Ampsk无线携能通信系统的频域功率分配器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器，不同于传统的时域功率分配方案，该功率分配器在频域将接收信号分解成两部分，其中载频分量用于能量收集，而边带分量用于信息解调；借助该功率分配器，在将接收信号的载波能量提取出来用于为设备供电的同时，可完成对调制信号的解调；因此，仅需发送一路信号便能在真正意义上实现信息与能量的同步传输。该功率分配器是由3dB分支定向耦合器和功率合成电路构成的三端口网络。本发明在维持AMPSK调制信号频谱利用率高、信息传输速率快等优势的前提下，充分发掘保留载波的类正弦体制的潜力，是AMSPK无线携能通信系统的重要组成部分之一。
【专利说明】AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于微带电路设计的频域功率分配器，该功率分配器是面向信息与能量同时传输的AMPSK(Asymmetric M-ary Phase Shift Keying,不对称多兀相移键控)无线携能通信系统而设计的，属于数字通信信号处理技术与无线输电技术的交叉领域。
【背景技术】
[0002]随着社会的飞速发展，跨学科、多平台的整合与集成逐渐成为技术创新的重要趋势与产业进步的源源动力。能源和无线电频谱日益成为稀缺资源。因此，迫切需要整合通信技术与能源技术现有的研究成果，推陈出新，在满足人们对高效可靠的信息交互需求的同时，又能有效地应对能源和频谱短缺的压力。无线携能通信(Simultaneous WirelessInformat1n and Power Transfer, SWIPT)这一全新概念便是在这样的社会需求背景下应运而生的，它是通信技术与输电技术交叉融合的一个前沿方向。旨在实现信息与能量的同步传输，在实现高效可靠通信的同时，完成能量的传输与收集，从而充分利用宝贵的发射功率，降低设备能耗，有效缓解能源压力。
[0003]目前在SWIPT系统中实现信息与能量同步传输的方式主要有两种:一是采用时分复用的方式，在划分的不同时隙中分别进行信息和能量的传递；二是索性将信息和能量分开传输，即收发两端之间建立起相互独立的两条链路，分别进行信息和能量的传递。然而，上述方案忽视了无线电波既是能量的载体，也是信息的载体这一本质属性，难以达到性能最优。
[0004]由于 AMPSK (Asymmetric M~ary Phase Shift Keying, AMPSK)是一种保留载波的类正弦体制，因此可在高速高效传输信息的同时，充分利用载波能量实现无线输能；这样发射端只需发送一路AMPSK信号，便能在真正意义上实现信息与能量的同步传输，从而克服了现有方案的缺点。
[0005]本领域公知正弦波是功率型信号，其Fourier变换是个冲击函数，在频域能量高度集中，是最好的携能信号形式，但纯粹正弦信号理论上带宽为零，无法传递任何有用信息。如果保持正弦波频率不变，但其它波形参数(幅度、相位、形状、对称性或周期数等)被轻微调制，则尽管其功率谱主瓣和边带都会被展宽，但能量仍高度集中在载频上。超窄带(Ultra Narrow Band, UNB)技术正是基于上述思路发展而来，即设法使表示零和非零数据的载波波形稍有不同，保持调制波形与正弦波极为“相似”，能量高度集中。现有UNB技术的典型方案如下所述:
[0006]1、不对称二元相移键控调制
[0007]为了提高频谱利用率，现已出现了一系列数据“O”和“I”的调制时段不对称的二元相移键控调制方法，如:
[0008]①中国专利号为“ZL200710025203.6”、发明名称为“统一的正交二元偏移键控调制和解调方法”中，公开了统一的不对称二元相移键控(ABPSK:Asymmetric Binary PhaseShift Keying)调制；
[0009]②中国专利号为“ZL200910033322.5”、发明名称为“频谱紧缩的扩展二元相移键控调制和解调方法”中，公开了连续相位的扩展二元相移键控(CP-EBPSK ContinuousPhase-Extended Binary Phase Shift Keying)调制及其多种变形。
[0010]在中国专利申请号为“201210243474.X”、发明名称为“用于解调多路ABPSK信号的数字滤波器组”中，将上述两种调制统一表示为:
[0011]s0(t) = Asinωct, O ^ t<T
,、I Β?χ\(ω?±σ), 0<t<r(I)
[。。12]0<γ?<Γ
