CN110149292B - 一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，所述通信方法通过频移键控在发射侧进行信号调制，发射侧始终工作在谐振或次谐振状态，利用频率可变的正弦电流实现能量传输，频率检测电路跟踪接收侧电功率波形的频率变化特征，形成跟踪其频率变化、幅值不变的方波解耦信号，进而通过谐振选频电路检测方波信号中的谐波分量实现通信信号解调。无需在发射侧构建独立的通信单元，避免直接使用接受侧功率信号形成通信包络线信号，而是仅提取出功率信号的频率特征构造方波信源，可有效避免输入电压、负载和距离变化对通信功能的影响。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能与信号同步传输领域，尤其涉及一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法。
背景技术
无线电能与信号同步传输技术在汽车充电、井下矿下作业、医疗植入设备等众多场景中都有着广泛的应用。当前常见的实现方式是在发射侧构造信源，在接收侧接收通信信息；或直接调制无线电能功率波形，但这一方法对无线供电效率和传输功率影响较大。同时，无线供电和无线通信共享一对谐振线圈很难实现与输入电压、负载以及传输距离之间解耦，所以通信信号传输可靠性低、信噪比不高。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的提供一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，通过改变发射侧逆变电路的驱动频率，通过提取接收侧功率波形的频率特征构造同频的方波信号，利用所构造方波信号中的谐波分量作为信号源实现解码通信。其实施例电路构成包括：高频逆变器、无线供电发射线圈和接受线圈、频率跟踪方波生成电路、谐波信号检测解调电路等。通过将通信信源由发射侧移至接收侧，这样既实现了传输信号与输入电压、负载、传输距离的解耦，又可保证传输能量过程中发射侧工作在谐振状态。
本发明提供一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，所述通信方法通过频移键控在发射侧进行信号调制，发射侧始终工作在谐振或次谐振状态，利用频率可变的正弦电流实现能量传输，频率检测电路跟踪接收侧电功率波形的频率变化特征，形成跟踪其频率变化、幅值不变的方波解耦信号，进而通过谐振选频电路检测方波信号中的谐波分量实现通信信号解调。
进一步改进在于：所述通信方法避免直接使用接收侧功率信号形成通信包络线信号，而是仅提取出功率信号的频率特征构造方波信源。
进一步改进在于：所述接收侧解码通信电路包含频率跟踪方波生成电路、谐波信号检测解调电路所生成的方波频率与检测到的发射频率相同或是倍数关系，通过软件检测谐波分量构成的通信信号或硬件检测谐波分量构成的通信信号，实现信息传输与无线传输效率弱耦合。
进一步改进在于：所述频率跟踪方波生成电路由过零比较器、功率放大电路构成，过零比较器生成的方波信号包含有电功率信号完整频率特征，功率放大电路驱动谐波信号接收电路，所构造的功率同频方波信号中包含高次谐波分量，由于谐波频偏放大效应，发射侧逆变器开关频率偏移Δf，n次方波谐波分量将会偏移nΔf，由于高品质因数谐振电路的窄带通特性，谐波检波电路输出的电压包络就形成明显的幅值波动，从而实现信号解调。
进一步改进在于：所述发射侧的高频逆变电路谐振工作时开关频率为f0，从而在发射侧LC串联谐振电路中产生频率为f0的高频正弦交流电，其中电感Lp即为发射线圈，电容Cp为发射侧谐振电容，谐振频率即为
产生的高频交变磁场通过空气耦合至接收线圈LS上，接收侧谐振频率也为
进一步改进在于：所述频率跟踪方波生成电路检测接收侧功率波形的频率，得到包含有发射侧功率信号频率特征的交流方波信号，该方波信号经功率放大后驱动后级谐波信号检测解调电路，经过功率放大后的方波信号依然包含发射侧的频率调制特征，对方波进行傅里叶分解可知其主要成分为相应的基波和n次谐波分量，谐波信号接收电路谐振频率设置为n次谐波频率，即nf0，通过检测谐波信号接收电路中电感L上的电压包络线即可实现通信。
发射侧采用频率可变的正弦波实现能量与信号同步传输，保持较高的功率传输能力；频率检测电路跟踪接收侧线圈电压波形的频率变化特征，在接收侧形成跟踪其频率变化、幅值不变的方波信号源，并通过检测所构造方波信号中的谐波分量实现通信信号解调。
接收侧解码通信电路包含频率跟踪方波生成电路、谐波信号检测解调电路等。所生成的方波频率与检测到的发射频率相同或是倍数关系，可通过软件检测谐波分量构成的通信信号或硬件检测谐波分量构成的通信信号，实现信息传输与无线传输效率弱耦合。
频率跟踪方波生成电路由过零比较器、功率放大电路等构成，过零比较器生成的方波信号包含有发射侧频率变化特征，功率放大电路驱动谐波信号接收电路。由于谐波对基波频率的放大效应，发射侧逆变器开关频率偏移Δf，n次方波谐波分量将会偏移nΔf。谐波检波电路输出的电压包络就形成明显的幅值波动，从而实现信号传输。
