无线信号传输

2024-05-10

无线信号传输（精选11篇）

无线信号传输篇1

摘要：针对下水道内传感器与地面接收设备之间的无线信号传播,找出适合通信的频率范围。无线通信的关键是能量的损耗,因此结合土壤特性、下水道材料、下水道壁的粗糙度对电磁波传播的影响进行分析,通过理论分析得出适合的频率范围。最后得出结论:在土壤中,频率越高,信号的衰减越大;在下水道内,频率越低,信号的衰减越大;在土壤中,离接收点的距离越远,能量损耗也越大;并最终得到适合地下设备与地上设备无线通信的最佳频率段是400～500 MHz。

关键词：土壤,下水道,能量损耗,最佳频率

中国淡水资源十分短缺,人均拥有量2 300 m3,相当于世界人均水平的1/4,居世界110位。1997年起,全国城市污水排放量占废水排放总量的比例接近45%。据《2003年中国环境状况公报》公布,2003年全国废水排放总量为460亿吨,现在更是有过之而无不及。随着中国乃至全世界对环境保护问题的重视,加强城市污水的综合治理工作已成为当务之急。精确测量污水流量排放俨然成为人们关注的焦点。

本文研究的内容为明渠流量计[1]——新型板式流量传感器的顺利投入使用提供了理论依据。下水道内的无线传输模式[2,3,4]将工厂、城市污水的排放量传输到地面接收设备,以便了解污水的流量。

因下水道为掩埋在地下且狭小的密闭空间,其影响因素有:1)土壤成分、下水道材料和下水道表面粗糙度等,对无线传输的研究相对困难;2)无线传输使用电池供电。因此将其在理论上分成两个部分进行研究。

1 基本理论

为了方便研究下水道内无线传感信号与地面设备间通信的能量损耗,在此将下水道、覆盖在下水道上的土壤分成上下两个部分进行研究。

从下水道内传感器发出的无线信号必会经过电气特性完全不同的两种介质:土壤和空气。由于电气特性不同,电磁波会产生折射。运用几何光学方法中的射线法,其示意图如图1、图2所示。

1.1 电磁波在土壤中的能量损耗[5,6]

无线信号从传感器出发,经过扩散到达接收点,其扩散过程相似于自由空间,因此,参照Friis[7]方程,无线信号在土壤中经过路径长度r后,接收点的能量为

Pr=Pt+Gr+Gt-L0-Lm (1)

式中:Pt是发射能量;Pr是接收能量;Gr接收天线的增益;Gt是发射天线的增益;L0是路径损耗;Lm由土壤中的传播引起的附加路径损耗。Pr,Pt的单位为dBm;其他变量单位为dB。

根据产生的原因,Lm可分解为两部分

Lm=Lm1+Lα (2)

式中:Lm1是由于波长在土壤和空气中传播的不同而产生的衰减损耗;Lα是由于土壤中成分中损耗介质吸收产生的衰减损耗。α为衰减常数,β为相移常数,可表示为

${\begin{matrix} α = ω \sqrt{\frac{μ ε}{2} [\sqrt{1 + (\frac{σ}{ω ε})^{2}} - 1]} \\ β = ω \sqrt{\frac{μ ε}{2} [\sqrt{1 + (\frac{σ}{ω ε})^{2}} + 1]} \end{matrix} (3)$

式中:ω为工作角频率;σ为土壤导电率;ε为土壤的介电常数;μ为土壤的导磁率。

则无线信号在土壤中传播损耗为

Lp=6.4+20lg d+20lg β+8.69·α·d (4)

由式(4)可见,无线信号在土壤中传播的能量衰减与工作角频率、土壤导电率、土壤的介电常数和土壤的导磁率有关。

1.2 电磁波在下水道内的传播损耗[8]

1.2.1 近场区电磁波损耗

电磁波传播近似于无线电波在自由空间的传播,空间信道的基本传输损耗为

$\begin{array}{l} L_{b f} = 10 \lg \frac{Ρ_{i n}}{Ρ_{r}} = 32.45 + 20 \lg f + \\ 20 \lg r - 10 G_{t} - 10 G_{r} (5) \end{array}$

式中:r为传播距离;f为工作频率;Gr接收天线的增益;Gt是发射天线的增益;Pin为输入功率;Pr为接收点功率。在r,f,Pin和Pr均相同时,设接收点的实际场强为E,功率为Pr′,而自由空间的场强为E0,功率为Pr,则信道的衰减因子为

$A = 20 \lg \frac{| E |}{| E_{0} |} = 10 \lg \frac{Ρ_{r^{'}}}{Ρ_{r}} (6)$

所以,信道损耗为

$L_{b} = 10 \lg \frac{Ρ_{i n}}{Ρ_{r^{'}}} = 10 \lg \frac{Ρ_{i n}}{Ρ_{r}} - 10 \lg \frac{Ρ_{r^{'}}}{Ρ_{r}} = L_{b f} - A (7)$

若不考虑天线的影响,即令Gt=Gr=1,则实际的信道损耗为

Lb=32.45+20lg f+20lg r-A (8)

由上可知,实际信道损耗与工作频率、传输距离有关。

1.2.2 远场区电磁波损耗

把平直的无限长圆形隧道看作有耗介质管波导,其横向和纵面如图3所示。在圆形隧道中:设下水道半径为a,下水道内为理想介质且外部为有损介质。下水道内的磁导率和介电常数分别为μ1和ε1;下水道外部磁导率、介电常数、电导率分别为μ2,ε2,σ2。

采用圆柱坐标系,坐标原点选在下水道正中间。根据下水道壁圆柱面上的边界条件,可得到下水道的波模方程为

$\begin{array}{l} - [\frac{μ_{1}}{μ} \cdot \frac{J_{m^{'}} (μ)}{J_{m} (μ)} - \frac{μ_{2}}{υ} \cdot \frac{Η_{m^{'}} (υ)}{Η_{m} (υ)}] \cdot [\frac{k_{1}^{2}}{μ_{1} μ} \cdot \frac{J_{m^{'}} (μ)}{J_{m} (μ)} - \frac{k_{2}^{2}}{μ_{2} υ} \cdot \frac{Η_{m^{'}} (υ)}{Η_{m} (υ)}] = \\ m^{2} γ^{2} (\frac{1}{υ^{2}} - \frac{1}{μ^{2}})^{2} (9) \end{array}$

特别地,当m=0时,TE0n波模的波模方程为

$\frac{μ_{1}}{μ} \cdot \frac{J_{m^{'}} (μ)}{J_{m} (μ)} - \frac{μ_{2}}{μ} \cdot \frac{Η_{m^{'}} (υ)}{Η_{m} (υ)} = 0 (10)$

下水道内的介质通常为空气,当电磁波的工作频率较高时,模衰减常数的近似解为TE0n波模,即

$α_{0 n} = \frac{η_{1 n}^{2}}{k_{0}^{2} a^{3}} Re (\frac{1}{\sqrt{ε_{r^{'}} - 1}}) (11)$

式中:η1n为一阶贝塞尔函数的第n个根;a为下水道半径;k0为电磁波波数;εr′=(ε2-jσ2/W)/ε0。

1.2.3 分界点前后的电磁波损耗

运用混合方法确定分界点[9]:隧道中两种传播区域的界面为发射天线到转折点的最大距离,即

$d_{Ν F} = \max (\frac{h^{2}}{λ}, \frac{w^{2}}{λ}) (12)$

可见,dNF与隧道的h或w的平方成正比,而与λ成反比。本文将矩形隧道等效为圆形隧道进行研究[10]。

2 实验证明

根据上述资料选定:1)下水道材料。采用HDPE双壁波纹管,它是一种以聚乙烯为原材料的下水道,相对土壤造成的能量损耗微乎其微,因此忽略不计[11,12]。2)土壤参数:σ=0.1,ε=10,μ=1。选取半径r=0.8 m的圆形下水道为研究对象,无线模块选取为CC1000,其工作电压为3～5 V,载频频率为430 MHz,最大发射功率为10 dBm,通信距离约100 m。

图4为土壤中电磁波的衰减常数、相移常数与频率的关系图。衰减常数与频率的关系:在频率为100～300 MHz之间几乎没有衰减,频率在400～500 MHz之间存在明显的衰减,频率在500～1 000 MHz之间变化幅度较大;相移常数与频率的关系:相移常数随频率的变化成线性增长。

图5为土壤中距离、频率与能量损耗的关系图。相移常数与频率成线性关系,衰减常数在小于500 MHz时相对衰减幅度较小,大于500 MHz时成大幅度衰减。因此,选择频率小于500 MHz在土壤中传播较为合适。

由图6可知,随频率大幅度增长,相对的能量损耗与距离的关系趋于平缓;由图7可知,在100～400 MHz之间迅速衰减,而在400 MHz之后趋于平缓,即随着频率的增大,衰减逐渐减小。图8为当f=900 MHz,r=1 m时,拐点前为近场区,拐点后为远场区前后的大致损耗。

3 结论

研究了无线信号传播特性,得出如下结论:在土壤中,频率越高,信号的衰减越大;在下水道内,频率越低,信号的衰减越小。综合上述条件可知,适合地下设备与地上设备无线通信的最佳频率段是400～500 MHz,这一范围内无论是土壤还是下水道能量的衰减幅度均相对较小,基本上满足下水道内无线信号低传输功率、低能耗的要求。另外,在土壤中,离接收点的距离越远,能量损耗越大。所提出的结论是在各个因素对无线传感器信号传输影响上建立的,它大致能够估算出路径的损耗范围,基本符合应用中对能量消耗的考虑,达到课题研究的目的。但是仍有不完善的地方,例如,只研究了空圆形下水道,并没有将污水考虑在内。

参考文献

[1]马珺,马福昌.新型板式流量传感器的设计[J].太原理工大学学报,2008,39(3):265-267.

[2]ELKMANN N,ALTHOFF H,KUTZNER S,et al.Development of fullyautomatic inspection systems for large underground concrete pipes partial-ly filled with wastewater[C]//Proc.IEEE International Conference onRobotics and Automation,2007.[S.l.]:IEEE Press,2007:130-135.

[3]AKYILDIZ I F,STUNTEBECK E P.Wireless underground sensor networks:research challenge[J].Ad Hoc Networks Journal,2006(4):669-686.

[4]DOMINGO M C.Overview of channel models for underwater wireless com-munication networks[J].Physical Communication,2008(3):163-182.

[5]AKYILDIZ I F,SUN Z,VURAN M C.Signal propagation techniques forwireless underground communication networks[J].Physical Communica-tion,2009(4):2-8.

[6]李莉.无线地下传感器网络关键技术的研究[D].北京:北京邮电大学,2008.

[7]KELLER G V,FRISCHKNECHTF C.Electrical methods in geophysicalprospecting[M].Oxford:Pergamon Press,1966.

[8]马珺,库亚晓,马福昌.传感器信号在下水道内传播的信道模型[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2010,29(3):439-442.

[9]张跃平,张文梅,郑国莘,等.预测隧道中传播损耗的混合模型[J].电子学报,2001(9):1283-1286.

[10]冯慈璋,马西奎.工程电磁场导论[M].北京:高等教育出版社,2002.

[11]王世雷.HDPE/硅钙镁晶须复合材料双壁波纹管的研制[J].工程塑料应用,2005,33(2):40-42.

[12]郭文敏,韩宝忠,李忠华.聚乙烯/碳化硅复合材料的非线性电导特性的研究[J].功能材料,2010(3):436-438.