[0013]其中，S0 (t)和81(0分别表示码元"O"和"1〃的调制波形；ω。为载波角频率，Tc= 2π/ω。为载波周期，T = NT。为码元周期，τ = ΚΤ。为调制区间；Β-Α为载波键控的幅度，σ为载波键控的相位:当调制波形为硬跳变时，σ e [0，π];而当调制波形连续时，σ =土 ξ.Asin(n X2Jifct),0彡Λ彡1，0彡η彡1，并且ξ e {-1, 1}的取值即相位调制极性可用一个伪随机序列来控制。
[0014]2、不对称多元相移键控调制
[0015]如果利用多元信息符号键控⑴式中调制区间τ在码元周期T中的位置，又可得到一系列不对称的多兀相移键控(AMPSK !Asymmetric M-ary Phase Shift Keying)调制，其表达式如下:
A sin (O1 “0<t < NTrk = Q
IA sin (0.t.0<t< (k -1) AT
Γππ?β? c (f\ — <(2,)
k < 5sin(叫/ 土 σ)， (/c -1) AT <t < (k -r )AT \<k< M -1
A sin coj,(k 一 r, )KT < t < NT
、I*
[0017]其中，sk(t)表示码元“k”的调制波形，k = 0，1，-,M-1 ;rg为码元保护间隔控制因子，0<rg〈l ;其余参数的定义与式(I)相同。由&和整数M、N、K构成了改变信号带宽、传输功效和解调性能的“调制参数”。
[0018]依据中国专利号为“ZL200710025202.1”、发明名称为“多元位置相移键控调制和解调方法”的专利内容，取相位调制角度σ = 以及Α = Β= 1，可得到一种最常用的多元位置相移键控(MPPSK:M_ary Phase Posit1n Shift Keying),其表达式如下:
sin cort,0<t< NTk = 0
iSincoJ,0<t<{k-\)KT寸
[0019]5.}(?) = 1.(3)
J土 σ), (k -\)KT <t<(k- r?.) K Tr \<k<M-1
sin oj.t,(k-1 )KTr <t< NT,
[0020]特别地，当M = 2且rg = 0时，MPPSK调制退化为常见的扩展的二元相移键控(EBPSK Extended BPSK)调制(常取B = -A)，其表达式如下:
A ■ sin ωΓ?,O </ < N'Tk = Q
[0021]5,(/) = < \ BO < / < KT\<k<M-\ ⑷
} A-Sin (OiUKT < ? < NTr
[0022]AMPSK/ABPSK调制信号的功率谱表现出高载波和低边带的鲜明特点，可得到很高的频谱利用率以及优异的携能特性，其频谱特征如图1所示，可形象地理解成由载频上高大的“频谱树”加上边带上低矮的“频谱草”两部分构成。图2中给出了通过理论计算以及采用Welch功率谱估计方法求得的EBPSK信号(AMPSK中最简单的特例)载波能量占信号总能量的百分比。可见AMPSK信号能量高度集中在载频处，具有优异的携能特性。
【发明内容】
[0023]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器，该功率分配器在频域处将接收信号分解成两部分，其中载频分量用于能量收集，而边带分量用于信息解调，以避免引起信号能量损耗及相互干扰，能更加有效地实现信息与能量的同时传输。本发明在维持AMPSK调制信号频谱利用率高、信息传输速率快等优势的前提下，充分发掘保留载波的类正弦体制的潜力，是AMSPK无线携能通信系统的重要组成部分之一，也为无线携能通信系统的设计提供了一条新颖的可行思路。
[0024]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0025]无线携能通信是无线输能(Wireless Power Transfer, WPT)与无线通信(Wireless Informat1n Transmiss1n, WIT)相结合的产物。本发明拟在现有WPT技术基础之上，通过引入具有优异携能特性的AMPSK作为信息调制方案，并以本发明所设计的频域功率分配器作为接收端的动态功率分配(Dynamic Power splitting, DPS)方案,使现有WPT兼具WIT的功能。本发明所设计的频域功率分配器是AMSPK无线携能通信系统的核心元件之一，不同于传统的时域功率分配方案，该功率分配器在频域将接收的AMPSK信号分解成两部分，其中载频分量用于能量收集，而边带分量用于信息解调。因此，发射端仅需要发送一路AMPSK信号，便能在真正意义上实现信息与能量的同步传输。
