被提供至相移器并且所述相移器的输出被提供至所述混频器的第二输入，其中所述混频器的输出被提供至所述相移器的控制输入以产生锁相环路以保证在所述混频器的所述第一输入处的信号与所述混频器的所述第二输入处的信号相位相差90度。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述分离器的第二输出被提供至幅值控制环，并且所述相移器的输出被提供至90度移相器以产生要消除的信号的180度异相版本，用于在信号组合器处与所述分离器的第二输出进行组合。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一发送/接收系统包括：第一调制器，同步检测器，基准振荡器，以及倍频器，所述第一调制器用于生成所述第一信号，所述基准振荡器用于将具有第一频率的调制信号提供至所述第一调制器，所述倍频器用于将所述调制信号的第一频率乘以整数以应用于所述同步检测器。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第二发送/接收系统包括：零差检测器，倍频器以及第二调制器，所述零差检测器用于对所述第一信号进行同步检测和全波整流，所述倍频器用于将接收的调制信号的第一频率乘以所述整数，所述第二调制器用于生成具有第二频率的所述第二信号，所述第二频率是所述第一频率的整数倍。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述第一频率为13.56MHz，并且所述第二频率为40.68MHz。
20.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一发送/接收系统包括：谐波消除电路，所述谐波消除电路消除具有所述第二信号的频率的所述第一信号的整数谐波以避免所述第一信号和所述第二信号之间的自干扰。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述谐波消除电路包括：步进环计数器以及一对逻辑门，所述步进环计数器的时钟为所述第一频率的整数倍，所述一对逻辑门用于解码所述步进环计数器以产生用于驱动所述第一发送/接收系统的第一发送天线的矩形波。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述谐波消除电路还包括：连接至电压源的射频扼流圈和谐振电容器，所述射频扼流圈和所述谐振电容器与所述第一发送天线的电感相结合以形成谐振电路，所述谐振电路用于提供对所述第一频率的整数谐波的抑制。
23.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二发送/接收系统包括：可变增益控制放大器和限幅放大器，所述可变增益控制放大器用于增加通过第一感应链路接收的所述第一信号的信号幅值，所述限幅放大器用于从所述可变增益控制放大器的输出中去除接收的信号的幅值变化，所述限幅放大器的输出指示通过所述第一感应链路接收的所述第一信号的瞬时极性。
24.根据权利要求23所述的系统，还包括：乘法混频器，所述乘法混频器用于在第一输入处接收所述可变增益控制放大器的输出并且在所述第二输入处接收所述限幅放大器的输出，所述乘法混频器的输出提供对通过所述第一感应链路接收的所述第一信号的全波整流。
25.根据权利要求24所述的系统，还包括：电平检测电路，所述电平检测电路响应于所述乘法混频器的输出以使用幅值电平检测从通过所述第一感应链路接收的所述第一信号的所述全波整流中提取幅值调制数据，并且向自动增益控制电路提供控制信号，所述自动增益控制电路用于向所述可变增益控制放大器提供反馈控制信号。
26.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一发送/接收系统包括：同步检测器，所述同步检测器用于同步地检测所述第二信号。
27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述第一发送/接收系统包括同步检测参考信号生成器，所述同步检测参考信号生成器包括：倍频器和相移器，所述倍频器用于将所述第一信号的频率乘以所述整数，所述相移器由正交信道相位检测以及锁相环路控制根据所述同步检测器的输出进行控制。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述第一发送/接收系统还包括：电平检测电路，所述电平检测电路响应于所述同步检测器的输出以使用对同步检测的第二信号的幅值电平检测来提取幅值调制数据，所述电平检测电路包括：全波精密放大器，所述全波精密放大器接收所述同步检测的第二信号并且将输出提供至峰值保持电容器，所述峰值保持电容器用于使用来自被设置成参考电压的自动增益控制电路的控制信号将所述全波精密放大器的最大检测电压电平输出保持在恒定值。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述电平检测电路还包括：载波检测电压比较器，所述载波检测电压比较器用于比较所述同步检测器的输出与所述参考电压的百分比，以确定所述同步检测器的输出中是否存在载波。
30.根据权利要求26所述的系统，其中，所述同步检测器包括：相干但不相位同步的I检测信道和Q检测信道，其中接收的第二信号的检测幅值是I信道和Q信道的均方根，并且接收的第二信号的相位角是I信道和Q信道的比率的反正切。
31.一种在第一发送/接收系统和第二发送/接收系统之间提供采用近场感应传输的全双工数据通信的方法，包括以下步骤：
第一发送/接收系统通过第一感应链路发送第一信号；
第二发送/接收系统通过第一感应链路接收第一信号；
第二发送/接收系统通过第二感应链路发送第二信号；以及
第一发送/接收系统通过第二感应链路接收第二信号；
其中，所述第二信号从所述第一信号得出，并且所述第一信号与所述第二信号是频率相干的。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括：使所述第一信号与所述第二信号频率同步并且使第一信号的频率和第二信号的频率通过比率M/N相关，其中M和N都是整数。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第一信号和所述第二信号彼此具有整数谐波关系，其中所述整数不等于1。