无线信号传输篇2

关键词：3G信号传输；道路；景观；照明无线控制系统；ARM-Linux；WCDMA 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2015）19-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.010

城市、乡镇道路上的路灯及各类照明景观灯设施是与我们日常生活紧密相关的市政公共设施建设，它既关系到夜间道路交通安全和百姓生活方便，又承担着美化城市，展示城市时代性魅力的重任。城市、乡镇照明的发展优化了我国的人居环境要求，但同时给耗能、耗材、管理等方面带来了昂贵代价。尤其在类似于高架桥梁、偏远乡镇以及部分楼宇的景观控制中，有些控制的信号线不能敷设，因此信号的长距离无线传输在景观照明控制系统中变得越来越重要。现如今，3G通信技术已经发展成熟，具备更快速、更完善、更稳定的网络，更低的网络运行费用也给照明系统的数据传输提供了可能。

1 系统的构成与工作原理

整个控制系统分为远程主控端和各个子系统（如图1），通过3G通信网络形成一个主从式星状网络控制系统，每个子系统为一个独立的单体照明系统。按照系统功能模块可分为以下四个部分：

图1 系统构成

1.1 远程主控端

远程主控端是整个景观照明无线控制系统的信息中心，也是系统的控制中心，主要负责对所有子系统景观照明数据协议编码、子系统运行状态监控，输出数据接入无线互联网。

1.2 3G网络接入

3G网络模块是无线通信与有线通信的界面，是实现整个景观照明无线控制系统的信息通信的桥梁，即负责接收和传送主控端发送的数据，并转为有线信号传输模式，通过路由器接入各个控制系统。

图2 远程主控端框架图3 3G网络接入模块

1.3 控制子系统

控制子系统采用ARM嵌入式平台，通过嵌入式Linux系统实现对系统的资源管理和控制，以及对接收到的数据进行译码分配和实时传输。

1.4 数据协议输出端口

根据所需要控制的景观灯具的输入数据界面模式，控制子系统可以提供多种的输出数据模式，景观照明用的界面主要有DMX512、SPI、DALI、0～10V D/A输出协议。

图4 控制子系统图5 输出端口模式

2 子系统设计内容

子系统设计由软件及硬件两部分组成。本子系统硬件以三星公司S3C2440A嵌入式微处理器（ARM9处理核心，64M SDRA——64M Flash，100M网卡，linux开放操作平台）、E1750通信模块（2Mbps的上传速度和7.22Mbps的下载速度，USB通用界面）和照明数据模块组成为例，图6为硬件结构。

图6 子系统硬件结构图7 子系统工作流程

软件负责完成对照明效果的管理和控制，子系统软件核心部分主要包括bootloader、操作系统、根文件系统和用户程序。需要设计完成的主要工作包括：（1）Bootloader部分采用U-boot 1.1.6，主要负责初始化处理器及硬件设备，引导操作系统启动；（2）操作系统采用Linux 2.6.22内核，此内核拥有良好的调度、中断、内存管理等性能以及支持各种根文件系统，具备良好的可移植性；（3）根文件系统使用YAFFS2；（4）编写3G网络的接入协议。驱动采用USB-ModeSwitch+libushb针对E1750进行相应的设置，实现了在ARM-Linux下驱动WCDMA模块。输出协议模块驱动支持DM512协议，SPI串行数据协议，DALI协议，0～10V模拟输出；（5）照明控制软件设计。通过照明控制软件完成网络数据的译码，重新编码和传输到控制灯具。

3 子系统工作流程

工作流程的关键点是数据的传输。远程子系统采用同步传输模式，即远程控制中心通过3G网络传输要显示的控制效果数据传输给子系统，子系统进行边接收边进行相应解码并以相应的数据传输协议发送出去，以实现景观照明中场景效果的实现。

子系统流程如图7所示。

4 发展前景分析

长距离的无线照明控制，其系统功能是“控制”，其系统特点是控制方式“无线”。众所周知，传统照明是手动、有线路的控制，不能达到随心所欲的管理。如一盏灯出现问题，一整条线路有可能都受到影响，或者灯具的损坏无法及时发现，造成照明故障，这种现象一直困扰着照明管理者。而这种无线照明控制系统，由于采用3G无线传输技术，一方面在控制上面可以实现无线化，另一方面具备单灯控制，附带电流、电压、功率因数、功耗统计等功能，使照明管理更具人性化与智能化。景观照明讲究的是一座城市或一个区域的整体效果，包括道路绿带亮化、游园绿地亮化、建筑物立面亮化、公共设施亮化、喷泉水池以及各种非公益性的广告、字牌和店招等构成，搭载了3G信号的无线传输，解决了有线传输的线路敷设困难，可实现“随心所欲”的设计布局。另外，通过无线控制，使照明的效果更加多彩分层。

作为智能照明的一大特色，无线照明控制早在2005年就已经开始被应用在照明控制中，但由于种种技术和成本的限制，一直未能广泛应用。但是随着通讯技术、智能手机等发展，无线照明控制得到大大改善。采用3G通讯网，在每个控制点配置一个无线控制器，选用模块化、数字式的智能灯光控制模块，在控制中心（总控室）配置集中监控系统软件，管理人员就可以通过手机或电子地图界面控制和管理整个城市的景观灯，实现智能化管理。无线照明控制系统是划时代的智能技术，它把传统的照明控制与无线结合起来，开创了一种新型的管理与节能，真正实现智能化照明。LED技术是21世纪以来发展最为迅速的照明技术，它节能、环保、稳定、高效，已经大量的运用在商业照明、景观照明等领域。而无线照明控制系统因为结合了LED、通信、计算机、传感器等技术，一方面保障正常的照明功能，另一方面兼具节能、环保、智能管理等，备受瞩目。

5 结语

本文介绍了3G数据传输方式下的景观照明控制系统的设计方法，阐述了整个控制系统的设计，特别介绍了子系统的硬件和软件设计。使用3G网络和TCP/IP技术，远程控制中心通过发送相应命令和编码后的照明数据到各个子系统，子系统进行数据解码并传输到相应的输出数据接口，以实现远程的无线控制，其发展前景广阔。

参考文献

[1] Yao-Jung Wen，Agogino，A.M.Wireless networked lighting systems for optimizing energy savings and user satisfaction[J].Wireless Hive Networks Conference，2008.

[2] Ismail，M.H.，Matalgah，M.M.Performance evaluation of WCDMA high speed downlink packet access/frequency division duplex mode[J].Wireless Communications and Networking Conference， 2005.

[3] Yoowattana，S.，Nantajiwakornchai，C.，Sangworasil，M.A design of embedded dmx512 controller using FPGA and XILKernel[J].Industrial Electronics & Applications，2009.

家庭综合电视信号的无线传输篇3

1 无线发射器工作原理

无线发射器主要分为发射天线以及宽带放大器两大元素。

1.1 确定发射频率

对于属于射频信号分配网的有线电视用户分配网来说, 系统设置为450 MHz和550MHz以及750 MHz系统, 此外系统还设置有860 MHz系统 (全频段系统) 。针对上述所设置的系统, 目前广泛采用的是550 MHz系统, 550 MHz系统的最高频道为22频道 (UHF波段) , 综合市面上正规厂家生产的卫星接收机和DVD或VCD机以及录像机等等音像设备的信息:频率为526 MHz到654 MHz之间, 20-35频道 (LHF波段) , 以及有线电视系统传输信号的最低频率 (48.5 MHz) 决定家庭综合电视信号的发射频率范围为45 MHz到650 MHz之间。

1.2 发射器工作原理

发射器的电路图如图1所示, 图1中左下角是经过混合的影像设备以及有线电视信号的综合电视信号, 综合电视线号林勇75Ω同轴的射频电缆线送至电容C1和C2以及电感L1所组成的高通滤波器, 按照所确定的最低发射频率, 此处的截止频率为45MHz, 所以高通滤波器能够把频率低于45MHz的传输信号进行滤除, 达到要求的信号之后通过前置放大器 (由三极管V1等组成) 放大后, 再通过电容C3偶合到至ICl (u PC1651G) 的2号管脚进行信号放大, 放大之后的综合信号由ICl的4号管脚输出, 放大后的综合信号通过天线进行发射。由二极管和IC2 (LM7805) 以及电阻R3等元器件组成正5 V的电源指示电路以及稳压电路, 图1中反向连接的二极管D1和D2的作用是避免输入电压过高而损坏集成电路ICl (u PC1651G) 。

2 元器件的选择与调试

2.1 元器件的选择以及元器件的制作

图1中所示的IC1采用由NEC公司所制造的高增益高频放大器集成电路u PC1651G, (注, 文中选择的这种高增益高频放大器集成电路为电视天线信号放大器专用的集成电路) 集成电路u PC1651G的主要技术参数如下所述:u PC1651G的电压为4.5V到5.5V之间, 电流为15 m A到25 m A之间, 功率的增益为16d H到19d H之间, 噪声系数是5.5d H, u PC1651G的通频带宽频率是1200 MHz。

图1中所示的三极管VI采用超高频、低噪声的三极管9018 (FR=700MHz) 或者2SC3358。图1中所有的电容均选用高频瓷介电容器, 所有的电阻均使用1/8 W的普通碳膜电阻, 电感L1采用Φ为0.2毫米的漆包线密绕直径是3毫米的圆棒支撑脱胎而成, 缠绕的圈数为16圈, 图1中的反向保护二极管D1以及D2采用1N4148, 发射器的天线可使用音像设备收音机的拉杆天线。

2.2 电路调试以及注意事项

使用的各种元器件的工作电流的情况如下所述:整机的工作电流大约为25毫安左右, 图1中的三极管V1的工作电流为5毫安左右, 如果家用综合电视信号不能达到要求, 采取的应对措施为, 适当的调整电阻R1的阻值, 使得发射器的发射功率得以提高, 文章将发射器的整机增益设计为30 d B, 发射器的发射半径设计为14米左右, 家用电视接收机的天线采用长度为1米的铜芯导线或者长度为1米的拉杆天线。

3 结束语

文章主要针对家庭业余的条件下环境中的综合电视线号传输方法进行讨论分析, 对于这种的综合信号的传输方式并不复杂, 文中针对涉及到的家用综合电视信号的无线传输方法主要从信号的无线发射器的工作原理, 综合市面上正规厂家生产的卫星接收机和DVD或VCD机以及录像机等等音像设备的信息以及目前大部分地区所使用的射频信号分配网系统频率和有线电视有线电视系统传输信号的最低频率 (48.5 MHz) , 最终将家庭综合电视信号的发射频率范围决定为45 MHz到650 MHz之间;此外, 根据信号发射器的电路图对于信号发生器的工作原理进行分析, 最后进行元器件的选择 (包括型号或制作方法) 和调试以及注意事项等方面来进行阐述, 以期为家用综合电视信号的无线传输提供指导性意见。

参考文献

[1]王清.卫星电视信号在FTTH网络中的传输[J].中国新通信, 2014 (22) :110.

