CN113099525B - 无线携能接收设备和无线携能信号接收方法 - Google Patents

Abstract

一种无线携能接收设备，包括功率分配模块，用于接收无线携能发射设备发送的基带信号，根据功率分配系数对基带信号进行功率分配，并输出第一分配信号和第二分配信号；控制模块，与功率分配模块相连接，用于对功率分配模块的功率分配系数进行调整；能量采集模块，分别与功率分配模块和控制模块相连接，用于在控制模块的控制下对第一分配信号进行能量采集；信息解调模块，分别与功率分配模块和控制模块相连接，用于在控制模块的控制下对第二分配信号进行信息解调。本发明提供的无线携能接收设备可以实时调整功率分配系数并根据功率分配系数以精准的比例关系对基带信号进行功率分配，不用反复调整或者变更已经印制在电路板上的电阻。

Description

无线携能接收设备和无线携能信号接收方法

技术领域

本发明涉及无线携能通信技术领域，特别是涉及一种无线携能接收设备和无线携能信号接收方法。

背景技术

无线携能通信技术是一项近些年来的研究热点技术。无线携能通信技术不仅涉及无线信息传输（Wireless Information Transmission, WIT）技术，还结合了无线能量传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术，从而能够使得系统发射端发射的射频波束同时携带着信息和能量。

为了能够采集到无线携能系统发出的同时含有信息和能量的射频信号，系统接收机的设计极其重要，它不仅要有解调信息的能力，也需有采集能量的功能。传统的功率分配方案在硬件设备上一般是难以实时调控的，不能以精准的比例关系进行接收信号功率的分配。

发明内容

基于此，有必要针对传统的设备不能以精准的比例关系进行接收信号功率的分配的问题，提供一种无线携能接收设备和无线携能信号接收方法。

一种无线携能接收设备，包括功率分配模块，用于接收基带信号，根据功率分配系数对所述基带信号进行功率分配，并输出第一分配信号和第二分配信号，所述基带信号含有信息与能量；控制模块，与所述功率分配模块相连接，用于对所述功率分配模块的功率分配系数进行调整；能量采集模块，分别与所述功率分配模块和所述控制模块相连接，用于在所述控制模块的控制下对所述第一分配信号进行能量采集；信息解调模块，分别与所述功率分配模块和所述控制模块相连接，用于在所述控制模块的控制下对所述第二分配信号进行信息解调。

上述无线携能接收设备，利用功率分配模块接收无线携能发射设备发送的基带信号，并根据功率分配系数对基带信号进行功率分配。通过控制模块对功率分配系数进行动态调整，从而能够根据应用需要实时调整第一分配信号和第二分配信号的功率分配情况。第一分配信号输入能量采集模块，能量采集模块根据第一分配信号获取基带信号中的能量。第二分配信号输入信息解调模块，信息解调模块根据第二分配信号获取基带信号中的信息。控制模块可以定量地调控功率分配系数，令功率分配控制起来更快速便捷。功率分配模块根据功率分配系数能够以精准的比例关系对基带信号的功率进行分配，不用反复调整或者变更已经印制在电路板上的电阻。使用本发明提供的无线携能接收设备能够实现信息传输和能量采集之间的平衡，还具有稳定性好、准确性高等优点。

在其中一个实施例中，所述功率分配模块包括第一链路单元和第二链路单元，所述第一链路单元包括多个可控电阻电路，所述第二链路单元也包括多个可控电阻电路；所述第一链路单元中各个可控电阻电路的输入端均连接所述功率分配模块的输入端，所述第一链路单元中各个可控电阻电路的输出端均连接所述第一链路单元的输出端；所述第一链路单元中的各个可控电阻电路还与所述控制模块相连接；所述第二链路单元中各个可控电阻电路的输入端均连接所述功率分配模块的输入端，所述第二链路单元中各个可控电阻电路的输出端均连接所述第二链路单元的输出端；所述第二链路单元中的各个可控电阻电路还与所述控制模块相连接；所述功率分配模块的输入端用于接收所述基带信号；所述第一链路单元的输出端用于输出第一分配信号，所述第二链路单元的输出端用于输出第二分配信号；所述控制模块通过控制所述第一链路单元中各个可控电阻电路和所述第二链路单元中各个可控电阻电路的通断来调整所述功率分配模块的功率分配系数。

在其中一个实施例中，所述可控电阻电路包括第一电阻和开关器件，所述第一电阻的一端与所述开关器件的第一端相连接，所述第一电阻的另一端与所述可控电阻电路的输入端相连接；所述开关器件的第二端与所述控制模块相连接，所述开关器件的第三端与所述可控电阻电路的输出端相连接。

