本發(fā)明涉及通信技術(shù)，具體涉及一種基于反向散射的超低功耗無源通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著萬物互聯(lián)時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量出現(xiàn)井噴式的增長；在未來幾年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量可以達到千億級別，但是大多數(shù)設(shè)備都不能采用有線供電，只能采用電池供電。雖然隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗都顯著降低，利用電池供電，設(shè)備的運行時間也可以達到1～3年，但是數(shù)量巨大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更換電池的人力成本是不可接受的，由此業(yè)界和學(xué)術(shù)界都希望能夠構(gòu)建無源物聯(lián)網(wǎng)。無源物聯(lián)網(wǎng)是希望能夠利用自身捕獲外界能量(如太陽能、風(fēng)能、射頻能量等)供自身使用，而無需外接電池。相比于有源物聯(lián)網(wǎng)，無源物聯(lián)網(wǎng)省去電池本身的成本和電池更換的成本，同時也有利于構(gòu)建節(jié)能環(huán)保的社會，因為電池的生產(chǎn)使用了大量的金屬和化學(xué)物品。

2、針對上述情況，反向散射技術(shù)和信能同傳技術(shù)在無源物聯(lián)網(wǎng)場景下具有巨大的應(yīng)用潛力。

3、反向散射技術(shù)是利用射頻信號反向散射原理設(shè)計的一種超低功耗的調(diào)制和傳輸技術(shù)。當(dāng)射頻信號到達天線時，若天線阻抗和負載阻抗匹配，則射頻信號被吸收。反之，若天線阻抗和負載阻抗失配，則射頻信號被反射。無源接收子系統(tǒng)可以通過調(diào)整負載阻抗，在自身不需要射頻本振、功率放大器、高精度晶振和高精度濾波器等器件，以及不需要復(fù)雜的基帶處理的情況下，將自身存儲的數(shù)據(jù)以超低功耗的方式調(diào)制到反射信號上。綜合發(fā)射器可以對反射信號進行處理，解調(diào)出該無源接收子系統(tǒng)反饋的信息。另一方面，利用射頻信號本身具備能量的特性，當(dāng)射頻信號被天線接收下來后，除了信息解調(diào)所需要的能量外，射頻信號能量被盡可能地通過能量采集技術(shù)存儲下來，以便后續(xù)為無源接收子系統(tǒng)提供能量。

4、目前利用反向散射的包括有射頻識別技術(shù)rfid及信能同傳技術(shù)。其中rfid的無源便簽已經(jīng)很成熟，但是rfid無源標簽只能固定返回自身已經(jīng)存儲好的數(shù)據(jù)，如自身的id信息，而不能返回實時從外界獲取的數(shù)據(jù)，也不能對外界設(shè)備進行有效控制。因此在大多數(shù)時候只能應(yīng)用于身份識別，而不能作為一個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，處理其他業(yè)務(wù)。而信能同傳技術(shù)則無法有效的以低功耗的方式向外界反饋信號。但實際應(yīng)用中的需求是無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要能感知外界環(huán)境，并將自身從外界獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給終端，隨著時代的發(fā)展，也需要物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠與其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行交互。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于反向散射的超低功耗無源通信系統(tǒng)，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

2、本發(fā)明中所述一種基于反向散射的超低功耗無源通信系統(tǒng)，包括通信連接的無源接收子系統(tǒng)和綜合發(fā)射器；

3、所述綜合發(fā)射器用于向無源接收子系統(tǒng)提供射頻能量及射頻信號，根據(jù)應(yīng)用需要向無源接收子系統(tǒng)發(fā)送喚醒信號，收集處理無源接收子系統(tǒng)的反向散射數(shù)據(jù)；

4、所述無源接收子系統(tǒng)接收所述射頻能量及射頻信號；對射頻能量進行自適應(yīng)功率處理，對射頻信號做數(shù)據(jù)處理；若當(dāng)前無任務(wù)處理，則進入低功耗模式，等待喚醒信號；當(dāng)收到喚醒信號時進入工作模式，將射頻信號做反向散射。

5、所述無源接收子系統(tǒng)包括信源編碼模塊、反向散射控制電路、射頻前端控制電路、喚醒電路、傳感器、基帶信號處理模塊、低通濾波電路、整流電路、帶通濾波電路、功率分配電路、能量管理電路、pid控制單元、儲能元件和天線；

