CN116318271B - 一种基于无线供电的多载波正交反射通信电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信芯片领域，涉及一种基于无线供电的多载波正交反射通信电路，该电路包括：天线T、谐振网络、能量收集和电源管理电路、混频器、变阻抗器和载波产生电路。所述混频器和变阻抗器各有N（N≥3）个；所述天线T与所述谐振网络并联连接；所述变阻抗器和所述谐振网络并联连接；所述谐振网络输出连接到所述能量收集和电源管理电路；所述谐振网络输出连接到所述载波产生电路；所述载波产生电路输出连接到所述混频器。本发明提升了通信的信噪比，实现了更高的反射通信数据率。

Description

一种基于无线供电的多载波正交反射通信电路及方法
技术领域
本发明属于无线通信芯片领域，涉及一种基于无线供电的多载波正交反射通信电路和方法。
背景技术
在无电池的通信系统中，询问端发射高频电磁场给无电池的标签端供电，并读取标签端反射到询问端的通信信号。通常情况下，标签端收集能量进行供电，并用基带信号调制射频信号产生反射进行通信。微型化的标签端有体积上的优势，但能量收集效率较低，询问端需发射大功率的信号给微型标签端供电，而反射信号的频率和供电频率接近，供电信号对反射的通信信号形成较大干扰，导致通信信噪比恶化。例如，在2013年4月发表在IEEEJournal of Solid-State Circuits期刊的第48卷第960页~970页中“A Fully-Integrated, Miniaturized (0.125 mm²) 10.5 µW Wireless Neural Sensor”一文采用传统的直接反射通信进行微型标签和询问端的通信，仅实现10dB的信噪比，通信数据率仅为800kb/s。为获得更容易滤除干扰的通信信号，应该尽可能使通信信号的频率远离供电频率。目前无线供电系统中，已有的方法是利用独立的振荡器产生与供电频率无关的信号做中频信号。基带信号先调制到中频后，再调制到载波反射出去。例如，在2015年2月22日至26日召开的ISSCC会议论文集的第248页～249页中“A 5.8GHz RF-Powered Transceiverwith a 113μW 32-QAM Transmitter Employing the IF-based QuadratureBackscattering Technique”一文采用独立的振荡器产生2路正交的96MHz的中频信号，使已调的通信信号可以远离供电频率，供电信号的干扰能通过滤波器抑制，获得高的通信信噪比,但最高数据率仅为2.5Mb/s。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于无线供电的多载波正交反射通信电路及方法，其具体技术方案如下：
一种基于无线供电的多载波正交反射通信电路，包括：天线T、谐振网络、能量收集和电源管理电路、混频器、变阻抗器和载波产生电路；所述混频器和变阻抗器各有N个，N≥3；所述天线T与所述谐振网络并联连接；所述变阻抗器和所述谐振网络并联连接；所述谐振网络输出连接到所述能量收集和电源管理电路；所述谐振网络输出连接到所述载波产生电路；所述载波产生电路输出连接到所述混频器。
优选的，所述谐振网络由电感和电容的串并联组成，谐振网络与天线T在输入信号频率上谐振。
优选的，所述能量收集和电源管理电路由若干整流电路组成，接收谐振网络输出的交流输入信号，即入射信号fP，产生直流输出给整个系统供电。
优选的，所述载波产生电路由放大电路和分频电路组成，以入射信号fP为参考信号，分频产生N个正交的本振信号fIF1, fIF2,… fIFN，N≥3，任意两个本振信号频率互不相同或者频率相同且相位差为90°。
优选的，所述混频器由若干混频电路组成，接收基带信号和中频本振信号输入，混频产生已调制中频信号。
优选的，所述变阻抗器接收已调制中频信号作为控制信号，改变与天线T相连的总阻抗，通过将已调制中频信号和入射信号fP混频，将N个基带信号变频到频率fP±fIFx上，，x=1.2,…,N，并通过天线反射出去。
一种基于无线供电的多载波正交反射通信方法，包括如下步骤：
载波产生电路产生N个正交的本振信号fIF1, fIF2,… fIFN，N≥3，任意两个本振信号频率互不相同或者频率相同且相位差为90°；
N个本振信号和N个基带信号分别混频产生N个正交的已调制中频信号；
所述N个正交的已调制中频信号分别独立控制N个变阻抗器，将中频信号和入射信号fP混频；将基带信号变频到fP±fIFx,(x=1,2,…,N),经过天线T反射出去。
优选的，所述能量收集和电源管理电路接收谐振网络输出的交流输入信号，即入射信号fP，产生直流输出给整个系统供电。
本发明的有益效果：
本发明在无线供电芯片系统中，通过N（N≥3）个正交本振信号调制不同的基带信号，同时在多个正交信道上进行反射通信，保持较高的信噪比的同时，获得了更高的数据率。从频谱上看，经过中频调制后，通信信号具有远离供电信号干扰，容易滤波的优势，与传统的直接反射通信相比，本发明能够实现更好的信噪比，以及更高的数据率。
附图说明
图1是本发明的实施例的电路原理框图；
