1.3 反馈信号无线传输技术

信号传输方式有附加信号耦合线圈双通道传输方式、电能和反馈信号分时复用传输方式、注入式信号载波方式和通信方式等。

1.3.1 电能和反馈信号同步传输技术

电能和反馈信号同步传输技术通过添加信号传输相关电路建立电能与信号并行传输系统。

1．双通道传输方式

电能和信号的传输不共用传输通道时称为双通道传输方式。双通道传输方式通过增设信号耦合线圈的方式构建信号传输通道，电能传输通道与信号传输通道相对独立，电能与信号分别经由发射线圈、接收线圈和信号传输耦合线圈形成的交变磁场完成传输，其结构如图1-9所示。

双通道传输方式的缺点是电能传输线圈与信号传输耦合线圈之间存在交叉耦合，电能传输过程与信号传输过程会发生相互串扰。为了最大限度地降低电能传输与信号传输之间的串扰，在设计系统的整体参数之前，往往需要针对具体的应用需求，对耦合线圈的结构、自感的大小等做出充分的考虑。

2．共享通道传输方式

由于双通道传输方式的局限性，可利用同一耦合机构实现电能与信号传输。目前，较为常见的方式主要包括调幅式传输方式、调谐式传输方式、分时复用传输方式，以及通过注入高频信号载波的方式实现信号传输的注入式传输方式。

1）调幅式传输方式通过改变逆变电路直流输入电平的方式产生电能信息流，利用电能信息流将需要传输的数字信息传输到电能拾取端，其基本拓扑结构如图1-10所示。

调幅式传输方式的数字信号、发射侧变换电路输出及电能信息流的波形如图1-11所示。

调幅式传输方式的缺点是系统输入电源的扰动、负载的变化以及传输耦合线圈的偏离都会造成电能信息流特征的改变，从而导致信号传输过程的可靠性难以保证。为了实现信号的传输而改变系统电能的传输，这在一定程度上降低了系统的电能传输稳定性，影响电能传输性能。

2）调谐式传输方式通过改变逆变电路的工作周期，产生电能信息流，利用电能信息流将需要传输的数字信息传输到电能拾取端，其基本拓扑结构如图1-12所示。

根据数字信号调节功率变换单元的工作频率，产生带有数字特征的电能信息流，实现信号的传输。由于系统的工作频率不同，电能信息流的幅值特征和频率特征都可以用来提取数字信号特征。

调谐式传输方式只需要改变逆变电路的工作频率，而不需要增设电能控制模块，即可实现电能与信号的同步传输，较之调幅式传输方式，调谐式传输方式更容易实现。其缺点是与调幅式信号传输方式一样，需要依靠电能信息流的特征（幅值、频率）来提取数字信号特征，信号传输过程的抗干扰能力较差；改变逆变电路的工作频率，会影响系统的性能；受系统电能传输稳定性的限制，一定程度上会限制信号的传输速率。

3）分时复用传输方式是在调谐式传输方式结构基础上，在电能传输回路与信号传输回路中添加功能切换开关，通过调节功能切换开关的开通时序，系统在电能传输方式与信号传输方式之间进行切换，实现电能与信号以复用耦合传输线圈的方式完成传输。分时复用传输方式的基本拓扑结构如图1-13所示。

分时复用传输方式中，电能发送侧的电能传输回路以及信号发送电路都有切换开关，通过控制切换开关的开通时序，控制系统在电能传输方式与信号传输方式之间进行切换。由于二极管的单向导通性，一旦整流电路输入端的电压低于其输出端的电压，整流电路的整流二极管将不能导通。所以，只要保证切除电能传输回路后，拾取端拾取到的信号载波的幅值低于整流电路的输出端电压，就可以实现拾取端电能传输电路的自动切除。基于上述原因，在拾取端并没有引入切换开关。而信号接收电路只需要从接收到的电能信息流中过滤掉电能干扰，提取出信号特征，就可实现信号的解调。所以，也不需要在信号接收电路中再引入切换开关。由于电感线圈的电流不能突变，在切除或切入相关电路时，应该保证是在耦合传输线圈的电流过零点时进行操作。

分时复用传输方式采用电能与信号分时段传输方式，由于电能传输和信号传输不在一个时间段内，电能传输对信号传输的交叉干扰可忽略不计。

分时复用传输方式的缺点是由于测量误差以及延时问题，很难准确地在电流的过零点完成电能传输与信号传输过程的切换，切换点处会产生较大的电压尖峰。为了确保系统电能传输过程的稳定性，系统分配给信号传输的时间十分有限，限制了信号传输的数量以及速率。由于电能与信号分时段传输，信号传输过程占用了电能传输原有的一部分时间，系统传输电能的能力会受到一定的影响。

