基于OFDM的无线信号与电能反向同步传输方法.pdf
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1、基于OFDM的无线信号与电能反向同步传输方法靖永志*鲁林海冯伟王森孙希聪(磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室成都611756)(西南交通大学唐山研究院唐山063000)(西南交通大学电气工程学院成都611756)摘要:无线电能传输系统的稳定运行离不开信息传输技术的实现,该文针对无线信号与电能共享通道传输时存在耦合干扰及频谱利用率低的问题,提出一种基于正交频分复用技术(OFDM)的信号与电能反向同步传输新方法。该方法将电能载波等效为搭载全1信息的信号载波,采用OFDM技术实现信号的同步解耦与高速可靠传输时,即可减少电能传输过程对信号传输过程产生的串扰。电能通道采用串联谐振(S/LCC)补偿拓扑结
2、构,使负载在一定范围内变化时输出电压稳定。松耦合变压器作为电能和信号传输的共同通道,可以同时、反向传输信号与电能两种不同频率的载波。首先介绍了系统的结构和OFDM基本原理;其次,对系统进行数学建模,分析研究信号与电能的传输特性;在此基础上,给出了信号调制与解调的设计方法。最后搭建电能传输功率为20W、信号传输速率为85kbit/s的实验平台,验证了所提方法的正确性。关键词:无线信号传输;正交频分复用;信号调制/解调;S/LCC补偿中图分类号:TN911.7;TN86文献标识码:A文章编号:1009-5896(2023)08-2856-11DOI:10.11999/JEIT220929Rever
3、se Simultaneous Wireless Data/Power Transfer MethodBased on OFDMJINGYongzhiLULinhaiFENGWeiWANGSenSUNXicong(Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle,Ministry of Education,Chengdu 611756,China)(Tangshan Research Institute,Southwest Jiaotong University,Tangshan 063000,China)(
4、School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)Abstract:Thestableoperationofthewirelesspowertransmissionsystemisinseparablefromthedatatransmissiontechnology.Inthispaper,anewmethodbasedonOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM)technologyisproposedtorealizethe
5、reversesimultaneoustransmissionofdataandpoweronaccountoftheproblemsoncouplinginterferenceandlowspectrumutilizationinthesharedchanneltransmissionofdataandpower.Thepowercarrierisequatedasthedatacarrierloadedwithall1information,dataisdecoupledsynchronouslyandtransmittedreliablyathighspeedbyusingOFDMtec
6、hnologyandthecrosstalkgeneratedbythepowertransmissionprocesstothedatatransmissionprocesscanbereducedinthismethod.Inordertostabilizetheoutputvoltagewhentheloadvarieswithinacertainrange,theSeriesLCCCircuit(S/LCC)compensationtopologyisadoptedbythepowertransmissionchannel.Asasharedchannelfordataandpower