34.根据权利要求31所述的方法，还包括：使用用于基于转发器的通信链路的操作的数据来调制通过所述第一感应链路和所述第二感应链路发送的所述第一信号和所述第二信号，所述基于转发器的通信链路用于控制无线感应电力传输系统。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述调制包括：对用于所述基于转发器的通信链路的操作的数据进行幅值调制以生成矩形波传输波形，所述矩形波传输波形具有被选择成给出固有整数谐波抑制的傅里叶级数系数，从而抑制所述第一信号与所述第二信号之间的相干转发器谐波自干扰。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述傅里叶级数系数βn由以下公式给出：
针对每个系数n，
<mrow>
<msub>
<mi>&beta;</mi>
<mi>n</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mi>S</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mfrac>
<mi>n</mi>
<mn>3</mn>
</mfrac>
<mi>&pi;</mi>
<mi>S</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mfrac>
<mi>n</mi>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
</mrow>
37.根据权利要求35所述的方法，还包括：将逻辑1比特编码为供给电压的全信号幅值并且将逻辑0比特编码为供给电压的全信号幅值的一半。
38.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一发送/接收系统在对车辆无线充电的无线感应电力传输系统的地面侧并且所述第二发送/接收系统在该无线感应电力传输系统的车辆侧，所述方法还包括：提供具有足够低的载波频率的所述第一信号和所述第二信号，使得所述载波频率的波长大于所述车辆的导电底部与所述地面的表面之间的距离，从而使得所述车辆底部和所述地表面充当低于波导传播截止频率的波导。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括：将所述第一感应链路和所述第二感应链路中的至少一个复用到无线电力传输线圈上。
40.根据权利要求34所述的方法，其中，调制所述第一信号和所述第二信号包括：使用幅值调制和角度调制两者利用数据调制所述第一信号和所述第二信号。
41.根据权利要求33所述的方法，还包括：消除具有所述第二信号的频率的所述第一信号的整数谐波以避免所述第一信号与所述第二信号之间的自干扰。
42.一种使用无线感应电力传输系统对车辆进行无线充电的方法，包括：
建立所述车辆与充电发送器之间的全双工通信链路，所述全双工通信链路在充电发送器处的第一发送/接收系统与所述车辆上的第二发送/接收系统之间采用近场感应传输，其包括步骤：
所述第一发送/接收系统通过第一感应链路发送第一信号，
所述第二发送/接收系统通过第一感应链路发送第一信号，
所述第二发送/接收系统通过第二感应链路发送第二信号，以及
所述第一发送/接收系统通过所述第二感应链路接收第二信号，其中，所述第二信号导出自所述第一信号，并且所述第一信号和所述第二信号是频率相干的；以及
通过在全双工通信链路上发送控制信号来控制所述充电发送器与所述车辆之间的无线电力传输。
43.根据权利要求42所述的方法，还包括：使所述第一信号与所述第二信号频率同步并且使第一信号的频率和第二信号的频率通过比率M/N相关，其中M和N都是整数。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述第一信号和所述第二信号相互之间具有整数谐波关系，其中所述整数不等于1。
45.根据权利要求42所述的方法，还包括：检测由头顶上的车引起的在所述充电发送器的无线电力传送线圈、校正线圈和近场通信天线中的至少一个的隔离电磁元件之间的阻抗或互阻抗的变化，并且在检测到所述变化时通过所述第一感应链路启动所述控制信号的传输。
46.一种使用无线感应电力传输系统对车辆动态无线充电的方法，所述无线感应电力传输系统包括安装在道路中的多个充电发送器，所述方法包括：
建立所述车辆与第一充电发送器之间的全双工通信链路，所述全双工通信链路在所述第一充电发送器处的第一发送/接收系统与所述车辆上的第二发送/接收系统之间采用频率相干近场感应传输；
所述第一充电发送器和/或车辆发射器将关于所述车辆的位置、时刻和速度信息中的至少一个提供至第二充电发送器；
所述第二充电发送器使用所述位置、时刻和速度信息中的至少一个来确定车辆的无线充电接收装置将位于所述第二充电发送器上方的时间；以及
所述第二充电发送器在确定的时间提供无线电力传输以向所述车辆提供无线电力传输，从而在所述车辆经过所述多个充电发送器上方时对所述车辆进行充电。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，建立所述车辆与所述第一充电发送器之间的全双工通信链路包括以下步骤：
所述第一发送/接收系统通过第一感应链路发送第一信号，
所述第二发送/接收系统通过第一感应链路接收第一信号，
所述第二发送/接收系统通过第二感应链路发送第二信号，以及
所述第一发送/接收系统通过所述第二感应链路接收第二信号，其中，所述第二信号从所述第一信号得出，并且所述第一信号和所述第二信号是频率相干的。
48.根据权利要求47所述的方法，还包括：使所述第一信号与所述第二信号频率同步并且使第一信号的频率和第二信号的频率通过比率M/N相关，其中M和N都是整数。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述第一信号和所述第二信号彼此具有整数谐波关系，其中所述整数不等于1。
50.根据权利要求46所述的方法，还包括：建立前序发射过程以建立，以与所述车辆的无线充电接收装置的速率相同的速率进行移动的磁能行波。
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