基于FSK的LCLP型ICPT系统信号传输方法研究
|
摘要
针对传统感应耦合电能传输(Inductive CouplingPower Transfer, ICPT)系统存在的开关管损耗较大和变换器工作时产生电压或电流谐波等问题,基于LCLP型谐振拓扑结构,提出了一种以ICPT系统作为主电路的电能与频移键控调制(FSK)信号同步传输方法.通过LCLP型ICPT系统原理分析和信号调制解调策略研究建立了电能与信号同步传输数学模型;以电能传输能力最大化为前提分析计算了系统参数,搭建了仿真模型,进行验证分析.仿真结果表明,非噪声环境下的误码率为零;噪声环境下,信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)<-4时,误码率随SNR的增大而减小,直至SNR≥-4时,误码率为零.在信号传输电路引入前后,谐振输出电压幅值基本不变,BODE图曲线变化趋势以及衰减值不变,负载处谐波畸变率降为13.24%.系统在保证低误码率信号传输的同时没有对电能传输造成明显影响.
The traditional inductively coupled power transmission system has problems such as large loss of switches and voltage or current harmonics generated when the converter is working. This paper, based on the LCLP topology, proposes a method for synchronous transmission of electrical energy, which regards the ICPT system as the main circuit and Frequency Shift Keying(FSK) modulation signal. Through the principle analysis of LCLP type ICPT system and the research of signal modulation and demodulation strategy, a mathematical model was established for the simultaneous transmission of electric energy and signal. On account of the premise of maximizing the power transmission capability, the system parameters were calculated, and the simulation model was built for verification and analysis. The simulation results show that the Bit Error Rate(BER) is zero in non-noise environment; In the noise environment, the BER decreases with the increase of SNR when SNR<-4, the BER is zero when the SNR ≥-4. Before and after the introduction of the signal transmission circuit, the resonant output voltage amplitude is basically unchanged, the BODE curves' change trend and attenuation value are unchanged as well, and the harmonic distortion rate at the load is reduced to 13.24%. The system has no significant impact on power transmission while transmitting signal in low BER condition.
The traditional inductively coupled power transmission system has problems such as large loss of switches and voltage or current harmonics generated when the converter is working. This paper, based on the LCLP topology, proposes a method for synchronous transmission of electrical energy, which regards the ICPT system as the main circuit and Frequency Shift Keying(FSK) modulation signal. Through the principle analysis of LCLP type ICPT system and the research of signal modulation and demodulation strategy, a mathematical model was established for the simultaneous transmission of electric energy and signal. On account of the premise of maximizing the power transmission capability, the system parameters were calculated, and the simulation model was built for verification and analysis. The simulation results show that the Bit Error Rate(BER) is zero in non-noise environment; In the noise environment, the BER decreases with the increase of SNR when SNR<-4, the BER is zero when the SNR ≥-4. Before and after the introduction of the signal transmission circuit, the resonant output voltage amplitude is basically unchanged, the BODE curves' change trend and attenuation value are unchanged as well, and the harmonic distortion rate at the load is reduced to 13.24%. The system has no significant impact on power transmission while transmitting signal in low BER condition.
引文
[1] 陈毅. 基于磁耦合谐振的无线能量与信息同步传输系统设计与实现 [D]. 重庆: 重庆大学, 2016.
[2] 何亚伟. 磁耦合谐振式无线电能与信号同步传输方法研究 [D]. 天津: 天津工业大学, 2015.
[3] 杨庆新, 李阳, 尹建斌, 等.基于移幅键控的磁耦合谐振式无线电能和信号同步传输方法 [J]. 电工技术学报, 2017, 32: 153
[4] 戴欣, 杜人杰, 唐春森, 等. 基于2FSK的ICPT系统高速信号传输方法 [J]. 西南交通大学学报, 2013, 48: 892.
[5] 杜人杰. ICPT系统高速信号传输技术研究与实现 [D]. 重庆: 重庆大学自动化学院, 2013.
