基于FFT解调的ECPT系统全双工通信技术研究

苏玉刚， 孔令鑫， 吕志坤， 徐思文， 周 玮

(重庆大学自动化学院， 重庆 400044)

基于FFT解调的ECPT系统全双工通信技术研究

苏玉刚， 孔令鑫， 吕志坤， 徐思文， 周 玮

(重庆大学自动化学院， 重庆 400044)

电场耦合无线电能传输(ECPT)技术以其耦合机构轻便、系统电磁辐射小以及周边金属涡流效应小等优点，成为无线电能传输领域的研究热点。在ECPT技术的应用过程中，有时不仅需要实现原副边的无线电能传输，还需要实现电能原副边的全双工无线信号传输。目前无线电能与信号并行传输系统中信号解调环节均采用模拟电路实现滤波与解调，该方法电路设计复杂、通用性能差、抗干扰能力不足。针对上述问题，本文提出一种基于FFT运算的频域解调方法。该方法将叠加于系统中的双向信号载波以及低频电能串扰信号映射至频域中，依靠其频域的分离特性，解决了低频电能串扰对信号解调的干扰问题，同时实现双向信号的实时解调。最后通过仿真与实验验证了该方法的正确性与有效性。

电场耦合； 无线电能与信号并行传输； 全双工通信； 快速傅里叶变换

1 引言

近年来，无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)技术由于其便利性和安全性被广泛应用于工程生产与日常生活中[1-6]，并在世界经济论坛及新华网上被专家们评为十大新兴科技之一及21世纪最有可能改变人们生活方式的科技之一。电场耦合无线电能传输(Electric-field Coupled Power Transfer, ECPT)技术以其耦合机构轻便、辐射低、形状多样等优点成为除感应耦合无线电能传输(Inductively Coupled Power Transfer, ICPT)技术之外的一种无线电能传输方式[7-10]。许多国内外研究机构、学者围绕其展开理论研究与应用探索。ECPT技术应用探索正逐步深入，该技术除了需要无线电能传输之外，还需要实现系统原副边的无线信号传输。原副边之间的全双工通信可有助于解决系统输出稳定控制、在线参数识别、系统动态调谐、负载切换等问题，进一步提升ECPT系统的工作稳定性与控制性能。此外，全双工通信功能亦拓宽了ECPT系统应用面，使其更适用于无线传感器、医疗植入假体等同时需要能量与信号无线传输的应用领域。目前WPT系统中常用的射频通信方式则严重受到应用环境的制约，不能适应未来ECPT系统应用场合多样化的发展趋势。因此研究围绕ECPT系统的能量与全双工信号并行传输技术，对ECPT技术的完善具有一定的理论与工程参考价值。

目前仅有少量关于WPT系统半双工通信的研究成果[11, 12]，尚无全双工通信的成果发表。文献[13]针对感应耦合无线电能系统提出了一种信号串联耦合接入的单通道无线电能信号并行传输方法，实现了共享通道式电能与信号并行传输。但该方法中信号耦合电感值与电能串扰大小成正相关，与信道增益成负相关，故该系统中电能串扰与信号增益存在矛盾约束。文献[14]以电能传输的谐振电压为信号载波，通过调谐系统电能工作频率使得接收端拾取电能电压的变化，从而实现信号解调，该方法具有电路设计简便，附加模块少等优点。但该方法信号传输波特率受系统工作频率限制处于较低水平，且对能量的频繁调节将导致系统电能传输效率下降。

针对目前应用探索中诸多场合对ECPT系统全双工通信的需求以及研究的缺失，本文提出了一种基于快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)解调的ECPT系统全双工通信技术。该方法将叠加于系统中的双向信号载波以及低频电能串扰信号映射至频域中，依靠其频域的分离特性，解决了低频电能串扰对信号解调的干扰问题，同时实现双向信号的实时解调。

2 系统电路分析及解调原理

2.1 电能与信号并行传输系统

图1为一种常见的串联补偿式ECPT电路拓扑，电源Edc与滤波电容Cd1并联构成直流电压源，经过由开关管S1～S4组成的前桥逆变后形成交变电压接入由耦合极板Cs1、Cs2与补偿电感L1、L2构成的谐振网络，并在发射端耦合极板上形成高频交变电势差。该电势差激励产生高频电场并在接收端极板上激发交变电压，于是将电能传递至系统接收侧，最终经过二极管D1～D4整流与电容Cd2滤波后为负载RL供电。

