一种近场磁晶元全双工无授权磁通信方法技术

本发明专利技术提出一种近场磁晶元全双工无授权磁通信方法。该方法以激励线圈和位于中心的隧道磁阻传感器构成的磁晶元，作为功能模块和控制中心双侧发、收天线，利用近距强耦合电磁场传输媒介，完成同时同频全双工数据获取。首先双侧调制模块将调制信号做为激励线圈电流输入，在磁晶元空间中产生同频感应磁场，隧道磁阻传感器接收磁信号，分析电信号近磁信道增益；其次通过自干扰信道估计模块得到双侧隧道磁阻传感器位置的近磁信道增益，重构自磁晶元侧自干扰信号；自干扰消除模块从接收信号中消除自干扰信号、解调出需求数据。该方法在保证传输速率的前提下，将双向传输时长缩短为原来的一半，促进解决设备无缆模块调度时延引发的数据交换可靠性问题。数据交换可靠性问题。数据交换可靠性问题。

A full duplex unauthorized magnetic communication method for near-field magnetic cells

【技术实现步骤摘要】
一种近场磁晶元全双工无授权磁通信方法


[0001]本专利技术属于近距通信设计领域，主要涉及装备功能单元与控制中心的无线通信设计，具体是一种基于电磁场的无授权近场全双工通信方法。

技术介绍

[0002]以电磁场为传输媒介的磁通信方法具有近距传输速率高、磁耦合抗干扰可控的特点，是不依赖频带授权便可达到内部功能模块与控制中心间无线数据传输的重要技术，受到欧美等国及国际电信联盟等组织的广泛关注。然而，现有的以通电线圈作为收发天线的近场半双工磁通信技术，速率耦合效率对收发天线角度敏感，设备正常运行条件(如设备稳定精度、设备角速度等)苛刻。面对繁杂功能模块高配合度带来的低时延要求，等待接收端注入确认比特后再回传给发送端的半双工信息交互方式，无法进一步降低控制中心与各功能模块间的信息交互时延。此外，时分双工和频分双工的信息交互方式，受限于功能模块间发送链路与回传链路的正交化时频资源占用，在时频资源总量有限的现实背景下，大型设备海量功能模块与控制中心间数据传输速率低、信息交互的实时性低，带来的可靠性不足问题，阻碍了设备内部无缆化进程。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种基于电磁场的近场全双工无授权通信方法，以克服现有技术存在的在时频资源总量有限的现实背景下，大型设备海量功能模块与控制中心间数据传输速率低、信息交互的实时性低，传输可靠性不足的问题。
[0004]为达到本专利技术的目的，本专利技术提供的一种近场磁晶元全双工无授权磁通信方法，是通过分布于功能模块、控制中心上的磁晶元形成数据收发装置和近距强耦合电磁场传输媒介，完成同时同频全双工双侧信号的自干扰信号重构、消除及需求数据获取。
[0005]进一步的，上述方法所采用的硬件包括一对磁晶元形成的通信磁晶元对，分别作为两侧的收发天线，所述磁晶元由发送激励线圈和位于线圈中心的隧道磁阻(Tunnel Magneto Resistance,TMR)传感器组成；
[0006]所述方法包括如下步骤：
[0007]步骤一、功能模块与控制中心间近磁场全双工数据收发过程：
[0008]步骤101、近磁场全双工信息发送；
[0009]步骤102、近磁场信号衰减分析；
[0010]步骤103、近磁场全双工信息接收；
[0011]步骤二、TMR接收端需求数据获取：通信磁晶元对中两个TMR传感器接收同时同频磁感应强度，通过转换电路将磁场强度转换为电信号，利用载频已知特性通过相干解调判决生成信息比特，完成全双工磁通信传输过程：
[0012]步骤201、TMR传感器接收端自干扰信号重构；
[0013]步骤202、TMR传感器接收端自干扰消除。
[0014]进一步的，上述步骤101中，将功能模块侧和控制中心侧发送的信息比特均调制成频带信号，频带信号作为自磁晶元发送激励线圈的输入，在功能模块和控制中心所在近场强耦合区域产生反映频带信号特性的感应磁场。
[0015]进一步的，上述功能模块侧、控制中心侧发送的信号分别为
[0016]X
F
(t)＝A
F
(t)cos(2πf
c
t)
[0017]X
C
(t)＝A
C
(t)cos(2πf
c
t)
[0018]其中，A
cry
(t)，cry＝{F,C}为基带信号，f
c
为载波频率。X
cry
(t)作为配对通信磁晶元中线圈输入电压，得到的控制磁晶元间磁场强度用B
cry
(t)表示。
[0019]进一步的，上述步骤102中，近场强耦合区域传输信道增益为
[0020][0021]式中：其中，μ0＝4π
×
10
‑7H/m为真空磁导率，N
cry
为线圈匝数，r
cry
为线圈半径，α为两磁晶元中心连线与法线夹角，d为磁晶元平面间距，为趋肤深度，σ0为真空介电常数。
[0022]进一步的，上述步骤103中，TMR传感器接收端接收信息的构成形式为近磁场信道增益与发送电信号的乘积：