在其中一个实施例中，所述可控电阻电路中还包括第二电阻，所述第二电阻的一端与所述开关器件的第二端相连接，所述第二电阻的另一端与所述控制模块相连接。

在其中一个实施例中，所述开关器件包括双极性结型晶体管。

在其中一个实施例中，所述第一链路单元包括三个可控电阻电路，所述第二链路单元也包括三个可控电阻电路。

在其中一个实施例中，所述能量采集模块包括开关单元，分别与所述功率分配模块和所述控制模块相连接，用于在所述控制模块的控制下接收所述第一分配信号；能量收集器，与所述开关单元相连接，用于对所述第一分配信号进行能量采集。

一种无线携能信号接收方法，包括接收基带信号；所述基带信号含有信息与能量；调整功率分配系数；根据所述功率分配系数对所述基带信号进行功率分配，获取第一分配信号和第二分配信号；对所述第一分配信号进行能量采集，获取所述基带信号的能量；对所述第二分配信号进行信息解调，获取所述基带信号的数据信息。

在其中一个实施例中，所述对所述第二分配信号进行信息解调，获取所述基带信号的信息包括获取所述第二分配信号；对当前时刻的所述第二分配信号依次进行匹配滤波处理、滑动平滑处理和位同步处理，获取当前时刻的位同步信号；将当前时刻的所述位同步信号的幅值与判决门限进行比较，获取当前时刻的判决结果；将当前时刻的所述判决结果与之前时刻的所述判决结果组成判决数据，并对所述判决数据进行帧头检测；若检测到帧头，则对之后时刻的所述第二分配信号进行译码得到无线携能发射设备发送的数据信息；否则，获取下一个所述第二分配信号。

在其中一个实施例中，采用Gardner算法进行位同步处理。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明其中一实施例的无线携能接收设备的结构示意图；

图2为本发明其中一实施例的功率分配模块的结构示意图；

图3为本发明其中一实施例的无线携能信号接收方法的方法流程示意图；

图4为本发明其中一实施例的信息解调过程的流程示意图；

图5为本发明另一实施例的信息解调过程的流程示意图；

图6为本发明其中一实施例的采样数据和零均值信号的波形示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

自2008年L.R.Varshney发表文章“Transporting information and energysimultaneously”，提出了无线携能通信（Simultaneous Wireless Information andPower Transfer, SWIPT）的概念后，无线携能通信已经成为近些年来的研究热点。无线携能通信技术不仅考虑了无线信息传输（Wireless Information Transmission, WIT）技术，还结合了无线能量传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术，能够使系统发射端发射的射频波束同时携带着信息和能量。

为了能够采集到无线携能系统发出的同时含有信息和能量的射频信号，系统接收机的设计极其重要，它不仅要有解调信息的能力，也需有采集能量的功能。一种传统的方案是采用两组接收天线同时接收信号，一组天线将接收到的信号送入解调设备，这一通路称为信息链路；另一组天线将接收到的信号送入能量收集设备，这一通路称为能量链路。但是这种方法带来了能量浪费的问题，送入解调设备的信号所携带的能量会完全被浪费。

另一种更为流行的方案是采用一组接收天线接收射频信号，然后接收设备将接收到的信号按照一定的功率分配分成两部分，一部分流入信息解调电路，另一部分流入能量采集电路，从而实现信息传输和能量采集之间的平衡。然而此方案在硬件设备上难以实时调控。该方案通常在设计接收设备的电路时，就预先规划好分压电阻的阻值，从而使接收电路能够按照提前规定的功率分配系数实现功率分配。这种接收设备不具备实时调控接收信号功率分配的能力。还有一种方案是采用滑动变阻器作为分压电阻，通过人工手动调整滑动变阻器的阻值，实现可调功率分配的功能。但是任意时刻滑动变阻器的阻值是无法直接读出的，因此也无法计算出任意时刻的功率分配系数，更不能以精准的比例关系进行接收信号功率的分配。

针对现有技术的不足，本实施例提出了一种具有可调功率分配功能的无线携能接收设备。图1为本发明其中一实施例的无线携能接收设备的结构示意图，无线携能接收设备包括功率分配模块100、控制模块200、能量采集模块300和信息解调模块400。