[0026]本发明的具体方案为:一种AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器，在完成对载波能量收集的同时，可完成对调制信号的解调，该功率分频器包括由3dB分支定向耦合器和功率合成电路两部分组成的一个三端口网络，其中3dB分支定向I禹合器包括一个输入端口、一个信息解调端口和两个耦合端口，功率合成电路包括两个输入端口和一个能量收集端口，3dB分支定向耦合器的两个耦合端口分别与功率合成电路的两个输入端口相连，在功率合成电路的两个输入端口之间跨接有一个吸收电阻r，利用吸收电阻r可有效隔离功率合成电路的两个输入端口 ；3dB分支定向耦合器在频域将接收到的AMPSK信号分解成两部分，分别为载频分量和边带分量，其中载频分量用于能量收集，边带分量用于信息解调；3dB分支定向耦合器的信息解调端口具有窄带带阻特性，用于获取AMPSK信号的边带分量，从而获得与发送码元相对应的冲击波形；3dB分支定向耦合器的两个耦合端口，具有几乎无插损的带通特性，用于精确提取AMPSK信号的载频分量，借助功率合成电路将两路信号合成后，由能量收集端口输出载波能量。信息解调端与能量收集端彼此独立，不会造成信号能量的损耗及相互干扰，能有效地从接收信号中同时获取信息与能量。
[0027]优选的，所述AMPSK信号在一个码元周期NT。内的简化表达式为:A sin ω t,O < ^ < NTk = Q
C 'C.4 sin ω t,0<t< (Jc-\)KT
[0028]5,(0 = 1LL
' < 5sm(q/±0.), (k-VykT <t < (k — f'r、kT \ < k < M -1
A sin ω t,(k - r )KT < t < NT
1g
[0029]其中，sk(t)表示码元“k”的调制波形，k = 0，1，-,M-1 ;rg为码元保护间隔控制因子，O彡rg〈l ; ω。为载波角频率，T。= 2 JI/ω。为载波周期，T = NT。为码元周期，τ =ΚΤ。为调制区间；B-A为载波键控的幅度，σ为载波键控的相位:当调制波形为硬跳变时，σ e [O, 31 ];当调制波形连续时，σ = ± ξ * Asin(n X2 3ifct),0^ Δ ^ 1,0^ η 彡 1，并且ξ e {-1, 1}的取值即相位调制极性可用一个伪随机序列来控制；由&和整数Μ、N、K构成改变信号带宽、传输功效和解调性能的调制参数，可兼顾极高的频谱利用率和优异的携能特性。
[0030]优选的，该频域功率分配器以微带电路形式实现，印制于电路板上。
[0031]优选的，构成频域功率分配器的微带电路中，对传输线进行弯折处理，以减小整体的尺寸。
[0032]有益效果:本发明提供的AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器，相比较于现有技术，具有如下优势:
[0033]1、电路简单价廉，体积小、重量轻、便于模数混合集成；
[0034]2、信息解调端输出波形与冲击滤波输出波形一致，可直接兼容基于数字冲击滤波的解调器；
[0035]3、与现有的时分复用方式、以及能量与信息独立传输的方式相比，本发明在发射端仅需要发送一路信号，便能够完成信息与能量的同步传输，信息与能量的传输效率更高，且系统结构更为精简；
[0036]4、使设备摆脱传统导线的束缚，有效延长用电设备的生存时间，增强用电设备对恶劣环境和极端工况的适应性，避免因反复更换电池及铺设供电线路所造成的环境污染和资源浪费；
[0037]5、将AMPSK调制技术应用于无线携能通信系统中，在高效利用频谱资源传输信息的同时，可为能量受限型设备无线供电。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为在约62.5MHz载频上实测的信号功率谱:其中I (a)为EBPSK调制，K:N =3:1600，码率 53.5kbps,-60dB 功率带宽 326Hz，频谱利用率 164bps/Hz ; I (b)为 MPPSK调制，K:N = 3:1800，M = 512，码率 428kbps，_60dB 功率带宽 478Hz，频谱利用率 895bps/Hz ；
[0039]图2为在调制占空比取值满足N > 20，K = 2时，EBPSK信号载波能量占总能量的理论计算与功率谱估计结果；结果均表明=EBPSK信号载波能量占总能量的90%以上，且随着N取值的增大而逐渐趋近于100% ;EBPSK信号的能量高度集中在载频，具有优异的携能特性；对于B = O的缺周期调制(MCM)，作为EBPSK的一个特例，其能量更为集中；
