CN109639312A - 一种使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统及其实现方法，该系统包括信号发送端、电磁场耦合结构、信号接收端、第一传输线和第二传输线，信号发送端通过第一传输线与电磁场耦合结构电性连接，电磁场耦合结构通过第二传输线与信号接收端电性连接；本发明是利用电磁场耦合建立带通信道，调整电磁场耦合的具体参数以调整信道特性，来适应信号功率谱分布；采用数字基带编码而不是载频调制的方式，调整数据信号的功率谱分布，来适应带通信道特性。相对现有技术，本发明系统构成大大简化、可靠性提高、成本大幅度下降、系统结构更简单、体积更小、工艺性更好，同时数据传输速度更快。

Description

一种使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统 及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种信号传输系统，特别是一种使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统及其实现方法。

背景技术

在医疗设备、工业控制、雷达、机器人关节、旋转臂监视监控等系统中，很多时候需要在相对运动的两个或多个部件之间传输大量数据，比如雷达与底座间整周旋转、振动台和底座之间的振动位移等。

针对相对旋转运动部件之间信号传输，现有的技术主要有：导电滑环、光纤滑环、电磁场耦合方式等，相对小行程直线位移的部件之间传输方式主要用电缆。

相对小行程直线位移部件间的电缆传输，如果不配置支撑导轨则成本不高，但由于需要频繁的弯曲扭转，线缆和连接点长时间使用的疲劳损伤较为严重，可靠性不高，需要经常维护或更换。

导电滑环为了得到较好的传输性能，要考虑导电率、抗磨损、抗腐蚀等性能，需使用贵重金属或稀有元素金属制造接触头，工艺复杂、造价高昂，且使用寿命难以提高。

光纤滑环应用非接触式的光纤传输数据，提高了寿命，传输速度也很快，但需要配套专门光电转换装置，且需要加工精密的光学机构，整体成本很高。电磁场耦合数据传输具有结构简单，部件少、成本低，部件之间非接触，工作寿命长等优点，许多案例都在这种方式上进行了努力，如CN 101478182A《一种非接触式电能、数据一体化滑环式传输方法》、CN106329735A《非接触供电及数据传输装置》等。

在当前技术中，电磁耦合数据传输最大的问题是带宽利用率不够，导致通信速度难以提高。普遍使用的载频传输，只是利用了电磁场耦合信道的一个或者多个共振频点，为了实现较高速度的数据传输，必须想办法做补偿增加共振频点，如案例CN 107612347 A《基于双边LCC补偿的无线能量与数据同步传输系统》，或提高载波频率，结果就是电路系统复杂度上升、成本拉高。案例CN 108153688 A《串行隔离通信方法及系统》公开了一种新的编码方式，但作用是为了保证不同系统互联间信号解码的准确性，且此编码方式通过高低脉冲时间比值确定信号值，带宽利用率更低，通信速度难以提高。

发明内容

本发明的目的就是为了解决背景技术中的不足之处，提供一种使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统及其实现方法，从而提高耦合信道的带宽利用率，即在不提高系统主频的情况下提高数据传输速度，以满足相对静止或相对运动的两个或多个部件之间，结构简单的、可靠的、低成本的、长寿命的近距离无线数字信号传输的需求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统，包括信号发送端、电磁场耦合结构、信号接收端、第一传输线和第二传输线，信号发送端通过第一传输线与电磁场耦合结构电性连接，电磁场耦合结构通过第二传输线与信号接收端电性连接；

所述磁场耦合结构应用电磁场耦合，构造一个带通信道，并保持信道幅频特性在中频段平坦；

所述第一传输线将信号从所述信号发送端引入所述电磁场耦合结构；

所述第二传输线将信号从所述电磁场耦合结构引入所述信号接收端；

所述信号发送端利用基带数字编码方式来实现信号功率谱分布的调整，实现削弱或消除直流分量，集中于中频分量，压制高频分量，使得信号功率谱起始频率、截止频率与所述电磁场耦合结构的起始频率、截止频率相当，实现信号的近场高速无线传输；

