蘇玉剛， 孔令鑫， 呂志坤， 徐思文， 周 瑋

(重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 重慶 400044)

基于FFT解調(diào)的ECPT系統(tǒng)全雙工通信技術(shù)研究

蘇玉剛， 孔令鑫， 呂志坤， 徐思文， 周 瑋

(重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院， 重慶 400044)

電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸(ECPT)技術(shù)以其耦合機(jī)構(gòu)輕便、系統(tǒng)電磁輻射小以及周邊金屬渦流效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)，成為無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在ECPT技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，有時(shí)不僅需要實(shí)現(xiàn)原副邊的無(wú)線電能傳輸，還需要實(shí)現(xiàn)電能原副邊的全雙工無(wú)線信號(hào)傳輸。目前無(wú)線電能與信號(hào)并行傳輸系統(tǒng)中信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)均采用模擬電路實(shí)現(xiàn)濾波與解調(diào)，該方法電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、通用性能差、抗干擾能力不足。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于FFT運(yùn)算的頻域解調(diào)方法。該方法將疊加于系統(tǒng)中的雙向信號(hào)載波以及低頻電能串?dāng)_信號(hào)映射至頻域中，依靠其頻域的分離特性，解決了低頻電能串?dāng)_對(duì)信號(hào)解調(diào)的干擾問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)的實(shí)時(shí)解調(diào)。最后通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性與有效性。

電場(chǎng)耦合； 無(wú)線電能與信號(hào)并行傳輸； 全雙工通信； 快速傅里葉變換

1 引言

近年來(lái)，無(wú)線電能傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)技術(shù)由于其便利性和安全性被廣泛應(yīng)用于工程生產(chǎn)與日常生活中[1-6]，并在世界經(jīng)濟(jì)論壇及新華網(wǎng)上被專家們?cè)u(píng)為十大新興科技之一及21世紀(jì)最有可能改變?nèi)藗兩罘绞降目萍贾弧ｋ妶?chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸(Electric-field Coupled Power Transfer, ECPT)技術(shù)以其耦合機(jī)構(gòu)輕便、輻射低、形狀多樣等優(yōu)點(diǎn)成為除感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸(Inductively Coupled Power Transfer, ICPT)技術(shù)之外的一種無(wú)線電能傳輸方式[7-10]。許多國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者圍繞其展開(kāi)理論研究與應(yīng)用探索。ECPT技術(shù)應(yīng)用探索正逐步深入，該技術(shù)除了需要無(wú)線電能傳輸之外，還需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原副邊的無(wú)線信號(hào)傳輸。原副邊之間的全雙工通信可有助于解決系統(tǒng)輸出穩(wěn)定控制、在線參數(shù)識(shí)別、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)諧、負(fù)載切換等問(wèn)題，進(jìn)一步提升ECPT系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與控制性能。此外，全雙工通信功能亦拓寬了ECPT系統(tǒng)應(yīng)用面，使其更適用于無(wú)線傳感器、醫(yī)療植入假體等同時(shí)需要能量與信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域。目前WPT系統(tǒng)中常用的射頻通信方式則嚴(yán)重受到應(yīng)用環(huán)境的制約，不能適應(yīng)未來(lái)ECPT系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。因此研究圍繞ECPT系統(tǒng)的能量與全雙工信號(hào)并行傳輸技術(shù)，對(duì)ECPT技術(shù)的完善具有一定的理論與工程參考價(jià)值。

