一种基于混频整流的新型无线信能同传方法、装置及系统

本发明属于无线信能同传，尤其涉及一种基于混频整流的新型无线信能同传方法、装置及系统。

背景技术：

1、信能同传技术(simultaneous wireless information and power transfer,swipt)是将无线信息传输(wireless information transfer,wit)与无线能量传输(wireless power transfer,wpt)相结合，实现信息与能量的同时传输。随着物联网时代的到来，整合无线能量传输技术和无线通信技术逐渐成为一种趋势，该技术能够在传输信息的同时，完成能量的传输与收集，保证了能量在一定的工作范围内方便、快捷地传送至设备终端，消除了传统的导线输电、电池供电等方式带来的不便，延长设备的待机时间，在智能家居、医疗、物联网发展等方面有着重要的应用价值。

2、目前，常用的无线信能同传系统接收机架构包括分离式、时隙切换(timeswitching,ts)方式、功率分割(power splitting,ps)方式和集成式。分离式系统的能量传输部分和信息传输部分是独立设计的，系统结构简单，但是体积较大，且难于集成；ps方式和ts方式，虽然能量和信息传输共用一组收发天线，减小了部分体积，但是能量处理模块和信息解调模块仍然是分开进行设计的，系统集成度不高；集成式接收端采用了通信系统中的零中频架构，虽然极大提升了系统集成度，但是零中频架构抗干扰能力和灵活性较差。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：不能在提高信能同传系统集成度的同时，提高系统抗干扰能力和灵活度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于混频整流的新型无线信能同传方法、装置及系统。

2、本发明是这样实现的，一种基于混频整流的新型无线信能同传系统，由发射机和接收机构成，所述发射机包括：矢量调制信号源、上变频模块、本振源模块、射频滤波模块、功率放大模块、发射天线；所述接收机包括：接收天线、本振源模块、合路模块、混频整流模块、直流滤波模块、电源管理模块、中频滤波模块和信息解调模块。

3、所述矢量调制信号源与上变频模块的端口①相连；所述上变频模块包括三个端口，分别与矢量调制信号源、本振源模块和滤波模块相连；所述本振源模块与上变频模块的端口②相连；所述滤波模块一端与上变频模块的端口③相连，一端与功率放大模块相连；所述功率放大模块一端与滤波模块相连，一端与发射天线相连；所述发射天线与功率放大模块相连；所述接收天线与合路模块的端口④相连；所述本振源模块一端与合路模块端口⑤相连，一端与电源管理模块相连；所述合路模块包括三个端口，分别与接收天线、本振源模块、和混频整流模块相连；所述混频整流模块包括三个端口，端口⑦与合路模块端口⑥相连，端口⑧与直流滤波模块相连，端口⑨与中频滤波模块相连；所述直流滤波模块一端与混频整流模块端口⑧相连，一端与电源管理模块相连；所述电源管理模块一端与直流滤波模块相连，一端与本振源模块相连；所述中频滤波模块一端与混频整流模块端口⑨相连，一端与信息解调模块相连。

4、进一步地，所述本振源模块，可以采用晶振与pll、晶振与dds或者晶振与倍频器相结合的方式组成；用于产生一个高频单音信号。

5、进一步地，所述矢量调制信号源，可以采用现成购买的矢量调制信号源，也可以采用自行设计的带有编码与调制功能的信号源；

6、所述上变频模块，可以采用乘法器或者混频器组成；

7、所述射频滤波模块，可以采用窄带微带带通滤波器组成；

8、所述功率放大模块，可以采用功率放大器组成；

9、所述发射天线，可以采用一般的单频点微带天线或者其它形式的单频天线组成。

10、进一步地，所述矢量调制信号源，用于输出低中频已调制信号；

11、所述上变频模块，用于频谱搬移，将低频分量搬移至高频分量，便于天线设计以及无线传输；

12、所述射频滤波模块，用于谐波和杂波抑制；

13、所述功率放大模块，用于将低功率信号进行放大；

14、所述发射天线，用于将高频高功率信号以电磁波的形式发射到接收天线。

15、进一步地，所述接收天线，可以采用一般的单频点微带天线或者其它形式的单频天线组成；

16、所述合路模块是一个三端口模块，可以采用电桥、耦合器或者其它具有合路功能的器件组成；

17、所述混频整流模块是一个三端口模块，可以采用二极管、三级管或者具有其它非线性效应的器件组成；

18、所述直流滤波模块，可以采用低通滤波器组成；

19、所述电源管理模块，可以采用专用的电源管理芯片组成；

20、所述中频滤波模块，可以采用低通滤波器组成；

21、所述信息解调模块，可以采用iq解调器或者带有解调功能的频谱分析仪。

22、进一步地，所述接收天线，用于接收从发射天线发射到接收机的高频信号；

23、所述合路模块是一个三端口模块，用于信号合成，包括两个输入端口和一个输出端口，两个输入端口互相隔离；

24、所述混频整流模块是一个三端口模块，用于产生直流和低中频分量，包括一个输入端口和两个输出端口；

25、所述直流滤波模块，用于平滑直流输出波形，提取出直流分量；

26、所述电源管理模块，用于将低压直流电压升压，以便给后续设备供电；

27、所述中频滤波模块，用于谐波和杂波抑制，提取出中频分量；

28、所述信息解调模块，用于将发射机中的信息信号提取出来。

29、本发明的另一目的在于提供一种基于混频整流的新型无线信能同传方法，所述基于混频整流的新型无线信能同传方法包括发射机中信号的传递过程和接收机中信号的传递过程。

30、进一步，发射机中信号的传递过程包括以下步骤：

31、步骤一，矢量调制信号源产生低中频通信信号s1，频率为f1＝120mhz，输入到上变频模块的端口①；

32、步骤二，本振源模块产生高频本振信号s2，频率为f2＝5.68ghz，输入到上变频模块的端口②；

33、步骤三，信号s1从上变频模块端口①输入，信号s2从上变频模块端口②输入，低中频通信信号s1和高频本振信号s2经过上变频模块后，产生射频信号s3，频率为f3＝5.8ghz(f3＝f1+f2)；