功率分配模块100接收无线携能发射设备发送的基带信号，并根据功率分配系数对接收到的基带信号进行功率分配，输出第一分配信号和第二分配信号。在本实施例中，上述基带信号为同时含有信息和能量的射频信号。控制模块200与功率分配模块100相连接，控制模块200可以对功率分配模块100中的功率分配系数进行动态调整，从而能够根据应用需要实时调整第一分配信号和第二分配信号的功率分配情况。能量采集模块300分别与功率分配模块100和控制模块200相连接，功率分配模块100将第一分配信号输入能量采集模块300。能量采集模块300可以在控制模块200的控制下根据第一分配信号获取基带信号中的能量。信息解调模块400与功率分配模块100和控制模块200相连接，功率分配模块100将第二分配信号输入信息解调模块400。信息解调模块400可以在控制模块200的控制下根据第二分配信号获取基带信号中携带的数据信息。

控制模块200可以定量地调控功率分配模块100的功率分配系数，令功率分配控制起来更快速、便捷。功率分配模块100根据功率分配系数能够以精准的比例关系对基带信号的功率进行分配，一部分信号分配至能量采集模块300，另一部分分配至信息解调模块400，不用反复调整或者变更已经印制在电路板上的电阻。使用本实施例提供的无线携能接收设备能够实现信息传输和能量采集之间的平衡，还具有稳定性好、准确性高等优点。

图2为本发明其中一实施例的功率分配模块的结构示意图，在其中一个实施例中，功率分配模块100包括中包括第一链路单元110和第二链路单元120，第一链路单元110和第二链路单元120均包括多个可控电阻电路10。第一链路单元110中各个可控电阻电路10的输入端均连接功率分配模块100的输入端，第一链路单元110中各个可控电阻电路10的输出端均连接第一链路单元110的输出端，第一链路单元110中的各个可控电阻电路10还与控制模块200相连接。

第二链路单元120中各个可控电阻电路10的输入端均连接功率分配模块100的输入端，第二链路单元120中各个可控电阻电路10的输出端均连接第二链路单元120的输出端；第二链路单元120中的各个可控电阻电路10还与所述控制模块200相连接。

在本实施例中，第一链路单元110中各个可控电阻电路10的输入端并联后即构成了第一链路单元110的输入端，第一链路单元110中各个可控电阻电路10的输出端并联后即构成了第一链路单元110的输出端V_Out1。同样地，第二链路单元120中各个可控电阻电路10的输入端并联后即构成了第二链路单元120的输入端，第二链路单元120中各个可控电阻电路10的输出端并联后即构成了第二链路单元120的输出端V_Out2。第一链路单元110中各个可控电阻电路10和第二链路单元120中各个可控电阻电路10都与控制模块200的控制端口相连接。

功率分配模块100包括一个输入端V_Input、两个输出端V_Out1与V_Out2。第一链路单元110的输入端与第二链路单元120的输入端并联构成了功率分配模块100的输入端。第一链路单元110的输出端V_Out1即为功率分配模块100的第一输出端，第二链路单元120的输出端V_Out2为功率分配模块100的第二输出端。

功率分配模块100的输入端V_Input用于接收无线携能发射设备发送的信号，上述信号具体指的是含有信息与能量的基带信号。功率分配模块100的第一输出端V_Out1与能量采集模块300相连接，将第一分配信号传输至能量采集模块300。功率分配模块100的第二输出端V_Out2与信息解调模块400相连接，将第二分配信号传输至信息解调模块400。

控制模块200通过控制端口实现对功率分配模块100的连接与控制。控制模块200可以通过调整第一链路单元110中各个可控电阻电路10的阻值和第二链路单元120中各个可控电阻电路10的阻值，来调整功率分配模块100的功率分配系数。基带信号流入功率分配模块100时，利用控制模块200的控制端口来选择所需的分压电阻，使无线携能接收设备能够动态调整功率分配系数，实现对第一分配信号和第二分配信号的任意功率分配，从而实现信息传输和能量采集之间的平衡。

请参见图2，在其中一个实施例中，由于功率分配模块100包括多个可控电阻电路10，因此为了便于说明，对可控电阻电路10进行编号。第i个可控电阻电路10包括第一电阻11和开关器件12，其中，i为大于零的整数。第一电阻11为图2中的电阻Ri，i=1，2，3，4，5，6。

第一电阻11的一端与开关器件12的第一端相连接，第一电阻11的另一端与可控电阻电路10的输入端相连接，开关器件12的第二端与控制模块200相连接，开关器件12的第三端与可控电阻电路10的输出端相连接。开关器件12在可控电阻电路10中起到了开关作用。控制模块200通过控制第i个可控电阻电路10的开关器件12导通或者截止，选取需要第i个可控电阻电路10中第一电阻11作为分压电阻，从而调控功率分配系数，实现对所需功率分配系数的软件控制。

