3FSK 能量調制式無線功率與信息同步傳輸技術

宋 純，柴 琳，陸江華，馬伯樂

（武漢科技大學信息科學與工程學院，武漢 430081）

如今，無線功率傳輸WPT（wireless power transfer）技術廣泛應用于生活中。如電動汽車、電子產品、生物醫學設備等領域，隨處可見WPT 的應用。而在傳輸電能時，往往需要伴隨著信息傳輸。以電動汽車為例，需要原邊發射充電信號和副邊向原邊反饋電池數據，這就促使了無線功率與信息同步傳輸SWPIT（simultaneous wireless power and information transfer）技術的發展[1]。

實現SWPIT 目前有2 種方式：一種是在功率傳輸的感應鏈路外再設置一個通道用于信息傳輸，即分離通道傳輸，可以分開控制電力傳輸和通信，但是存在成本高、復雜度高、信號傳輸干擾嚴重等問題[2-4]；另一種是使用單個感應鏈路進行功率傳輸和信息傳輸，即共享通道傳輸[5-7]。共享通道傳輸被廣泛應用，包含2 種方法：一種是將通信數據載波注入功率載波中[5，6，8]，注入法可以獨立控制功率和數據，但是兩種載波之間會出現串擾，影響信息的質量，并且需要額外的設備來向載體注入數據，成本較高；另一種是根據通信數據對功率載波進行調制[7，9，10]，采用同一載波進行功率和數據傳輸，不需要額外設備，也不會有信號被干擾的問題，信號特征被賦予能量載波上，通過能量波的變化來表現信號的變化，再在接收端通過解調裝置提取發送端的信號，其調制方法分為基于幅移鍵控ASK（amplitude shift keying）調制方法、基于頻移鍵控FSK（frequency shift keying）調制方法和基于相移鍵控PSK（phase shift keying）調制方法。

在這些方法中，使用FSK 調制方法比ASK 調制方法容錯率更高，比PSK 調制方法信號檢測更簡單[11]，因此FSK-SWPIT 被認為是一種較好的SWPIT 方法。目前，基于單頻帶的2FSK（binary frequency shift keying）-SWPIT 已經得到了廣泛的應用，但其不足之處在于，只有一個諧振點，致使其共振利用不足[12]。該技術應用2 種不同頻率的載波，共用一個諧振帶，將導致所取頻率從效率最大值點開始偏移，從而使系統效率降低?？紤]消除這種弊端，可以在此項技術采用雙頻帶，將一個頻段分配給一個載波，使每個載波都可以使用自己頻段的諧振點。文獻[13-16]中提出使用串、并聯組合諧振電路來達成使用雙頻帶諧振電路進行無線功率與信息同步傳輸的技術。

而在實際應用中，信息傳輸需要雙向傳輸，雙頻帶諧振電路可提供的諧振點依舊偏少。本文提出使用同一電路實現三頻帶諧振的方法，相較于雙頻諧振，此電路的原、副邊也各使用4 個元器件，在器件未增多的情況下達成三頻諧振的目的，使電路進行功率與信息同步傳輸時，上行電路與下行電路可以有更多頻率選擇。文獻[17]研究了一種在自感電容和補償電容諧振頻率下的開環感應功率傳輸IPT（inductive power transfer）系統，證明串聯-串聯拓撲可以在2 個諧振頻率下實現負載無關的恒電壓傳遞，在一個頻率上實現與負載無關的跨導。對于這些拓撲，文獻[18]通過分析電壓傳遞比與跨導，從而得到與負載無關的輸出恒定電壓與電流的條件，即達到諧振頻率。

對于高階補償拓撲，文獻[19-21]中的高階諧振網絡，既可以實現與負載無關的電壓輸出，也可以實現與負載無關的電流輸出。本文在這些研究的基礎上，利用高階諧振網絡，與雙LCC 電路結合，實現三頻帶諧振電路，并應用于SWPIT 中，實現三種頻率既能傳輸電能也能傳輸信息。

本文實現了基于雙LCC 電路實現三頻諧振的電能與信息同步傳輸的目標。首先分析了低階及高階電路諧振腔的諧振條件；在此基礎上，基于雙LCC的電路拓撲，進行參數設計以及頻率選擇；之后通過仿真模擬出三頻諧振的解調信號；最后搭建實驗平臺，驗證了本文所提三頻諧振電路的可實現性。