本发明的有益效果是：无需在发射侧构建独立的通信单元，避免直接使用接收侧功率信号形成通信包络线信号，而是仅提取出功率信号的频率特征构造方波信源，可有效避免输入电压、负载和距离变化对通信功能的影响。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的电路图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。如图1所示，本实施例提供一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，所述通信方法通过频移键控在发射侧进行信号调制，发射侧始终工作在谐振或次谐振状态，利用频率可变的正弦电流实现能量传输，频率检测电路跟踪接收侧电功率波形的频率变化特征，形成跟踪其频率变化、幅值不变的方波解耦信号，进而通过谐振选频电路检测方波信号中的谐波分量实现通信信号解调。所述通信方法避免直接使用接收侧功率信号形成通信包络线信号，而是仅提取出功率信号的频率特征构造方波信源。所述接收侧解码通信电路包含频率跟踪方波生成电路、谐波信号检测解调电路所生成的方波频率与检测到的发射频率相同或是倍数关系，通过软件检测谐波分量构成的通信信号或硬件检测谐波分量构成的通信信号，实现信息传输与无线传输效率弱耦合。
所述频率跟踪方波生成电路由过零比较器、功率放大电路构成，过零比较器生成的方波信号包含有电功率信号完整频率特征，功率放大电路驱动谐波信号接收电路，所构造的功率同频方波信号中包含高次谐波分量，由于谐波频偏放大效应，发射侧逆变器开关频率偏移Δf，n次方波谐波分量将会偏移nΔf，由于高品质因数谐振电路的窄带通特性，谐波检波电路输出的电压包络就形成明显的幅值波动，从而实现信号解调。
所述发射侧的高频逆变电路谐振工作时开关频率为f0，从而在发射侧LC串联谐振电路中产生频率为f0的高频正弦交流电，其中电感Lp即为发射线圈，电容Cp为发射侧谐振电容，谐振频率即为
产生的高频交变磁场通过空气耦合至接收线圈LS上，接收侧谐振频率也为
所述频率跟踪方波生成电路检测接收侧功率波形的频率，得到包含有发射侧功率信号频率特征的交流方波信号，该方波信号经功率放大后驱动后级谐波信号检测解调电路，经过功率放大后的方波信号依然包含发射侧的频率调制特征，对方波进行傅里叶分解可知其主要成分为相应的基波和n次谐波分量，谐波信号接收电路谐振频率设置为n次谐波频率，即nf0，通过检测谐波信号接收电路中电感L上的电压包络线即可实现通信。
实际通信时，当发射“1”信号时，保持发射侧工作在谐振状态，而当需要发射“0”信号时，只需要对发射侧逆变器驱动频率做很小的改变Δf，即此时原边发射的信号频率为fo+Δf。由于Δf较小，因而对能量传输影响较小。而由于谐波信号接收电路中接收的是nf0次谐波信号，n次谐波分量对于频率改变具有n倍放大效果。由于通信电感L采用的是品质因数Q较高的材质绕制，其对于频率的改变比较敏感，因此频率改变量Δf可以在电感L上导致一个较大的电压跌落，经过后级检波电路留下包络后，对应为一个相对较低电压值，将其视为低电平。
Claims (6)
1.一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，其特征在于：所述通信方法通过频移键控在发射侧进行信号调制，发射侧始终工作在谐振或次谐振状态，利用频率可变的正弦电流实现能量传输，频率检测电路跟踪接收侧电功率波形的频率变化特征，形成跟踪其频率变化、幅值不变的方波解耦信号，进而通过检测谐波信号接收电路中电感L上的电压包络线实现类似检测即可实现通信信号解调。
2.如权利要求1所述的一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，其特征在于：所述通信方法避免直接使用接收侧功率信号形成通信包络线信号，而是仅提取出功率信号的频率特征构造方波信源。
3.如权利要求1所述的一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，其特征在于：所述接收侧解码通信电路包含频率跟踪方波生成电路、谐波信号检测解调电路所生成的方波频率与检测到的发射频率相同或是倍数关系，通过软件检测谐波分量构成的通信信号或硬件检测谐波分量构成的通信信号，实现信息传输与无线传输效率弱耦合。
4.如权利要求1所述的一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，其特征在于：所述频率跟踪方波生成电路由过零比较器、功率放大电路构成，过零比较器生成的方波信号包含有电功率信号完整频率特征，功率放大电路驱动谐波信号接收电路，所构造的功率同频方波信号中包含高次谐波分量，由于谐波频偏放大效应，发射侧逆变器开关频率偏移Δf，n次方波谐波分量将会偏移nΔf，由于高品质因数谐振电路的窄带通特性，谐波检波电路输出的电压包络就形成明显的幅值波动，从而实现信号解调。
5.如权利要求4所述的一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，其特征在于：所述发射侧的高频逆变电路谐振工作时开关频率为f0，从而在发射侧LC串联谐振电路中产生频率为f0的高频正弦交流电，其中电感Lp即为发射线圈，电容Cp为发射侧谐振电容，谐振频率即为
产生的高频交变磁场通过空气耦合至接收线圈LS上，接收侧谐振频率也为
6.如权利要求5所述的一种提取无线供电功率波形频率特征的谐波通信方法，其特征在于：所述频率跟踪方波生成电路检测接收侧功率波形的频率，得到包含有发射侧功率信号频率特征的交流方波信号，该方波信号经功率放大后驱动后级谐波信号检测解调电路，经过功率放大后的方波信号依然包含发射侧的频率调制特征，对方波进行傅里叶分解可知其主要成分为相应的基波和n次谐波分量，谐波信号接收电路谐振频率设置为n次谐波频率，即nf0，通过检测谐波信号接收电路中电感L上的电压包络线即可实现通信。
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