所述信号接收端通过信号整形放大和解码最终恢复出原始数据；所述第一传输线将信号从所述信号发送端引入所述电磁场耦合结构。

对于本发明的一种优化，所述信号发送端包含基带数字编码器和接口驱动电路；

所述基带数字编码器采集欲发送数据并进行基带编码，重新整合信号功率谱以和所述电磁场耦合结构的传输特性相匹配，然后串化输出；所述接口驱动电路将接收到的信号经过预加重、更改电平标准后输出，并起到阻抗匹配的作用。

对于本发明的一种优化，所述电磁场耦合结构至少包含一个原边线圈、一个副边线圈，原边线圈与副边线圈相对设置。

对于本发明的一种优化，原边线圈与副边线圈相对之间设置有软磁体，软磁体包括铁氧体、硅钢、非晶合金。

对于本发明的一种优化，所述原边线圈与所述副边线圈之间保持静止或相对运动状态，相对运动包括有限角度旋转、整周旋转、直线位移、往复直线位移、往复角位移或上述运动的任意组合，相对运动过程中需要保持信号频段内带通信道幅频特性不小于阈值。

对于本发明的一种优化，所述信号接收端包含接口匹配与波形放大、整形电路和基带数字解码器；

所述接口匹配与波形放大、整形电路进行电气接口匹配，并将电磁场耦合结构输出的信号进行放大、整形、更改电平标准，从而符合基带数字解码器的识别要求；所述基带数字解码器恢复出原始数据。

一种使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统的实现方法，通过调整信号发送端内基带数字编码器的基带编码方式和信号波特率，进一步地调整信号功率谱带宽和功率谱分布；调整电磁场耦合结构的耦合方式和具体参数，进一步地调整带通信道的带宽，保持中频段信道幅频特性平坦，使得信道带宽和信号功率谱相匹配。

对于本发明的一种优化，所述调整所述信号发送端的所述基带数字编码器的基带编码方式，其基本原则是使得信号能量更集中于中频段、削减或消除直流量，压制高频分量，实现功率谱分布与所述电磁场耦合结构的信道带宽相匹配。

对于本发明的一种优化，所述调整所述电磁场耦合结构的耦合方式和具体参数，用于调整所述电磁场耦合结构的传输幅频特性，并保持中频段的平坦，实现与信号功率谱相匹配和满足信号无码间干扰传输要求。

对于本发明的一种优化，所述使得信道带宽和信号功率谱相匹配，是信号初始频率点和截止频率点与信道初始频率点、截止频率点相当或者在后者范围之内。

本发明与现有电磁场耦合信号传输相关技术相比，突出的优点在于：

1)不使用载频调制，而是利用基带数字编码的方式来实现信号功率谱分布的调整，减少了相关技术中高频载波生成、信号混频调制、信号解调等功能，省去了许多昂贵的射频器件，电路系统和信号处理系统大大简化，信号链路缩短，可靠性提高、成本大幅度下降、系统结构更简单、体积更小；

2)基带数字编码使得信号功率谱与电磁场耦合形成的信道带宽相当，从而实现信道带宽的充分利用，使用较低的主频实现信号的近场高速无线传输，换句话讲，是在信道带宽确定的情况下，大大提高了信号传输速度；

3)本发明所描述的系统的实现方案，因为使用的是电磁耦合结构总的带宽频段，能量谱分布更加分散，其传输性能并不依赖于一个或者几个频点的性能，故能够容忍电磁耦合结构原副级间更大的装配误差，工艺性更好、成品率更高，更适合批量生产。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

图1是本发明的基本原理示意图。

图2是几种基带编码前后信号的功率谱密度分布图。

图3是电磁场耦合结构的电路原理图和典型的幅频特性。

图4是实施例一的系统构成示意图。

图5是实施例一中电磁场耦合结构的幅频响应曲线。

图6是实施例一中电磁场耦合结构的另一种结构。

图7是实施例一中的数据编码、解码流程。

图8是实施例二的系统构成示意图。

图9是实施例二中电磁场耦合结构的幅频响应曲线。

图10是实施例二中的数据编码、解码流程。

图11是实施例三的系统构成示意图。

图12是实施例三中电磁场耦合结构的幅频响应曲线。

图13是实施例三中的数据编码、解码流程。

图14是一种数据帧传输的方式示意图。

具体实施方式

使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统，其基本原理如图1所示。系统中主要包括信号发送端1、第一传输线4、电磁场耦合结构2、第二传输线5、信号接收端3。