1 系統建模與分析

1.1 系統總電路

圖1 為本文所提能達成三諧振無線功率與信息同步傳輸目的的原理結構，此系統結構以雙LCC諧振網絡為基礎，分成原邊和副邊2 個部分，采用共享通道傳輸，能夠實現電能和信息同時傳輸，實現上行信號與下行信號同通道傳遞。系統原邊由直流源、逆變器、補償網絡和耦合線圈等部分組成，副邊由耦合線圈、補償網絡、整流器和負載等部分組成。其中，原邊LCC 補償網絡由串聯補償電感Lp、并聯電容Cpp和串聯電容Csp組成；對應的串聯補償電感Ls、并聯電容Cps和串聯電容Css組成副邊LCC 補償網絡；LSP為原邊線圈自感；LSS為副邊線圈自感；S1和S2為原邊逆變器MOSFETs 對應開關；D1～D4為副邊整流二極管；L3與C3構成LC 選頻網絡，用于提取信息載波信號，并衰減功率載波信號，再將提取出的信號進行解調，實現信息傳輸。本文采用的3 個頻率fl、fm、fh皆為此諧振網絡的諧振頻率，傳統的2FSK 技術中需要2 種不同頻率的載波，而由于共用同一諧振頻帶，載流子頻率將從最高效率點偏移，若效率過低則功率無法傳輸且信號無法在原、副邊進行傳遞。而本文采用的諧振網絡及參數設計可以使3 個頻率皆處于諧振點，達到最高效率點，避免以上情況發生。

圖1 三諧振無線功率與信息同步傳輸原理Fig.1 Schematic of three-frequency resonant simultaneous wireless power and information transfer

本文采用的諧振網絡為雙LCC 補償電路，圖2為基于雙LCC 補償網絡的感應耦合能量傳輸系統。其中，一次側由Lp、Cpp和Csp組成；二次側由相對應的Ls、Cps和Css組成；LSP、LSS和M 分別為松耦合變壓器的原邊線圈自感、副邊線圈自感和互感；VAB和IAB分別為輸入電壓與輸入電流；Vab和Iab分別為輸出電壓與輸出電流。

圖2 基于雙LCC 補償網絡的感應耦合能量傳輸系統Fig.2 Inductively coupled energy transfer system based on dual-LCC compensation network

其中，匝數比n 和耦合系數k 分別表示為

根據松耦合變壓器的等效模型，將二次側的元件等效至一次側，構成如圖3 所示的高階諧振網絡。其中，加上“'”的變量為參照原邊的副邊相應變量。LLP和分別為一次側和二次側線圈的漏電感，Lm為勵磁電感。圖3 中的變量可以表示為

圖3 基于雙LCC 補償網絡的感應耦合能量傳輸系統的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of inductively coupled energy transfer system based on dual-LCC compensation network

由圖3 可以看出，此電路為九階諧振網絡，為了設計其諧振頻率，可以將其拆分為低階諧振網絡的組合，計算出符合條件的諧振頻率。

1.2 諧振頻率選取

根據圖3 可以將九階諧振網絡進行重組，拆分成低階諧振電路的組合，如圖4 所示。將原諧振網絡中的Csp與LLP重組拆分為LpVV和CpVV，L'LS與C'ss重組拆分為C'sVV和L'sVV。接著，Lp、Cpp和LpVV組成第1 個T 型電路，CpVV、Lm和C'sVV組成第2個T型電路，L'sVV、C'ps和L's組成第3 個T 型電路。