无线电力传输讲座知识总结篇4

1889: 尼古拉•特斯拉提出无线电力传输的构想。无线电力传输方式：电磁感应式谐振耦合式

辐射式（无线电波、微波、激光方、超声波等方式）

电磁感应式

定义：(非接触感应式)电能传输电路的基本特征就是原副边电路分离。原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。特点: 较大气隙存在，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷；较大气隙的存在使得系统构成的耦合关系属于松耦合，使得漏磁与激磁相当，甚至比激磁高；传输距离较短，实用上多在mm级。缺点：

电磁感应方式传输控制不好，在其范围内的金属都会产生电磁感应消耗电源能量，另外还会使设备的线路感应发热，严重时会损坏设备。谐振耦合式传输

谐振耦合方式（WiTricity技术）：系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。)输电线中的电能传入用铜制造的天线中； 2)天线以9.90MHz的波长振动，产生电磁波； 3)天线发出的能量传播到2米(6.5英尺)外；

4)同样以9.90MHz的频率震动的接收线圈，能量充入设备中

5)没有转换成能接收的能量不会被线圈重新吸收。不能产生9.90MHz共振的人和其他物体不会对它产生干扰。

2008年8月，Intel西雅图实验室的Joshua R.Smith研究小组基于磁谐振耦合无线能量传输技术开发出可为小型电器充电的无线传能装置能够实现在1m距离内给60W灯泡提供电能，效率可达75%。特点：

• 利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性。中等距离传输，传输效率较高。能量传输不受空间障碍物（非磁性）影响。•

传输效果与频率及天线尺寸关系密切。缺点：

• 谐振耦合方式安全实现问题比较严重，要想更好的实现谐振耦合，需要传输频率在几兆到几百兆赫兹之间，而这一段频率又是产生谐振最困难的波段。

辐射式传输

无线电波式：主要由微波发射装置和微波接收装置组成，接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。

微波和激光的无线能量传输技术

微波无线能量传输技术目前尚处于研发阶段，其技术优点是成本较低，技术瓶颈是效率太低，而且容易发热，损坏设备。

2009年，Lasermotive使用激光二极管，在数百米的距离传输了1千瓦以上的功率，打破了多项世界纪录，并赢得了美国航空航天局（NASA）的大奖。无线电方式问题主要在于其在能量传输过程中能量损耗太大，传输效率太低。

如果辐射是全方向性的，则能量传输效率会十分的低；如果是定向辐射，也要求具有不间断可视的方位和十分复杂的追踪仪器设备。应用及前景 1.医疗

2.游戏，娱乐

3电动汽车的无线充电

待解决的问题：电磁辐射安全问题电磁兼容问题

系统整体性能的提高产品推广中的标准统一电力公司如何计费、收费电磁辐射安全：

传统供电：传输路径上，能量可控。无线通讯：微小功率。

无线电力传输：①路径上能量不易控；②能量功率较大。危害机理：

1.热效应：人体是导体，接受电磁波而产生涡流，发热。

2.非热效应：人体组织和器官存在微弱电磁场，受电磁波而破坏平衡，影响人体机能。

3.积累效应：高能电磁辐射造成的危害未来得及自我修复之前再次受到辐射，伤害程度就会积累。

高能量的能量密度势必会对人身安全及健康带来影响。如：

地磁场50-60μT，核磁共振0.5-4T；阳光的功率密度一般为100mW/cm2。

所以采用无线输电时要考虑避免对人身的伤害。电磁耦合共振中程传输

 “中程”距离：可达感应线圈半径8倍的距离。

 发射装置与能量源相连，并不向外发射电磁波，而是利用振荡器产生高频振荡电流，在发射线圈周围形成一个非辐射磁场，即将电能转换成磁场；  当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。

 电磁耦合共振中程传输

能量的传输是在一个共振系统内部进行，对系统外的物体（非共振频率）不会产生影响。

一般情况，其磁场强度与地磁场相似，50-60μT 微波/激光远程传输

无线电波波长越短，其定向性越好，弥散越小；

电力通过振荡器变换成微波/激光电力，从送电的天线向远处以微波/激光形式无线送电；

接收天线由半波长的偶极天线、整流二极管、低通滤波器及旁路电容组成，可接收微波/激光并转为直流电力。微波/激光远程传输

微波：频率为300MHz~300GHz的电磁波；

现有的研究中，两种频率比较常用：2.45GHz、5.8GHz，可穿越云层。激光：3.846*10^(14)Hz到7.895*10^(14)Hz。

障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换，穿越云层能量损耗大。在接收整流天线口径面以外的区域基本都是符合辐射安全标准的，在接收天线口径面内的辐射相对较强，需要在接收系统外围建立保护禁区。目前一般采用的微波功率密度约为5mW/cm2

无线能量传输系统在工作时周围空间会存在高频电磁场，这就要求系统本身具有较高的电磁兼容指标。电磁兼容性问题三个因素：电磁干扰源；耦合途径；敏感设备。

从这三个因素入手，对症下药，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。因此采取有效的抗干扰措施、屏蔽技术、合理使用电磁波不同的频段、避免交叉、重叠等造成不必要的电磁干扰。微波电磁兼容问题

微波：频率为300MHz~300GHz的电磁波；

现有的研究中，两种频率比较常用：2.45GHz、5.8GHz，这两个频率已经分配给ITUR无线广播、工业和医学当中使用。同频率间的电磁干扰是必须考虑的。

电磁感应式：

包括输入整流、高频逆变、可分离变压器和输出整流滤波等环节。可分离变  

 

  

 压器按其原边与副边的相对运动状况又可分为：静止、旋转和相对运动三种形式。

电磁感应式：

 满足要求的前提下，缩短传输距离，提高效率；  提高原边与副边的横向位置精确度；

 避免金属异物进入传输线圈之间引起局部发热现象。

由RF电路产生与谐振线圈固有频率相同的高频正弦信号，经过线性功率放大之后，注入到发送端LC谐振线圈，经过非辐射性高频磁场耦合，能量传递到接收端谐振线圈，经过输出整流滤波之后为负载供给能量。传输距离一般为8倍线圈距离。缩小铜线圈；增大传输距离。微波式：

高性能天线；微波源；微波接收整流设备。

微波式-微波源：

 微波电子管在高电压下可以放大较高功率的微波，具有较高的效率（70%）；  半导体放大器通常只放大低功率微波，其所需要的电压也比较低，然而它的成本却较高。

微波式-整流设备：

 硅整流二极管天线：由一个天线及高频整流电路所构成，高频整流电路能够将微波信号经由肖特基二极管整流成直流电源。

如：一个微波吸收效率为85%的硅整流二极管天线，其覆盖直径为5km。Qi标准—产生背景

设备使用的充电器千差万别，电源插口形式、设备插口形式、电压等级、电流容量均存在较大差异，因此往往每台设备都配有专用的电源转换器，这既产生了极大的浪费和污染。

一个充电设备可供各种不同企业、不同品牌的便携终端充电，Qi应运而来。Qi 标准的组成及基本原理

目前WPC 确定的Qi 标准1.0 版本是低功率技术规范，针对不超过5 瓦特的电子设备。针对不超过120 瓦特的中等功率技术规范制定工作也已于2010 年10 月启动。

 第一部分对无线充电器及接收器的界面进行定义；

 第二部分和第三部分是对产品的表现要求和认证测试的要求。只有获得认证的产品才能允许使用Qi 标识。

无线能量传输篇5

故事出自《苹果树下的宇宙飞船》，一部平淡的儿童科幻小说，却描绘了外星人骨灰级的无线能量传输技术。从太阳系以外的一颗星球，把能量定向传送给一艘停在地球上的宇宙飞船，功率大到能让飞船飞出太阳系，返回母星。这种技术绝对是阳春白雪，高大上。那地球人的技术呢？

我们从电动牙刷说起。电动牙刷的动力来自手柄里的充电电池，充电的时候把牙刷立在底座上就行，手柄上没有电源插孔，手柄和底座之间也没有电源连线。这就是最简单的无线能量传输，原理是法拉第电磁感应定律，底座和手柄里各有一个线圈。当底座线圈接通交流电时，线圈的垂直方向会产生交变磁场，磁场穿过手柄线圈，并在线圈里产生感生电动势，经过整流之后为手柄里的电池充电。同样的原理也用在许多无线充电的手机、平板电脑、智能手表里，而且还被用于植入人体的医疗器件——无线充电比开刀接电线可方便多了。

插一段历史，是谁最早利用电磁感应原理来无线传送能量的呢？提示一下，他的姓氏被用作磁场单位，而且一家制造电动跑车的公司就以他的姓氏命名。这位大牛就是尼古拉·特斯拉。早在19世纪末，他就开始研究利用电磁感应定律来无线传递能量。在一系列成功的无线传输演示后，他提出了一个不切实际的设想，要与正在尝试无线电报的马可尼竞争。他计划建造一座沃登克利弗塔（也被称为特斯拉塔），不但可以在纽约和伦敦之间传送信息，还能无线输送电能。1901年，他忽悠银行家约翰·摩根投资15万美元（这在当时可是一大笔钱）在长岛建塔。结果，钱花光了，这座57米高的塔还没开始运行，竞争对手马可尼就已经成功。摩根拒绝继续资助，特斯拉虎落平阳，无奈放弃，塔被拆除还债。有意思的是，特斯拉未能成功的实验居然还被后人用来牵强附会地解释通古斯大爆炸。

言归正传，这些例子都有一个共同点，两个线圈必须靠得很近，也就是说设备要紧贴充电器。有远一点儿的吗？当然有。2007年，麻省理工学院的教授马林·索尔贾希克验证了利用磁共振原理无线传输能量的可行性。他和合作者用充电线圈点亮了2米开外的60瓦灯泡。当时，他小声嘀咕了一句：“其实还是特斯拉的振荡变压器最先利用共振来无线传递能量。”这位教授随后创办了WiTricity公司，研发推广磁共振无线充电技术。这项技术可以做到用一个充电器给多个手机或平板电脑同时充电，手机的放置也可以随心所欲，横着、竖着甚至立着都没问题。磁共振无线充电还有一个重要用途——给电动或者混合动力的汽车充电。想象一下，您开着电动轿车回家，进车库停好，埋在地下的线圈就自动和车底盘上的线圈进行识别，然后开始充电，根本不用费事插电线，给邻居演示一下，肯定能引起羡慕嫉妒恨。高通公司成功进行了真车实验。一家叫Plugless的公司早已经开售汽车无线充电配件，不过这家公司并没有透露具体用到什么技术。新西兰奥克兰大学的教授格兰特·乔维奇和约翰·鲍埃斯提出了更科幻的动态充电设想：在公路下面埋设很多充电线圈，这样车就可以边走边充电。既然随时在充电，那么车上的电池就不需要很大，节省了空间和重量。不过，想想看，整条公路都要挖坑埋线圈，肯定需要大笔砸钱才行。

这些例子都是利用几十、几百千赫（kHz）或几兆赫（MHz）的电磁波来传送能量，距离只有几米，功率最多几千瓦，小打小闹。整个电磁波谱那么宽，用更高频率行吗？行呀。用高频率的微波和激光还有一个很大的好处，那就是方向性好，传播距离远。在前面说到的应用里，其实都用到了屏蔽材料，把低频的电磁场限制在线圈附近，尽量减少对外部的辐射，既避免损耗又保证使用者的身体健康。而微波和激光就不需要这样的屏蔽。下面就详细说说地球人真正像点儿样的无线能量传输技术。