为了消除歧义和便于理解，对以下内容进行说明：

基带数字编码器11，可以设计或者选择不同的编码方式来调整信号功率谱分布，可以使用，但不限于数字双向码(Digital Diphase)、密勒码(Miller)、信号交替反转码(AMI)、n阶高密度双极性码(HDBn)、n连0取代双极性码(BnZS)、nBmB变换或mBnT变换等编码方式，只要能够使得信号功率谱分布发生类似更改：能量更集中于中频段、直流量被削减或消除，高频分量压制，即在本发明的思想精神之内。

为了说明前述基带数字编码器11进行基带编码，来实现“调整信号功率谱”的物理含义，可参阅图2。需要特别说明的是，图2中的曲线均是信号2倍基频段内的归一化功率谱分布理论计算值，不是真实的信号频谱。真正使用的数据码流是一类非平稳随机过程，随着码元1和0出现概率的改变其功率谱曲线也会发生变化，但形状基本不变。图2给出的是编码前数据码元1和0出现概率均为0.5的功率谱计算值。由图2可见，未经编码的普通二进制数据在直流(0HZ)存在最大能量，其他能量大部分集中于0.8倍基频段内，所示曼彻斯特码编码方式和密勒码编码方式，使得信号功率谱分布发生了更改，能量更集中于中频段、直流量被削减或消除，高频分量被压制。各编码方式结果的主要差异在于中心频点、信号频段展宽等。

此处的欲发送“数据”，可以是任何能够被计算机理解的进制数据，也包括可以理解为数字量的模拟信号。此处所用术语“数据”被规定为包括所有这样的数据。

基带数字编码器11和基带数字解码器(21可以但不局限于是一个集成电路、一部分电路、一块电路板、一个计算机或者它们的组合等等。基带编码、解码的实现可以有多种方式，包括但不局限于微处理器内部软件实现、分立元器件电路实现、集成电路实现、PC机内实现等等。随着编码、解码频率的提升和编码、解码复杂度的提高，用微处理器(MCU)或者可编程门阵列器件(FPGA)内部的软件实现，可能比电路元器件搭建更加便捷。故本发明给出的几个实施例中均由用微处理器(MCU)或者可编程门阵列器件(FPGA)内部的软件实现，但这不表示对其他实现方式的排斥性，这只是一种在具体实施例中优化的或者说具有个人倾向性的选择而已。

接口驱动电路12与基带数字编码器11之间存在电连接，也可能二者能够集成在一个芯片当中，这对本发明的实施不具备决定性，只要信号发送端1能够通过接口驱动电路12输出某种电平的电信号，完成基带数字编码器11与电磁场耦合结构2之间的电信号传输，即在本发明的思想精神之内。同样的，接口匹配与波形放大、整形电路31与基带数字解码器32也是如此。

接口驱动电路12所输出的电平可以但不限于为LVDS电平、CML电平、RS485电平等等，其输出接口与第一传输线4的连接，可以为但不限于焊盘、接插件、耦合器件等，相应的，第一传输线4可以是但不限于同轴电缆、差分阻抗线、双绞屏蔽线等等，同样的，第二传输线5也是如此。

电磁场耦合结构2包含原边线圈22、副边线圈23、信号输入口21、信号输出口25，可以包含但不绝对包含软磁体24作为磁芯使用。软磁体，可以是但不限于铁氧体、硅钢、非晶合金等。原边线圈22与副边线圈23的绕线方式可以是，但不限于“Z”型绕法、“U”型绕法、并排绕法、层叠绕法等或使用上述不同方式的组合。

