一種使用超聲波傳遞能量和數(shù)據(jù)的傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及超聲波通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種使用超聲波傳遞能量和數(shù)據(jù)的傳 輸方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 第一篇發(fā)表的有關(guān)無線穿鋼的傳輸系統(tǒng)是1990年6月由法國石油研究所發(fā)明的 專利，該系統(tǒng)使用電感禪合的方法進(jìn)行信號(hào)傳輸。在船壁導(dǎo)電表面的兩點(diǎn)之間放置一個(gè)可 W注入電流和調(diào)制傳感器數(shù)據(jù)的儀器。該個(gè)電流產(chǎn)生一個(gè)小的磁場(chǎng)可W被外壁內(nèi)部的一個(gè) 獨(dú)立的儀器檢測(cè)到。該篇專利沒有提供該個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率或能力。當(dāng)使用趨膚深度很小 的厚金屬壁時(shí)該種電感禪合方式傳輸信號(hào)的方式是很低效的，導(dǎo)致該種技術(shù)在大多數(shù)能量 傳輸應(yīng)用中是不切實(shí)際的。
[0003] 2000年9月，一個(gè)海洋研究機(jī)構(gòu)發(fā)表了一篇聲頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的論文，用聲音穿 過船壁來傳遞數(shù)據(jù)。具體來說，該個(gè)技術(shù)最初是用來觀察世界氣象和海洋數(shù)據(jù)。兩個(gè)聲頻 調(diào)制解調(diào)單元固定在船壁的兩側(cè)從而形成一個(gè)壓電換能器。使用移頻鍵控來調(diào)制原載波上 的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，該調(diào)制載波穿過壓電換能器即在聲頻調(diào)制解調(diào)器之間傳輸，該個(gè)系統(tǒng)沒有使 用能量傳輸，而是用電池來為每個(gè)聲頻調(diào)制解調(diào)單元供電，且由于船壁中強(qiáng)烈的聲反射，該 個(gè)系統(tǒng)只能達(dá)到20個(gè)符號(hào)每秒的波特率，傳輸效率低。
[0004] 2009年紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)表了兩篇基于電磁聲換能器的文章。為了 達(dá)到1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率使用QPSK調(diào)制和反饋均衡器來補(bǔ)償符號(hào)間干擾。電感禪合技 術(shù)和壓電超聲波技術(shù)都可W用于電信號(hào)無損穿過固體金屬屏障。然而由于密閉金屬容器的 法拉利電磁屏蔽效應(yīng)，使得電感禪合技術(shù)的傳輸效率很低，并且需要在較低頻率處工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種使用超聲波傳遞能量和數(shù)據(jù)的傳輸方法及 系統(tǒng)，W解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的金屬信道中信號(hào)傳輸效率低的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種使用超聲波傳遞能量和數(shù)據(jù)的傳輸 方法，包括：
[0007] 獲取能量信號(hào)，并將獲取的所述能量信號(hào)接入第一匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配； [000引將匹配后的所述能量信號(hào)通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配；
[0009] 獲取數(shù)據(jù)信號(hào)，并將獲取的所述數(shù)據(jù)信號(hào)接入第=匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配；
[0010] 將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹 配。
[0011] 可選地，所述金屬信道包括；發(fā)射端換能器、金屬板和接收端換能器，所述將匹配 后的所述能量信號(hào)通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配包括：
[0012] 通過所述發(fā)射端換能器將匹配后的所述能量信號(hào)由電能轉(zhuǎn)化為超聲波；
[0013] 將轉(zhuǎn)化為超聲波的所述能量信號(hào)穿過所述金屬板傳輸至所述接收端換能器；
[0014] 通過所述接收端換能器將所述能量信號(hào)由超聲波轉(zhuǎn)化為電能后接入第二匹配網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配；
[0015] 所述將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻 抗匹配包括：
[0016] 通過所述發(fā)射端換能器將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)由電能轉(zhuǎn)化為超聲波；
[0017] 將轉(zhuǎn)化為超聲波的所述數(shù)據(jù)信號(hào)穿過所述金屬板傳輸至所述接收端換能器；
[0018] 通過所述接收端換能器將所述數(shù)據(jù)信號(hào)由超聲波轉(zhuǎn)化為電能后接入第四匹配網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配。
[0019] 可選地，所述方法還包括：
[0020] 利用集成電路通用模擬程序建立金屬信道模型在仿真環(huán)境下確定所述數(shù)據(jù)信號(hào) 和所述能量信號(hào)的傳輸?shù)男阅堋?br>[0021] 可選地，所述獲取數(shù)據(jù)信號(hào)，并將獲取的所述數(shù)據(jù)信號(hào)接入第=匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共 輛阻抗匹配包括：