[0040]图3为所述SWIPT系统结构图，主要由发射端的信息调制模块、WPT系统以及接收端的DPS方案、整流与解调电路构成；发射端采用AMPSK调制方案对正弦载波进行调制；发射端与接收端之间以WPT系统为纽带相连接，构成能量与信息传输的无线链路；接收端借助于DPS方案将接收的信号功率进行分配，一部分用于信息解调，另一部分用于能量收集，从而实现信息与能量的同时传输；
[0041]图4为微带分支定向耦合器结构示意图，该向耦合器利用经各分支线耦合得到的分波在各个端口所形成的波程差，使之在某一端口同相而叠加，在另一端口反相而抵消，从而构成定向I禹合器；其中端口(2)、端口(3)称为分支定向I禹合器的I禹合端,端口(4)称为分支定向I禹合器的隔绝端；
[0042]图5为运用奇模、偶模的概念及叠加原理进行分析的原理图；将定向耦合器沿其对称平面一分为二，使四端口网络变为两个二端口网络；5(a)所示为分支定向耦合器各端口输入输出电压示意图；5(b)所示为将5 (a)中端口(I)、(4)输入信号分解为两个分量叠加的等效示意图；5(c)所示为其中的偶模工作情况；5(d)所示为其中的奇模工作情况；
[0043]图6为偶模工作情况示意图；定向耦合器分支线对称面上的电压等幅同相，电流等于0，等效为开路，故可以沿对称面将定向耦合器分成如图6所示的两个独立的二端口网络；6(a)为偶模二端口网络等效电路图；6(b)为将并联分支线等效为并联导纳后的偶模二端口网络等效电路图；
[0044]图7为奇模工作情况示意图；定向耦合器分支线对称面上的电压等幅反向，电压等于0，等效为短路，故可以沿对称面将定向耦合器分成如图7所示的两个独立的二端口网络；7(a)为奇模二端口网络等效电路图；7(b)为将并联分支线等效为并联导纳后的奇模二端口网络等效电路图；
[0045]图8为分支定向耦合器端口(2)、(3)输出波形示意图；其中的相位比^?滞后
π/2,而的相位比L^1滞后π，即端口(2)、(3)的输出相差为90度；
[0046]图9为相位调节后分支定向耦合器端口(2)、(3)输出波形示意图；通过将分支定向耦合器端口⑵的输出传输线延长λρ(ι/4便可将端口(2)、(3)两路输出信号的相位调节到一致；
[0047]图10为频域功率分配器信息解调端输出的与发送码元相位跳变处相对应的明显的“冲击”波形；
[0048]图11为微带三端口功率分配电路原理图；信号由端口 I输入，端口 I处所接传输线的特性阻抗为Ztl，分别经特性阻抗为Zc^Ztl3的两分支微带线，从端口 2和端口 3输出，负载电阻分别为R2和R3;两分支之间无耦合，在中心频率时的电长度均为θ = π/2;
[0049]图12为微带三端口功率分配器结构示意图；考虑到输出端口 2和端口 3所接负载并不是阻值分别为R2和R3的纯电阻，而是特性阻抗为Ztl的传输线，因此，需要在其间各引入一段λ ρ/4传输线作为阻抗变换器；
[0050]图13为所述AMPSK携能通信系统的频域功率分配器结构示意图；该功率分配器是由3dB分支定向耦合器和功率合成电路构成的三端口网络，通过将3dB分支定向耦合器的端口(2)、(3)分别与功率合成电路的端口 2、3相连接而构成；其中端口 I为信号输入端，端口 2为信息解调端，端口 3为能量收集端；
[0051]图14为所述AMPSK携能通信系统频域功率分配器实施例电路结构示意图；该频域功率分配器工作频率f。= 2.45GHz ;为了减小电路的横向尺寸，与图13所示原理图相比，在最终的设计电路中对部分传输线进行了适当的弯折处理，这些处理并不会对电路的设计原理与实际性能造成影响；
[0052]图15为所述AMPSK携能通信系统频域功率分配器S参数的仿真曲线；其中，在载频附近S (1，I)均小于-20dB，说明输入端口匹配良好；在载频处的S (1，3)的值为-0.0841dB，表明载频分量由端口 I输入并由端口 3输出时，仅损耗约2%的功率，载频分量可以几乎无损地通过该网络；而载频处的S(l，2)的值为-39.5471dB, S21对载频呈现出很好的带阻特性；
[0053]图16为输入端(端口 I)输入信号与能量收集端(端口 3)输出信号对比；输入信号的幅度为876.3mV，而输出波形的幅度为876.0mV，可见，载频分量通过该电路所带来的功率损耗很微小；
[0054]图17为信息解调端(端口 2)输出的“冲击”波形；可以看到与发送码元相位跳变处相对应的明显的“冲击”波形；而且“冲击”幅度可达到400mV左右，约为输入信号幅度的一半。
【具体实施方式】