电磁场耦合结构2，虽然在本发明中不要求，但是可以布置屏蔽材料、屏蔽外壳等以便部分地或完全地屏蔽外界电磁干扰，或者部分地或完全地屏蔽本结构对外的电磁辐射。

电磁场耦合结构2可以但不限于通过改变耦合结构、线圈匝数、绕线方式、软磁体类型、线圈和软磁体尺寸等参数或不同参数的任意组合，来调整所知带通信道的频率特性，本领域熟练技术人员可实现许多有效的参数调整，但只要是达到调整所知带通信道的频率特性，则均在本发明思想精神之内。

为了说明前述电磁场耦合结构2形成“带通信道”的物理含义，可参阅图3-a)，图3-a)是比较通用的电磁场耦合结构的电路原理图。根据电路原理和电磁场理论可以分析出，电磁场耦合结构在低频段受磁化电感感抗太小的限制，高频段受到寄生电容容抗和漏电感感抗的影响，在中频段有幅频特性较好的频段，全频段受到互感M或者说耦合效率、各等效电阻阻值的影响，故而粗略的看，电磁场耦合结构2一般的幅频特性曲线可表示为图3-b)，呈现比较典型的带通信道特征。所谓“带通信道”，是指信道在起始频率和截止频率之间的信号传输幅频特性不小于某阈值。系统中阈值的设定取决于所述电磁场耦合结构2的本身特性，和所述信号接收端3能够完成波形恢复所能容忍的最大衰减。

电磁场耦合结构2中，虽然在本发明中不要求，可以但不绝对有耦合结构的支撑结构，如轴承、轴系、基座、导轨、外壳等。支撑结构只要不改变耦合磁路，则对本发明不是决定性的。并且如果支撑结构改变了耦合磁路，起到了调整电磁场耦合结构2幅频特性的作用，也就属于可调整的参数范围之内，则也在本发明保护范围之内。

接口匹配与波形放大、整形电路31，可以但不局限于是一个集成电路、一部分电路、一块电路板等等，只要能够将第二传输线5引入的信号调整到基带数字解码器32能够识别的电气水平，则均在本发明的思想精神之内。本发明的实施例中，对接口匹配与波形放大、整形电路31的要求主要是阈值指标。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图4是本发明的一种可行的实施例。

电磁场耦合结构2组成为：在一个环形的软磁体24一侧绕制原边线圈22，另外一侧绕制副边线圈,23，原边线圈紧密缠绕30匝，副边线圈为较大的环形、绕制30匝，副边线圈23环直径为100mm。线圈内外涂抹清漆整形。所用线均为标准的0.2mm外径漆包线。这种松散耦合的结构，高频漏感很大，匝数较多且路径长，寄生电容比较大，高频特性不好。为了获得较好的低中频特性，要在副边线圈23内获得较大的交变磁通，需要软磁体24具备较大的磁导率。本实施例中，软磁体24为一个镍锌铁氧体环，尺寸为Φ25mm×Φ15mm×13mm，初始磁导率为2500，弛豫频率不低于10MHZ。本实施例中，电磁场耦合结构2的副边输出相对于原边输入的幅频特性如图5。由图可知，此结构频带不宽，不适合较高速信号的传输，但中频段较为平坦。若将副边线圈23作为信号输入端21，由于漏感太大，会导致传输性能大幅度下降，可能更好的传输方式还是从原边线圈22到副边线圈23的单向传输。这种电磁场耦合结构2具备自已的优点：软磁体24带动原边线圈22除了可以绕环形副边线圈23做转动，也可以以环形副边线圈23为导轨做较大范围的移动，由于副边线圈23需要留够出线空间，所以软磁体24在线圈上的移动范围为相对副边线圈23圆心的有限角度运动。当然，副边线圈23的外形也可以是方形，参阅图6，那么软磁体24可以在副边线圈23的某一个边上做直线运动。依次类推，可知，通过合理设计副边线圈23的外形，可以使得软磁体24具备不同的运动方式选择。

信号发送端1、信号接收端2均是电路板，基带数字编码器11和基带数字解码器32用微处理器(MCU)实现。为了在保证信号边沿特性的前提下尽量提高副边线圈24内的交变磁通量，接口驱动电路12采用RS485接口芯片，接口匹配和波形放大、整形电路31使用RS485接口芯片和附属波形放大电路等元器件，以实现信号较大电压摆幅和较大的电流输出。本实施例中的接口匹配和波形放大、整形电路31可容忍衰减阈值为-15DB左右。