先说微波。1941年，一部短篇科幻小说《推理》问世，作者是科幻史上的三巨头之一艾萨克·阿西莫夫。故事的场景是一个在太空中收集太阳能的空间站，这座空间站把收集到的能量用微波传送到周围的行星。小说问世大概30年后，美国航天工程师彼得·格雷泽提出了太阳能发电卫星的概念卫星的太阳能电池板收集能量，然后用微波把能量传送回地面。这样做的好处是太空中的太阳光更强，而且可以24小时不间断。问题来了，在这位工程师的设想中，卫星上发射微波的天线要1平方千米那么大，把这么大的东西送上太空并不容易，而且地面站需要更大尺寸的微波接收天线。20世纪70年代末，美国能源部和美国航空航天局评估了这个项目，结论是未知因素太多，无法准确判断。20世纪90年代，美国航空航天局重新评估它，结果还是一样，要等到航天发射变得很便宜时才有可能。日本科学家并不这么想，2014年，日本宇航研究开发机构（JAXA）的教授司理佐佐木撰文曝料，日本要在25年内把太阳能卫星变成现实，计划在东京湾建造一个拥有50亿台微波天线的、3千米长的人工岛，用来接收卫星发射的微波束。为什么日本如此急切？第一，日本没有多少石油资源;第二，日本缺少可以利用风能、太阳能的辽阔土地;第三，福岛核电站的事故让人对核电很害怕。他们并没有纸上谈兵，2015年3月，三菱重工成功进行了一次功率10千瓦的微波能量传输实验，传送距离500米。

发射太空飞船是利用微波能量传输的另一设想。位于科罗拉多州的初创公司“逃逸动力学”（Escape Dynamics）专门研究利用微波为飞行器无线传输能量。他们的目标是实现以微波辐射为动力的太空飞行。太空飞船在起飞和飞行过程中受到地面微波站的辐射，从而获得动力，无须使用传统的化学燃料。太空飞船使用热推进器，以氢作为工作流体氢以液体的形式储藏于一个低温罐内，里面出来的氢气经由涡轮泵加压到150个标准大气压，然后进入热交换器;热交换器吸收微波能量，把氢气加热到2000 ℃，最后从喷管喷出，从而推进飞船飞行。顺便提一句，热交换推进技术并不是什么新发明，有兴趣的读者可以上网搜搜20世纪60年代的火箭飞行器核引擎（NERVA）。

他们设想的发射情节是这样的：飞船直立在发射台上，旁边的起始段微波站开始照射飞船，提供动力，使飞船起飞。飞行起始段结束后，位于200千米外的助推段微波站接力，继续为飞船提供动力，将其送入地球轨道。释放诸如卫星之类的载荷后，飞船滑翔返回，最后水平着陆。返回大气层时摩擦产生的高热可以继续为热交换器提供能量，从而产生飞行动力，这样有利于控制滑翔姿态，使之安全着陆。

需要什么频率的微波呢？研究人员把微波频率初步定在92千兆赫（GHz）。微波功率要多大呢？这取决于飞船的重量。在初步设计中，飞船加上载荷大约1吨重，还没一辆家用轿车重，所需的微波功率大概是400兆瓦。假设微波源的效率是50%，那么电网就要提供多1倍的电力。在电网和微波站之间还需要一个储藏电力的中转站，发射的时候，中转站在飞船起飞阶段，大概5分钟提供65兆瓦时的能量。这时候如果鸟群不幸飞过微波束，不知道会不会瞬间变成“炸鸡”。公司的科学家计划使用发射功率为500千瓦的微波源，要达到400兆瓦的微波功率，就需要800个微波源。即使几个微波源共用一个天线，那也需要上百个微波天线来组成相位阵列，可比小说《三体》里的红岸天线壮观多了。

讲了半天，这些都是凌云壮志。现在进展到哪里了？2015年夏天，科学家验证了比冲达到500秒的热交换引擎，高比冲意味着推进系统的高效率。另外，他们成功演示了用微波为小型无人机提供10千瓦至20千瓦的飞行动力。无人机自由地飞来飞去，微波天线可以自动跟踪。他们还研制出了100千瓦的微波源，准备进行千米距离上的能量传输实验。

在太阳能发电卫星和发射太空飞船的例子里，可以用激光代替微波。激光的方向性更好，能量密度也更大。具体说呢，就是把激光器作为发射端，光伏电池板作为接收端。这不是和太阳能发电很像吗？是的，不过激光的能量密度要大得多，而且可以发射到指定位置上，即使夜晚也可以用。利用激光传输能量的设想早在20世纪70年代就有了，如今，人们已经梦想了各种应用，涵盖陆、海、空、太空。太空中，卫星、飞船、空间站或是月球车都可以用激光束来充电，光束来自地球或是太阳能发电卫星。同样，激光还可以为无人机提供动力，甚至给海底的潜水艇或传感器充电。陆地上，在没法铺设输电线路的特殊地区或是危险的战场，小到士兵身上的电池，大到前线基地，都能接收地面或太空中激光器提供的能量——越说越像让我们高山仰止的外星科技了。

现实还处于初始阶段。2003年，在美国航空航天局马歇尔太空飞行中心的大楼里，人们成功试飞了一个小型飞行器，首次实现了纯粹以激光束为动力的飞行。实验中，工作人员用功率1千瓦的红外波段激光照射一架小飞机。飞机底部的光伏电池板把红外线转换成电能，为一台6瓦的电动机供电，给飞机提供飞行动力。美国航空航天局为了推动无线能量传输的发展，举办了一系列能量束挑战赛（Power BeamChallenge），要求参赛者设计一个能够攀爬绳索的机械装置，动力来自地面的无线能量传输。绳索有1千米长，由一架直升机悬吊在空中。这其实是在模拟太空电梯。2009年，激光动力（LaserMotive）公司胜出，获得了90万美元的奖金。现在，这家公司正致力无人机的激光能量传输技术。

回到本文的标题。和开着飞碟四处溜达的外星人相比，地球人还在蹒跚学步。或者换句话说，我们还处在玩模型飞机的水平。千里之行，始于足下，2015年7月，美国航空航天局把微波推进绘入了未来推进技术的蓝图。如果能够成功，无线能量传输会给太空探索带来很多好处：首先，太空飞船可以反复使用，费用远低于传统的多级化学火箭;其次，因为无须点火，所以发射起来更安全;最后一点，无论是采用激光还是微波，能量都来自电力，不需要任何燃烧，发射与飞行不产生温室气体，低碳环保。

无线信号传输篇6

韦根 (Wiegand) 协议是一种标准的通讯协议。它在门禁系统的读卡器领域被广泛应用。通常, 韦根协议中信号是通过三根导线进行有线传输。本文提出了对韦根信号进行无线加密传输的实现方案, 该方案能提高韦根协议在便携式读卡器或者安防门禁系统中应用的灵活性。

1.1 韦根信号格式

韦根协议规定, 信号从读卡器到应用终端之间通过两根数据线DATA0、DATA1以及一根地线来传输。如图 1所示[1]。

在没有传输数据时, DATA0和DATA1都处于5V高电平状态, 当DATA0出现一个负脉冲时, 则代表传输信号"0";当DATA1出现一个负脉冲时, 则代表传输信号"1"。图 2为韦根信号波形示意图。其中, 负脉冲的维持时间t的值一般在几十微秒到几百微秒之间, 典型值为300微秒;相邻两次脉冲相隔的时间T的值在几百微秒到几毫秒之间, 典型值为1800微秒。

根据数据位数的不同, 韦根信号可分为W26、W34和W50等几种格式, 其中W26是最常用的一种格式。W26格式的一个韦根码由26位二进制数组成, 各位数所代表的意义如表 1所示。

1.2 无线加密传输方案

本文设计方案的框图如图 3所示。整个系统由左边的加密系统和右边的解密系统两部分组成。图中小括号的内容表示传输数据的宽度。

在①中, 读卡器读取非接触式智能卡的信息, 并将数据以W26的格式输出。图中"1bit"表示W26数据的宽度是1位, 即串行数据。②和③被虚线框M框住, 这两部分的功能由单片机AT89C2051实现。在②中, 串行的26位韦根信号被单片机读取, 并保存为宽度为8bit的数据, 共4字节。在③中, 单片机对数据进行加密处理, 并通过无线传输通道A把加密后的数据 (即密文) 传送给解密系统。在加密数据前, 单片机要通过通道A向解密系统请求密钥 (即加密数据所需要的特定代码) 。而解密系统则通过无线传输通道B向加密系统回送一个8位的密钥。密钥是256个不同值的8位代码, 这些代码保存在解密系统中。同一个密钥要经过255个有效的密钥请求后才会再次出现, 这样就保证同一张非接触式智能卡的加密信息要经过255次有效传输后才会出现相同的传输数据。上述加密机制, 能防止无线传输数据被他人盗取或伪装合法数据来入侵应用终端的现象。⑥和⑦被虚线框N框住, 该两部分的功能也是由单片机来实现。在⑥中, 单片机对来自无线通道A的数据进行解密, 并把解密后的数据还原成韦根格式信号, 最后输出至应用终端。数据解密所用到的密钥由单片机自身查表产生, 该密钥同时也受加密系统的请求通过通道B传输给加密系统。

在④和⑤中, 无线传输通道A和B的结构一致, 其构成框图如图4所示。传输通道由左边的数据发送部分和右边的数据接收部分构成。通常, 民用的无线发送模块是采用315MHz或者433MHz的载波频率。为了区分使用相同载波频率的不同发送模块的信号, 数据被发送前需要进行特定的编码。数据被接收模块接收后则要先经过特定的解码, 从而判断此信号是否是所需要的信号。

数据的编码和解码的方法很多, 本文采用专用的编码芯片PT2262和解码芯片PT2272完成数据编、解码。这种做法比通过单片机软件实现编码、解码, 更容易以更低的成本实现更好的性能。

2 硬件电路设计

2.1 无线发射模块

图 5是一个典型的无线发射模块电路, 该电路采用ASK (Amplitude Shift Keying, 幅移键控) 方式调制, 采用SAW (Surface Acoustic Wave, 声表面波) 谐振器稳频。当采用不同频率的谐振器时, 发射模块具有不同的发射频率, 一般采用315MHz或者433MHz的发射频率。当采用直流5V的工作电压时, 该模块具有100～200米的空旷地传输距离。此外, 输入信号可直接采用TTL电平的数字信号, 而且, 模块具有工作电压范围宽、功耗低、性能稳定、价格便宜等优点, 因此该模块非常适用于要求不高的无线数据传输系统。

2.2 无线接收模块

图 6为超再生接收模块的典型电路, 该电路的信号输出为TTL电平。它与上述发射模块搭配, 即可实现数据的无线收发。实验表明, 当两者的工作电压均为5V, 两者在同一室内且相隔5米, 则数据传输带宽达10kHz。本设计方案要求的数据传输速率为2kbit/s, 故采用此无线发射和接收模块能很好地满足设计要求。

2.3 数据编码、解码电路

本文采用普诚科技有限公司的专用编码芯片PT2262[3]和解码芯片PT2272[4]实现数据编、解码。

PT2262的应用电路如图 7所示。A0～A6为地址线, 它们可分别设置为高电平、低电平或悬空状态。D0～D3为数据线, 它们只能区别高电平或低电平的数据输入。特别地, 当用于5bit数据的编码时, 则芯片第8引脚作为数据线D4使用;当用于4bit数据的编码时, 则其作为地址线A7使用。另外, 电阻R为编码芯片内部时钟频率的调节电阻, 要使编码芯片与解密芯片能正常工作, 它们的时钟频率必须匹配。/TE为编码的控制引脚, 当该引脚输入低电平时, 芯片开始对地址线和数据线编码, 编码数据从DOUT输出。此数据可直接送至无线发射模块。

PT2272的应用电路如图 8所示。该芯片具有多种不同的后缀并各代表不同的输出功能, 如后缀L4表示具有4bit数据的锁存输出, L5表示具有5bit数据的锁存输出, M4则表示具有4bit数据的非锁存输出。本文的设计采用了L4、L5两种后缀的芯片。待解码的数据从DIN输入, 如果该数据的地址与此芯片的设置地址吻合, 则数据线D0～D4将输出相应的数据, 此外VT也会输出一个正脉冲。单片机可利用此脉冲判断解码芯片是否有新的合法数据可供读取。

