[发明专利]一种基于OFDM的无线电能与信号同步传输系统及方法

权利要求书

1.一种基于OFDM的无线电能与信号同步传输系统，其特征在于，包括电能发送模块、电能接收模块、正向信号发送模块、正向信号接收模块、反向信号发送模块、反向信号接收模块、正向信号解调模块和反向信号解调模块；

电能发送模块包括直流供电电源，直流供电电源与电源侧逆变单元的输入端相连，电源侧逆变单元的两个输出端分别连接松耦合变压器T1的原边的两端；

电能接收模块包括整流单元，整流单元的两个输入端分别连接松耦合变压器T1的副边的两端，整流单元的两个输出端与负载相连；

正向信号发送模块包括n个串联的正向信号生成电路，每个正向信号生成电路均包括一个正向信号直流电源和一个正向信号侧逆变单元；正向信号直流电源的两个端口分别与与其对应的正向信号侧逆变单元的两个输入端相连；n个串联的正向信号生成电路的两端分别连接紧耦合变压器T3的发射线圈的两端；紧耦合变压器T3的接收线圈串联在电源侧逆变单元与松耦合变压器T1之间；

正向信号接收模块包括正向信号谐振采样电路，正向信号谐振采样电路的输出端与正向信号解调模块的输入端相连；正向信号谐振采样电路的输入端与紧耦合变压器T4的接收线圈相连；紧耦合变压器T4的发射线圈串联在整流单元与松耦合变压器T1之间；

反向信号发送模块包括m个串联的反向信号生成电路，每个反向信号生成电路均包括一个反向信号直流电源和一个反向信号侧逆变单元；反向信号直流电源的两个端口分别与与其对应的反向信号侧逆变单元的两个输入端相连；m个串联的反向信号生成电路的两端分别连接紧耦合变压器T5的发射线圈的两端；紧耦合变压器T5的接收线圈串联在电源侧逆变单元与松耦合变压器T1之间；

反向信号接收模块包括反向信号谐振采样电路，反向信号谐振采样电路的输出端与反向信号解调模块的输入端相连；反向信号谐振采样电路的输入端与紧耦合变压器T2的接收线圈相连；紧耦合变压器T2的发射线圈串联在整流单元与松耦合变压器T1之间；

其中，n个正向信号侧逆变单元将n个正向信号直流电源的电压信号转换为n个频率分别为(k+1)f_p、(k+2)f_p……(k+n)f_p的交流电压信号；m个反向信号侧逆变单元将m个反向信号直流电源的电压信号转换为m个频率分别为(k+n+1)f_p、(k+n+2)f_p……(k+n+m)f_p的交流电压信号；k为正整数，f_p为电能载波频率；

电源侧逆变单元输出的电能载波与n个正向信号直流电源的电压信号调制波的初相位均为0，且电能载波与n个正向信号直流电源的电压信号调制波呈正交关系；电源侧逆变单元输出的电能载波与m个反向信号直流电源的电压信号调制波呈正交关系。

2.根据权利要求1所述的基于OFDM的无线电能与信号同步传输系统，其特征在于，正向信号谐振采样电路包括电阻R5、电容C5和采样电阻RD1；电阻R5的一端连接紧耦合变压器T4的接收线圈的一端，电阻R5的另一端连接采样电阻RD1的一端；电容C5的一端连接紧耦合变压器T4的接收线圈的另一端，电容C5的另一端连接采样电阻RD1的另一端；采样电阻RD1的两端与正向信号解调模块的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的基于OFDM的无线电能与信号同步传输系统，其特征在于，反向信号谐振采样电路包括电阻R6、电容C6和采样电阻RD2；电阻R6的一端连接紧耦合变压器T2的接收线圈的一端，电阻R6的另一端连接采样电阻RD2的一端；电容C6的一端连接紧耦合变压器T2的接收线圈的另一端，电容C6的另一端连接采样电阻RD2的另一端；采样电阻RD2的两端与反向信号解调模块的输入端相连。

4.一种根据权利要求1-3任一所述的基于OFDM的无线电能与信号同步传输系统的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定电能载波频率f_p；

S2、根据电能载波频率f_p确定n个正向信号调制波的数学表达式，n个正向信号调制波的数学表达式具体为：

b₁sin[(k+1)2π·f_p·t]、b₂sin[(k+2)2π·f_p·t]……b_nsin[(k+n)2π·f_p·t]；其中π表示180°，t表示时间；b_n表示第n个正向信号调制波的幅值；sin[.]表示正弦函数；

S3、单独传输频率为(k+1)f_p的正向信号调制波，并通过正向信号接收模块获取接收到的信号载波初相位ω₁；

S4、单独传输频率为(k+2)f_p的正向信号调制波，并通过正向信号接收模块获取接收到的信号载波初相位ω₂；

S5、基于n个正向信号调制波的数学表达式、信号载波初相位ω₁、信号载波初相位ω₂，获取当正向信号调制波频率分别为(k+1)f_p……(k+n)f_p时，正向信号接收模块接收到的信号载波的初相位分别为：ω₁、ω₂……ω_n；

S6、根据步骤S5获取的n个初相位，获取各正向信号解调波的数学表达式，各正向解调波的数学表达式具体为：

sin[(k+1)2π·f_p·t+ω₁]、sin[(k+2)2π·f_p·t+ω₂]……sin[(k+n)2π·f_p·t+ω_n]；

S7、根据步骤S5获取的n个初相位，获取当正向信号调制波初相位为零、频率分别为(k+n+1)f_p、(k+n+2)f_p……(k+n+m)f_p时，正向信号接收模块接收到的信号载波的初相位分别为：ω_n+1、ω_n+2……ω_n+m；

S8、使反向信号发送模块中m个反向信号调制波的初相位分别为：-ω_n+1、-ω_n+2……-ω_n+m；

S9、根据步骤S8中的m个反向信号调制波的初相位，获取各反向信号调制波的数学表达式，各反向信号调制波的数学表达式具体为：

b_n+1sin[(k+n+1)2π·f_p·t-ω_n+1]、b_n+2sin[(k+n+2)2π·f_p·t-ω_n+2]……b_n+msin[(k+n+m)2π·f_p·t-ω_n+m]；其中b_n+m表示第m个反向信号调制波的幅值；

S10、根据各反向信号调制波的数学表达式获取各反向信号解调波的数学表达式，各反向信号解调波的数学表达式具体为：

sin[(k+n+1)2π·fp·t]、sin[(k+n+2)2π·fp·t]……sin[(k+n+m)2π·fp·t]；

S11、根据步骤S2得到的各正向信号调制波的表达式和步骤S9得到的各反向信号调制波的数学表达式设置各模块的元件参数；

S12、基于设置了元件参数的传输系统进行信号传输，并通过步骤S6得到的各正向信号解调波的数学表达式和步骤S10得到的各反向信号解调的数学表达式，结合OFDM原理完成数据解调。