34、步骤四，射频信号s3从上变频模块端口③输出，经过射频滤波模块滤除杂波和谐波成分后，输入到功率放大模块中进行功率放大，产生纯净的高功率5.8ghz信号s4；

35、步骤五，高功率5.8ghz信号s4传输至发射天线，发射天线将携带信息的5.8ghz信号发射至自由空间。

36、进一步，接收机中信号的传递过程包括以下步骤：

37、步骤1，高功率射频5.8ghz信号s4经过自由空间传输后，到达接收天线，接收天线接收到5.8ghz信号s5，输入到合路模块的端口④；

38、步骤2，本振源模块产生f2＝5.68ghz高频本振信号s6，输入到合路模块的端口⑤；

39、步骤3，信号s5和信号s6分别从合路模块的端口④和端口⑤输入，合成一路信号后从合路模块端口⑥输出；

40、步骤4，合路信号从混频整流模块端口⑦输入，产生直流信号s7和f1＝120mhz的低中频信号s8；

41、步骤5，直流信号s7从混频整流模块的端口⑧输出，经直流滤波模块滤波后输出至电源管理模块；

42、步骤6，电源管理模块将低压直流电升压后给本振源模块供电，完成能量转换功能；

43、步骤7，120mhz低中频信号s8从混频整流模块的端口⑨输出，经中频滤波模块滤波后输出至信息解调模块中，解调出发射机发射的信息信号，完成通信功能。

44、本发明的另一目的在于提供一种基于混频整流的新型无线信能同传装置，由发射机和接收机构成。

45、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

46、第一，与传统的技术方案相比，本发明公开的基于混频整流的新型无线信能同传方法、装置及系统，在发射机部分将信息信号调制在能量信号上，只需设计一个单频发射和接收天线，有效的减小了发射机和接收机体积；在接收机部分，采用了混频整流模块将能量处理和部分信息处理集成在一起，提高了接收机集成度，降低了接收机成本和体积，采用电源管理模块给本振源模块供电，降低了系统功耗，并且超外差接收机架构具有更强的抗干扰能力和灵活性。因此，整个系统具有抗干扰能力强、灵活性强、成本低、体积小、功耗低、集成度高和易于实现等优点。

47、本发明设计的信能同传系统，在发射机部分将信息信号调制在能量信号上，只需设计一个单频发射和接收天线，有效的减小了发射机和接收机体积，有利于降低成本和系统复杂度，提高系统集成度，实现信能一体化功能。

48、本发明采用的混频整流模块，该模块利用了非线性器件的非线性效应，既可以产生直流，也可以产生交调分量，利用了器件本身的特性，在没有降低整流效率的同时实现了对能量和信息的处理，应用于本发明设计的信能同传系统中，大大提升了信能同传系统的集成度，降低了系统成本和体积。

49、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明所提出的新型无线信能同传系统接收机部分采用混频整流装置，比传统的ps、ts系统更简单、集成度更高，极大降低了系统成本和体积；采用超外差接收机架构，比一般的集成架构系统具有更强的抗干扰能力和灵活性。

50、本发明提出的信能同传系统，因其体积小、系统架构简单可以应用于植入式医疗设备，体积的减小可以降低植入手术的风险和难度，还可以减轻人体的不适感；对于智能家居、无线传感器网络节点等具有许多用电器件的系统，该发明的使用可以大大减小系统的成本和体积。可见，本发明提出的信能同传系统具有很大的应用价值。

51、第四，本发明提供的基于混频整流的新型无线信能同传方法、装置及系统在以下方面取得了显著的技术进步：

52、1)高效能量转换与传输：通过混频整流模块的设计，使得高频信号能有效地被转换为直流和低中频分量，这有助于更高效地进行能量的转换和传输。这是一个显著的进步，因为它可以提高系统的整体效率和性能。

53、2)优化信号处理：通过矢量调制信号源、上变频模块、射频滤波模块、功率放大模块等发射机组件，以及接收机中的合路模块、直流滤波模块、电源管理模块、中频滤波模块和信息解调模块等，能够有效地处理、转换和优化信号的传输，从而提高了信息的传输质量和可靠性。

54、3)增强天线设计与信号传输：通过上变频模块将低频分量搬移至高频分量，这有助于优化天线设计以及无线传输，从而使得信号在更远的距离和更广的范围内传输，而不会导致信号的严重衰减或失真。

55、4)提高电源管理效率：通过电源管理模块，将低压直流电升压。这不仅可以节省电力，优化能源使用效率，提高系统的整体性能，而且还可以为更大范围的应用提供，比如在远程、无线、或者电力资源有限的环境中使用。

56、5.增强系统的通用性和可用性：由于本振源模块，合路模块和混频整流模块的设计，使得该系统不仅可以用于一对一的信号传输，还可以用于一对多或多对多的信号传输，从而增强了系统的通用性和可用性。