[0055]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0056]本发明拟在现有WPT技术基础之上，通过引入具有优异携能特性的AMPSK作为信息调制方案，并以本发明所设计的频域功率分配器作为接收端的动态功率分配方案，使现有WPT兼具WIT的功能。所述AMSPK无线携能通信系统框图如图所示，本发明所设计的频域功率分配器是AMSPK无线携能通信系统的核心元件之一，不同于传统的时域功率分配方案，该功率分配器在频域将接收的AMPSK信号分解成两部分，其中载频分量用于能量收集，而边带分量用于信息解调。因此，发射端仅需要发送一路AMPSK信号，便能在真正意义上实现信息与能量的同步传输。
[0057]—种AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器，在完成对载波能量收集的同时，可完成对调制信号的解调，该功率分频器包括由3dB分支定向耦合器和功率合成电路两部分组成的一个三端口网络，其中3dB分支定向I禹合器包括一个输入端口、一个信息解调端口和两个耦合端口，功率合成电路包括两个输入端口和一个能量收集端口，3dB分支定向耦合器的两个耦合端口分别与功率合成电路的两个输入端口相连，在功率合成电路的两个输入端口之间跨接有一个吸收电阻r，利用吸收电阻r可有隔离功率合成电路的两个输入端口 ；3dB分支定向耦合器在频域将接收到的AMPSK信号分解成两部分，分别为载频分量和边带分量，其中载频分量用于能量收集，边带分量用于信息解调；3dB分支定向耦合器的信息解调端口具有窄带带阻特性，用于获取AMPSK信号的边带分量，从而获得与发送码元相对应的冲击波形；3dB分支定向耦合器的两个耦合端口，具有几乎无插损的带通特性，用于精确提取AMPSK信号的载频分量，借助功率合成电路将两路信号合成后，由能量收集端口输出载波能量。信息解调端与能量收集端彼此独立，不会造成信号能量的损耗及相互干扰，能有效地从接收信号中同时获取信息与能量。
[0058]所述AMPSK信号在一个码元周期NT。内的简化表达式为:
【权利要求】
1.AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器，其特征在于:在完成对载波能量收集的同时，可完成对调制信号的解调，该功率分配器包括由3dB分支定向耦合器和功率合成电路两部分组成的一个三端口网络，其中3dB分支定向I禹合器包括一个输入端口、一个信息解调端口和两个耦合端口，功率合成电路包括两个输入端口和一个能量收集端口，3dB分支定向耦合器的两个耦合端口分别与功率合成电路的两个输入端口相连，在功率合成电路的两个输入端口之间跨接有一个吸收电阻r，利用吸收电阻r可有效隔离功率合成电路的两个输入端口 ；3dB分支定向耦合器在频域将接收到的AMPSK信号分解成两部分，分别为载频分量和边带分量，其中载频分量用于能量收集，边带分量用于信息解调；3dB分支定向耦合器的信息解调端口具有窄带带阻特性，用于获取AMPSK信号的边带分量，从而获得与发送码元相对应的冲击波形；3dB分支定向耦合器的两个耦合端口，具有无插损的带通特性，用于精确提取AMPSK信号的载频分量，借助功率合成电路将两路信号合成后，由能量收集端口输出载波能量。
2.根据权利要求1所述的AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器，其特征在于:所述AMPSK信号在一个码元周期NT。内的简化表达式为:.
其中，sk(t)表示码元“k”的调制波形，k = O, I, -,M-1 ；rg为码元保护间隔控制因子,O≤rg〈l ; ω。为载波角频率，T。= 2 /ω。为载波周期，T = NT。为码元周期，τ =ΚΤ。为调制区间；B-A为载波键控的幅度，σ为载波键控的相位:当调制波形为硬跳变时，σ e [O, 31 ];当调制波形连续时，σ = ± ξ * Asin(n X2 3ifct),0^ Δ ^ 1,0≤ η ≤ 1，并且ξ e {-1, 1}的取值即相位调制极性可用一个伪随机序列来控制；由&和整数Μ、Ν、Κ构成改变信号带宽、传输功效和解调性能的调制参数。
3.根据权利要求1所述的AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器，其特征在于:该频域功率分配器以微带电路形式实现，印制于电路板上。
4.根据权利要求3所述的AMPSK无线携能通信系统的频域功率分配器，其特征在于:构成频域功率分配器的微带电路中，对传输线进行弯折处理，以减小整体的尺寸。
【文档编号】H04L27/18GK104135454SQ201410396157
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】郑祖翔, 吴乐南 申请人:东南大学