基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统，包括发射与接收子系统，发射子系统发射具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路，实现信号与能量复用；信号由通信接收机解码，能量被转化为直流能量供给负载和通信接收机使用；接收子系统通过对直流能量进行管理和检测，把接收子系统的实时工作性能首次报告或反馈发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，实现初始化、自校正，维持系统性能最优；当多于一个工作频率的接收子系统被报告存在时，发射子系统还能根据反馈将性能转换为多频率发射模式，供给不同的接收子系统并维持本系统总体性能的最优。

【技术实现步骤摘要】
基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统
本专利技术涉及无线能量传输与收集
，更具体地，涉及一种基于时隙控制的自适应无线信息与能量复合传输采样系统。
技术介绍
无线能量传输技术因成本低、位置灵活、架设方便等特性而成为研究热点。在一些特别的应用场景中，例如传感器网络供电，可移动手持终端供电、运动传感器供电等场合，无线能量传输相对于有限传输有不可替代的优势。在多种无线能量传输技术中，基于电磁辐射的能量传输因传输距离灵活性高，应用范围广，频段与现代通信系统兼容等特性而被持续关注。由于电磁辐射的散射特性，在传统能量传输的设计中为了达到较远的传输距离，通常需要专门设计能量信号的产生模块与放大模块，从而大大增加成本，能级较大的能量信号也会对自由空间中通频段的通信信号造成干扰。同时，为了实现高效率的传输，能量接收系统也需要专门的设计，导致部分实现共同功能的模块被重复设计，增加硬件成本。另一方面，传统的微波能量传输系统中，发射系统的位置且能量发射方向一般较为固定，接收系统在这个固定方向上接收将有最优的工作状态。而在手持移动终端的能量供给应用场景中，接收系统常常处于位置移动状态。由于发射能量波束固定，容易导致接收系统能量接收效率降低，从而能量传输利用率。进一步地，当接收系统移动出发射系统的波束宽度范围，可能导致接收系统无法工作，能量利用率约为0。基于上述情况，有必要研制一种紧凑高效的具有自适应追踪功能的无线能量传输系统。对于存在多个接收系统的应用场景，而接收系统的接收频率又不同的情况下，固定的发射机频率无法同时保证多个接收系统的工作，而架设不同频率的发射系统则会显著增加其成本。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于时隙控制的自适应无线信息与能量复合传输采样系统，是一种基于电磁辐射形式的无线能量传输系统，这个系统从系统模块、信号调制方式上最大程度与现代通信系统兼容复用，减小额外为能量信道设计的模块，从而降低成本，使系统结构更紧凑。同时，这个系统具备自校正功能，具体体现在发射子系统的能量发射方向与发射特性能够根据接收子系统的数量、位置的不同实时调整，使接收子系统的能量利用率保持在最优状态点附近。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统，该系统包括发射子系统与接收子系统，所述发射子系统发射能载波在不同频率的同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信号与能量复用功能；其中，分离到通信链路的信号由通信接收机解码，分离到能量链路的能量被转化为直流能量供给负载和通信接收机使用；同时，接收子系统通过对直流能量进行管理和检测，把接收子系统的实时工作性能首次报告或反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现初始化、自校正功能，维持本系统性能最优化；当多于一个工作频率的接收子系统被报告存在时，发射子系统还能根据反馈将性能转换为多频率发射模式，供给不同的接收子系统并维持本系统总体性能的最优化。优选的，所述发射子系统包括：基站/移动终端、数字通信收发机前端、射频滤波器阵列、多频率载波信号发生器、可变增益功率放大器、射频功率分配器、射频移相器阵列、射频控制器、双向耦合器、发射天线阵、和调制器阵列；发射子系统中，基站/移动终端提供原始的通信基带传输信号，经过数字通信收发机前端处理后，多频率载波信号发生器产生的载波信号与原始的通信基带传输信号通过调制器阵列调制为基础的射频通信信号；基础射频通信信号经过射频滤波器阵列滤去杂波成分，提高信噪比，然后经过可变增益功率放大器加载能量，形成信号与能量复合的原始信号，这个信号/信号组经过射频功率分配器、射频移相器阵列后分为多个子信号，通过双向耦合器的通道到达发射天线阵，并由发射天线阵中的可变波束天线阵形成一个或者多个信号波束发射到自由空间；发射子系统在发射同时具备能量和信号的复合信号时，发射天线阵也从空间中接收由接收子系统传导来的反馈信号，这个反馈信号通过双向耦合器的反向通道进入数字通信收发机前端处理，并得到接收子系统的属性和性能报告，再传输到射频控制器；射频控制器根据报告产生第一、二、三控制逻辑，改变多频率载波信号发生器、射频滤波器阵列、可变增益功率放大器、射频功率分配器、射频移相器阵列的性能，即达到初始化或自校正功能，从而调节发射波束的方向、载波的频率、发射功率大小，维持发射子系统与接收子系统之间链路传输性能的最优化。优选的，所述接收子系统包括接收天线阵、定向耦合器、复合采样器、通信接收机、谐波抑制器、射频整流器、直通滤波器、能量管理器、负载、能量管理反馈控制器、时隙控制器和低功耗发射机，在自由空间传输的复合信号由接收子系统的接收天线阵传导接收；接收的复合信号进入复合采样器进行采样，采样到的信号由通信接收机处理，剩余的能量信号分别进入谐波抑制器、射频整流器、直通滤波器转换为直流能量，并输出原始直流电压，通过能量管理器进行储存管理后输入后级；能量管理器在管理输出的直流能量同时，把接收的直流能量状态传递给能量管理反馈控制器，时隙控制器在初始工作时，把接收子系统的工作特性和初始接收性能打包成数据包，并通过低功耗发射机转化为反馈信号，并通过定向耦合器的反向通道，传递到接收天线阵；此时，接收天线阵变为反馈信号发射天线阵，利用在周期中的一个短暂时隙的时间，把反馈信号发送到自由空间，被发射子系统的发射天线阵接收并解读，从而初始优化发射系统的发射性能。