4）注入式信号传输方式通过向电能传输回路中注入高频信号载波，利用信号载波实现数字信号的传输，其基本拓扑结构如图1-14所示。

信号耦合变压器将调制后的信号载波注入电能传输回路，信号载波的传输过程与电能功率波的传输过程类似，利用电能耦合线圈实现信号载波的传输。由于信号载波可以双向传输，数字信号也可以实现双向传输，这就满足了信号反向传输的需求。而且，只需凭借从电能传输回路提取到的高频信号载波的特征，即可实现数字信号特征的提取，信号传输的稳定性与抗干扰能力也可以大大提高。此外，由于只需要在电能传输回路中接入信号耦合变压器，系统的电能传输功率以及效率受到的影响较小。

注入式信号传输方式的缺点是由于系统电能传输谐振补偿电路的滤波性质，信号载波在电能传输回路传输的过程中会受到一定的削弱；信号载波在电能传输回路传输的过程中，可能会在系统的电能传输模块上产生谐波干扰，降低系统的电能传输性能；信号耦合变压器并联在电能传输回路中，随着电能传输功率的加大，信号耦合变压器感应耦合到的电压干扰也会随之增加。一方面，信号提取过程受到的噪声干扰会增加，另一方面，干扰电压的增加也会影响信号载波的注入过程，增加信号加载电路的设计难度。

以上几种电能和反馈信号同步传输技术中，无论是双通道传输方式还是共享通道传输方式，都存在信号干扰问题，实现起来比较困难。

1.3.2 反馈信号通信方式传输技术

交互信号无线传输还可采用短距离无线通信方式。短距离无线数据通信传输系统主要由无线发射通信模块和无线接收通信模块两部分组成。一般的无线通信模块包含最基本的通信系统特征，即对信号进行信号编码、调制、传输、解调、信号解码和数据获取的全过程，如图1-15所示。由微控制器和集成射频芯片构成的短距离无线数据传输模块的特点是功耗小、成本低、传输距离较短、自组网、点对点或点对多点通信、无须申请无线频道、抗干扰强及应用方便等。

无线通信网络形式有无线局域网WiFi、无线城域网WiMAX、ZigBee、蓝牙、红外通信和4G、5G通信等技术。无线局域网WiFi技术是在互联网连接基础上安装无线访问点来实现短距离无线信号传输，一般覆盖100m；无线城域网WiMAX能提供面向互联网的远距离高速连接，数据传输距离最远可达50km；ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，主要用于短距离、功耗低、传输速率不高的电子设备之间进行数据传输；蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线通信技术，一般覆盖10m内，能够有效简化设备之间的通信，使数据传输更加迅速高效，工作频率为2.4GHz，数据传输速率为1Mbit/s；红外通信技术利用950mm近红外波段的红外线作为传输数据的媒体，其实质就是对二进制数字信号进行调制与解调；4G移动通信网络是采用第四代通信技术的网络，5G移动通信网络是采用第五代通信技术的网络，能够实现数据快速传输。

nRF401是挪威Nordic公司研制的单片无线收发芯片，工作在433MHz频段。它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为-105dBm，数据传输速率可达20kbit/s，工作电压为3～5V。nRF401无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接连接单片机串口。nRF401芯片内包含有发射功率放大器、低噪声接收放大器、晶体振荡器、锁相环、压控振荡器、混频器和解调器等电路。在接收模式中，nRF401所接收的射频调制的数字信号被低噪声放大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出。在发射模式中，数字信号经锁相环和压控振荡器处理后进入发射功率放大器射频输出。由于采用了晶体振荡和锁相环合成技术，频率稳定性好，抗干扰能力强。

nRF24L01是挪威Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片，工作频段为2.4～2.5GHz。工作电压为1.9～3.6V，功耗很低。最高传输速率为2Mbit/s，可以有效地减少无线传输中的数据串扰现象。模块体积很小，它将射频、微处理器、九通道12位ADC、外围元件、电感和滤波器全部集成到单芯片中，可以方便地安装于主控板上，适用于超低功耗无线通信应用。nRF24L01支持多点间通信，而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SOC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，nRF24L01没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF24L01比蓝牙产品更便宜。所以nRF24L01是业界体积最小、功耗最低、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。

nRF24L01的主要特点包括：①采用全球开放的2.4GHz频段，有125个频道，可满足多频及跳频需要。②速率（1Mbit/s）高于蓝牙，且具有高数据吞吐量。③外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路。④发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置。⑤电源电压范围为1.9～3.6V，功耗很低。

nRF24E1是2.4GHz通用完整型低成本射频系统级芯片，其无线收发部分具有与nRF24L01相同的功能，可以通过软件编程来设定接收地址、收发频率、发射功率、无线传输速率、无线收发模式、校验和长度以及有效数据长度等无线通信参数。在掉电模式下，晶振停止工作时的电流消耗典型值为2μA。