图1 串联补偿式ECPT系统拓扑Fig.1 ECPT topology with series compensation

图2为电场耦合式无线电能与信号并行传输电路拓扑。为实现信号由电能接收端向发射端无线传输，该电路拓扑保留了图1所示的常见串联补偿式ECPT系统拓扑的所有元件，并在此基础上分别在发射端与接收端增加了信号支路。其中Lb1-Cb1、Lb2-Cb2构成的LC阻抗网络的谐振频率与电能传输的工作频率相同，因此对电能传输呈现较大阻抗，实现了电能串扰的隔离。两处谐振网络中参数关系应满足：

(1)

式中，ωp为谐振频率。

图2 电场耦合式无线电能与信号并行传输电路拓扑Fig.2 Electric-field coupled power and signal transfer circuit

图2中信号单元为调制信号接入与信号拾取解调的集成单元，其具体电路如图3所示。每个信号单元具有同时发送与接收信号的功能，满足全双工通信的需求。在信号单元发送信号时，由FPGA产生的发送信号对信号载波(高频正弦电压)进行幅移键控(Amplitude Shift Keying, ASK)调制。调制信号经过串联的信号采样电阻Rb后通过ab端口加载于信号支路中。在信号单元接收信号时，回路中调制信号源可视为短路，于是ab端拾取的调制信号以及串扰电压的叠加波形加载于电阻Rb上，该信号经过AD采样模块后输入FPGA模块，其中AD采样频率由FPGA决定。采样信号在FPGA中经过FFT运算得到其频域分布，后经过载波频率点的频域峰值判断实现信号解调得到接收信号。

图3 信号单元具体电路Fig.3 Physical circuit of signal unit

2.2 电路增益与串扰特性分析

针对ECPT系统的无线电能与全双工无线信号并行传输系统中，由于电能与正反向信号在同一个电路中进行传输，因此彼此之间的串扰将严重影响电能与信号的有效传输。此外，信号传输通道对正弦信号载波幅值的衰减作用将影响信号接收端所接收到的信号幅值，若衰减过大则会导致解调电路无法正确区分0-1信号所对应的幅值，提升误码率。电能与信号传输以及串扰关系如图4所示。

图4 电能与信号以及串扰关系图Fig.4 Relationship among power, signal and crosstalk

首先，分析图2所示电路中电能与信号串扰以及电能与信号衰减特性。图2中信号支路中的并联LC的阻抗为：

(2)

式中，Lb=Lb1=Lb2；Cb=Cb1=Cb2。

当LC谐振频率与电能工作频率相等时，其阻抗为无穷大，所以LC并联谐振阻抗对电能传输在信号支路上形成的电能串扰的基波成分有极强的隔离作用，仅有少量的高次谐波对信号解调产生电能串扰。同时，由于信号支路在电能基波频率下呈现高阻抗状态，可视为断路。故信号的传输对电能传输的影响极低，可忽略不计。

对于信号传输而言，由于信号载波的频率远大于电能的基波频率，所以图2中的电感元件L1、L2、Lb1、Lb2呈现极大阻抗，可近似视为短路，而电容元件Cs1、Cs2、Cb1、Cb2则呈现极低阻抗。于是正反向信号传输通道可近似视为由元件Rb1、Cb1、Cs1、Cb2、Rb2、Cs2组成的串联回路，因此信号在信道中的传输衰减可近似表示为：

(3)

式中，ωs为信号载波角频率；Rb=Rb1=Rb2；Cs=Cs1=Cs2。

当ωs足够大时，回路中电容的阻抗远小于电阻阻抗，于是正反向信号增益可简化为：

(4)

虽然电能串扰的基波成分被有效隔离，且信号衰减程度近似为1/2，处于可以接收范围内，但在全双工通信电路中，正反向信号之间的串扰是阻碍信号解调的主要原因之一。为有效地从包含了高次谐波电能串扰以及信号串扰的叠加波形中解调出信号，需采用本文提出的基于FFT频域解调原理的全双工信号解调技术，一方面解决剩余高次电能谐波对信号通道的串扰问题，另一方面解决正反信号之间的信号串扰问题。