优选的，当接收子系统位置变化时，接收功率发生变化，往往使其工作状态产生偏差，从而脱离最优工作状态，此时，接收子系统同样通过低功耗发射机和定向耦合器的反向通道，把工作状态变化信息反馈到发射子系统，由发射子系统自适应地迭代调节射频移相器阵列，从而调节波束方向，直到接收子系统反馈重新进入最优工作状态区间为止。优选的，当存在多个接收子系统，且接收子系统工作在不相同的频段时，能够由接收子系统反馈对应的唯一编码信息与工作状态信息，由一个或多个发射子系统判断，产生多个载波阵列，同时供给空间内多个接收子系统工作。优选的，所述发射子系统能够扩展为多个，当接收子系统与某一个发射子系统发生阻隔时，接收子系统能够判断这个状态并反馈给多个发射子系统，由发射子系统分别调整各自的工作状态，直到接收子系统重新进入最优工作状态区间为止。可替换地，接收子系统可以去掉信号接收，并加入电量计量器，对被充电的负载进行检测，当电量到达某个值或充电效率小于某个值时，接收子系统的能量管理模块将产生保护逻辑保护接收子系统，并反馈到发射子系统，改变发射子系统的工作状态。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、能量信号发射兼容现代通信系统的信号，不会对现代通信系统的工作造成干扰。同时系统兼容现代通信系统模块，最大程度地减小了成本。2、能量信号接收采用复合采样技术，接收子系统低成本高效地分离通信与能量信号；3、发射波束方向与强度根据接收的效率和电压智能改变与开关，能量发射通道数与发射频率可根据接收系统的数量和特征进行调整；4、接收子系统采用高效的能量管理系统，以超低功耗管理接收的能量并反馈信息，同时控制接收子系统转换不同的工作状态。5、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统，该系统包括发射子系统与接收子系统，其特征在于，所述发射子系统发射能载波在不同频率的同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信号与能量复用功能；其中，分离到通信链路的信号由通信接收机解码，分离到能量链路的能量被转化为直流能量供给负载和通信接收机使用；同时，接收子系统通过对直流能量进行管理和检测，把接收子系统的实时工作性能首次报告或反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现初始化、自校正功能，维持本系统性能最优化；当多于一个工作频率的接收子系统被报告存在时，发射子系统还能根据反馈将性能转换为多频率发射模式，供给不同的接收子系统并维持本系统所有能量链路的整体最优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统，该系统包括发射子系统与接收子系统，其特征在于，所述发射子系统发射能载波在不同频率的同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信号与能量复用功能；其中，分离到通信链路的信号由通信接收机解码，分离到能量链路的能量被转化为直流能量供给负载和通信接收机使用；同时，接收子系统通过对直流能量进行管理和检测，把接收子系统的实时工作性能首次报告或反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现初始化、自校正功能，维持本系统性能最优化；当多于一个工作频率的接收子系统被报告存在时，发射子系统还能根据反馈将性能转换为多频率发射模式，供给不同的接收子系统并维持本系统所有能量链路的整体最优化。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射子系统包括：基站/移动终端（101）、数字通信收发机前端（102）、射频滤波器阵列（103）、多频率载波信号发生器（104）、可变增益功率放大器（105）、射频功率分配器（106）、射频移相器阵列（107）、射频控制器（108）、双向耦合器（109）、发射天线阵、（110）和调制器阵列；发射子系统中，基站/移动终端（101）提供原始的通信基带传输信号，经过数字通信收发机前端（102）处理后，原始的通信基带传输信号与多频率载波信号发生器（104）产生的载波信号将通过调制器阵列（126）原始的通信基带传输信号调制为基础的射频通信信号；基础射频通信信号经过射频滤波器阵列（103）滤去杂波成分，提高信噪比，然后经过可变增益功率放大器（105）加载能量，形成信号与能量复合的原始信号，这个信号/信号组经过射频功率分配器（106）、射频移相器阵列（107）后分为多个子信号，通过双向耦合器（109）的通道到达发射天线阵（110），并由发射天线阵（110）中的可变波束天线阵形成一个或者多个信号波束发射到自由空间；发射子系统在发射同时具备能量和信号的复合信号时，发射天线阵（110）也从空间中接收由接收子系统传导来的反馈信号，这个反馈信号通过双向耦合器（109）的反向通道进入数字通信收发机前端（102）处理，并得到接收子系统的属性和性能报告，再传输到射频控制器（108）；射频控制器（108）根据报告产生第一、二、三控制逻辑（123、125、127），改变多频率载波信号发生器（104）、射频滤波器阵列（103）、可变增益功率放大器（105）、射频功率分...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭洪舟，区俊辉，安德烈·安德烈尼克，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44