6、所述射頻前端控制電路作為射頻饋線阻抗，當(dāng)射頻饋線阻抗與天線阻抗匹配時，天線吸收射頻信號，反之天線反射射頻信號；

7、所述能量管理電路和儲能元件組成無源接收子系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，用于收集和儲存經(jīng)天線接收下來的射頻能量，并為無源接收子系統(tǒng)供電；

8、所述功率分配電路、基帶信號處理模塊、pid控制單元組成無源接收子系統(tǒng)的自適應(yīng)閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，控制功率分配電路分別流入供電系統(tǒng)、帶通濾波電路的能量比例；

9、所述帶通濾波電路、整流電路和低通濾波電路依次電性連接，用于輸出基帶信號；

10、所述喚醒電路在低功耗模式下利用硬件電路識別出綜合發(fā)射器發(fā)送的喚醒指令，讓無源接收子系統(tǒng)從低功耗模式進入工作模式；

11、所述基帶信號處理模塊用于解調(diào)低通濾波電路輸出的基帶信號，與外部設(shè)備進行交互，在無任務(wù)處理時讓無源接收子系統(tǒng)進入低功耗模式；

12、所述基帶信號處理模塊、信源編碼模塊、反向散射控制電路和射頻前端控制電路組成無源接收子系統(tǒng)的反饋信號發(fā)射器，用于將傳感器的數(shù)據(jù)進行信源編碼，然后通過反向散射控制電路控制射頻前端控制電路的射頻饋線阻抗，讓天線在吸收射頻信號和反射射頻信號之間切換，以此將編碼后數(shù)據(jù)的比特0和比特1發(fā)送出去，從而能夠被綜合發(fā)射器收集和處理。

13、所述射頻前端控制電路包含一個射頻開關(guān)和兩個純電阻阻抗，入射的射頻信號根據(jù)天線端口的阻抗匹配程度會產(chǎn)生不同的反射量；反射系數(shù)z0為天線端特征阻抗50ω，zl為射頻饋線阻抗；當(dāng)γ＝0時，阻抗匹配，入射信號全部被吸收；當(dāng)γ＝-1時，阻抗失配，入射信號全部被反射；所述兩個純電阻阻抗分別為50ω和0ω，通過控制射頻開關(guān)擇一選通。

14、在所述反饋信號發(fā)射器中，基帶信號處理模塊獲取傳感器的數(shù)據(jù)，然后將原有數(shù)據(jù)加入幀頭和幀長，封裝成幀；再將幀送入信源編碼模塊進行信源編碼，加入冗余位；反向散射控制電路根據(jù)信源編碼模塊輸出數(shù)據(jù)的每一位比特來控制射頻前端控制電路中的射頻開關(guān)的開關(guān)頻率；當(dāng)數(shù)據(jù)位是比特0，則射頻開關(guān)的開關(guān)頻率為f1；數(shù)據(jù)位是比特1，則射頻開關(guān)的開關(guān)頻率為f2；通過改變射頻開關(guān)的頻率，無源接收子系統(tǒng)調(diào)制頻移鍵控信號向綜合發(fā)射器發(fā)送信息。

15、所述功率分配電路包含兩個可編程電阻，通過兩個可編程電阻的并聯(lián)將天線接收下來的射頻功率分成兩部分，一部分流向供電系統(tǒng)，另一部分流向帶通濾波電路。

16、在所述自適應(yīng)閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)中，基帶信號處理模塊將從低通濾波電路接收到的模擬基帶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字基帶信號，然后周期性地將數(shù)字基帶信號當(dāng)前的平均功率值pm[n]和解調(diào)基帶信號的最低目標功率值pt送入pid控制單元；pid控制單元通過pid閉環(huán)控制算法輸出控制信號u[n]，控制信號u[n]控制功率分配電路中兩個可編程電阻的阻值，在能夠解調(diào)出基帶信號的前提下把剩余的射頻能量全部收集并存儲。

17、所述pid控制算法的步驟為：

18、s1.基帶信號處理模塊實時獲取當(dāng)前的平均功率值pm[n]作為pid控制單元的輸入；

19、s2.pid控制單元根據(jù)目標功率pt和平均功率值pm[n]算出誤差e[n]，e[n]＝pt-pm[n]；

20、s3.pid控制單元根據(jù)誤差e[n]，計算輸出控制信號u[n]，其中kp為比例系數(shù)、ki為積分系數(shù)、kd為微分系數(shù)，n表示當(dāng)前時刻，n-1表示上一個時刻；