在其中一个实施例中，功率分配模块100还包括第二电阻13，第二电阻13为图2中的电阻R_B。第二电阻13的一端与开关器件12的第二端相连接，第i个可控电阻电路10的第二电阻13的另一端与控制模块200的I/Oi口相连接，i=1，2，3，4，5，6。在本实施例中，各个可控电阻电路10中第二电阻13的阻值都相等，第二电阻13的作用为减小直接流入开关器件12的电流，保护开关器件12。

在其中一个实施例中，选用双极性结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）作为开关器件12。双极性结型晶体管通常工作在导通和截止状态，在数字信号的作用下时而导通时而截止，相当于开关的“闭合”与“断开”。因此，在本实施例中，利用双极性结型晶体管的开关特性，来实现对功率分配模块100中功率分配系数的软件控制。在本实施例中，优选地，选取NPN型晶体三极管作为开关器件12。NPN型晶体三极管指由两块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成的三极管。

在本实施例中，开关器件12的集电极与第一电阻11的一端相连接，第一电阻11的另一端作为可控电阻电路10的输入端，开关器件12的发射极作为可控电阻电路10的输出端，第i个可控电阻电路10的开关器件12的基极与第二电阻13串联后与控制模块200的I/Oi口相连接，i=1，2，3，4，5，6。控制模块200通过I/Oi口输出高电平或者低电平来控制第i个可控电阻电路10的开关器件12导通或者截止，从而选取需要第i个可控电阻电路10中第一电阻11作为分压电阻。

在其中一个实施例中，如图2所示，功率分配模块100包括6个可控电阻电路10。第1、2、3个可控电阻电路10一起构成了第一链路单元110，第4、5、6个可控电阻电路10一起则构成了第二链路单元120。第1、2、3个可控电阻电路10中的NPN型晶体三极管的发射极并在一起组成第一输出端V_Out1，第4、5、6个可控电阻电路10中的NPN型晶体三极管的发射极并在一起组成第二输出端V_Out2。6个可控电阻电路10中第一电阻Ri作为输入端的一端并在一起组成输入端V_Input。

在实际应用中，根据应用需求，可以将输入端V_Input接收到的基带信号分成任意功率大小的第一分配信号和第二分配信号，分别通过输出端V_Out1和输出端V_Out2传输至能量采集模块300和信息解调模块400。通过控制模块200的I/Oi口输出高电平或者低电平，来控制第i个NPN型晶体三极管导通或者截止，从而可以在软件上选取所需的第一电阻Ri作为分压电阻，实现所需功率分配系数的软件控制。其中，i=1，2，3，4，5，6。

在其中一个实施例中，功率分配系数为第一链路单元110中导通的可控电阻电路 10的阻值与第二链路单元120中导通的可控电阻电路10的阻值的比值。在本实施例中以其 中一种具体的功率分配系数的设置方式为例进行说明，但并不能因此而理解为对发明专利 范围的限制。当控制模块200令I/O2、I/O4口输出高电平，I/O1、I/O3、I/O5、I/O6口输出低电 平时，即此时选取第2个和第4个可控电阻电路10的第一电阻R₂、R₄作为分压电阻。此时，第一 输出端V_Out1和第二输出端V_Out2的比值为

，实现了按比例

对输入 的基带信号进行功率分配。

在其中一个实施例中，采用MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）来实现控制模块200的控制功能。MCU通过I/O口实现对软件可控电阻的连接与控制。当功率分配模块100接收到基带信号时，MCU通过控制第i个I/O口输出高电平/低电平来选择第i个可控电阻电路10的第一电阻Ri来作为分压电阻，从而实现对基带信号的可控功率分配，一将部分信号分配至能量链路，另一部分信号则分配至信息链路。

在其中一个实施例中，能量采集模块300包括开关单元和能量收集器。开关单元与控制膜200和功率分配模块100的第一输出端V_Out1相连接，分配至能量链路的第一分配信号流入经MCU控制的开关单元。在本实施例中，开关单元可以是专用的开关电路芯片，也可以是具有开关功能的器件，例如开关三极管、场效应管等。能量收集器与开关单元相连接，用于对第一分配信号进行能量采集。当MCU控制开关电路处于打开状态时，第一分配信号经由开关单元流入能量收集器。在本实施例中，能量收集器一般为带有储能功能的电容。