参阅图5，电磁场耦合结构2在-15DB阈值以上的频带为300HZ至3.2MHZ，中心频点为1.6MHZ附近。为了降低实现复杂度，本实施例中采用曼彻斯特编码来实现信号频谱分配，利用了MCU内部集成的UART接口。信号编码变化流程参阅图7。首先，在基带数字编码器11的MCU内部先对欲发送数据进行曼彻斯特编码，由于编码规则简单，很容易在程序中实现。然后，在编码前后分别加入起始码0和终止码1的反位，即1和0，以便MCU的UART接口在自动添加起始码和终止码后仍是曼彻斯特码的形式。最后，MCU将数据通过UART接口发出。基带数字解码器32是基带数字编码器11的反变换。由图2可知，曼彻斯特码的截止频率约是信号波特率的2倍，为了充分利用信道带宽但保证一定的余量，本实施例中的曼彻斯特码波特率设定为1.4Mbps，以保证信号的起始频率和截止频率与带通信道频率点相当。除去UART增加的起始、终止位，并考虑到曼彻斯特编码效率为0.5，实现的最大有效数据波特率为560Kbps。

考虑到本实施例中信号频率不高，故第一传输线4和第二传输线5均为普通安装线，尽量保证传输线两根线等长、并行即可，当然，可能双绞也是很好的选择。线头分别焊接在电路板的焊盘和线圈出头上。

本实施例中，电磁场耦合结构2的漏感感抗在高频十分明显，起到限制性作用。应用磁导率较高的软磁体24来提高低频的响应特性，中频段响应较为平坦，便于信号的传输和恢复。总的来讲，信号传输速度不快，大尺寸副边线圈24容易受到外接干扰，相对运动时外部添加屏蔽结构较为困难，故本实施例适合需要较大范围位移并且电磁环境比较干净的场合，比如水下通信或井下通信等。

实施例二

图8是本发明的第二种可行的实施例。

电磁场耦合结构2组成为：在一个长管形的软磁体24上绕制原边线圈22，副边线圈23与原边线圈22同轴安装，原边线圈22紧密缠绕20匝，使用0.25mm漆包线，轴向线圈总长度5mm，副边线圈绕制20匝，使用0.25mm漆包线，线圈管外径5.5mm，与内线圈单边间隙0.25mm。线圈内外涂抹清漆整形。这种管型的耦合结构，原边线圈22与副边线圈23同轴小间隙安装，耦合效率高，高频漏感不大，起不到决定性作用。匝数较多且传输路径长，寄生电容比较大，限制了高频响应。安装软磁体24的目的是获得较好的低频、中频响应。软磁体24的弛豫频率要与信道截止频率相当或者比截止频率更高，以便不影响电磁场耦合结构2的高频特性。本实施例中，软磁体24为一个镍锌铁氧体管，尺寸为Φ4mm×Φ1.5mm×6mm，初始磁导率标称值100，弛豫频率不低于110MHZ。本实施例中，电磁场耦合结构2副边输出相对于原边输入的幅频特性如图9。此结构频带较宽，适合较高速信号的传输，中频与高频连接处由于线圈寄生电容和线圈内阻的影响出现了凹陷，总体上看中频段较为平坦。软磁体24带动原边线圈22，除了可以绕中心轴相对副边线圈23做转动，也可以在轴向做小行程的直线位移。本实施例中选择原边线圈22线头作为信号输入端21，副边线圈,23线头作为信号输出端25，并不是说不可以选择副边线圈23线头作为信号输入端21。相反的，试验表明，得益于较高的耦合系数，不论是上述哪种选择，信号传输的性能基本一致。

信号发送端1、信号接收端2均是电路板。为了实现更灵活的编码操作，基带数字编码器11和基带数字解码器32用可编程门阵列芯片(FPGA)实现。由于结构耦合效率高且信号频率较高，并不需要信号提供较大电流或电压摆幅，而更关注的是信号的边沿特性，故本实施例中接口驱动电路12使用LVDS接口器件，接口匹配和波形放大、整形电路31使用LVDS接口器件和附属射频放大电路等元器件。本实施例中LVDS接收器和射频放大电路的可容忍阈值为-10DB左右。