2.3 基于FFT频域解调原理

基于FFT运算的频域解调将在时域上叠加的信号通过FFT运算映射至频域中，映射后的波形在频域中按照频率实现分离，从而实现电能串扰以及信号串扰的区分。在针对ECPT系统的全双工通信系统中，为使正反向载波在频域上得以区分，需设定正反向载波角频率ωsf、ωsb不相等。正反向信源根据传输数据0、1的不同在频域上可分为4种情况，如图5所示。根据图5的频域特性，在频谱波峰值与0之间设置参考电压，可通过判断高频段(即双向信号载波频率点处)是否有信号波峰，进而完成“0”、“1”信号的解调。

图5 不同双向信号情况下的频域波形Fig.5 Waveforms of different bi-directional signals in frequency domain

3 实验分析

为验证第2节理论分析的正确性与方法的有效性，依据图2和图3的电路拓扑搭建实验装置，如图6所示。电路参数如表1所示。

图6 实验装置图Fig.6 Photograph of experimental prototype

表1 实验电路参数
Tab.1 Parameters of experimental prototype

参数数值参数数值参数数值电路部分信号部分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

图6所示实验装置中，全桥逆变电路中开关管采用30NF20型MOSFET，信号实验调制采用MAX313芯片，信号采样采用AD9226芯片，FPGA芯片采用EP3C5E144C8N型号，耦合极板采用覆铜塑料板(25cm×25cm)，紧耦合方式，实验波形由示波器Tektronics TPS2014B采集。实验波形如图7所示。

图7(a)和图7(b)给出了信号双向传输时的调制解调信号波形、信号单元端口电压以及负载拾取电压。其中CH1与CH3分别为调制与解调信号；CH2为信号单元端口电压，该电压为包含了信号串扰、电能串扰以及调制信号的叠加信号；CH4为负载拾取电压，其时域展开波形如图7(d)所示。

图7(c)为不添加电能串扰时调制信号与信号模块端电压。其中CH1与CH2分别为正向与反向调制后载波；CH3与CH4分别为副边与原边信号单元两端电压波形。所有波形均包含了调制载波信号以及信号串扰，若采用模拟滤波的方式实现信号解调具有较高的难度。

图7(d)为无线电能传输波形的展开图。其中CH1与CH2为全桥逆变的上下桥臂的驱动电压波形，其驱动频率为421.6kHz；CH3为没有信号传输的情况下，电能串扰波形，其峰峰值为4.48V；CH4为负载拾取电压波形图，其电压有效值为47.1V，故负载拾取功率为27.7W，系统整体效率约为82%。

图7(e)为全双工通信的调制解调信号波形。其中CH1与CH2为信号正向传输情况，CH3与CH4为信号反向传输情况。可见，解调信号与调制信号相比存在55μs的延时现象，该延时是由FPGA等待AD9226完成一个采样周期采样以及FFT运算与解调的时间。实验显示，全双工通信中双向信号传输波特率最大均可达到38400bps的标准串口通信速率，在此波特率范围内，信号可稳定可靠地实现全双工信号传输。

图7 电能与信号并行传输实验波形Fig.7 Experimental waveforms of parallel transmission of wireless power and signal

4 结论

本文提出了一种基于快速傅立叶变换解调的ECPT系统全双工通信方法。该方法将叠加于系统中的双向信号载波以及低频电能串扰信号映射至频域中，依靠其频域的分离特性，解决了低频电能串扰对信号解调的干扰问题，同时实现双向信号的实时解调。最终通过实验，在电能谐振频率为421.6kHz，传输功率27.7W的电场耦合无线电能传输系统中分别以3MHz作为原边信号的载波频率，以4MHz作为副边信号的载波频率，实现了全双工波特率38400bps的信号无线传输，验证了理论分析的正确性与方法的有效性。与传统的模拟电路的时域解调方法相比，该方法电路构成简单，适用于不同载波频率系统且具有较高的抗干扰能力。

[1] Choi S Y, Gu B W, Jeong S Y, et al. Advances in wireless power transfer systems for roadway-powered electric vehicles [J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2015, 3(1): 18-36.