在其中一个实施例中，信息解调模块400包括采样单元和数据处理单元。采样单元分别与控制模块200和功率分配模块100的第二输出端V_Out2相连接，分配至信息链路的第二分配信号流入经MCU控制的采样单元。在本实施例中，采样单元可以是专用的采样芯片，也可以采用MCU自带采样功能的引脚来实现对信息链路信号的采样。数据处理单元与采样单元相连接，用于对采样数据进行存储和信息解调处理。在本实施例中，数据处理单元可以是专用于存储和信息解调的芯片，也可以将采样后的数据存储在MCU中，并在MCU中进行信息解调处理。

无线携能接收设备除了需要能够实时调整功率分配系数以外，还要求信息解调装置具有良好的实时性和准确性。然而，可以进行实时信息解调的芯片一般都有着较大的功耗和复杂的外部电路，如专用的FPGA；而低功耗的MCU如51单片机、STM32等要实现信息的实时解调，需要有低时间复杂度和低空间复杂度的解调程序，而这在程序逻辑设计上具有较大的困难。

针对上述问题，本发明还提供了一种无线携能信号接收方法，应用于上述任意一项实施例中所述的无线携能接收设备。图3为本发明其中一实施例的无线携能信号接收方法的方法流程示意图，无线携能信号接收方法包括如下步骤S100至S500。

步骤S100：接收基带信号；基带信号含有信息与能量。

功率分配模块100接收无线携能发射设备发送的基带信号，并根据功率分配系数对接收到的基带信号进行功率分配。其中，基带信号为同时含有信息和能量的射频信号。

步骤S200：调整功率分配系数。

控制模块200通过控制端口实现对功率分配模块100的连接与控制。控制模块200可以通过调整第一链路单元110中各个可控电阻电路10的阻值和第二链路单元120中各个可控电阻电路10的阻值，来调整功率分配模块100的功率分配系数，从而能够根据应用需要实时调整第一分配信号和第二分配信号的功率分配情况。

步骤S300：根据功率分配系数对基带信号进行功率分配，获取第一分配信号和第二分配信号。

当有基带信号流入功率分配模块100时，控制模块200通过控制端口来选择功率分配模块100中其所需的分压电阻，使无线携能接收设备能够动态调整功率分配系数，实现对第一分配信号和第二分配信号的任意功率分配，从而实现信息传输和能量采集之间的平衡。

步骤S400：对第一分配信号进行能量采集，获取基带信号的能量。

能量采集模块300分别与功率分配模块100和控制模块200相连接，功率分配模块100将第一分配信号输入能量采集模块300。能量采集模块300可以在控制模块200的控制下根据第一分配信号获取基带信号中的能量。分配至能量链路的第一分配信号流入经MCU控制的开关单元，能量收集器与开关单元相连接，用于对第一分配信号进行能量采集。当MCU控制开关电路处于打开状态时，第一分配信号经由开关单元流入能量收集器。

步骤S500：对第二分配信号进行信息解调，获取基带信号的数据信息。

信息解调模块400与功率分配模块100和控制模块200相连接，功率分配模块100将第二分配信号输入信息解调模块400。信息解调模块400可以在控制模块200的控制下根据第二分配信号获取基带信号中携带的数据信息。分配至信息链路的第二分配信号流入经MCU控制的采样单元，可以采用MCU自带采样功能的引脚来实现对信息链路信号的采样。将采样后的数据存储在MCU中，并在MCU中进行信息解调处理。

控制模块200可以定量地调控功率分配模块100的功率分配系数，令功率分配控制起来更快速、便捷。功率分配模块100根据功率分配系数能够以精准的比例关系对基带信号的功率进行分配，一部分信号分配至能量采集模块300，另一部分分配至信息解调模块400，不用反复调整或者变更已经印制在电路板上的电阻。使用本实施例提供的无线携能接收设备能够实现信息传输和能量采集之间的平衡，还具有稳定性好、准确性高等优点。同时在低功耗的MCU上应用信息解调步骤，可以减少信息解调计算的时间复杂度和空间复杂度，实现对信息的实时解调。

图4为本发明其中一实施例的信息解调过程的流程示意图，图5为本发明另一实施例的信息解调过程的流程示意图。在其中一个实施例中，对第二分配信号进行信息解调，获取基带信号的信息包括如下步骤S410至S460。

步骤S410：获取第二分配信号。

功率分配模块100根据功率分配系数将基带信号进行功率分配，并将分配获取的第二分配信号输入信息解调模块400进行信息解调处理。

步骤S420：对当前时刻的第二分配信号依次进行匹配滤波处理、滑动平滑处理和位同步处理，获取当前时刻的位同步信号。

分别对实时获取的第二分配信号的数据依次进行匹配滤波处理、滑动平滑处理和位同步处理，获取当前时刻的位同步信号。

在本实施例中，将第二分配信号的数据输入匹配滤波器中做滤波处理。匹配滤波器的作用在于提高第二分配信号的信噪比，匹配滤波器系数的设计可以通过仿真软件得到。对滤波处理后的数据存入滑动数据中，并对滑动数据求取平均值做滑动平滑处理。滑动数据为当前时刻滤波数据及其之前255个滤波数据的集合，总计256个数据点。滑动平均求得均值后，将匹配滤波处理后的数据与均值作差，得到零均值信号。将零均值信号送入位同步算法中进行位同步处理，获取位同步信号。