目前僅有少量關(guān)于WPT系統(tǒng)半雙工通信的研究成果[11, 12]，尚無(wú)全雙工通信的成果發(fā)表。文獻(xiàn)[13]針對(duì)感應(yīng)耦合無(wú)線電能系統(tǒng)提出了一種信號(hào)串聯(lián)耦合接入的單通道無(wú)線電能信號(hào)并行傳輸方法，實(shí)現(xiàn)了共享通道式電能與信號(hào)并行傳輸。但該方法中信號(hào)耦合電感值與電能串?dāng)_大小成正相關(guān)，與信道增益成負(fù)相關(guān)，故該系統(tǒng)中電能串?dāng)_與信號(hào)增益存在矛盾約束。文獻(xiàn)[14]以電能傳輸?shù)闹C振電壓為信號(hào)載波，通過(guò)調(diào)諧系統(tǒng)電能工作頻率使得接收端拾取電能電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，該方法具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，附加模塊少等優(yōu)點(diǎn)。但該方法信號(hào)傳輸波特率受系統(tǒng)工作頻率限制處于較低水平，且對(duì)能量的頻繁調(diào)節(jié)將導(dǎo)致系統(tǒng)電能傳輸效率下降。

針對(duì)目前應(yīng)用探索中諸多場(chǎng)合對(duì)ECPT系統(tǒng)全雙工通信的需求以及研究的缺失，本文提出了一種基于快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)解調(diào)的ECPT系統(tǒng)全雙工通信技術(shù)。該方法將疊加于系統(tǒng)中的雙向信號(hào)載波以及低頻電能串?dāng)_信號(hào)映射至頻域中，依靠其頻域的分離特性，解決了低頻電能串?dāng)_對(duì)信號(hào)解調(diào)的干擾問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)的實(shí)時(shí)解調(diào)。

2 系統(tǒng)電路分析及解調(diào)原理

2.1 電能與信號(hào)并行傳輸系統(tǒng)

圖1為一種常見(jiàn)的串聯(lián)補(bǔ)償式ECPT電路拓?fù)?，電源Edc與濾波電容Cd1并聯(lián)構(gòu)成直流電壓源，經(jīng)過(guò)由開(kāi)關(guān)管S1～S4組成的前橋逆變后形成交變電壓接入由耦合極板Cs1、Cs2與補(bǔ)償電感L1、L2構(gòu)成的諧振網(wǎng)絡(luò)，并在發(fā)射端耦合極板上形成高頻交變電勢(shì)差。該電勢(shì)差激勵(lì)產(chǎn)生高頻電場(chǎng)并在接收端極板上激發(fā)交變電壓，于是將電能傳遞至系統(tǒng)接收側(cè)，最終經(jīng)過(guò)二極管D1～D4整流與電容Cd2濾波后為負(fù)載RL供電。

圖1 串聯(lián)補(bǔ)償式ECPT系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 ECPT topology with series compensation

圖2為電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能與信號(hào)并行傳輸電路拓?fù)?。為?shí)現(xiàn)信號(hào)由電能接收端向發(fā)射端無(wú)線傳輸，該電路拓?fù)浔Ａ袅藞D1所示的常見(jiàn)串聯(lián)補(bǔ)償式ECPT系統(tǒng)拓?fù)涞乃性?，并在此基礎(chǔ)上分別在發(fā)射端與接收端增加了信號(hào)支路。其中Lb1-Cb1、Lb2-Cb2構(gòu)成的LC阻抗網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率與電能傳輸?shù)墓ぷ黝l率相同，因此對(duì)電能傳輸呈現(xiàn)較大阻抗，實(shí)現(xiàn)了電能串?dāng)_的隔離。兩處諧振網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)關(guān)系應(yīng)滿足：

(1)

式中，ωp為諧振頻率。

圖2 電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能與信號(hào)并行傳輸電路拓?fù)銯ig.2 Electric-field coupled power and signal transfer circuit