2.4 单片机控制电路

单片机控制电路包括两个完全分离的加密电路和解密电路。加密电路如图 9所示。电路的核心是IC1 AT89C2051单片机[5]。该类型单片机具有体积小、价格便宜、开发简易等优点, 而且它所具有的资源恰能满足本设计方案的需求。

由读卡器输出的韦根信号DATA0、DATA1分别从IC1单片机的外部中断/INT0和/INT1输入。采用中断方式接收韦根信号能有效适应不同脉冲间隔宽度的韦根协议, 从而保证数据的准确接收。P1口的低四位 (P1.0～P1.3) 以及P3.7引脚用于无线传输通道A的数据传输, 此五根引线直接与编码芯片IC2的数据线连接。P3.4与IC2的传输使能端连接, 实现编码的启动控制。P1口的高四位 (P1.4～P1.7) 读取解密芯片IC3的数据, P3.5与IC3的传输有效端连接。当IC3接收到有效的数据时, VT将输出一个正脉冲。单片机通过查询VT的电平来判断是否有数据要求输入。IC3、IC2分别通过一根数据线实现与无线模块M1、M2传输数据。

解密电路如图 10所示, 电路同样以AT89C2051单片机作为核心。特别地, 单片机通过外部中断/INT0判断VT的下降沿, 实现数据的接收。通过P3.4和P3.5输出模拟生成的韦根信号, 该信号的数据与加密电路中读卡器的输出数据一致, 只是信号的脉冲宽度可能会有差异。但这个差异一般不会影响应用终端对信号的识别, 这是因为韦根协议一般不对韦根信号的脉冲宽度和间隔作严格的规定, 它们允许有一定的差异范围。

3 加密、解密算法的实现

3.1 加密运算

加密的运算过程如图 11所示。

Step1中, 26位的韦根码被分成4部分, 前3部分是三个字节a1、a2、a3, 第4部分是a4。但a4的后6位被"1"补充, 以构成一个完整的字节, 便于统一运算。

Step2中, a1、a2、a3和a4分别与四个8位代码F1、F2、F3和F4按位进行异或运算, F1～F4是预先设置的四个代码。

Step3中, 异或运算后的数据分别循环左移S1、S2、S3和S4位, 其中S1、S2、S3和S4分别是由密钥转换成的4位数据。密钥则是通过向解密系统无线请求获得。经过循环左移后的数据分别为b1、b2、b3和b4。

Step4中, b1、b2、b3和b4分别被分成高4位和低4位两部分。被拆分的数据最终是八个4位数据, 分别是P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7和P8。8位的数据被拆分成4位数据是为了便于使用编码芯片PT2262直接对数据进行编码, 然后通过无线发送模块发送数据。

3.2 解密运算

解密运算的过程恰好是加密运算的逆过程, 不同点在于要把step3的循环左移变成循环右移。

3.3 密钥的产生

本设计方案加密机制的好坏, 关键体现在密钥的产生方式。本系统中, 256个不同的密钥被预先保存在解密系统的只读存储器中。密钥的传输和转换过程如图 12所示。

Step1和step2中, 当解密系统的单片机收到来自加密系统单片机的密钥请求信息后, 单片机会按一定的顺序读取其中一个密钥S, 并把S与预先设置的固定代码f按位进行异或运算, 然后通过无线传输通道发送给加密系统单片机。Step3中, 加密系统单片机收到数据后, 把数据与代码f按位进行异或运算, 此异或运算目的在于还原密钥S。Step4中, S分别与预先设置的固定代码f1和f2按位异或运算, 此异或运算的目的在于把一个密钥分为两个不同的密钥。Step5中, 上述两个字节的密钥分别被分成高4位和低4位两个部分, 从而产生四个4位的移位信号S1、S2、S3和S4, 供加密数据使用。

4 软件设计

加密系统的软件功能包括:读取并判断外部输入的韦根信号, 请求密钥并加密韦根信号, 以及传输加密后的信号。程序的流程图如图 13所示。

解密系统的软件功能包括:接收加密系统的密钥请求和密文数据, 产生密钥, 解密密文数据, 还原韦根信号。程序的流程图如图 14所示。

5 结束语

实验表明, 本文的无线加密系统能正确传输韦根数据。

设计方案中, 采用应用广泛的无线数据传输模块和专用的编码、解密芯片实现无线数据传输通道, 既保证了数据传输性能的稳定, 又有效控制了系统制作的材料成本。采用"双工"的无线传输方式, 实现密钥的动态同步更新, 使得数据的防窃听、防复制的能力更强。本文的设计, 改变了通过有线方式传输韦根信号的传统做法, 首次提出对韦根信号进行加密无线传输的方案, 该方案具有较强的实用价值。

摘要：介绍了韦根协议和W 26 (wiegand26) 韦根码的特征, 设计了无线加密传输W 26韦根码的实现方案。方案的硬件电路包括无线数据收发模块、专用编码/解码集成电路和单片机加密/解码控制电路三部分。分析了数据的加密/解密算法和单片机程序流程图。

关键词：韦根,编码,加密,无线传输

参考文献

[1]岳云峰, 王睿, 孙海涛.韦根 (Wiegand) 协议及其应用[J].齐齐哈尔大学学报.2002, 18 (2) :56-8.

[2]谢刚.多用途DF无线数据收发模块[EB/OL].http://www.xie-gang.com/df.htm, 2008-05-20.

[3]Princeton Technology Corp..Remote Control EncoderPT2262[EB/OL].http://www.princeton.com.tw/, 2008-05-20.

[4]Princeton Technology Corp..Remote Control DecoderPT2272[EB/OL].http://www.princeton.com.tw/, 2008-05-20.

无线信号传输篇7

1 系统总体结构

系统设计结构简单,体积小,单独携带或者附在其他物体上面,整个系统包括天线设计在一块电路板上,在目标物体落在既定地点后,通过一定的外部“事件”触发单片机工作,限于信号源体积和重量,器件体积和器件功率较小,这样可以通过匹配电路的设计使天线能在功率较小的情况下传输比较理想的距离,单片机在控制CC1100工作时使用中断形式,使信号间断性的发送,比如每隔5 s发一次或每隔5 min发送一次等,来延长信号源发送信号的时间,最大化利用电源,便于寻找目标物体。系统整体框图如图1所示。

本系统由控制模块、信号发生模块、功率放大模块和天线四大部分组成,单片机发送控制字控制CC1100芯片产生一个稳定的400 MHz频率的正弦信号,通过设计在PCB板上的微带天线传输出去。

2 硬件电路设计

系统的核心是单片机和信号发生模块,控制模块采用低功耗的单片机PIC16F690作为控制芯片,信号发生模块采用TI公司的无线收发芯片CC1100。控制芯片通过I/O口与无线收发芯片进行数据传输[2]。

2.1 信号源硬件设计

CC1100是美国TI公司生产的一种低成本、超高频真正单片的UHF收发器,为低功耗无线应用而设计。芯片电路主要设定在315 MHz,433 MHz,868MHz和915 MHz四个ISM (工业、科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段上,也可以容易的设置为300 MHz-348 MHz、400 MHz-464 MHz和800MHz-928 MHz的其他频段上[3]。RF收发器集成一个高度可配置的调制解调器,支持不同的调制格式,其数据传输率可达到500 kb/s,通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项,性能可得到极大提高。CC1100串口通讯方式,提供多达256个信道[4]。

CC1100的工作方式可以针对不同的应用进行配置,以达到最优性能。配置通过SPI接口设定内部寄存器的值来实现。主要参数包括:RF输出功率、接受/发送模式、RF信道选择数据率、调制格式、RX信通滤波器带宽、FIFO数据缓冲、数据包通信硬件支持、交错前向误差校正数据白化等。对应寄存器的设定值可以通过Chipcon公司的SmartRF Studio软件计算得到[5]。其典型电路图如图2所示。

本系统设计采用的PIC16F690单片机是由美国Microchip公司采用纳瓦技术生产的20引脚内嵌CMOS闪存的8位单片机[6]。该芯片具有高性能精简指令集的CPU,具有精准的内部振荡器,出厂时精度已校准到±1%,其内部集成有2个模拟比较器、2个软件定时器、10位分辨率和12路通道的A/D转换器和增强型PWM+模块,接口电路支持UART、SPI等通信模式,具有极其丰富的硬件资源,可以满足大多应用场合需求。同时采用20个引脚的PDIP封装I/O口线体积小、价格低并可片上在线调试[7],其控制和信号发生电路图如图3所示。

在信号源附加到目标物体上后,电源开通供电给单片机,单片机处于低功耗状态,CC1100和功率放大部分没有供电,单片机的两个I/O引脚由导线连接,并在其中引脚RC2输出高电平,单片机通过检测另一个引脚RC1的电平变化,当其电平由高变低后单片机退出低功耗,系统开始工作。开关即作为外部触发中断源,一定条件下连接线被断开。PIC16F690具有低功耗唤醒功能,待机电流在2.0 V时典型值为50 nA,时钟频率4 MHz、工作电源电压5 V时,其工作电流小于1 mA,能够满足于无线通信终端的低功耗要求。

2.2 电源模块电路设计

系统设计中,电源模块是系统设计至关重要的因素,考虑到设计中各个模块的电压要求,系统电源使用LINEAR公司的LT1963A系列的LT1962A-3.3电源芯片,LT1963A-3.3芯片具有快速电压变换、LDO和极低的输出噪声,能够固定输出3.3 V稳定电压和1.5 A电流,其静态电流为1 mA电源模块电路设计示意图如图4所示。

本系统采用5 V电源,供给单片机的电源芯片U3直接输出3.3 V电压,供给CC1100和功放模块的电源芯片使能端SHDN引脚接单片机I/O口,当单片机中断触发后退出低功耗产生一个高电平通过I/O口发送给引脚SHDN电源芯片开始工作。

2.3 功率放大电路、滤波电路和天线的设计

功率放大芯片采用Mini-Circuits公司的GA-LI—74芯片,是表面装载单片放大器,具有高动态范围,放大频率可以从直流到1 GHz,最高增益可以达到25.1 dB,并具有低噪声指数(<2.7) dB,价格低廉。滤波电路采用LC振荡电路,可以节约成本。由于天线是使用的PCB板微带天线,电路板本身体积很小,为保证天线长度,天线需要做成弯曲状态,对天线匹配电路设计可以在发射功率不是很大的情况下传输距离达到最优。通过对天线的仿真设计,设计出的天线可以达到本设计的要求,其天线示意图如图5。

3 系统软件设计

本文采用C语言对单片机和CC1100编程,通过对单片机I/O口RC0和RC1编程,RC0引脚作为输出端口,RC1引脚作为输入端口,单片机检测RC1引脚的电平,目标落地后,引脚RC0和RC1之间的连线断开,RC1引脚的电平由高变低,单片机由中断触发开始工作。系统产生的固定频率信号由程序设置。系统流程图如图6。

4 测试结果

图7为设计信号源产生的信号频谱图,由信号的频谱图可知信号源的输出频谱在-10dB的带宽约为400 K,其中心点400 MHz输出功率为-2.16dBm,换算成功率约为608 mW,考虑到信号接入频谱仪之前进行了30 dB(1 000倍)的衰减,即信号输入时功率大约为0.608 W,这个功率可以实现近距离传输。信号在中心频率400 MHz左右没有杂散的信号,输出信号频谱较为纯净。