步骤S430：将当前时刻的位同步信号的幅值与判决门限进行比较，获取当前时刻的判决结果。

对位同步信号进行判决，即将当前时刻的位同步信号的幅值与判决门限进行比较。在本实施例中，将判决门限的值设置为0。当位同步信号的幅值大于0时，将输出置1；当位同步信号的幅值小于等于0时，则将输出置0。

步骤S440：将当前时刻的判决结果与之前时刻的判决结果组成判决数据，并对判决数据进行帧头检测。

在每一次判决结束后，将当前时刻的判决结果与之前时刻的判决结果组成一个判决数据，该判决数据的长度与一个帧头的数据长度相同，并对判决数据做帧头检测。

步骤S450：若检测到帧头，则对之后时刻的第二分配信号进行译码得到无线携能发射设备发送的数据信息。

当在判决数据中检测到帧头时，即可对后面输入的采样数据流进行计算得到发送信息的帧长，得到帧长后，再对后面输入的采样数据流进行译码得到无线携能发射机发送的数据。

步骤S460：否则，获取下一个所述第二分配信号。

当未检测到帧头时，将跳转至步骤S410，获取下一个输入的新的采样数据并重复步骤S420至S450的信息解调处理过程。

利用上述信息解调步骤来实现对第二分配信号的信息解调处理时，计算所需的时间复杂度和空间复杂度低，因此可以在MCU上运行。在低功耗MCU上采用上述信息解调步骤，可以实现对第二分配信息的实时解调。

在其中一个实施例中，采用Gardner算法进行位同步处理。Gardner算法一种是基于内插的位同步算法，通过改变输入信号来实现极值处采样，利用内插滤波器恢复出信号的最大值后再进行重采样。Gardner位同步算法每次只需要最新的4个采样周期的零均值信号作为输入，因此可以大大地缩短完成一次位同步所需的时间。

Gardner位同步算法要求无线携能接收设备的采样率是无线携能发射设备发送的 码元速率T的四倍，即无线携能接收设备的采样时钟周期T_s满足

。Gardner位同步 算法的工作原理如下所述：

经过无线携能接收设备的采样周期进行采样后，码元速率为T的发射信号变成了离散信号，m为该离散信号的序列指针。将变成离散信号的发射信号输入内插滤波器处理后得到的值，送入定时误差检测器（Time Error Detection, TED）中，从而得到输入发射信号与本地采样时钟的相位误差。再通过一个环路滤波器滤除离散信号中的噪声及高频成分，将滤波处理后的信号送入数字控制振荡器（Numerically Controlled Oscillator, NCO）中，计算出整数采样时刻和内插滤波器插值点位置，从而得到最新的定时输出yI。

其中，NCO的作用是：在

时，对上述离散信号

经过内插滤波器处 理后得到的结果进行采样，其中，k为正整数，T_i为重采样周期。NCO的工作时钟与无线携能 接收设备的采样周期时钟一致，也为T_s。重采样周期T_i与发射信号的码元速率T同步，满足的 比值

为整数。当NCO寄存器溢出一次时，则表示要执行一次重采样操作，此时便是内 插滤波器进行一次运算得到最新的定时输出yI的时刻。

上述整数采样时刻m_k的计算方法为：

其中，k为正整数，T_i为重采样周期，T_s为无线携能接收设备的采样时钟周期，int[ ]表示取整函数，即对函数的输入数据取其整数值。

上述内插滤波器插值点位置μ_k的计算方法为：

其中，k为正整数，T_i为重采样周期，T_s为无线携能接收设备的采样时钟周期，m_k为整数采样时刻。

上述内插滤波器的定时输出yI的计算方法为：

其中，FI1、FI2、FI3是内插滤波器的内插系数，x(n)表示当前无线携能接收设备采样时刻计算得到的零均值信号，x(n-1)表示无线携能接收设备一个采样周期之计算得到的零均值信号，x(n-2)表示无线携能接收设备两个采样周期之前时刻计算得到的零均值信号，x(n-3)表示无线携能接收设备三个采样周期之前时刻计算得到的零均值信号，yI是内插滤波器的定时输出，μ_k是内插滤波器插值点位置。