圖2中信號(hào)單元為調(diào)制信號(hào)接入與信號(hào)拾取解調(diào)的集成單元，其具體電路如圖3所示。每個(gè)信號(hào)單元具有同時(shí)發(fā)送與接收信號(hào)的功能，滿足全雙工通信的需求。在信號(hào)單元發(fā)送信號(hào)時(shí)，由FPGA產(chǎn)生的發(fā)送信號(hào)對(duì)信號(hào)載波(高頻正弦電壓)進(jìn)行幅移鍵控(Amplitude Shift Keying, ASK)調(diào)制。調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)串聯(lián)的信號(hào)采樣電阻Rb后通過(guò)ab端口加載于信號(hào)支路中。在信號(hào)單元接收信號(hào)時(shí)，回路中調(diào)制信號(hào)源可視為短路，于是ab端拾取的調(diào)制信號(hào)以及串?dāng)_電壓的疊加波形加載于電阻Rb上，該信號(hào)經(jīng)過(guò)AD采樣模塊后輸入FPGA模塊，其中AD采樣頻率由FPGA決定。采樣信號(hào)在FPGA中經(jīng)過(guò)FFT運(yùn)算得到其頻域分布，后經(jīng)過(guò)載波頻率點(diǎn)的頻域峰值判斷實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)得到接收信號(hào)。

圖3 信號(hào)單元具體電路Fig.3 Physical circuit of signal unit

2.2 電路增益與串?dāng)_特性分析

針對(duì)ECPT系統(tǒng)的無(wú)線電能與全雙工無(wú)線信號(hào)并行傳輸系統(tǒng)中，由于電能與正反向信號(hào)在同一個(gè)電路中進(jìn)行傳輸，因此彼此之間的串?dāng)_將嚴(yán)重影響電能與信號(hào)的有效傳輸。此外，信號(hào)傳輸通道對(duì)正弦信號(hào)載波幅值的衰減作用將影響信號(hào)接收端所接收到的信號(hào)幅值，若衰減過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致解調(diào)電路無(wú)法正確區(qū)分0-1信號(hào)所對(duì)應(yīng)的幅值，提升誤碼率。電能與信號(hào)傳輸以及串?dāng)_關(guān)系如圖4所示。

圖4 電能與信號(hào)以及串?dāng)_關(guān)系圖Fig.4 Relationship among power, signal and crosstalk

首先，分析圖2所示電路中電能與信號(hào)串?dāng)_以及電能與信號(hào)衰減特性。圖2中信號(hào)支路中的并聯(lián)LC的阻抗為：

(2)

式中，Lb=Lb1=Lb2；Cb=Cb1=Cb2。

當(dāng)LC諧振頻率與電能工作頻率相等時(shí)，其阻抗為無(wú)窮大，所以LC并聯(lián)諧振阻抗對(duì)電能傳輸在信號(hào)支路上形成的電能串?dāng)_的基波成分有極強(qiáng)的隔離作用，僅有少量的高次諧波對(duì)信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生電能串?dāng)_。同時(shí)，由于信號(hào)支路在電能基波頻率下呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，可視為斷路。故信號(hào)的傳輸對(duì)電能傳輸?shù)挠绊憳O低，可忽略不計(jì)。

對(duì)于信號(hào)傳輸而言，由于信號(hào)載波的頻率遠(yuǎn)大于電能的基波頻率，所以圖2中的電感元件L1、L2、Lb1、Lb2呈現(xiàn)極大阻抗，可近似視為短路，而電容元件Cs1、Cs2、Cb1、Cb2則呈現(xiàn)極低阻抗。于是正反向信號(hào)傳輸通道可近似視為由元件Rb1、Cb1、Cs1、Cb2、Rb2、Cs2組成的串聯(lián)回路，因此信號(hào)在信道中的傳輸衰減可近似表示為：

(3)

式中，ωs為信號(hào)載波角頻率；Rb=Rb1=Rb2；Cs=Cs1=Cs2。

當(dāng)ωs足夠大時(shí)，回路中電容的阻抗遠(yuǎn)小于電阻阻抗，于是正反向信號(hào)增益可簡(jiǎn)化為：

(4)

雖然電能串?dāng)_的基波成分被有效隔離，且信號(hào)衰減程度近似為1/2，處于可以接收范圍內(nèi)，但在全雙工通信電路中，正反向信號(hào)之間的串?dāng)_是阻礙信號(hào)解調(diào)的主要原因之一。為有效地從包含了高次諧波電能串?dāng)_以及信號(hào)串?dāng)_的疊加波形中解調(diào)出信號(hào)，需采用本文提出的基于FFT頻域解調(diào)原理的全雙工信號(hào)解調(diào)技術(shù)，一方面解決剩余高次電能諧波對(duì)信號(hào)通道的串?dāng)_問(wèn)題，另一方面解決正反信號(hào)之間的信號(hào)串?dāng)_問(wèn)題。

