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)領域】
[0001] 本發(fā)明設及超聲波通信技術(shù)領域，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行信號傳輸。在船壁導電表面的兩點之間放置一個可 W注入電流和調(diào)制傳感器數(shù)據(jù)的儀器。該個電流產(chǎn)生一個小的磁場可W被外壁內(nèi)部的一個 獨立的儀器檢測到。該篇專利沒有提供該個系統(tǒng)的傳輸效率或能力。當使用趨膚深度很小 的厚金屬壁時該種電感禪合方式傳輸信號的方式是很低效的，導致該種技術(shù)在大多數(shù)能量 傳輸應用中是不切實際的。
[0003] 2000年9月，一個海洋研究機構(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，該個技術(shù)最初是用來觀察世界氣象和海洋數(shù)據(jù)。兩個聲頻 調(diào)制解調(diào)單元固定在船壁的兩側(cè)從而形成一個壓電換能器。使用移頻鍵控來調(diào)制原載波上 的數(shù)字數(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，該個系統(tǒng)沒有使 用能量傳輸，而是用電池來為每個聲頻調(diào)制解調(diào)單元供電，且由于船壁中強烈的聲反射，該 個系統(tǒng)只能達到20個符號每秒的波特率，傳輸效率低。
[0004] 2009年紐卡斯爾大學的一個研究小組發(fā)表了兩篇基于電磁聲換能器的文章。為了 達到1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率使用QPSK調(diào)制和反饋均衡器來補償符號間干擾。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，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傳輸效率低的問題。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實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，并將獲取的所述能量信號接入第一匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配； [000引將匹配后的所述能量信號通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配；
[0009] 獲取數(shù)據(jù)信號，并將獲取的所述數(shù)據(jù)信號接入第=匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配；
[0010] 將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹 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 后的所述能量信號通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡進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由超聲波轉(zhuǎn)化為電能后接入第二匹配網(wǎng) 絡進行共輛阻抗匹配；
[0015] 所述將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡進行共輛阻 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)信號由超聲波轉(zhuǎn)化為電能后接入第四匹配網(wǎng) 絡進行共輛阻抗匹配。
[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 和所述能量信號的傳輸?shù)男阅堋?br>[0021] 可選地，所述獲取數(shù)據(jù)信號，并將獲取的所述數(shù)據(jù)信號接入第=匹配網(wǎng)絡進行共 輛阻抗匹配包括：
[0022] 獲取數(shù)據(jù)信號；
[0023] 通過發(fā)射端信號處理器對獲取的所述數(shù)據(jù)信號進行(FDM調(diào)制；
[0024] 將調(diào)制后的所述數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為模擬信號并接入第=匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹 配。
[0025] 可選地，所述將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡進行 共輛阻抗匹配之后包括：
[0026] 將從第四匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配后輸出的所述數(shù)據(jù)信號接入低噪放大器；
[0027] 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大后的所述數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
[002引通過接收端信號處理器對所述數(shù)字信號進行(FDM解調(diào)。
[0029] 另一方面，本發(fā)明實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，并將獲取的所述能量信號接入第一匹配網(wǎng)絡 進行共輛阻抗匹配；
[0031] 第二匹配單元：用于將匹配后的所述能量信號通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡進 行共輛阻抗匹配；
[0032] 第=匹配單元；用于獲取數(shù)據(jù)信號，并將獲取的所述數(shù)據(jù)信號接入第=匹配網(wǎng)絡 進行共輛阻抗匹配；
[0033] 第四匹配單元：用于將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng) 絡進行共輛阻抗匹配。
[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由超聲波轉(zhuǎn)化為電能 后接入第二匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配；
[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)信號由超聲波轉(zhuǎn)化為電能 后接入第四匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配。
[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)信號和所述能量信號的傳輸?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；
[0046] 調(diào)制模塊；用于通過發(fā)射端信號處理器對獲取的所述數(shù)據(jù)信號進行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)信號轉(zhuǎn)化為模擬信號并接入第S匹配網(wǎng) 絡進行共輛阻抗匹配。
[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)絡進行共輛阻抗匹配后輸出的所述數(shù)據(jù)信號接入 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)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
[0化1] 解調(diào)單元；用于通過接收端信號處理器對所述數(shù)字信號進行(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接入第一匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配， 并將匹配后的所述能量信號通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配；同時將獲 取的所述數(shù)據(jù)信號接入第=匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配，將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號通過所 述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡進行共輛阻抗匹配。該樣，通過第一、第二、第=及第四匹配 網(wǎng)絡優(yōu)化所述數(shù)據(jù)信號及所述能量信號的傳輸鏈路，并且所述能量信號能夠為參與傳輸?shù)?每個器件提供能源，從而提高了所述能量信號及所述數(shù)據(jù)信號的傳輸效率。
【附圖說明】
[0化4] 圖1為本發(fā)明實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)明實施例提供的加入第一匹配網(wǎng)絡和第二匹配網(wǎng)絡的能量傳輸鏈路 的電路圖；
[0化7] 圖4為本發(fā)明實施例提供的電壓源、金屬信道及負載的反射示意圖；
[0化引圖5為本發(fā)明實施例提供的金屬信道的Pspice電路圖；
[0059] 圖6為本發(fā)明實施例提供的鋼板厚度為10mm時匹配前后的功率變化曲線；
[0060] 圖7為本發(fā)明實施例提供的鋼板厚度為10mm時匹配前后的效率變化曲線；
[0061] 圖8為本發(fā)明實施例提供的鋼板厚度為11. 67mm時匹配前后的功率變化曲線；
[0062] 圖9為本發(fā)明實施例提供的鋼板厚度為11. 67mm時匹配前后的效率變化曲線；
[0063] 圖10為本發(fā)明實施例提供的鋼板厚度為28mm時匹配前后的功率變化曲線；
[0064] 圖11為本發(fā)明實施例提供的鋼板厚度為28mm時匹配前后的效率變化曲線；
[0065] 圖12為本發(fā)明實施例提供的數(shù)據(jù)傳輸鏈路脈沖響應；
[0066] 圖13為本發(fā)明實施例提供的發(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)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具 體實施例進行詳細描述。
[0070] 本發(fā)明針對現(xiàn)有的金屬信道中信號傳輸效率低的問題，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] 實施例一
[0072] 參看圖1所示，本發(fā)明實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，并將獲取的所述能量信號接入第一匹配網(wǎng)絡1進行共輛阻抗匹 配；
[0074] 將匹配后的所述能量信號通過金屬信道接入第二匹配網(wǎng)絡2進行共輛阻抗匹配；
[0075] 獲取數(shù)據(jù)信號，并將獲取的所述數(shù)據(jù)信號接入第=匹配網(wǎng)絡9進行共輛阻抗匹 配；
[0076] 將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡10進行共輛阻抗 匹配。
[0077] 本發(fā)明實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 信號接入第一匹配網(wǎng)絡1進行共輛阻抗匹配，并將匹配后的所述能量信號通過金屬信道接 入第二匹配網(wǎng)絡2進行共輛阻抗匹配；同時將獲取的所述數(shù)據(jù)信號接入第S匹配網(wǎng)絡9進 行共輛阻抗匹配，將匹配后的所述數(shù)據(jù)信號通過所述金屬信道接入第四匹配網(wǎng)絡10進行 共輛阻抗匹配。該樣，通過第一、第二、第=及第四匹配網(wǎng)絡優(yōu)化