系统在室外进行了一系列的测试,在测量中使用的军用全向性天线放置在相对地平面高度约220米的山顶上面,系统放置在地平面的车上,通过移动变换位置测试信号强度。在山顶上面使用对讲机做辅助测试工具。使用GPS导航仪定位信号源和接收天线的位置,并计算出两者之间的直线距离。

由表1可以看出本系统在地平面上距离山顶约5 公里处可以使用全向性天线和对讲机收到本系统的信号频率,在6.8公里处对讲机收不到信号,全向性天线可以收到信号,但是信号强度较弱。

5 结束语

通过对信号源的测试及结果分析可知,信号功率可以满足作为信源的需求。本信号源体积小、重量轻、功耗小,适于电池长期供电,具有结构简单、输出频率可编程、安全稳定可靠的特点。外表形状可以自行设计并可以加载其他天线,可以作为一般的无线收发设备应用。

参考文献

[1]李丽军,王代华,祖静.基于CC1100的无线数据传输系统设计.国外电子测量技术,2007;26(12):42-45

[2]周雅,焦晓波,郭利辉.无线传输芯片CC1100在继电器控制系统中的应用.许昌学院学报,2009;28(5):38-40

[3]邓专,陈维,王春麟.射频收发芯片CC1100极其应用.机械工程与自动化,2007;(6):168-169

[4]孔凡军,李季平,杨伏华.基于CC1100的无线传输系统设计与实现.中国通信学会第五届学术年会论文集;北京:电子工业出版社,2008:676-679

[5]曾滔,陈伟,胡啸.无线通信模块CC1100在油品运输车辆数据采集中的应用.福州大学学报(自然科学版),2008;36: 166-170

[6]李路,严明,何友国.基于PIC单片机的无线报警系统设计.通信技术,2011;44(3):48-50

无线信号传输篇8

关键词：无线网络传输,调车计划,站场状态信息作业系统

1概述

1.1立项背景

湛江港铁路分公司担负着湛江港进出货物运输的重担,近年来,随着湛江港吞吐量的逐年攀升,公司的拖运量也急剧增长,2012年已达3400万吨,日均装卸车辆近1800辆,各个调车场及线路之间的调车作业越来越繁忙,现场作业情况日趋复杂,提高调车作业效率和安全管理显得尤为重要。但在实际调车作业管理中,站场信息的传递一直采用人工传递、对讲机通知等传统的方式来进行,存在时效性差、过程复杂、准确性差、效率低等缺点,调车人员经常不能及时准确地站场状态信息, 直接影响调车作业效率,存在一定的安全隐患。

因此,为了适应港口铁路运输生产的快速发展需求,技术人员设计开发站场状态信息无线上机车系统,通过采用先进的信息技术手段来改变传统调车作业信息传输方式,来提高调车作业的效率,以降低生产成本,保证生产作业安全,提升企业的信息化管理水平。

1.2主要实现功能

1)系统通过无线网络下发调车作业计划及计划的执行情况、站场状态数据到机车上,使机车司机及调车人员及时获得相关数据;

2)车载终端显示器上可实时显示站场状态图、股道占用情况、道岔位置及信号机状态;

3)车载终端根据站场状态变化情况及调车作业计划的执行情况,计算出本车列的位置,进而搜索到本车列前方信号机的状态,并可对前方信号机状态进行语音播报,为司机提供行车参考;

4)通过数据接口,可将车载终端数据外发给机车监控设备,实现数据的共享,提高作业的安全系数;

1.3系统实现原理

首先,系统中的信号数据采集网关通过串口每0.5秒采集一次信号微机联锁系统的站场状态数据,并通过以太网传输给信号数据采集服务器,该服务器将数据进行优化压缩后,将新的数据包经过通信服务器送达无线传输基站,然后通过无线网络群发至各个机车,另一方面,调车作业计划及计划的执行情况,则根据该数据的现场执行情况,直接与通信服务器联系,并送达无线传输基站,同样通过无线网络群发至各个机车。车载设备收到数据包后对其进行解析,显示出相应的调车作业计划,并实现热敏纸打印,站场状态信息部分通过与上一次接收到的数据进行比较运算,推算出机车的所在位置,在结合机车的运行方向,从而判断出机车运行前方的信号机状态,并实时显示以本机车为中心点的站场状态图,有利于机车司机确认前方信号,熟悉整个站场的线路占用情况,进一步促进调车安全。

2技术方案

采用目前最先进的MDS全数字化数传电台技术,单独申请200Mhz的无线频段,自主进行软件开发,来实现站场状态、调车作业计划数据的高速、稳定传输。

2.1实施方案

以下是该方案的系统设计图:

整个系统由地面系统及车载系统两部分组成。

2.1.1地面系统

地面系统由信号数据采集网关、信号数据采集服务器、通信服务器、无线传输基站等设备及软件组成。各自的功能如下:

1)信号数据采集服务器

信号数据采集服务器负责收集来自信号微机联锁系统的状态数据,在对数据进行解析并压缩后,将数据通过以太网发送给通信服务器。该服务器对站场信号状态数据的压缩是一项关键技术。该服务器每隔0.5s获取一次站场状态数据,获取到数据后,进行数据的解析、压缩打包、转发。设备图如下:

2)通信服务器

通信服务器采取了主备机模式,主要职责是对各项数据 (包含站场信号状态数据、调车作业计划及执行情况数据)进行通信管理,运行的软件作为数据通信服务端软件,是系统有线数据与无线数据转换的枢纽。通信服务器主机与备机始终处于热备状态,一旦主机出现故障,系统自动切换到备机上。设备图如下:

3)无线传输基站

无线传输基站由数传电台(MDS)、反馈系统、UPS不间断电源和机柜组成,主要接收及发送数据。无线传输基站空中速率可达19200bps,传输距离10Km。设备图如下:

4)信号数据采集网关

信号数据采集网关负责将信号微机联锁系统每0.5s提供的串口信号数据转换成以太网接口数据,实现与信号微机联锁系统的安全隔离,并信号状态数据远距离传输给信号数据采集服务器。联锁数据采集网关工作在TCP client模式下,上电后即主动连接信号数据采集服务器。设备图如下:

5)安装使用的开发软件

根据各硬件设备在地面系统中的不同作用,开发了与其作用相匹配的软件:

信号数据采集服务器上配备的软件功能:

实时接收信号数据采集网关的站场信号状态数据,并对该数据分析处理后,压缩传给通信服务器,可对通信服务器反馈的信息进行分析,记录在历史记录中。

通信服务器上配备的软件功能:

实时接收调车作业计划发送、执行客户端、信号数据采集服务器、无线传输基站传来的各种数据,对数据进行分析处理, 再发送到相应的端口,并记录数据的接收、转发、反馈等情况, 以便进行数据分析。以下软件界面图:

调车作业计划客户端配备的软件功能:车站调度员编辑、修改、打印调车作业计划,并有将调车作业计划下发到机车车载终端,显示反馈回来信息的功能,以下是界面图:

2.1.2车载系统

车载系统由车载终端、无线数传电台、外发数据接口等设备组成。

1)车载终端

车载终端负责接收地面系统传输的站场状态数据及调车作业计划数据,并在车载终端显示器上显示站场图、股道占用情况、信号机状态以及调车作业计划信息。

车载终端显示器具有触摸操作功能,能够方便的进行人机交互操作。

车载终端内装有高速热敏打印机,可根据需要打印调车作业计划。

2)车载终端机操作界面

1主界面:

图7中,左上角为机车号码信息及调车作业计划信息,左上方的“时刻”与“信号”显示站场状态刷新时间及机车前方两信号机的状态。右上角显示系统时间及具体的计划内容。图片下方黑色区域显示站场状态图。

2站场平面图全屏模式

2.2关键技术

1)系统的车载终端设备采用嵌入式Linux开发平台,使用了三星公司生产的32位处理器ARM9 S3C2440,运算速度快 (主频400MHz,最高533MHz),寻址能力强(4G寻址空间)。

2)为了提高系统工作可靠性,系统通信服务器采用双机主从热备冗余方式,保证始终有一台服务器处于通信连接状态。

3)车载设备的显示控制器使用符合工业标准的高性能数据传输低压差分信号传输(LVDS)显示控制总线,抗干扰能力强。

4)为了保证机车车载设备能够及时反应站场状态情况,本项目采用了数据压缩技术和无线时间同步技术,保证站场数据的实时更新。

2.3技术创新点

1)基于32位处理器ARM9和嵌入式Linux开发平台,通过自主软件开发了多功能车载终端,实现了站场信号等数据的实时分析纠错,并在该终端上实现站场状态图形化的实时显示。如图9:

图9中有调车作业计划显示界面及站场状态图显示界面, 站场状态图中实时显示股道占用情况、信号机状态及进路状态。(股道红色表示股道有车占用、蓝色表示股道空闲、白色表示允许机车通过该进路)

2)通过整合调车作业计划和执行信息以及站场轨道电路实时信号,计算出机车的定位信息,解决了机车的准确定位问题。

机车定位原理图如下:

定位原理介绍:车站调度员完成调车作业计划编辑后,车站信号员根据该计划的执行情况,排好机车运行进路,并及时执行计划,软件自动将机车将进入的轨道、机车方向发给机车, 车载终端收到该数据后,计算出机车将进入的轨道区域,再实时获得站场中的进路排路数据,系统明确了机车将哪条进路运行,一旦收到该进路的轨道电路变化数据,可确定机车车列在该段轨道上运行,就可及时显示机车位置及按运行前方的信号机状态进行语音提醒。

区别于GPS定位:GPS定位精度在10米左右,受天气、环境影响较大,而股道线路间距标准为5米,站场中股道密集,GPS定位很容易错判机车位置,定位机车在错误的股道上,从而影响机车司机正确地识别。

3与同类产品的比较

本项目与当前大部分企业铁路沿用的信息系统相比,技术先进性、实用性更具优越:

1)采用最新的无线数传技术,实现了数字化信息的高速、稳定传输。

2)多功能车载终端采用嵌入式Linux系统,集成度高,触摸屏操作,启动时间短,响应速度快,运行稳定。

3)车载终端电源模块采用的超宽压输入技术,输入电压范围40~160V,在机车启机时,低电压都可正常使用。

4)提供了多种数据接口(包括串口、以太网口等),满足各种数据连接的需求。

4项目的应用推广前景

无线信号传输篇9

2008年工业和信息化部发布了中国超宽带(Ultra Wide-band,UWB)频谱规划,推进了UWB技术在中国的推广应用。UWB技术作为一种新型的短距离、高速率无线通信技术,其传输速率可以达到480 Mb/s以上,UWB技术已经成为视频设备和便携多媒体设备等需要高品质视频传输的技术基础[1]。UWB信号无线传播环境的特性是UWB通信系统研究的基础[2],建立能够真实反映UWB信号传播特性的信道传播模型是进行UWB系统设计的首要任务[3,4]。

在UWB无线视频传输环境中,无线发射模块发射的UWB信号在传播路径上往往会遇到多个障碍物。利用时域一致性绕射理论(TD-UTD)的方法可以分析UWB信号经历单个半平面、劈形和圆形障碍物绕射后的时域传播特性。TD-UTD方法也能够被应用于分析UWB信号经历多个障碍物后的时域传播特性,但是利用TD-UTD理论分析过渡区的传播特性时,需要引入复杂的高阶绕射项[5,6,7]。因此,TD-UTD方法无法分析障碍物数目比较多的多重绕射模型。文献[8]利用物理光学(PO)在分析多重绕射时的优势,提出了一种利用UTD理论和PO方法的混合方法,并利用这种混分方法在频域内研究了多重绕射的绕射系数。本文将频域内UTD-PO方法推广到时域,利于时域UTD-PO方法分析UWB信号在典型传播环境下经历多个障碍物后的时域传播特性。该方法利用PO方法中的递推关系代替过渡区内的高阶绕射项,在时域内分析了Bertoni模型[6]的多重绕射系数。利用简单的卷积运算,可以预测接收点的UWB信号,从而分析无线视频传输系统中UWB信号的多重绕射传播特性。