2.3 基于FFT頻域解調(diào)原理

基于FFT運(yùn)算的頻域解調(diào)將在時(shí)域上疊加的信號(hào)通過(guò)FFT運(yùn)算映射至頻域中，映射后的波形在頻域中按照頻率實(shí)現(xiàn)分離，從而實(shí)現(xiàn)電能串?dāng)_以及信號(hào)串?dāng)_的區(qū)分。在針對(duì)ECPT系統(tǒng)的全雙工通信系統(tǒng)中，為使正反向載波在頻域上得以區(qū)分，需設(shè)定正反向載波角頻率ωsf、ωsb不相等。正反向信源根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)0、1的不同在頻域上可分為4種情況，如圖5所示。根據(jù)圖5的頻域特性，在頻譜波峰值與0之間設(shè)置參考電壓，可通過(guò)判斷高頻段(即雙向信號(hào)載波頻率點(diǎn)處)是否有信號(hào)波峰，進(jìn)而完成“0”、“1”信號(hào)的解調(diào)。

圖5 不同雙向信號(hào)情況下的頻域波形Fig.5 Waveforms of different bi-directional signals in frequency domain

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證第2節(jié)理論分析的正確性與方法的有效性，依據(jù)圖2和圖3的電路拓?fù)浯罱▽?shí)驗(yàn)裝置，如圖6所示。電路參數(shù)如表1所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.6 Photograph of experimental prototype

表1 實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)
Tab.1 Parameters of experimental prototype

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值電路部分信號(hào)部分Edc/V45L1/μH79Lb1/μH24Rac/Ω80L2/μH79Lb2/μH24Cb1/nF6.0Cd1/μF470Cs1/nF1.8Cb2/nF6.0Rb/Ω25Cs2/nF1.8fp/kHz421usig1/V2.5fsig1/MHz3BR1/kbps38.4usig2/V2.5fsig2/MHz4BR2/kbps38.4n7fs/MHz20

圖6所示實(shí)驗(yàn)裝置中，全橋逆變電路中開(kāi)關(guān)管采用30NF20型MOSFET，信號(hào)實(shí)驗(yàn)調(diào)制采用MAX313芯片，信號(hào)采樣采用AD9226芯片，F(xiàn)PGA芯片采用EP3C5E144C8N型號(hào)，耦合極板采用覆銅塑料板(25cm×25cm)，緊耦合方式，實(shí)驗(yàn)波形由示波器Tektronics TPS2014B采集。實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7(a)和圖7(b)給出了信號(hào)雙向傳輸時(shí)的調(diào)制解調(diào)信號(hào)波形、信號(hào)單元端口電壓以及負(fù)載拾取電壓。其中CH1與CH3分別為調(diào)制與解調(diào)信號(hào)；CH2為信號(hào)單元端口電壓，該電壓為包含了信號(hào)串?dāng)_、電能串?dāng)_以及調(diào)制信號(hào)的疊加信號(hào)；CH4為負(fù)載拾取電壓，其時(shí)域展開(kāi)波形如圖7(d)所示。

圖7(c)為不添加電能串?dāng)_時(shí)調(diào)制信號(hào)與信號(hào)模塊端電壓。其中CH1與CH2分別為正向與反向調(diào)制后載波；CH3與CH4分別為副邊與原邊信號(hào)單元兩端電壓波形。所有波形均包含了調(diào)制載波信號(hào)以及信號(hào)串?dāng)_，若采用模擬濾波的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)具有較高的難度。