参阅图9，电磁场耦合结构2在-10DB阈值以上的频带为32.2KHZ至125.5MHZ，中心频点为62.8MHZ左右。本实施例中采用曼彻斯特编码来实现信号频谱分配。信号编码变化流程参阅图10。首先，在基带数字编码器11的FPGA内部先对欲发送数据进行曼彻斯特编码，其实现较为简单；然后，将数据串化后输出。基带数字解码器32是基带数字编码器11编码的反变换。根据图2可知曼彻斯特码的截止频率约是信号波特率的2倍，为了充分利用信道带宽并留足余量，本实施例中的曼彻斯特码波特率设定为50Mbps，换算成最大有效数据传输速度为25Mbps。在此频率下能够满足可靠性信号传输的直线行程为±1.2mm。

考虑到本实施例中信号频率较高，故第一传输线4和第二传输线5均使用了屏蔽双绞线，降低外界对本系统信号传输的电磁干扰并抑制共模噪声。线缆头分别焊接在电路板的焊盘和线圈出头上，传输线屏蔽层焊接到电路板的信号地上。

本实施例中，电磁场耦合结构2的带宽确实得到比较充分的利用，但由曼彻斯特码的编码规律可知，其为1B2B编码，编码效率不高，故而这种编码方式并不能得到最大数据传输速度。欲提高传输速度可使用实施例三的8B10B编码解码方式。为了满足轴向直线相对小行程运动的要求，原边线圈22和副边线圈24都使用了较多匝数，高频段寄生电容影响十分明显，起到限制性作用，中频段较为平坦，低频段由于磁环磁导率不高，性能不如实施例一，但低频段信号能量分布很少，并不影响信号正常传输。

本实施例中，电磁场耦合结构2体积小，信号传输速度较快，原边线圈22和副边线圈24间可以实现相对转动或者直线小行程位移。若对信号传输速度要求不苛刻，可以增大电磁场耦合结构2的体积，那么其轴向直线位移行程会成比例提高。增加相应屏蔽外壳或相类似的抗电磁干扰措施之后，本实施例并不容易受到外界干扰。本实施例适合用于相对转动或需要小行程直线位移部件间，并且数据传输速度要求较高的场合，比如机器人手臂关节、小型振动台、带缓振的模态分析仪中等等。

实施例三

图11是本发明的第三种可行的实施例。

电磁场耦合结构2组成为：在一个环形软磁体24外圆上绕制原边线圈22，副边线圈23与原边线圈22同轴安装。原边线圈22在铁氧体24上紧密缠绕6匝，使用0.2mm漆包线，轴向线圈总长度1.2mm。副边线圈绕制6匝，使用0.2mm漆包线，线圈管外径8.4mm，与内线圈单边间隙0.3mm。线圈内外涂抹清漆整形。这种扁环型的耦合结构，与实施例二中的管型结构相似，原边线圈22与副边线圈23同轴小间隙安装，并且磁路路径更短，耦合效率更高，高频漏感更小。本实施例里线圈匝数较少，寄生电容小，提高了高频带宽。与实施例二相似的，安装软磁体24的目的是获得较好的低频响应。软磁体24的弛豫频率要与信道截止频率相当或者比截止频率更高，以便不影响电磁场耦合结构2的高频特性。本实施例中，由于信号频率很高，进一步地需要软磁体24具备更小的损耗角正切，以使得高频段磁损耗等效阻抗不至于太小而限制高频带宽。本实施例中，软磁体24为一个镍锌铁氧体环，尺寸为Φ7mm×Φ4mm×2mm，初始磁导率标称值40，弛豫频率不低于500MHZ。本实施例中，电磁场耦合结构2副边输出相对于原边输入的幅频特性如图12。可见，此结构频带很宽，适合高速信号的传输，与实施例二相似，中频与高频连接处由于线圈寄生电容和线圈内阻的影响出现了凹陷，总体上看中频段较为平坦。软磁体24带动原边线圈22，可以绕中心轴相对副边线圈23做转动。当然，也可以与实施例二类似的在轴向做小行程的直线运动，但这种扁环形结构中，磁路很短，原边线圈22与副边线圈23需要相对安装，否则耦合效率会大幅下降，故而在轴向做直线运动的可用行程非常小，可能并不是一种很好的选择。本实施例也得益于较高的耦合系数，不论选择原边线圈22、副边线圈23中的哪一个的线头作为信号输入端21，信号传输的性能基本一致。