上述解调步骤的特征在于以上解调过程是在一个采样周期内完成的。即，在一个采样周期内完成对当前采样数据点的全部运算，从而可以实现对第二分配信息的实时解调。在本实施例提供的信息解调步骤中，采用Gardner位同步算法对信号进行位同步处理，可以极大地缩短完成一次位同步所需的时间，且位同步效果好。同时，由于上述信息解调步骤中计算所需的时间复杂度和空间复杂度低，因此以上步骤可以在MCU上运行，从而保证信息解调装置具有良好的实时性和准确性。

在本实施例中，将结合具体实施例进一步对本发明技术方案带来的有益效果进行说明。

MCU选用德州仪器（Texas Instruments, TI）生产的MSP430系列，具体型号为MSP430F5659。选用的无线携能发射设备的发射码元速率为500Hz、载波频率为2.45GHz的信号。采用偏置幅移键控（Biased Amplitude Shift Keying，BASK）的方式对发射的基带信号进行调制。

按照图1所示的无线携能接收设备的系统架构设计电路，设置该无线携能接收设备的采样频率为2000Hz。无线携能接收设备中功率分配模块100的电路设计如图2所示，选择六个电阻R_B的阻值为1kΩ；电阻R₁的阻值为1kΩ，电阻R₂的阻值为5kΩ，电阻R₃的阻值为10kΩ，电阻R₄的阻值为1kΩ，电阻R₅的阻值为2kΩ，电阻R₆的阻值为3kΩ。I/O1口与芯片MSP430F5659的引脚P2.1相连接，I/O2口与芯片MSP430F5659的引脚P2.2相连接，I/O3口与芯片MSP430F5659的引脚P2.3相连接，I/O4口与芯片MSP430F5659的引脚P2.4相连接，I/O5口与芯片MSP430F5659的引脚P2.5相连接，I/O6口与芯片MSP430F5659的引脚P2.6相连接。

控制MSP430F5659的引脚P2.2、引脚P2.5输出高电平，引脚P2.1、引脚P2.3、引脚 P2.4、引脚P2.6输出低电平，即此时功率分配模块100中选择R₂作为第一链路单元110的分 压电阻、选择R₄作为第二链路单元120的分压电阻。进一步地，此时第一输出端V_Out1和第二输 出端V_Out2输出信号的幅值比例为

，实现了对含有信息与能量的接收信号的功率分 配。其中，第一输出端V_Out1输出的第一分配信号为能量链路信号，第二输出端V_Out2输出的第 二分配信号为信息链路信号。

MSP430F5659控制开关单元打开，使能量链路信号经由开关单元流入能量收集器，MSP430F5659按照图5所示的信息解调流程对信息链路信号采样后进行信息解调处理。MSP430F5659可以成功解调无线携能发射设备的发射信号携带的信息，并且MSP430F5659的功耗保持在低水平。在本实施例中，信息解调处理前的采样数据、以及信息解调处理后得到的零均值信号的图像如图6所示。图6为本发明其中一实施例的采样数据和零均值信号的波形示意图。根据图6所示的波形可知，使用本实施例提供的信息解调步骤对信息解调信号进行处理时，采用Gardner位同步算法进行位同步处理，极大地缩短了完成一次位同步所需的时间，实时性高，且位同步效果好。

应该理解的是，虽然图3-图5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3-图5中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种无线携能接收设备，其特征在于，包括：

功率分配模块，用于接收基带信号，根据功率分配系数对所述基带信号进行功率分配，并输出第一分配信号和第二分配信号，所述基带信号含有信息与能量；

控制模块，与所述功率分配模块相连接，用于对所述功率分配模块的功率分配系数进行调整；

能量采集模块，分别与所述功率分配模块和所述控制模块相连接，用于在所述控制模块的控制下对所述第一分配信号进行能量采集；

信息解调模块，分别与所述功率分配模块和所述控制模块相连接，用于在所述控制模块的控制下对所述第二分配信号进行信息解调；

所述功率分配模块包括第一链路单元和第二链路单元，所述第一链路单元包括多个可控电阻电路，所述第二链路单元也包括多个可控电阻电路；

所述第一链路单元中各个可控电阻电路的输入端均连接所述功率分配模块的输入端，所述第一链路单元中各个可控电阻电路的输出端均连接所述第一链路单元的输出端；所述第一链路单元中的各个可控电阻电路还与所述控制模块相连接；