[0022] 獲取數(shù)據(jù)信號(hào)；
[0023] 通過發(fā)射端信號(hào)處理器對(duì)獲取的所述數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行(FDM調(diào)制；
[0024] 將調(diào)制后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)并接入第=匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹 配。
[0025] 可選地，所述將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 共輛阻抗匹配之后包括：
[0026] 將從第四匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配后輸出的所述數(shù)據(jù)信號(hào)接入低噪放大器；
[0027] 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；
[002引通過接收端信號(hào)處理器對(duì)所述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行(FDM解調(diào)。
[0029] 另一方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種使用超聲波傳遞能量和數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)，包 括：
[0030] 第一匹配單元：用于獲取能量信號(hào)，并將獲取的所述能量信號(hào)接入第一匹配網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行共輛阻抗匹配；
[0031] 第二匹配單元：用于將匹配后的所述能量信號(hào)通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 行共輛阻抗匹配；
[0032] 第=匹配單元；用于獲取數(shù)據(jù)信號(hào)，并將獲取的所述數(shù)據(jù)信號(hào)接入第=匹配網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行共輛阻抗匹配；
[0033] 第四匹配單元：用于將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配。
[0034] 可選地，所述金屬信道包括；發(fā)射端換能器、金屬板和接收端換能器，所述第二匹 配單元包括：
[0035] 第一轉(zhuǎn)換模塊：用于通過所述發(fā)射端換能器將匹配后的所述能量信號(hào)由電能轉(zhuǎn)化 為超聲波；
[0036] 第一傳輸模塊：用于將轉(zhuǎn)化為超聲波的所述能量信號(hào)穿過所述金屬板傳輸至所述 接收端換能器；
[0037] 第一匹配模塊：用于通過所述接收端換能器將所述能量信號(hào)由超聲波轉(zhuǎn)化為電能 后接入第二匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配；
[003引所述第四匹配單元包括：
[0039] 第二轉(zhuǎn)換模塊：用于通過所述發(fā)射端換能器將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)由電能轉(zhuǎn)化 為超聲波；
[0040] 第二傳輸模塊：用于將轉(zhuǎn)化為超聲波的所述數(shù)據(jù)信號(hào)穿過所述金屬板傳輸至所述 接收端換能器；
[0041] 第二匹配模塊：用于通過所述接收端換能器將所述數(shù)據(jù)信號(hào)由超聲波轉(zhuǎn)化為電能 后接入第四匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配。
[0042] 可選地，還包括；
[0043] 仿真單元；用于利用集成電路通用模擬程序建立金屬信道模型在仿真環(huán)境下確定 所述數(shù)據(jù)信號(hào)和所述能量信號(hào)的傳輸?shù)男阅堋?br>[0044] 可選地，所述第S匹配單元包括：
[0045] 獲取模塊；用于獲取數(shù)據(jù)信號(hào)；
[0046] 調(diào)制模塊；用于通過發(fā)射端信號(hào)處理器對(duì)獲取的所述數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行OFDM調(diào)制；
[0047] 第S匹配模塊；用于將調(diào)制后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)并接入第S匹配網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配。
[0048] 可選地，所述系統(tǒng)還包括：
[0049] 放大單元；用于將從第四匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配后輸出的所述數(shù)據(jù)信號(hào)接入 低噪放大器；
[0化0] 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元：用于通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；
[0化1] 解調(diào)單元；用于通過接收端信號(hào)處理器對(duì)所述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行(FDM解調(diào)。
[0化2] 本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：