7、transmission,looselycoupledtransformercouldsimultaneouslyandreverselytransmittwodifferentfrequencycarriersofdataandpower.ThestructureofthesystemandthebasicprincipleofOFDMarefirstlyintroducedinthispaper;Secondly,mathematicalmodelingofthesystemiscarriedouttoanalysisthetransmissioncharacteristics;andth
8、enthedesignmethodsofdatamodulationanddemodulationaregiven;Finally,anexperimentalplatformwith20Wpowerand85kbit/sdatatransmissionhasbeenbuilttoverifythevalidationoftheproposedmethod.收稿日期:2022-07-07;改回日期:2022-11-10;网络出版:2022-12-22*通信作者:靖永志基金项目:国家自然科学基金(52077183)FoundationItem:TheNationalNaturalScienceF
9、oundationofChina(52077183)第45卷第8期电子与信息学报Vol.45No.82023年8月JournalofElectronics&InformationTechnologyAug.2023Key words:Wirelessdatatransmission;OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM);Datamodulation/demodulation;SeriesLCCCircuit(S/LCC)resonance1 引言无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术作为一种新型的非接触电能传
10、输技术,凭借其安全、灵活、高效等优点,广泛应用于电动汽车、传感器、医疗设备、消费电子设备17等诸多领域。目前,国内外研究主要集中在基本拓扑下系统的输出功率、效率以及电路稳定性和控制策略等方面810。然而,为了提高系统的整体性能,不同控制模块之间往往需要进行同步协调,以及一些特殊应用场合也要求系统在传输电能的同时,能够完成电能发送端和拾取端之间的实时通信11。因此,无线信号与电能同步传输技术是WPT系统研究的另一个重要研究领域1217。无线信号与电能同步传输的实现方式主要有共享通道传输和分离通道传输两种。其中,分离通道传输是指增加单独的信号传输通道,采用如蓝牙、移动热点以及与电能传输通道并联的磁
11、路等方式单独进行信号传输,然而此方式显著增加了系统体积和成本,且多通道交叉耦合会增大系统的建模、设计及控制难度。近年来为提高系统紧凑性和可实现性同时降低成本,使用共享通道实现信号与电能同步传输的方式成为新的研究热点18。共享通道传输的方法主要分为电能调制法和独立载波法。电能调制法通过改变电能载波的幅值、频率或者相角实现信号的传输,但信号源对于电能源而言就是干扰源,会造成接收端的电压波动19。独立载波法利用不同于电能谐振频率的调制波进行信号调制,由于信号载波和电能载波通过同一路径传输,彼此之间存在耦合干扰,因此,利用独立载波法实现信号与电能同步传输的关键在于消除信号与电能之间的干扰。独立载波法将
12、信号载波通过信号耦合线圈加载到电能载波上,信号耦合线圈与电能耦合线圈可以采用并联或串联方式。文献20,21采用并联方式,使信号载波的增益较大,但也使信号与电能之间的串扰增大,误码率较高。文献22,23采用串联方式,此时信号载波的增益较小,信号传输易受到电能和外界噪声的影响,其可靠性和准确率较低,但其电路拓扑结构简单,对电能载波的干扰较小,因此采用串联方式独立载波法的关键是减小电能对信号的干扰,提高信号传输的准确率和可靠性,以降低信号误码率。文献24,25用幅移键控(Amplitude-ShiftKeying,ASK)调制、频移键控(Frequency-ShiftKeying,FSK)调制等技术