所述第二链路单元中各个可控电阻电路的输入端均连接所述功率分配模块的输入端，所述第二链路单元中各个可控电阻电路的输出端均连接所述第二链路单元的输出端；所述第二链路单元中的各个可控电阻电路还与所述控制模块相连接；

所述功率分配模块的输入端用于接收所述基带信号；所述第一链路单元的输出端用于输出第一分配信号，所述第二链路单元的输出端用于输出第二分配信号；

所述控制模块通过控制所述第一链路单元中各个可控电阻电路和所述第二链路单元中各个可控电阻电路的通断来调整所述功率分配模块的功率分配系数。

2.根据权利要求1所述的无线携能接收设备，其特征在于，所述可控电阻电路包括第一电阻和开关器件，

所述第一电阻的一端与所述开关器件的第一端相连接，所述第一电阻的另一端与所述可控电阻电路的输入端相连接；所述开关器件的第二端与所述控制模块相连接，所述开关器件的第三端与所述可控电阻电路的输出端相连接。

3.根据权利要求2所述的无线携能接收设备，其特征在于，所述可控电阻电路中还包括第二电阻，所述第二电阻的一端与所述开关器件的第二端相连接，所述第二电阻的另一端与所述控制模块相连接。

4.根据权利要求2所述的无线携能接收设备，其特征在于，所述开关器件包括双极性结型晶体管。

5.根据权利要求1所述的无线携能接收设备，其特征在于，所述第一链路单元包括三个可控电阻电路，所述第二链路单元也包括三个可控电阻电路。

6.根据权利要求1所述的无线携能接收设备，其特征在于，所述能量采集模块包括：

开关单元，分别与所述功率分配模块和所述控制模块相连接，用于在所述控制模块的控制下接收所述第一分配信号；

能量收集器，与所述开关单元相连接，用于对所述第一分配信号进行能量采集。

7.一种无线携能信号接收方法，其特征在于，应用于权利要求1-6中任意一项所述的无线携能接收设备，所述方法包括：

接收基带信号；所述基带信号含有信息与能量；

调整功率分配系数；

根据所述功率分配系数对所述基带信号进行功率分配，获取第一分配信号和第二分配信号；

对所述第一分配信号进行能量采集，获取所述基带信号的能量；

获取所述第二分配信号；

对当前时刻的所述第二分配信号依次进行匹配滤波处理、滑动平滑处理和位同步处理，获取当前时刻的位同步信号；

将当前时刻的所述位同步信号的幅值与预设数值进行比较，获取当前时刻的判决结果；

将当前时刻的所述判决结果与之前时刻的所述判决结果组成判决数据，并对所述判决数据进行帧头检测；

若检测到帧头，则对之后时刻的所述第二分配信号进行译码得到无线携能发射设备发送的数据信息；

否则，获取下一个所述第二分配信号。

8.根据权利要求7所述的无线携能信号接收方法，其特征在于，采用Gardner算法进行位同步处理，

所述采用Gardner算法进行位同步处理包括：

将所述第二分配信号输入内插滤波器；

将所述内插滤波器处理后的所述第二分配信号输入环路滤波器，以滤除所述第二分配信号中的噪声及高频成分；

将滤波处理后的所述第二分配信号送入数字控制振荡器中，对所述第二分配信号经过内插滤波器处理后得到的结果进行采样，计算出整数采样时刻和内插滤波器插值点位置，从而得到最新的定时输出，所述最新的定时输出即为所述位同步信号；

所述整数采样时刻的计算方法为：

式中，m_k为整数采样时刻，k为正整数，T_i为重采样周期，所述重采样周期T_i与所述第二分配信号的码元速率T的比值为整数，T_s为无线携能接收设备的采样时钟周期，所述无线携能接收设备的采样时钟周期是无线携能发射设备发送的的码元速率T的四倍，int[ ]表示取整函数，即获取不超过函数的输入数据的最大整数部分；

所述内插滤波器插值点位置的计算方法为：

式中，μ_k为内插滤波器插值点位置，k为正整数，T_i为重采样周期，T_s为无线携能接收设备的采样时钟周期，m_k为整数采样时刻；

所述定时输出的计算方法为：

式中，FI1、FI2、FI3是内插滤波器的内插系数，x(n)表示当前无线携能接收设备采样时刻计算得到的零均值信号，x(n-1)表示无线携能接收设备一个采样周期之前计算得到的零均值信号，x(n-2)表示无线携能接收设备两个采样周期之前时刻计算得到的零均值信号，x(n-3)表示无线携能接收设备三个采样周期之前时刻计算得到的零均值信号，yI是内插滤波器的定时输出，μ_k是内插滤波器插值点位置。

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