21、s4.功率分配電路根據(jù)pid控制單元計算出的控制信號u[n]調(diào)整兩個可編程電阻的阻值，以實現(xiàn)期望的功率輸出；

22、s5.循環(huán)執(zhí)行，回到步驟s1。

23、所述能量管理電路包含升壓電路、檢測電路、穩(wěn)壓電路；

24、升壓電路將變化的微弱信號升壓成穩(wěn)定的直流輸出信號；

25、儲能元件將穩(wěn)定的直流輸出信號儲存下來；

26、檢測電路實時檢測儲能元件的工作狀態(tài)，當(dāng)儲能元件工作狀態(tài)正常時，穩(wěn)壓電路將儲能元件的電壓進行穩(wěn)壓輸出，為無源接收子系統(tǒng)供電。

27、所述喚醒電路包括依次電性連接的電壓放大電路、單路施密特觸發(fā)器和計數(shù)器；

28、所述電壓放大電路將低通濾波電路輸出到喚醒電路的基帶信號進行電壓放大；

29、所述單路施密特觸發(fā)器將放大后的基帶信號轉(zhuǎn)換成方波信號，方波信號作為計數(shù)器的時鐘信號，每當(dāng)方波信號出現(xiàn)一次下降沿，計數(shù)器計數(shù)次數(shù)加一，當(dāng)計數(shù)次數(shù)達到閾值時，計數(shù)器輸出一個喚醒信號到基帶信號處理模塊，基帶信號處理模塊收到喚醒信號后令無源接收子系統(tǒng)從低功耗模式轉(zhuǎn)變到工作模式。

30、所述綜合發(fā)射器和無源接收子系統(tǒng)的通信流程為：

31、s1.綜合發(fā)射器發(fā)送喚醒指令，喚醒處于低功耗模式的無源接收子系統(tǒng)進入工作模式；

32、s2.進入工作模式的無源接收子系統(tǒng)實時響應(yīng)綜合發(fā)射器的請求并利用自身的反饋信號發(fā)射器向綜合發(fā)射器做出實時應(yīng)答；

33、s3.當(dāng)無源接收子系統(tǒng)無任務(wù)處理時，無源接收子系統(tǒng)向綜合發(fā)射器發(fā)出睡眠請求指令；

34、s4.綜合發(fā)射器收到睡眠指令后，若自身還有任務(wù)需要無源接收子系統(tǒng)處理，則會發(fā)送拒絕指令給無源接收子系統(tǒng)；反之，則會發(fā)送接受指令給無源接收子系統(tǒng)；

35、s5.所述無源接收子系統(tǒng)若收到拒絕指令則會繼續(xù)等待綜合發(fā)射器的請求，并及時給予響應(yīng)；若收到接受指令則會關(guān)閉自己的所有外設(shè)功能，僅保留喚醒功能并進入低功耗模式。

36、本發(fā)明中所述一種基于反向散射的超低功耗無源通信系統(tǒng)，其優(yōu)點在于：

37、1)所述無源接收子系統(tǒng)能夠在低功耗模式和工作模式下自由切換，并且在低功耗模式下能夠?qū)崟r響應(yīng)綜合發(fā)射器發(fā)來的喚醒指令。解決了無源接收子系統(tǒng)在待機狀態(tài)下功耗過高的問題，進一步降低了無源接收子系統(tǒng)的整體功耗，系統(tǒng)的整體平均功耗在微瓦級別。

38、2)所述無源接收子系統(tǒng)能夠在低功耗的模式下巧妙利用喚醒電路的特性，在無需復(fù)雜解調(diào)算法的情況下，利用硬件之間的配合，以微瓦級別的功耗解碼出喚醒指令。解決了無源接收子系統(tǒng)無法在低功耗模式下解調(diào)信息的問題，使得無源接收子系統(tǒng)處于低功耗模式下也能實時響應(yīng)綜合發(fā)射器的需求。

39、3)所述無源接收子系統(tǒng)能夠在無源的情況下，利用自身從外界獲取的射頻能量，將外界獲取的數(shù)據(jù)實時通過反向散射技術(shù)發(fā)送出去，也能夠與外部設(shè)備進行交互，進行通信或控制。解決了現(xiàn)有rfid技術(shù)只能發(fā)送自身id的困境，為其他場景的應(yīng)用，提供了更多的可能。

40、4)所述無源接收子系統(tǒng)的自適應(yīng)閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)o源接收子系統(tǒng)從天線接收下來同時具備信息和能量的射頻信號按照需求進行自適應(yīng)分配，相比于開環(huán)控制，在閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制下，提高了射頻能量的利用率和系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。