13、实现了信号与电能共享通道的正向同步传输,采用了耦合注入的方式将高频信号载波注入低频电能载波传输通道中,为减小电能对信号传输的干扰,需要设计特定滤波电路将低频电能滤除后才能对信号进行解调。然而关于兼顾负载端恒压输出和信号反向传输的文献很少,在实际工程应用中,为了实现输出电压反馈和负载检测等功能,信号的反向传输也具有重要价值。文献26,27提出在信号发送端利用数字芯片QCA6410进行信号调制,完成数模(DigitaltoAnalog,D/A)转换后加载到线圈两端,同时在数据接收端将接收信号完成模数(AnalogtoDigital,A/D)转换后利用数字芯片QCA6410进行信号解调,完成信号双向
14、传输,其中信号的调制与解调利用正交频分复用技术28(OrthogonalFrequencyDivisionMultiple-xing,OFDM)得以实现。该方案利用多个远高于电能载波频率的高频载波进行信号传输,此时数据并行传输速率可达15Mbit/s,由于OFDM仅针对信号载波并要求其满足正交性,电能载波与信号载波之间不满足正交关系,单独控制的电能传输会对信号传输产生干扰,因此需要在信号回路中采用带通滤波器以滤除电能载波。综上所述,文献2027均需要外设滤波电路以减小电能载波对信号载波的干扰。针对上述问题,本文提出了一种信号与电能同步传输方法。首先介绍了系统结构与OFDM基本原理,并对电路基本
15、参数进行了设计。其次分析了电能传输特性和信号传输特性,得到了输出电压表达式和信号传输过程的传递函数,实现了输出端的稳压控制。再次,推导了信号调制与解调原理,得到了信号解调积分结果表达式。最后搭建实验平台验证了该系统的可行性。本文的主要贡献如下:(1)提出了一种电能与信号统一传输方法,将电能载波看作搭载全1信号的信号载波,要求电能载波与信号载波满足正交关系,将幅值较大的电能载波与幅值较小的信号载波同时注入耦合机构两端,可实现信号与电能的同步反向传输。(2)根据OFDM原理将n=1时的子载波频率设置为85kHz,并将其用于电能正向传输,将n=4时的子载波频率即340kHz用于信号反向传输,在信号接
16、收端,根据OFDM解调原理可准确有效提取数字信号,且不受电能传输干扰影响。(3)采用软件解调方案,不需要对电能载波和信号载波进行分离,因此无需滤波和解调电路,同时具有频带利用率高、子载波间隔小等优点。第8期靖永志等:基于OFDM的无线信号与电能反向同步传输方法28572 系统结构与基本原理2.1 系统结构基于OFDM的信号与电能同步反向传输系统的结构如图1所示。在本系统中,发送端的直流电源通过高频逆变成一定频率(fp)的交流电,即电能载波,经谐振网络注入松耦合变压器发送线圈,经耦合到达电能接收端,再经谐振网络以及整流滤波后为负载供电。在电能接收端,通过锁相得到初始相位与电能载波一致的信号调制波
17、,根据OFDM原理其频率为电能调制波频率的整数倍(nfp),利用该调制波对传输速率为fp的待发送数字信号进行调制,最后将信号载波注入松耦合变压器。在电能发送端,采样电路将待解调的复合波送入信号解调模块,根据OFDM解调原理,对其进行数据处理,则可复原出原始数字信号。2.2 OFDM原理A(t)B(t)OFDM中的“O”代表正交,在时域中正交的定义是当函数和函数满足baA(t)B(t)dt=0(1)A(t)B(t)a,bcos(t)cos(2t)cos(nt)m,(m+2)nm则称和在区间上相互正交。因为正弦函数是波的最直观描述,结合式(1)可知,在正弦函数系中函数,在上两两相互正交,其中 和均
18、为整数。这也使得当它们作为调制波时可以互不干扰的传输各自的信息。OFDM中的“FDM”代表频分复用技术,利用不同频带作为子信道进行多信号传输,其信号的常规频谱分布如图2(a)所示。常规FDM中两路信号的频谱之间有保护间隔,彼此互不干扰。但此时频谱利用率较低,为了更好地利用系统带宽,可缩小保护间隔。如图2(b)所示,当保护间隔缩小为零时,FDM的频谱利用率最大,虽然此时两路信号的频谱还未重叠,但是已经存在潜在干扰。随着两路信号的频谱逐步靠近,产生重叠,信号之间的干扰也逐步增大,直到两信号的频率满足正交条件,干扰消除,如图2(c)所示。此时频谱利用率进一步提高,信号之间的干扰为零,实现OFDM29
19、31。cos(t)cos(2t)cos(3t)cos(4t)以最简单的四路信号传输为例,当利用4路余弦波,作为FDM的调制波传输信号时,其频谱波形为OFDM子载波频谱图,如图3所示。可以看出:(1)OFDM频谱利用率相较于FDM有显著的提升;(2)当各载波处于其采样点也就是其峰值时,其余载波幅值为零,不会对当前采样载波产生干扰。2.3 电路结构在电能接收端和发送端均采用串联紧耦合变压器,实现信号载波的加载和提取。同时,采用由T电路与传统S补偿拓扑结合得到的S/LCC补偿拓扑结构,使负载在一定范围内变化时将输出电压维持在一定范围内32。具有S/LCC谐振补偿结构的信号与电能反向同步传输系统电路如