1 UWB信号的多重绕射传播模型

在本文研究的无线视频传输环境中,UWB信号多重绕射传播模型如图1所示。N个障碍物被等效成平顶长方形的结构体,这种结构体的障碍物可以看成由两个直角劈拼接而成,横截面的宽度为v,同时假定具有相同的高度hb,相邻障碍物之间的距离都为w,天线的高度为ht,距离第一个障碍物的距离为d。接收设备的高度为hr,放置于第n个障碍物和第n+1个障碍物之间,距离第n个障碍物的水平距离为dr。从发射模块发射的UWB信号以入射角为α的平面波入射到这排障碍物上。从图1中可以看到,UWB信号在到达第n个障碍物右顶点后会经历两条不同的路径(路径长度分别为d1和d2)后抵达接收模块。

2 频域模型

文献[9,10,11,12]利用物理光学在分析多重绕射特性方面的优势,利用UTD-PO的混合方法分析超宽带信号经历多个障碍物后的绕射传播特性。该方法利用一组递推关系回避处理UTD理论中的高阶绕射项,提高了运算效率。本文将上述混合方法引入到分析图1所示的无线视频传输系统中,利用基于UTD-PO的混合方法分析上述传播环境时,只需要分析一条射线的简单绕射,通过递推关系能够得出接收点的场强表达式。根据文献[6]的分析方法,图1所示传播环境中参考点的场强E(n)(ω)可以表示为:

其中距离参数Sm=(n-m)(v+w)-w,Sp=(n-p)(v+w)。

式中:k是波数;E0是入射UWB信号的幅度。

UWB信号在平顶障碍物的左顶角的场强Em(ω)可以表示为:

其中距离参数Sq=(m-q)(v+w),Sr=(m-r)(v+w)+w。

Dl(ω,Lm,q)和Dr(ω,Lp,r)是图1传播环境中UWB信号在障碍物左、右顶角的频域绕射系数。根据文献[8],两个绕射系数的参数可以表示为:

3 时域模型

式(1)给出了接收点场强的频域递推关系,利用拉普拉斯变换可以得到时域递推表达式,利用时域递推关系可以分析超宽带信号在图1所示的传播环境下的时域多重绕射传播特性。根据拉普拉斯变换,图1所示的参考点的时域脉冲响应可以表示为:

图1中障碍物左顶点的时域脉冲响应可以表示为:

式中:c代表光速;δ()∙是Dirac Delta函数;s和h分别代表水平极化和垂直极化。ds,h(L,t)是时域UTD绕射系数,可以表示为:

文献[8]给出了时域反射系数rs,h(t)的表达式,文献[3]给出了式(7)中的各项di(t)的表达式:

ϕ和ϕ′分别是式(3)和式(4)中的绕射角和入射角。

UWB信号在到达图1中所示的参考点后,分别经历两条不同路径(路径长度分别为d1和d2)抵达接收模块。因此,接收模块会收到两个在时间轴上分开的脉冲信号,这两个脉冲信号可以表示为:

式中:RH,V是文献[5]中给出的反射系数;d1和d2是从参考点到接收模块经历的两条路径的距离;d1s,h(t)和d2s,h(t)是上述两条路径在参考点处的时域绕射系数。

4 仿真结果

本节利用式(5)来研究图1所示的无线视频传输环境中的UWB信号的多重绕射传播特性。在图1所示的UWB信号的传播环境中,障碍物的高度为hb=2m,相邻障碍物之间的距离为w=1.5m,障碍物横截面宽度为v=0.5m,接收天线的高度为hr=1m,距离左边障碍物的水平距离为dr=0.5m,障碍物的相对介电常数εr=5.5,电导率为σ=0.023S/m。本文中使用的UWB信号是高斯二阶导脉冲信号,其数学表达式为:

式中τ决定信号的脉冲宽度,这里τ=0.1ns。在仿真中,天线的高度参数ht和障碍物的个数参数n可以根据仿真的需要调整。

为了验证上述基于UTD-PO方法的有效性,假设图1所示的传播环境中有2个障碍物,分别用基于斜率绕射场的UTD方法[7](S-UTD)和本文基于UTD-PO的方法来预测图1接收点的接收信号。假设发射模块发射一个水平极化(soft)UWB信号,入射角α=π20,接收模块收到的信号r1(t)和r2(t)如图2所示。从图2中可以看出,用本文提出的混合方法预测的接收点的UWB信号和用基于高阶绕射场的UTD方法预测的信号吻合。因此,本文提出的混合方法能够准确地分析UWB信号在无线视频传输系统中的多重绕射传播特性。另外,尽管经历了两条不同的传输路径,接收模块收到的信号r1(t)和r2(t)在波形上差异很小。这是因为经历路径2(路径长度分别为d2)抵达接收模块的UWB信号在到达第二个障碍右顶点绕射后还需要经历一次反射后才能到达接收模块,而在路径1(路径长度分别为d1)上,接收模块处于深阴影区内。因此,后文在分析抵达接收模块的UWB信号时,只给出了经历路径1(路径长度分别为d1)抵达接收模块的UWB信号r1(t)。图3给出了在上述传播环境中,水平极化(soft)和垂直极化(hard)入射时,接收模块处的UWB信号。从图3可以看出,相同传播环境下,相比垂直极化的入射信号,水平极化的入射信号衰减更为明显。这对设计无线视频传输系统而言有很好的工程指导意义。

接下来在含有4个障碍物的传播环境下调整发射模块所处位置的高度ht,研究不同发射模块位置高度ht下,无线视频传输环境中UWB信号的多重绕射传播特性。假设发射模块发射的信号的入射角α分别为π15和π20时,接收模块处的UWB信号如图4所示。从图4中可以看出,由于障碍物和接收模块都处于发射模块的非视距内(NLOS),随着发射信号入射角度的增加,接收点的UWB信号的幅度有所增加。这是因为在图1所示的传播环境中的参考点处接收到的信号是经发射模块发射的直达信号和经障碍物多重绕射后的信号的叠加信号,随着入射角度的增加,参考点处的接收信号幅度有所增加;接收模块处收到的信号是在经过参考点处信号绕射后的信号,随着角度的增加,绕射信号的强度会增强。因此,在入射角度增加时,接收模块的信号有所增强。另一方面,相比于参考相位点,随着UWB信号入射角度的增加,UWB信号经历的路径长度有所减少,所以在时间轴上入射角为α=π15时入射信号的到达时间会先于入射角为α=π20入射信号的到达时间。

为了说明本文中提出的混合方法在分析无线视频传输环境中UWB信号多重绕射传播特性的优越性,假设图1传播环境中分别含有2个,3个和4个障碍物,发射模块发射的信号入射角为α=π20的入射信号。分别用基于斜率绕射场的UTD方法[7]和本文基于UTD-PO的方法预测图1所示传播环境中的UWB信号多重绕射传播特性,并比较两种方法的运算时间,如表1所示。从表1中可以看出,随着障碍物数目的增加,本文中的混合方法相比基于S-UTD的方法有更高的运算效率。这是因为对于含有n个障碍物的传播环境而言,利用基于S-UTD的处理方法,需要处理22n条射线;利用本文提出的方法,计算过程只需要考虑2条射线(经第一个障碍物左顶角和右顶角绕射后的绕射射线),接收点的多重绕射信号可以看成一组绕射信号的算术平均值。因此,本文中提出的时域方法不仅能够准确地应用于分析无线视频传输系统中含有多个障碍物的多重绕射模型,而且在障碍物数目比较多时,还能够明显节省计算时间。

5 结语

本文在时域内将物理光学的方法引入到一致性绕射理论中,利用这种混合方法能够回避处理过渡区内复杂的高阶绕射项。通过这种混合方法研究了典型Bertoni模型中的时域绕射系数,从而分析了UWB信号在无线视频传输系统中多重绕射传播特性。结果表明这种方法不仅能够准确有效地应用于分析无线视频传输系统中UWB信号的多重绕射传播特性,而且随着绕射障碍物数目的增加这种方法的运算效率更高。

参考文献

[1]张正华,谢敏.UWB无线视频传输关键技术研究[J].现代电子技术,2013,36(11):33-35.

[2]GEZICI S,TIAN Z,GIANNAKIS G B,et al.Localization viaultra-wideband radios:a look at positioning aspects for futuresensor networks[J].IEEE signal processing magazine,2005,22(4):70-84.

[3]ZHOU C,QIU R C.Pulse distortion caused by cylinder diffrac-tion and its impact on UWB communications[J].IEEE transac-tions on vehicular technology,2007,56(4):2385-2391.

[4]QIU R C.A generalized time domain multipath channel and itsapplication in ultra-wideband(UWB)wireless optimal receiverdesign-partⅡ:physics based system analysis[J].IEEE tran-sactions on wireless communication,2004,3(6):2312-2324.

[5]VERUTTIPONG T W.Time domain version of the uniformGTD[J].IEEE transactions on antennas and propagation,1990,38(11):1757-1764.

[6]MCNAMARA D A,PISTORIUS C W I,MALHERBE J A G.Introduction to the uniform geometrical theory of diffraction[M].Norwood:Artech House,1990.

[7]KSROUSOS A,TZARAS C.Multiple time-domain diffractionfor UWB signals[J].IEEE transactions on antennas and propa-gation,2008,56(5):1420-1427.

[8]RODRIGUEZ J V,MOLINA-GARCIA-PARDO J-M,JUAN-LLACER L.A hybrid UTD-PO solution for multiple-cylinderdiffraction analysis assuming spherical-wave incidence[J].IEEE transactions on antennas and propagation,2008,56(9):3078-3081.

[9]LIU P,LONG Y.A new time domain solution for the multiplediffraction of spherical waves by an array of nonperfectly con-ducting wedges for UWB signals[J].Microwave and opticaltechnology letters,2010,52(5):1006-1008.

[10]LIU P,TAN J,LONG Y.Time domain UTD-PO solution forthe multiple diffraction of spherical waves for UWB signals[J].IEEE transactions on antennas and propagation,2011,59(4):1420-1424.

[11]HAN T,LONG Y.Time-domain UTD-PO analysis of a UWBpulse distortion by multiple-building diffraction[J].IEEE an-tennas and wireless propagation letters,2010,9:795-798.