圖4 ω1 的諧振網絡Fig.4 Resonant network of ω1

圖5 為基本的T 型諧振電路，其中，ZT1、ZT2、ZT3分別為對應諧振網絡的阻抗；ZL為負載；Vo為其輸出電壓。則此電路的電壓傳遞比GTVV可以表示為

圖5 T 型諧振電路Fig.5 T-type resonant circuit

由式（3）可知，若想實現電壓傳輸比與負載無關，則電路應滿足的條件為

所以，將式（4）代入式（3）中可知，當T 型電路達到諧振條件，即令電壓傳輸比與負載無關時，電壓傳遞比為

將圖4 中3 個T 型電路的參數代入式（4）和式（5），可得出此諧振電路的諧振條件及對應的電壓傳遞比。所以第1 個頻率ω1的諧振條件為

與負載無關的電壓傳遞比為

同理，除了上述低階諧振電路組合，雙LCC 電路等效的高階電路也可重組為其他低階諧振電路組合?？紤]到元器件多而自由度多，采用原、副邊對稱的結構，從而降低自由度，便于后續參數設計。最終選用圖6 和圖7 所示的諧振網絡來選定所需諧振頻率。

圖6 ω2 的諧振網絡Fig.6 Resonant network of ω2

圖7 ω3 的諧振網絡Fig.7 Resonant network of ω3

圖6 中，將原諧振網絡Csp與LLP重組為電容CpVV，與重組為電容C'sVV，可將原高階諧振網絡拆分為2 個T 型諧振電路的組合，分別計算其諧振條件以及電壓傳遞比，可以得出所需的第2 個諧振頻率ω2為

其與負載無關的電壓傳遞比為

圖7 中，將原諧振網絡Csp與LLP重組為電感LpVV，與重組為電感，同樣可將原高階諧振網絡拆分為2 個T 型諧振電路的組合，分別計算其諧振條件以及電壓傳遞比，可得出所需的第3 個諧振頻率ω3為

其與負載無關的電壓傳遞比為

至此，可以得到3FSK 所需的3 個諧振頻率，當系統運行于這3 個頻率時，系統效率達到最高，降低了系統的損耗。同時在設計參數時，將3 個電壓傳遞比皆設置為1，可以使系統在不同負載下達成恒壓輸出的目標。在此前提下，功率載波信號及信息載波信號共用通道傳輸，傳輸至副邊時皆有功率支撐電路正常運行，無需考慮信息載波信號的傳輸時長，可保證系統穩定運行。

1.3 波形解調

通過上述分析，可以使電路通過3 種頻率的載波，為了將這些波形處理為電能分量和信息分量，需要對波形進行調制。

近場磁耦合能量與信息同步傳輸一般采用數字調制來對信息進行處理，即將二進制數字序列映射成一組相應的信號波形，這些信號波形可在幅值、頻率和相位等方面存在差異，通過這些差異特征來表示二進制數據流并在物理信道上傳輸。

數字頻率調制即FSK，利用不同的載波頻率來傳遞數字消息，也是用所傳遞的數字消息來控制載波的頻率，是信息傳輸的一種重要調制方式。其中，最廣泛使用的二進制頻移鍵控2FSK，使用數字‘1’和‘0’來代表2 個不同頻率的載波，如圖8 所示。在解調時不需要恢復原本載波，就能夠實現異步傳輸，實現方法較為簡單。對于本文中出現的3 種頻率，可以用‘00’，‘01’和‘11’來分別代表3 種頻率的載波，如圖9 所示，其中Vp為接收端提取的電壓波形，Vsp為信息傳輸的解調電壓波形。

圖8 2FSK 調制Fig.8 2FSK modulation

圖9 3FSK 載波及對應信號波Fig.9 Carrier wave and corresponding signal wave modulated by 3FSK

本文采用非相干調解法中的過零檢測法來解調波形，過零檢測法的基本思路為通過檢測調頻波的過零點數不同來分辨不同頻率的波形，頻率越高則過零點數量越多。

圖10 為過零檢測法的基本原理。3FSK 的調制信號經過放大并限幅后，可由正弦波轉為方波即脈沖信號，再經過微分和整流可得到正的窄脈沖信號，通過寬脈沖濾波器可將尖脈沖轉換成所設定寬度的脈沖信號，之后再通過低通濾波器LPF（low pass filter）得到脈沖信號的直流分量，根據脈沖信號的疏密即直流分量的大小，可以分辨出輸入信號頻率的高低，從而解調出數字信號“1”和“0”。