20、图4所示。采用串联式独立载波法在电能传输回路中实现信号载波的加载和提取。原始信号经过信号调制电路,得到携带数字信息的信号载波记为US,并通过紧耦合变压器L5/L6注入电能接收端,再经由松耦合变压器L1/L2传输到电能发送端,由紧耦合变压器L3/L4提取出含有电能载波与信号载波的复合波,将采样电阻RD上的复合波信号进行数字解调,即可得到与原始数字信号相应的解调数字信号,实现数字信号的反向传输。调谐电容C1、电能耦合线圈L1和信号耦合线圈L3构成谐振补偿电路,其谐振频率为电能调制波的频率,电路参数满足图1系统结构2858电子与信息学报第45卷C1=1p2(L1+L3)(2)其中,p为电能调制波角频
21、率。调谐电容C2、电能耦合线圈L2、信号耦合线圈L5、Cf和Lf构成副边的LCC补偿。LCC补偿电路中各支路阻抗满足j1pC2+jp(L2+L5)=j1pCf=jpLf(3)由式(3)可得副边补偿电容为C2=1p2(Lf L2+L5)(4)调谐电容C4与信号耦合线圈L4构成信号接收回路的谐振回路,调谐电容C5与信号耦合线圈L6构成信号发送回路的谐振回路。信号接收与发送回路阻抗满足C4=12sL4C5=12sL6(5)其中,s为信号调制波角频率。本文电能调制波频率fp为85kHz,依据OFDM原理,为使电能载波和信号载波满足正交关系,信号调制波频率fs应为电能调制波频率fp的n倍,理论上n为大于
22、1的任意正整数,因此,信号的子载波间隔为85kHz。n较大时信号调制波频率较高,会降低频带利用率并且带来器件负载能力、通断能力以及电路寄生参数等问题,而n较小时信号调制波频率较低,会增大电路中无源器件的体积。为便于电路参数设计、保证频带利用率及避免电路寄生参数等问题,本文将n设置为4,即选取340kHz的子载波用于信号反向传输。3 电路特性3.1 电能传输特性当电能单独传输时信号源等效为短路,通过全桥逆变电路的电能载波等效为交流电源UAC,电能接收端的整流电路和负载一起等效为Rx,则系统的等效电路如图5所示。此时,信号加载回路和提取回路的阻抗分别为图2FDM与OFDM频谱分布图3OFDM子载波
23、频谱图图4信号与电能反向同步传输系统电路第8期靖永志等:基于OFDM的无线信号与电能反向同步传输方法2859Zptx=1jpC5+jpL6+R5Zprx=1jpC4+jpL4+R4+RD(6)ZptxZprx在分析电能传输通道特性时,将两信号支路阻抗等效为串联在松耦合线圈上的阻抗和Zptx=(pMS1)2ZptxZprx=(pMS2)2Zprx(7)ZptxZprx其中,MS1和MS2分别表示紧耦合变压器L5/L6和L3/L4的互感。由于电容C4与线圈L4、电容C5与线圈L6分别构成谐振频率为fs的信号加载和提取电路,且由于fs远高于fp,结合式(6)、式(7)可知,在电能传输频率fp下,信号
24、加载电路和信号提取电路均呈高阻抗特性(ZprxjpL1,ZptxjpL2),即使通过紧耦合变压器串联联接到电能谐振电路中,其等效阻抗和也很小可以忽略不计,不会影响到电能载波的谐振匹配。将全桥整流电路后的负载RL等效折算到整流电路前得到Rx,二者的值满足Rx=82RL(8)根据电路基尔霍夫电压定律(KirchhoffVoltageLaws,KVL),对电能发送端电路有UAC=I1R1+jp(L1+L3)+1jpC1 jpMI2(9)UAC和I1分别为输入电压和输入电流,M为松耦合变压器线圈之间的互感。根据谐振电路参数匹配原理,可得p=1C1(L1+L3)(10)由式(10)代入式(9)可得,原边
25、电流I1为I1=UAC+jpMI2R1(11)同理,根据电路KVL和基尔霍夫电流定律(KirchhoffCurrentLaws,KCL),对电能接收端列方程组jpMI1=I21jpC2+jp(L2+L5)+R2+Ix(jpLf+Rx)If1jpCf=Ix(jpLf+Rx)I2=If+IxUx=Ix Rx(12)I2为电能接收线圈电流,If为Cf上的电流,Ux和Ix分别为负载电压和负载电流,根据LCC谐振电路参数匹配原理,可得到p=1CfLf=1C2(L2+L5 Lf)(13)忽略线圈内阻R2,将式(11)和式(13)代入式(12)可以得到输出电压UxUx=LfUACM(14)由式(14)可知,
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