信号发送端1、信号接收端2均是电路板，基带数字编码器11和基带数字解码器32用FPGA实现。与实施例二中相似的考虑，接口驱动电路12使用LVDS接口器件，接口匹配和波形放大、整形电路31使用LVDS接口器件和附属射频放大电路等元器件。本实施例中LVDS接收器和射频放大电路的可容忍阈值为-10DB左右。

参阅图12，电磁场耦合结构2在-10DB阈值以上的频带为300KHZ至339.4MHZ，中心频点为170MHZ。本实施例中为了提高数据编码的编码效率，采用了8B10B编码来实现信号频谱分配。信号编码变化流程参阅图13。8B10B编码有许多可行的编码表或编码标准，本领域技术人员可很容易获得。各种编码方式所实现频谱分配的性能大致相似。首先，在基带数字编码器11的FPGA内部先对欲发送数据进行8B10B编码，然后，将数据串化后输出。可见，8B10B编码效率高，但是编码规则比曼彻斯特码复杂很多，实现起来更困难一些。基带数字解码器32是基带数字编码器11编码的反变换,即10B8B解码。由图2可知，8Bl0B编码的频谱截止频率和信号波特率相当，为了充分利用信道带宽和留出余量，本实施例中的8B10B编码波特率设定为300Mbps，换算成最大有效数据传输速度为240Mbps。

考虑到本实施例中信号频率很高，故第一传输线4和第二传输线5均使用了50Ω阻抗同轴电缆，电缆和线圈之间采用焊接，电缆接头对插在电路板射频接插件上。

本实施例中，电磁场耦合结构2通过减少线圈匝数、提高铁氧体24高频性能等措施，大大扩展了信道带宽。采用8Bl0B编码又提升了编码效率。以上方式大幅度提高了有效数据传输速度。本实施例适合需要在轴间传输大量数据的场合，比如雷达、机器人脖颈关节等等。

需要说明的是，实施例一、二、三均是单通道信号传输系统，应用两个或多个此类传输系统，可以很容易的实现双向或多向传输，在电路系统和软件上做一些更改，很容易能够实现半双工或全双工传输方式，当然，也可以用多个此类传输系统使得传输速度提升。以上几种情况都未脱离本发明的思想精神，只是本发明的变形和修饰。

实施例一、二、三中，如果长时间没有信号传输，则信号开始发送初期会引入了大量直流能量，每次通信初期都会出现较多误码。为了避免上述问题，本发明提供了一种可行的传输方式，设置数据传输格式和方式如图14，说明如下：

1)信号发送端1若无数据发送任务，则发送“空码”，“空码”可以是任意可传输数据；

2)信号发送端1按照帧格式发送数据，一帧数据包含帧头、帧尾、校验数据和有效数据等，帧头数据个数多一些可以提供更多的冗余，提高通信可靠性；

3)信号接收端2检测信道输出数据，检测到帧头且帧头完整则启动本帧接收，接收完毕，检测帧尾和校验，以验证本帧传输的有效性。

由于上述帧传输方式的参数并不对本发明的成功实施产生决定性影响，故只说明了基本流程。此处给出的只是一种可行的传输方式例子，对其他传输方式并不具备排斥性。

再一次重申，虽然本发明是通过上述附图示出的实施例进行解释的，但这些实施例是作为例子公开的，其意图并不在于限定本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，本发明并不限于这些实施例，而是覆盖了不脱离本发明的思想精神的各种变化或者变型。因而，本发明的范围由所附权利要求书及其等效物限定，任何所属技术领域的技术人员未作岀创造性劳动而对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利保护范畴。