[6] 伊雪梅. 感应耦合电能与信号传输技术的研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2015.
[7] 张爱国. 感应式电能和信号同步传输技术的研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学院, 2013.
[8] 刘洋. ICPT系统中信号双向传输机理研究 [D]. 重庆: 重庆大学自动化学院, 2014.
[9] 周锦锋, 孙跃, 苏玉刚, 等. 感应耦合电能与信号同步传输技术 [J]. 重庆工学院学报: 自然科学版, 2009, 2: 93.
[10] 王琛琛. 感应耦合电能与信号混合传输系统研究 [D]. 重庆: 重庆大学, 2010.
[11] 孙跃, 王琛琛, 唐春森, 等. CPT系统能量与信号混合传输技术 [J]. 电工电能新技术, 2010, 29: 10.
[12] Son Y H, Jang B J.Simultaneous data and power transmission in resonant wireless power system [C]//Microwave Conference Proceedings (APMC). Seoul, South Korea: IEEE, 2013.
[13] Boheemen E L V, Boys J T, Covic G A. Dual-tuning IPT systems for low banawidth communications [C]//2nd IEEE Coference on Industrial Electronics and Applications. Harbin, China: IEEE, 2007.
[14] 孙跃, 闫鹏旭, 王智慧, 等. ICPT系统电能信号共享通道实时同步传输方法研究 [J]. 中国电机工程学报, 2016, 36: 5172.
[15] 闫鹏旭. 基于共享通道的ICPT系统能量信号并行传输技术研究 [D]. 重庆: 重庆大学, 2016.
[16] 伏思庆. 基于频率和相位调制ICPT系统信号双向传输 [D]. 重庆: 重庆大学, 2014.
[17] 周继昆, 张荣, 张毅. LCL谐振型感应电能传输系统特性 [J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2016, 14: 615.
[18] 戴欣, 孙跃, 唐春森, 等. 无线电能传输技术 [M]. 北京: 科学出版社, 2017.
[19] 欧剑, 赵欣. 信号调制三值噪声作用下有源低通滤波器中的随机共振 [J]. 四川大学学报: 自然科学版, 2016, 53: 105.
[20] 苏立轩, 张晨. 动车组过分相暂态过程对信号设备电磁影响 [J]. 铁道工程学报, 2016, 33: 71.
[21] 赵会兵, 全宏宇, 梁迪. 应答器上行链路信号自适应解调方法 [J]. 交通运输工程学报, 2013, 13: 107.
[22] 杨红强, 米根锁, 王宝宝. 自适应小波阈值算法在应答器信号去噪中的应用 [J]. 河南科技大学学报: 自然科学版, 2016, 37: 31.
[23] 徐宁, 张季良, 王财进, 等. 列车高速运行条件下应答器车载测试设备关键技术 [J]. 中国铁道科学, 2010, 31: 131.
[24] 吕城锦, 赵会兵, 朱林富, 等. 基于Kalman滤波的应答器上行链路信号处理的研究 [J]. 铁道学报, 2016, 38: 64.
[25] 刘宇, 刘琼, 周帆, 等. 基于自适应UKF微型航姿系统噪声在线估计 [J]. 重庆邮电大学学报: 自然科学版, 2016, 28: 285.
[26] 李春腾, 蒋宇中, 刘芳君, 等. 超低频天线设计中的运动感应噪声研究 [J]. 重庆邮电大学学报: 自然科学版, 2018, 30: 470.
[27] 郑建宏, 李玉菱, 龚明苇, 等. 基于信噪比排序的MIMO-OFDM信号检测方法 [J]. 重庆邮电大学学报: 自然科学版, 2017, 29: 427.
[2] 何亚伟. 磁耦合谐振式无线电能与信号同步传输方法研究 [D]. 天津: 天津工业大学, 2015.
[3] 杨庆新, 李阳, 尹建斌, 等.基于移幅键控的磁耦合谐振式无线电能和信号同步传输方法 [J]. 电工技术学报, 2017, 32: 153
[4] 戴欣, 杜人杰, 唐春森, 等. 基于2FSK的ICPT系统高速信号传输方法 [J]. 西南交通大学学报, 2013, 48: 892.