[0化3] 上述方案中，通過將獲取的所述能量信號(hào)接入第一匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配， 并將匹配后的所述能量信號(hào)通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配；同時(shí)將獲 取的所述數(shù)據(jù)信號(hào)接入第=匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配，將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)通過所 述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共輛阻抗匹配。該樣，通過第一、第二、第=及第四匹配 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化所述數(shù)據(jù)信號(hào)及所述能量信號(hào)的傳輸鏈路，并且所述能量信號(hào)能夠?yàn)閰⑴c傳輸?shù)?每個(gè)器件提供能源，從而提高了所述能量信號(hào)及所述數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸效率。
【附圖說明】
[0化4] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的使用超聲波傳遞能量和數(shù)據(jù)的傳輸方法流程圖； [0055] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的能量傳輸鏈路和數(shù)據(jù)傳輸鏈路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0化6] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的加入第一匹配網(wǎng)絡(luò)和第二匹配網(wǎng)絡(luò)的能量傳輸鏈路 的電路圖；
[0化7] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的電壓源、金屬信道及負(fù)載的反射示意圖；
[0化引圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的金屬信道的Pspice電路圖；
[0059] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的鋼板厚度為10mm時(shí)匹配前后的功率變化曲線；
[0060] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的鋼板厚度為10mm時(shí)匹配前后的效率變化曲線；
[0061] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的鋼板厚度為11. 67mm時(shí)匹配前后的功率變化曲線；
[0062] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的鋼板厚度為11. 67mm時(shí)匹配前后的效率變化曲線；
[0063] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的鋼板厚度為28mm時(shí)匹配前后的功率變化曲線；
[0064] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例提供的鋼板厚度為28mm時(shí)匹配前后的效率變化曲線；
[0065] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例提供的數(shù)據(jù)傳輸鏈路脈沖響應(yīng)；
[0066] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例提供的發(fā)射端數(shù)據(jù)處理原理圖；
[0067] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例提供的接收端數(shù)據(jù)處理原理圖；
[0068] 圖15為本發(fā)明實(shí)施例提供的使用超聲波傳遞能量和數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0069] 為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具 體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0070] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的金屬信道中信號(hào)傳輸效率低的問題，提供一種使用超聲波傳遞 能量和數(shù)據(jù)的傳輸方法及系統(tǒng)。
[0071] 實(shí)施例一
[0072] 參看圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的使用超聲波傳遞能量和數(shù)據(jù)的傳輸方法，包 括：
[0073] 獲取能量信號(hào)，并將獲取的所述能量信號(hào)接入第一匹配網(wǎng)絡(luò)1進(jìn)行共輛阻抗匹 配；
[0074] 將匹配后的所述能量信號(hào)通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡(luò)2進(jìn)行共輛阻抗匹配；
[0075] 獲取數(shù)據(jù)信號(hào)，并將獲取的所述數(shù)據(jù)信號(hào)接入第=匹配網(wǎng)絡(luò)9進(jìn)行共輛阻抗匹 配；
[0076] 將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡(luò)10進(jìn)行共輛阻抗 匹配。
[0077] 本發(fā)明實(shí)施例所述的使用超聲波傳遞能量和數(shù)據(jù)的傳輸方法，將獲取的所述能量 信號(hào)接入第一匹配網(wǎng)絡(luò)1進(jìn)行共輛阻抗匹配，并將匹配后的所述能量信號(hào)通過金屬信道接 入第二匹配網(wǎng)絡(luò)2進(jìn)行共輛阻抗匹配；同時(shí)將獲取的所述數(shù)據(jù)信號(hào)接入第S匹配網(wǎng)絡(luò)9進(jìn) 行共輛阻抗匹配，將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號(hào)通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡(luò)10進(jìn)行 共輛阻抗匹配。該樣，通過第一、第二、第=及第四匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化