Claims (10)

1.一种使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统，其特征在于包括信号发送端(1)、电磁场耦合结构(2)、信号接收端(3)、第一传输线(4)和第二传输线(5)，信号发送端(1)通过第一传输线(4)与电磁场耦合结构(2)电性连接，电磁场耦合结构(2)通过第二传输线(5)与信号接收端(3)电性连接；

所述磁场耦合结构(2)应用电磁场耦合，构造一个带通信道，并保持信道幅频特性在中频段平坦；

所述第一传输线(4)将信号从所述信号发送端(1)引入所述电磁场耦合结构(2)；

所述第二传输线(5)将信号从所述电磁场耦合结构(2)引入所述信号接收端(2)；

所述信号发送端(1)利用基带数字编码方式来实现信号功率谱分布的调整，实现削弱或消除直流分量，集中于中频分量，压制高频分量，使得信号功率谱起始频率、截止频率与所述电磁场耦合结构(2)的起始频率、截止频率相当，实现信号的近场高速无线传输；

所述信号接收端(3)通过信号整形放大和解码最终恢复出原始数据；所述第一传输线(4)将信号从所述信号发送端(1)引入所述电磁场耦合结构(2)。

2.根据权利要求1所述的使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统，其特征在于：所述信号发送端(1)包含基带数字编码器(11)和接口驱动电路(12)；

所述基带数字编码器(11)采集欲发送数据并进行基带编码，重新整合信号功率谱以和所述电磁场耦合结构(2)的传输特性相匹配，然后串化输出；所述接口驱动电路(12)将接收到的信号经过预加重、更改电平标准后输出，并起到阻抗匹配的作用。

3.根据权利要求1所述的使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统，其特征在于：所述电磁场耦合结构(2)至少包含一个原边线圈(22)、一个副边线圈(23)，原边线圈(22)与副边线圈(23)相对设置。

4.根据权利要求3所述的使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统，其特征在于：原边线圈(22)与副边线圈(23)相对之间设置有软磁体(24)。

5.根据权利要求3所述的使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统，其特征在于：所述原边线圈(22)与所述副边线圈(23)之间保持静止或相对运动状态，相对运动包括有限角度旋转、整周旋转、直线位移、往复直线位移、往复角位移或上述运动的任意组合，相对运动过程中需要保持信号频段内带通信道幅频特性不小于阈值。

6.根据权利要求1所述的使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统，其特征在于：所述信号接收端(3)包含接口匹配与波形放大、整形电路(31)和基带数字解码器(32)；

所述接口匹配与波形放大、整形电路(31)进行电气接口匹配，并将电磁场耦合结构(2)输出的信号进行放大、整形、更改电平标准，从而符合基带数字解码器(32)的识别要求；所述基带数字解码器(32)恢复出原始数据。

7.一种使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统的实现方法，其特征在于：通过调整信号发送端(1)内基带数字编码器(11)的基带编码方式和信号波特率，进一步地调整信号功率谱带宽和功率谱分布；调整电磁场耦合结构(2)的耦合方式和具体参数，进一步地调整带通信道的带宽，保持中频段信道幅频特性平坦，使得信道带宽和信号功率谱相匹配。

8.根据权利要求7所述使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统的实现方法，其特征在于：所述调整所述信号发送端(1)的所述基带数字编码器(11)的基带编码方式，其基本原则是使得信号能量更集中于中频段、削减或消除直流量，压制高频分量，实现功率谱分布与所述电磁场耦合结构(2)的信道带宽相匹配。

9.根据权利要求7所述使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统的实现方法，其特征在于：所述调整所述电磁场耦合结构(2)的耦合方式和具体参数，用于调整所述电磁场耦合结构(2)的传输幅频特性，并保持中频段的平坦，实现与信号功率谱相匹配和满足信号无码间干扰传输要求。

10.根据权利要求7所述使用电磁场耦合的高速数字基带信号近场无线传输系统的实现方法，其特征在于：所述使得信道带宽和信号功率谱相匹配，是信号初始频率点和截止频率点与信道初始频率点、截止频率点相当或者在后者范围之内。