[5] 杜人杰. ICPT系统高速信号传输技术研究与实现 [D]. 重庆: 重庆大学自动化学院, 2013.
[6] 伊雪梅. 感应耦合电能与信号传输技术的研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2015.
[7] 张爱国. 感应式电能和信号同步传输技术的研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学院, 2013.
[8] 刘洋. ICPT系统中信号双向传输机理研究 [D]. 重庆: 重庆大学自动化学院, 2014.
[9] 周锦锋, 孙跃, 苏玉刚, 等. 感应耦合电能与信号同步传输技术 [J]. 重庆工学院学报: 自然科学版, 2009, 2: 93.
[10] 王琛琛. 感应耦合电能与信号混合传输系统研究 [D]. 重庆: 重庆大学, 2010.
[11] 孙跃, 王琛琛, 唐春森, 等. CPT系统能量与信号混合传输技术 [J]. 电工电能新技术, 2010, 29: 10.
[12] Son Y H, Jang B J.Simultaneous data and power transmission in resonant wireless power system [C]//Microwave Conference Proceedings (APMC). Seoul, South Korea: IEEE, 2013.
[13] Boheemen E L V, Boys J T, Covic G A. Dual-tuning IPT systems for low banawidth communications [C]//2nd IEEE Coference on Industrial Electronics and Applications. Harbin, China: IEEE, 2007.
[14] 孙跃, 闫鹏旭, 王智慧, 等. ICPT系统电能信号共享通道实时同步传输方法研究 [J]. 中国电机工程学报, 2016, 36: 5172.
[15] 闫鹏旭. 基于共享通道的ICPT系统能量信号并行传输技术研究 [D]. 重庆: 重庆大学, 2016.
[16] 伏思庆. 基于频率和相位调制ICPT系统信号双向传输 [D]. 重庆: 重庆大学, 2014.
[17] 周继昆, 张荣, 张毅. LCL谐振型感应电能传输系统特性 [J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2016, 14: 615.
[18] 戴欣, 孙跃, 唐春森, 等. 无线电能传输技术 [M]. 北京: 科学出版社, 2017.
[19] 欧剑, 赵欣. 信号调制三值噪声作用下有源低通滤波器中的随机共振 [J]. 四川大学学报: 自然科学版, 2016, 53: 105.
[20] 苏立轩, 张晨. 动车组过分相暂态过程对信号设备电磁影响 [J]. 铁道工程学报, 2016, 33: 71.
[21] 赵会兵, 全宏宇, 梁迪. 应答器上行链路信号自适应解调方法 [J]. 交通运输工程学报, 2013, 13: 107.
[22] 杨红强, 米根锁, 王宝宝. 自适应小波阈值算法在应答器信号去噪中的应用 [J]. 河南科技大学学报: 自然科学版, 2016, 37: 31.
[23] 徐宁, 张季良, 王财进, 等. 列车高速运行条件下应答器车载测试设备关键技术 [J]. 中国铁道科学, 2010, 31: 131.
[24] 吕城锦, 赵会兵, 朱林富, 等. 基于Kalman滤波的应答器上行链路信号处理的研究 [J]. 铁道学报, 2016, 38: 64.
[25] 刘宇, 刘琼, 周帆, 等. 基于自适应UKF微型航姿系统噪声在线估计 [J]. 重庆邮电大学学报: 自然科学版, 2016, 28: 285.
[26] 李春腾, 蒋宇中, 刘芳君, 等. 超低频天线设计中的运动感应噪声研究 [J]. 重庆邮电大学学报: 自然科学版, 2018, 30: 470.
[27] 郑建宏, 李玉菱, 龚明苇, 等. 基于信噪比排序的MIMO-OFDM信号检测方法 [J]. 重庆邮电大学学报: 自然科学版, 2017, 29: 427.