[0023][0024]其中包含项是磁晶元同时同频全双工数据接收中TMR传感器受到的干扰，所述干扰为自磁晶元发送线圈受发送的频带信号激励，在中心TMR传感器处产生的感应磁场。n为磁感应通信系统噪声。
[0025]进一步的，上述步骤201中
[0026]首先利用发送信号中的本地数据、调制方式和载频，重复频带调制过程，本地端重新获取调制后的发送信号
[0027]利用感应磁场大小与场位置、激励电流、磁晶元线圈匝数、介质磁导率、趋肤深度等参数间的关系，分析自磁晶元TMR传感器位置的磁场强度大小与激励信号幅度的比例关系，用比例系数表征自干扰近磁信道增益完成自干扰信道估计。
[0028]用自干扰近磁信道增益估计的结果乘以发送信号得到重构的自干扰信号
[0029]进一步的，上述步骤202中
[0030]从磁晶元TMR传感器接收到的磁感应信号中减去重构的自干扰信号，获得需求信
号。
[0031]与现有方法相比，本专利技术的有益效果是：
[0032](1)本专利技术充分利用电磁场通信频带无需授权、通电即用特性，用发送信息比特调制磁场强度，实现激励线圈与TMR传感器间的信息传递，放宽设备正常运行限制条件(如：设备稳定精度、设备角速度等)。
[0033](2)本专利技术充分考虑有线通信对设备无缆化进程的限制，考虑相较于电磁波，近距强耦合电磁场的大衰减特性，在保证功能模块与控制中心近距通信效率的同时，可有效避免对临近区域通信磁晶元的干扰，保证数据传输效率。
[0034](3)本专利技术将电磁媒介提供的时频资源通过同时同频全双工通信方式加以利用，节省了频段分配的计算开销、信令开销。另外，根据TMR传感器接收端重构的发送信号，从同时同频全双工加性干扰中去除该重构信号，保证了接收端可通过解调过程顺利恢复出需求信号，还兼顾功能模块与控制中心间信息比特传输时效性。
[0035](4)本专利技术可以实现功能模块和控制中心的全双工可靠信息传输，当自干扰信道估计精度误差小于10
‑3时，全双工传输方法传输速率可达半双工的两倍，即收发双方可利用半双工一半的传输时间，完成相同数据量的信息交互。且当精度误差为10
‑5，发送信噪比约大于20dB时，传输速率将大于500bps。
[0036](5)在时频资源总量有限的情况下，本专利技术可有效满足控制中心与功能模块间信息传递的时效要求，可满足新一代设备中功能模块与控制中心间的高效可靠无缆无线数据传输需求。
附图说明
[0037]图1为本专利技术实施例的适用场景示意图；
[0038]图2为近磁场磁晶元全双工通信原理框图；
[0039]图3为TMR传感器接收端自干扰信号重构原理框图；
[0040]图4为TMR传感器接收端自干本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近场磁晶元全双工无授权磁通信方法，其特征在于，通过分布于功能模块、控制中心上的磁晶元形成数据收发装置和近距强耦合电磁场传输媒介，完成同时同频全双工双侧信号的自干扰信号重构、消除及需求数据获取。2.根据权利要求1所述的一种近场磁晶元全双工无授权磁通信方法，其特征在于，所采用的硬件包括一对磁晶元形成的通信磁晶元对，分别作为两侧的收发天线，所述磁晶元由发送激励线圈和位于线圈中心的TMR传感器组成；所述方法包括如下步骤：步骤一、功能模块与控制中心间近磁场全双工数据收发过程：步骤101、近磁场全双工信息发送；步骤102、近磁场信号衰减分析；步骤103、近磁场全双工信息接收；步骤二、TMR接收端需求数据获取：通信磁晶元对中两个TMR传感器接收同时同频磁感应强度，通过转换电路将磁场强度转换为电信号，利用载频已知特性通过相干解调判决生成信息比特，完成全双工磁通信传输过程：步骤201、TMR传感器接收端自干扰信号重构；步骤202、TMR传感器接收端自干扰消除。3.根据权利要求2所述的一种近场磁晶元全双工无授权磁通信方法，其特征在于：步骤101中，将功能模块侧和控制中心侧发送的信息比特均调制成频带信号，频带信号作为自磁晶元发送激励线圈的输入，在功能模块和控制中心所在近场强耦合区域产生反映频带信号特性的感应磁场。4.根据权利要求3所述的一种近场磁晶元全双工无授权磁通信方法，其特征在于：功能模块侧、控制中心侧发送的信号分别为X
F
(t)＝A
F
(t)cos(2πf
c
t)X
C
(t)＝A
C
(t)cos(2πf
c
t)其中，A
cry
(t)，cry＝{F,C}为基带信号，f...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉芳，王鹏，王宾，陈晨，邸若海，李晓艳，吕志刚，郜辉，贺楚超，董绵绵，孙玉冰，连志鹏，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：