圖10 過零檢測法的基本原理Fig.10 Basic principle of zero-crossing detection method

2 仿真和實驗

為達成三諧振頻率，設計的系統參數如表1所示。

表1 實驗中系統參數設計Tab.1 System parameters designed in experiment

以150 kHz 為第1 個諧振頻率，應用于圖1 所示的變換拓撲，設計出原電路的各個參數，可計算出另外2 個頻率分別為48.526 和177.584 kHz。當運用于實際應用時，頻率不會如此精確，經過Simulink 仿真可得，當頻率處于所設定頻率左右的時候，輸出電壓波動較為穩定，可以采用這3 種頻率完成實驗。實驗采用的系統架構如圖11 所示。

圖11 3FSK-SWPIT 系統架構Fig.11 Architecture of 3FSK-SWPIT system

為了驗證參數的可行性，先在Simulink 搭建仿真，其解調模塊仿真模型如圖12 所示，從負載ZL提取出的電壓可進行2 次解調，在低通濾波器之后的比較模塊可以進行ω1與ω2的比較以及ω2和ω3的比較，從而達成3 個頻率分別由 “00”、“01”和“11”表示。最終負載兩端的電壓波形及解調出的數字信號如圖13 所示。

圖12 3FSK 過零檢測法非相干解調仿真模型Fig.12 Simulation model of noncoherent demodulation with 3FSK zero-crossing detection method

圖13 仿真電壓波形及解調結果Fig.13 Voltage waveform and demodulation results of simulation

由圖13 可以看出，系統在3 種頻率下傳輸至接收側負載的電壓趨近于穩定不變，驗證了前文所提出的恒壓傳輸，使3 種頻率皆在諧振點，傳輸效率達到最高。之后通過解調，將3 種頻率分別映射為11、01、00，可用于后續的信息傳輸。

實驗樣機如圖14 所示，圖中：連接線圈為初級電路和次級電路的串聯電感線圈（TX 線圈和RX 線圈）；初級側與次級側的并聯補償電感皆為平面線圈，用利茲線纏繞。

圖14 實驗樣機Fig.14 Experimental prototype

最終得到的實驗結果如圖15 和圖16 所示。圖15 顯示了3 個諧振點的暫態負載電壓波形，以時間t1與t2為分界線，分別為3 種頻率f1、f2、f3波形。由于頻率無法十分精確且電容在不同頻率下可能出現參數變化，波形會產生一定誤差，但如圖15所示，3 種頻率下的負載波形趨近于在同一幅值，即可驗證上文所提出的結論。

圖15 負載兩端電壓波形Fig.15 Load voltage waveform

圖16 副邊LSS 流經電流波形Fig.16 Current waveform of secondary-side LSS

圖16 為流經副邊線圈LSS的電流波形。根據圖16（a）可以看出，電路在t1時刻流經電流頻率由f1轉變為f2，在t2時刻流經電流頻率由f2轉變為f3，因此3 種頻率皆能順利在電路原、副邊之間傳輸。根據圖16（b）～（d）可以看出f1、f2和f3分別為178.6、149.3 和49.0 kHz，皆為上述設定頻率參數的近似值，可驗證本文參數設計的可實行性。

根據實驗可以得出，在上文提出的理論基礎下，此結論可運用于實際應用，達到同一拓撲可在3 種頻率下恒壓傳輸的效果，最終3 種頻率可分別運用于基礎電能傳輸、上行信息傳輸以及下行信息傳輸，且在信息傳輸過程中，可同時提供穩定電能，保證電路正常運轉，具有很強的實際應用性。

3 結語

本文針對SWPIT 技術中存在的共享通道傳輸可用諧振頻率少的問題，提出了一種基于雙LCC電路的3FSK 能量調制式三頻諧振SWPIT 技術。通過對雙LCC 電路拓撲的分析，將其等效的高階網絡拆分為低階T 型網絡的組合，并通過T 型網絡的諧振條件，反推出適用于雙LCC 補償網絡的諧振頻率。為了達成恒定電壓輸出，本文將補償網絡的電壓傳遞比設定為1，確保了在傳輸信息時也可保證電路的功率運行需求。通過仿真及實驗可見，所設計的參數可以使雙LCC 電路在3 種頻率下正常運作且電能與信號皆能傳遞至副邊，副邊負載兩端的電壓恒定，實現了恒電壓輸出，驗證了本文所提三諧振SWPIT 技術的可行性。