圖7(d)為無(wú)線電能傳輸波形的展開(kāi)圖。其中CH1與CH2為全橋逆變的上下橋臂的驅(qū)動(dòng)電壓波形，其驅(qū)動(dòng)頻率為421.6kHz；CH3為沒(méi)有信號(hào)傳輸?shù)那闆r下，電能串?dāng)_波形，其峰峰值為4.48V；CH4為負(fù)載拾取電壓波形圖，其電壓有效值為47.1V，故負(fù)載拾取功率為27.7W，系統(tǒng)整體效率約為82%。

圖7(e)為全雙工通信的調(diào)制解調(diào)信號(hào)波形。其中CH1與CH2為信號(hào)正向傳輸情況，CH3與CH4為信號(hào)反向傳輸情況?？梢?jiàn)，解調(diào)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)相比存在55μs的延時(shí)現(xiàn)象，該延時(shí)是由FPGA等待AD9226完成一個(gè)采樣周期采樣以及FFT運(yùn)算與解調(diào)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)顯示，全雙工通信中雙向信號(hào)傳輸波特率最大均可達(dá)到38400bps的標(biāo)準(zhǔn)串口通信速率，在此波特率范圍內(nèi)，信號(hào)可穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)全雙工信號(hào)傳輸。

圖7 電能與信號(hào)并行傳輸實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms of parallel transmission of wireless power and signal

4 結(jié)論

本文提出了一種基于快速傅立葉變換解調(diào)的ECPT系統(tǒng)全雙工通信方法。該方法將疊加于系統(tǒng)中的雙向信號(hào)載波以及低頻電能串?dāng)_信號(hào)映射至頻域中，依靠其頻域的分離特性，解決了低頻電能串?dāng)_對(duì)信號(hào)解調(diào)的干擾問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向信號(hào)的實(shí)時(shí)解調(diào)。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在電能諧振頻率為421.6kHz，傳輸功率27.7W的電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中分別以3MHz作為原邊信號(hào)的載波頻率，以4MHz作為副邊信號(hào)的載波頻率，實(shí)現(xiàn)了全雙工波特率38400bps的信號(hào)無(wú)線傳輸，驗(yàn)證了理論分析的正確性與方法的有效性。與傳統(tǒng)的模擬電路的時(shí)域解調(diào)方法相比，該方法電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，適用于不同載波頻率系統(tǒng)且具有較高的抗干擾能力。

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Research on full-duplex communication technology of ECPT system based on FFT demodulation method

SU Yu-gang, KONG Ling-xin, LV Zhi-kun, XU Si-wen, ZHOU Wei

(College of Automation, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Electric-field coupled power transfer technology has been a research focus recently because of its advantages such as reduced volume and weight of the coupling structure, and low EMI and eddy current effect on the surrounding metals. In the application process of ECPT technologies, besides transferring power from transmitter to receiver wirelessly, wireless signal transfer is also necessary. At present, analog circuits are adopted to filter and demodulate signals from the wireless power and signal parallel transmission system in general. But it is complex to design these analog circuits in this method, moreover, the generality and anti-interference capability of this method are unsatisfactory. To solve these problems, a demodulation method in the frequency domain based on FFT calculation has been proposed in this paper. In this method, the mixed signal which consists of carrier of bidirectional communication and low-frequency power crosstalk is mapped to the frequency domain. The problem of interference of power crosstalk on the signal transmission has been addressed and a full-duplex communication has been realized because of the separation characteristics of the mixed signal in the frequency domain. Finally, the correctness and effectiveness have been verified by the simulated and experimental results.

electric-field coupled; wireless power and signal parallel transmission; full-duplex communication; fast Fourier transform

2016-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477020)、 國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510611062)

蘇玉剛(1962-), 男, 遼寧籍， 教授， 博士, 研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸技術(shù)、 電力電子技術(shù)、 控制理論應(yīng)用與自動(dòng)化系統(tǒng)集成； 孔令鑫(1994-), 男, 重慶籍, 本科生, 研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)、 無(wú)線電能傳輸技術(shù)。

TM724

A

1003-3076(2017)04-0001-06