图2是本发明的实施例在单次实验中射频接收机测量得到的多载波正交反射信号的频谱图。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的基于无线供电的多载波正交反射通信方法，具体为：载波产生电路产生N(N≥3)个正交的本振信号（fIF1, fIF2,… fIFN），任意两个本振信号频率互不相同或者频率相同且相位差为90°。N个本振信号和N个基带信号分别混频产生N个正交的已调制中频信号，所述N个正交的中频信号分别独立控制N个变阻抗器，将中频信号和入射信号fP混频，将基带信号变频到fP±fIFx,(x=1,2,…,N),经过天线T反射出去。
具体的，该方法使用的基于无线供电的多载波正交反射通信电路包括：天线T、谐振网络、能量收集和电源管理电路、混频器、变阻抗器和载波产生电路。
所述混频器和变阻抗器各有N（N≥3）个；所述天线T与所述谐振网络并联连接；所述变阻抗器和所述谐振网络并联连接；所述谐振网络输出连接到所述能量收集和电源管理电路；所述谐振网络输出连接到所述载波产生电路；所述载波产生电路输出连接到所述混频器。
所述谐振网络由电感和电容的串并联组成，谐振网络与天线T在输入信号频率上谐振。
所述能量收集和电源管理电路由若干整流电路组成，接收谐振网络输出的交流输入信号，即入射信号fP，产生直流输出给整个系统供电。
所述载波产生电路由放大电路和分频电路组成，以入射信号fP为参考信号，分频产生N个正交的本振信号fIF1, fIF2,… fIFN（N≥3），任意两个本振信号频率互不相同或者频率相同且相位差为90°。
所述混频器由若干混频电路组成，接收基带信号和本振信号输入，混频产生已调制中频信号。
所述变阻抗器接收已调制中频信号作为控制信号，改变与天线T相连的总阻抗，通过将已调制中频信号和入射信号fP混频，将N个基带信号变频到频率fP±fIFx (x=1.2,…,N)上，反射出去。
实施例
本发明对无电池的通信系统中使用了基于无线供电的多载波正交反射的通信方法，选取N=8个正交的本振信号（fIF1, fIF2, …, fIF8,）。fIF1和fIF2频率为12.6MHz且相位差为90°, fIF3和fIF4频率为25.2MHz且相位差为90°, fIF5和fIF6频率为50.4MHz且相位差为90°, fIF7和fIF8频率为100.8MHz且相位差为90°。其中，如图2所示的是本发明的实施例在单次实验中，路由端接收并观测到的频谱图和星座图，f1,f2,f3和f4分别是经过正交中频fIF1和fIF2，正交中频 fIF3和fIF4，正交中频，正交中频fIF5和fIF6，以及正交中频fIF7和fIF8和入射信号fP混频后产生的反射通信信号，调制方式为QPSK。从图2可以看出频率f1,f2,f3和f4上的信噪比（SNR）分别为41.2dB，34.6dB,28.5dB和16.1dB。经过接收机解调后得到的星座图后，频率f1,f2,f3和f4上的矢量误差幅度（EVM）为4.45%，5.09%，3.89%和10.0%，实现了数据率为20.16Mb/s的通信。
由以上实施例可以看出，本发明实施例通过基于无线供电的多载波正交反射通信方法，使通信载波在频谱上远离强供电干扰信号，使供电干扰信号易于滤除，具有更高的信噪比的特点，实现了更高的数据率。
以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于无线供电的多载波正交反射通信电路，包括：天线T、谐振网络、能量收集和电源管理电路、混频器、变阻抗器和载波产生电路；其特征在于，所述混频器和变阻抗器各有N个，N≥3；所述天线T与所述谐振网络连接；所述变阻抗器和所述谐振网络并联连接；所述谐振网络输出连接到所述能量收集和电源管理电路；所述谐振网络输出连接到所述载波产生电路；所述载波产生电路输出连接到所述混频器；
所述载波产生电路由放大电路和分频电路组成，以入射信号fP为参考信号，分频产生N个正交的本振信号fIF1, fIF2,… fIFN，N≥3，任意两个本振信号频率互不相同或者频率相同且相位差为90°；
所述混频器由若干混频电路组成，接收基带信号和中频本振信号输入，混频产生已调制中频信号；
所述变阻抗器接收已调制中频信号作为控制信号，改变与天线T相连的总阻抗，通过将已调制中频信号和入射信号fP混频，将N个基带信号变频到频率fP±fIFx上，x=1.2,…,N，并通过天线反射出去。
2.如权利要求1所述的基于无线供电的多载波正交反射通信电路，其特征在于：所述谐振网络由电感和电容的串并联组成，谐振网络与天线T在输入信号频率上谐振。
3.如权利要求1所述的基于无线供电的多载波正交反射通信电路，其特征在于：所述能量收集和电源管理电路由若干整流电路组成，接收谐振网络输出的交流输入信号，即入射信号fP，产生直流输出给整个系统供电。
4.一种根据权利要求1所述的基于无线供电的多载波正交反射通信电路执行的通信方法，其特征在于包括如下步骤：
载波产生电路产生N个正交的本振信号fIF1, fIF2,… fIFN，N≥3，任意两个本振信号频率互不相同或者频率相同且相位差为90°；
N个本振信号和N个基带信号分别混频产生N个正交的已调制中频信号；
所述N个正交的已调制中频信号分别独立控制N个变阻抗器，将中频信号和入射信号fP混频；将基带信号变频到fP±fIFx,，x=1,2,…,N,经过天线T反射出去。
5.如权利要求4所述的通信方法，其特征在于：所述能量收集和电源管理电路接收谐振网络输出的交流输入信号，即入射信号fP，产生直流输出给整个系统供电。
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