[2] Covic G A, Boys J T. Inductive power transfer [J]. Proceedings of the IEEE, 2013, 101 (6): 1276-1289.

[3] 苏玉刚, 谢诗云, 呼爱国, 等 (Su Yugang, Xie Shiyun, Hu Aiguo, et al.). LCL复合谐振型电场耦合式无线电能传输系统传输特性分析 (Transmission property analysis of electric-field coupled wireless power transfer system with LCL resonant network) [J]. 电工技术学报 (Transactions of China Electrotechnical Society), 2015, 30 (19): 55-60.

[4] 陈希有, 伍红霞, 牟宪民, 等 (Chen Xiyou, Wu Hongxia, Mou Xianmin, et al.). 电容耦合式无线电能传输系统阻抗变换网络的设计 (Design of impedance conversion network employed for capacitive coupled wireless power transmission system) [J]. 电工电能新技术 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34 (9): 57-63.

[5] 景无为, 黄学良, 陈琛, 等 (Jing Wuwei, Huang Xueliang, Chen Chen, et al.). 多组无线电能传输系统间效率影响因素分析 (Study on impacts among wireless power transmission multi-system) [J]. 电工技术学报 (Transactions of China Electrotechnical Society), 2015, 30 (14): 457-462.

[6] 李阳, 杨庆新, 陈海燕, 等 (Li Yang, Yang Qingxin, Chen Haiyan, et al.). 无线电能传输系统中影响传输功率和效率的因素分析 (Analysis of factors influencing power and efficiency in wireless power transfer system) [J]. 电工电能新技术 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2012, 31 (3): 31-34, 39.

[7] 苏玉刚, 徐健, 谢诗云, 等 (Su Yugang, Xu Jian, Xie Shiyun, et al.). 电场耦合型无线电能传输系统调谐技术 (A tuning technology of electrical-field coupled wireless power transfer system) [J]. 电工技术学报 (Transactions of China Electrotechnical Society), 2013, 28 (11): 189-194.

[8] 陈希有, 伍红霞, 牟宪民, 等 (Chen Xiyou, Wu Hongxia, Mou Xianmin, et al). 电流型电场耦合无线电能传输技术 (The current-type capacitively coupled wireless power transfer technology) [J]. 中国电机工程学报 (Proceedings of the CSEE), 2015, 35(9): 2279-2286.

[9] Xie Shiyun, Su Yugang, Tang Chunsen, et al. Research on meander-type coupled structure of capacitively coupled power transfer system [J]. WSEAS Transactions on Circuits and Systems, 2015, 14: 247-252.

[10] Theodoridis M P. Effective capacitive power transfer [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(12): 4906-4913.

[11] Su Y G, Zhou W, Hu A P, et al. A shared channel design for the power and signal transfers of electric-field coupled power transfer systems [J]. Journal of Power Electronics, 2016, 16 (2): 805-814.

[12] 苏玉刚, 周玮, 呼爱国, 等 (Su Yugang, Zhou Wei, Hu Aiguo, et al.). 基于方波载波占空比调制的ECPT系统能量信号并行传输技术 (A power-signal parallel transmission technology for ECPT systems based on duty cycle modulation of square wave carrier) [J]. 电工技术学报 (Transactions of China Electrotechnical Society), 2015, 30 (21): 51-56.

[13] Wu Jiande, Zhao Chongwen, Jin Du, et al. Wireless power and data transfer via a common inductive link using frequency division multiplexing [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62 (12): 7810-7820.

[14] 孙跃, 王琛琛, 唐春森, 等 (Sun Yue, Wang Chenchen, Tang Chunsen, et al.). CPT系统能量与信号混合传输技术 (Study on inductively coupled synchronous transmission of power and signal) [J]. 电工电能新技术 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2010, 29 (4): 10-13.

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

国家自然科学基金项目(51477020)、 国家级大学生创新创业训练计划项目(201510611062)

苏玉刚(1962-), 男, 辽宁籍， 教授， 博士, 研究方向为无线电能传输技术、 电力电子技术、 控制理论应用与自动化系统集成； 孔令鑫(1994-), 男, 重庆籍, 本科生, 研究方向为自动化技术、 无线电能传输技术。

TM724

A

1003-3076(2017)04-0001-06