无线传输绿色“太空电” 篇10

环境说：眼下的发电站都“有害”

为了满足生产、生活对电量的需求，人们大力兴建火力发电站。火力发电站主要以燃烧煤、石油、天然气生产电能。利用这种方式发电，电是有了，可滚滚浓烟却污染了空气。环境皱着眉头说：“别再建火力发电站了，否则空气要脏透了。”

鉴于火力发电站污染环境，以及燃料煤、石油、天然气都是不可再生资源，人们不再兴建火电站，改为新建水力发电站。大江大河被拦腰截断，大坝耸立，蓄水成湖。可是，水电站对环境的危害也不可小觑：江河鱼类产卵洄游受阻，有些鱼类直接面临灭绝的危险。水电站还会带来滑坡、泥石流、山崩、地陷等自然灾害。环境无奈地叹了口气，说：“筑坝截流，是断‘水脉’、毁自然的灾害之举，还是让江河自由流淌吧！”

风能作为一种清洁、永不枯竭的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。可风力发电需要占用大片土地，且不稳定、不可控，噪音污染大，影响鸟类。

火电站、水电站都是环境的“敌人”，世界各国为了保护环境，开始建核电站。本想核电站能给人类带来“绿色电”，谁料大地震把日本的核电站震坏了，对环境的危害有过之而无不及。环境痛心地说：“核电站也不安全，会毁家园呀。”

太阳说：我这儿有绿色电，来取吧

难道就没有真正绿色的发电方式吗？眉头紧锁的科学家们仰望天空，太阳微笑着说：“我这儿有绿色电，来取吧……”

受太阳的启示，科学家发明了太阳能电池板。太阳能电池板通过吸收太阳光，将太阳辐射能转换成电能。利用太阳能发电，既不污染环境，也不危害生物，而且太阳能取之不尽，用之不竭。

太阳能发电绿色环保，可也有让人不满意的地方。比如，天黑和阴天时，太阳就不见了踪影。冬天，太阳虽然竭尽全力放射光芒，可与其他季节比起来，能量、热度还是有一定的差距。这些问题都暴露出太阳能发电一个弱点，那就是不稳定。

如果把光伏电板送到太空中，组建一个太空发电站，阳光不就能时时有，电源不就稳定了吗？

没错，你能想到的，科学家们自然也想得到。用太阳能电池板在太空组建发电站的技术也已经成熟，国际太空站的电能就源于一个小型的太空太阳能发电站。可问题是，太空发电站发出的电能如何输送到地球上供我们使用呢？架高压电线输电肯定是不行的。

科学家说：一定想办法把“太空电”输下来

太空发电容易输送难，面对这一难题，科学家们绞尽脑汁：太空发电站的电能无法用架线的方法输送，那能不能用“无线”的方法输送呢？

当然能呀！2001年5月，一位叫皮尼奥莱的科学家在大峡谷一侧，把电能转化成微波（一种电磁波）向大峡谷另一侧的微波接收器发射。微波接收器顺利接收到微波，并将其转化为电能，而且这些电能成功点亮了1只灯泡。这个实验说明，电能是可以用“无线”的方式输送的。

2015年3月8日，日本科学家将1.8千瓦电力（足够用来启动电水壶）以无线方式，精准地传输到55米距离外的一个接收装置。3月12日，科学家又将10千瓦电力转换成微波后输送，其中的部分电能成功点亮了500米外接收装置上的LED灯。

这次实验的成功使得无线输电商业化成为可能，科学家们计划在未来几十年的时间内，在距地面3.6万千米的太空轨道上，建造一座面积达6平方千米的大型太空太阳能发电站，源源不断地为地面上的城市供电。

光纤保护信号传输分析篇11

随着光纤通信和继保技术的发展,继保信号通过光纤传输在电力系统中得到了广泛应用,而保护信号的准确、可靠传输关系到电网的安全稳定运行。

1 光纤接口

光纤保护信号主要采用专用光纤接口、64kbit/s复用通道接口、2Mbit/s复用通道接口3种传输方式。

1.1 专用光纤接口

保护专用光纤接口方式是以光脉冲方式实现信号传递,为64kbit/s速率编码、高速同步通信方式。在这种接口模式下,保护装置输出信号通过光纤接至ODF(光纤配线架),再通过ODF将保护光纤跳线接至指定的OPGW光纤,具体接口通道示意图如图1所示。

优点:简单、中间接口环节少、可靠、抗干扰强。

缺点:不能长距离传输,一般用于50km以内的线路;不能充分利用光纤的频带资源;一旦受外力破坏,保护通道全部中断。

1.2 64kbit/s复用通道接口

在64kbit/s复用通道接口方式下,保护装置输出信号通过光纤传输至通信机房。在通信机房,保护信号先经过数字接口设备的光电转换,然后把64kbit/s保护电信号经PCM(脉冲编码调制)装置变换为2Mbit/s的电信号并通过同轴电缆送至SDH网元,变为2Mbit/s的光信号通过SDH通信网传输。其接口通道示意图如图2所示。

优点:可充分利用光纤的频带资源;能利用SDH通信网的自愈能力,提高可靠性。

缺点:增加了PCM设备,接口复杂,增加了传输时延;保护信号与其它数据业务复接后在同一个基群传输,其它业务的不正确操作会影响保护信号的正确传输,因此实际电网中,多让一路保护信息独享一个基群传输(不和其它数据业务通过PCM设备复接),以提高保护信息传输的可靠性。

1.3 2Mbit/s复用通道接口

2 Mbit/s复用通道接口方式中,保护装置输出信号通过光纤传输至通信机房。在通信机房,保护信号经过数字接口设备的光电转换,变为2Mbit/s的电信号通过同轴电缆送至SDH网元,变为2Mbit/s的光信号通过SDH通信网传输。其接口通道示意图如图3所示。

优点:相比64kbit/s接口,不需PCM设备,接口环节变少,可靠;能利用SDH通信网的自愈能力,提高可靠性。

缺点:相比专用光纤,接口环节多。

2 通道配置

上述光纤保护通道各有优缺点,在实际应用中,应根据线路情况采用不同的通道配置方式,以提高保护信号传输可靠性。

目前,220kV及以上线路保护均采用双重化配置,并且在光纤通道的配置上,不同的保护采用独立的通信设备和路由,不将所有的信号放在一条光缆上传输。OPGW光缆可靠性高,1根光缆内的不同纤芯可认为是不同路由,因此可用1根OPGW光缆传输所有信号;但对于具备SDH环网条件的,应考虑利用SDH环网配置不同的光纤迂回通道,从而进一步提高线路主保护的可靠性。

对于线路主保护,一般采用如下几种配置方式:

(1)光纤专用通道+光纤专用通道(两路采用不同的路由)。

(2)SDH光纤复用通道+光纤专用通道。

(3)SDH光纤复用通道+SDH光纤复用通道(两路采用不同的路由)。

500kV主保护线路较220kV长,一般较少采用专用光纤通道,而主要采用SDH光纤复用通道+SDH光纤复用通道(两路采用不同的路由)的配置模式,但是2条复用通道传输环节的节点应是物理隔离,以保证任何节点故障时,2条复用通道的保护不会同时退出运行。由于500kV线路主保护对通道的高要求,因此一些新建线路对每套主保护配置了双通道,这样即使某通道故障,也可以自动切换至备用通道,提高了可靠性,保障了安全运行。

3 时钟设置

继保信号在光纤中的传输要求准确、迅速、不失真,因此对通信环节的误码率等技术指标有很高的要求。在实际应用中,除了光纤传输各环节的硬件原因会引起误码外,整个传输环节中时钟的设置不当也会使传输过程产生滑码,造成保护的周期性误码,影响保护及电网安全运行。

两侧保护装置分别有自己的内部时钟,在信号传输过程中的某一节点,若数据写入时钟Ta与读出时钟Tb不一致,就会造成某些数据的丢失或重复读取,出现滑码或丢包。可见,节点两侧若为不同的时钟源,就会出现滑码,而出现滑码的频率取决于此节点两侧写入时钟Ta与读出时钟Tb的频率差。要避免在数据传输节点出现滑码,就必须使一侧时钟完全符合另一侧时钟,通常采取一侧时钟从接收的另一侧数据流中提取,即主-从时钟方式。在实际信号传输中,两侧装置均可采用自己的内部时钟,即主-主时钟方式。根据CCITT G703协议,允许出现一定的时钟偏差,其产生的滑码不会影响保护正常运行。

在实际应用中,由于光纤保护信号经过不同的通道接口进行数据传输,因此其同步传输时钟工作方式也不尽相同。

(1)专用光纤通道方式下,保护通道中途没有任何数据存取节点,数据存取节点仅存在于两侧的保护装置,也没有其它时钟源,因此其时钟设置既可采用主-主时钟方式,也可采用主一从时钟方式。但是在主-从时钟模式下,一侧的时钟完全从接收的数据流中提取,提取的好坏影响写入时钟,因此在实际应用中,一般采用主-主时钟方式,即两侧保护装置的“专用光纤(内部时钟)”控制字设置为1。

(2)64kbit/s复用通道模式下,PCM时钟为主时钟,其它子业务采用PCM时钟,因此两侧保护装置采用从-从时钟模式,即两侧保护装置的“专用光纤(内部时钟)”控制字设置为0。

(3)2Mbit/s复用通道模式下,SDH网络根据各节点的精准时钟来进行数据的透明传输。一般情况下,SDH设备中通道的“重定时”功能关闭,故类似于专用通道,两侧保护装置采用内部时钟,即主-主时钟方式,两侧保护装置的“专用光纤(内部时钟)”控制字设置为1。

4 通道故障

光纤保护是线路主保护,通道故障将导致保护闭锁,甚至误动或拒动。通道故障时,通常由调度发令将相应的保护改信号状态,通知检修或通信人员进行处理。若1条500kV线路2套保护同时通道故障,则意味着该线路失去主保护,调度会要求运行人员在现场确认2套通道同时故障后,使线路陪停,这严重影响了电网的安全运行和设备的可靠性。因此,一旦出现通道故障,迅速、准确地判断故障对于电网运行和故障消除至关重要。

例1:某变电所设备正常运行时,监控系统多条线路同时报“通道告警”。根据光字信号,运行人员发现,这几条线路保护通道方式不同(有专用光纤通道,也有复用通道)且不经过共同的通信设备。分析认为不可能为某一设备的故障,应为通信电源故障。检查通信机房和电源室,发现一路通信电源故障而另一路未能进行自动切换是该路电源上的线路通道失电告警原因。经人工恢复,快速消除了故障,通道恢复正常。

例2:某500kV线路2套主保护均配置64kbit/s复用通道。通道故障,后台光字显示“RD51通道故障、L90装置故障”,“RD52通道故障、L90装置故障”。根据网调规程,500kV线路2套主保护同时故障,原则上要求线路陪停。由于该线路2套保护均有备用通道,因此运行人员必须准确判断是主通道故障还是备用通道故障,否则会导致线路停役。检查保护装置,发现2套保护“RD51通道故障”,“RD52通道故障”;通信机房该线路光纤接口屏显示“FORM第1套保护通道1”装置TD灯灭,“FORM第2套保护通道1”装置TD灯灭,通信机房PCM屏ALM灯亮。综合分析,认为主通道故障而备用通道能正常运行,无需线路陪停。

出现通道故障信号后,运行人员应有一个初步判断:

(1)同时出现不相关联的几个通道故障,应先检查通信电源。

(2)保护通道故障时,同一个通信终端设备上的其它通道也出故障,可先判断为通信设备故障。

(3)单一通道的通信故障,可先根据保护装置的丢包情况,通信设备的指示灯状况,大致判断是保护装置还是通信环节引起的通道故障。

参考文献

[1]徐向军,田桂珍.500kV线路光纤纵联保护应用的相关问题分析[J].电力系统通信,2009(5):58-61

[2]林榕,赵春雷.线路保护采用光纤接口技术的探讨[J].电力自动化设备,2005(11):91-93

[3]黄红兵,黄丽云.浙江省500kV线路主保护的光纤通道配置探讨[J].电力系统通信,2005(5):61-64

[4]吴云,雷雨田.光纤保护通道配置[J].电力系统通信, 2003(9):11-14

[5]李瑞生,马益平,王伟.光纤电流差动保护通信时钟设置[J].电力系统通信,2006(2):8-10

【无线信号传输】推荐阅读：

无线信号检测05-31