[0004] 本发明的目的就是提供一种植入式能量与数据同时无线传输系统及其设计方法。将传输能量的载波与传输信息的载波相加以后同时发送出去，实现能量与数据的同时发送，主要涉及到基于LCC拓扑的能量与数据同时传输的理论基础、电路实现与通信协议。
[0005] 一种植入式能量与数据同时无线传输系统包括上位机、双侧LCC拓扑电路和下位机；下位机包括滤波电路、整流电路与OOK解调电路。上位机将下位机需要执行的指令以及下位机需要的能量通过LCC拓扑电路以正弦电压的形式传输给下位机。在本发明中，上位机的能量与数据同时传输给下位机。由于双侧LCC拓扑存在多个谐振点，通过LCC拓扑电路的电压信号能为多个频率相互叠加的形式，在时域上表现为多个正弦信号的叠加。在本发明中低频正弦信号用于传输能量，高频正弦信号用于传输信息。上位机使用FPGA进行信息的运算，并通过DAC恢复出运算得到的波形。下位机的滤波电路用于分离高低频信号，将其中分离出来的低频信号输入到整流滤波电路中，将分离出来的高频信号输入到OOK解调电路中。
[0006] 在双侧LCC无线电能传输系统的基础上，添加信息的功能，实现能量与信息的同时传输。步骤一至步骤四为传统的双侧LCC设计过程，具体包括线圈尺寸的确定、谐振点的计算和确定。步骤五至步骤七为在双侧LCC拓扑的基础上添加信息传输功能的设计步骤，具体包括叠加信号的生成、滤波电路的设计以及通信协议的规定。其中叠加信号的生成用于生成高低频相叠加后的信号，滤波电路用于分离高低频信号、通信协议是用来规定上位机与下位机之间通信的规则。
[0007] 上述无线传输系统的设计方法，具体包括如下步骤：
[0008] 步骤一、根据植入式应用场景，确定双侧LCC拓扑中初级主线圈L1和副级线圈L2的尺寸、形状、匝数，并测量其电感值。主线圈在植入式场景中负责用来能量与数据的传输。
[0009] 步骤二、根据植入式系统的数据传输与能量传输要求选择谐振频率。基于双侧LCC拓扑的无线电能传输系统具有两个谐振点，在本系统中高频点用于数据传输，低频点用于能量传输。
[0010] 对于固定信噪比与调制深度的通信系统而言，载波频率越高，码元传输速率越高。在本系统的应用场景中，载波频率取决于双侧LCC拓扑各个元件(补偿电容、补偿电感)的值，以及初级、副级主线圈L1和L2的值。
[0011] 步骤三、确定双侧LCC拓扑电路各个元件的值。在步骤二确定的能量传输频率与数据传输频率的基础上，选取LCC拓扑L1p,L1s,C1p,C1s,C2p,C2s的值，其中L1p、L1s分别为原副边LCC拓扑的串联电感，C1p、C1s分别为原副边LCC拓扑的串联电容，C2p、C2s分别为原副边LCC拓扑的并联电容。两个谐振频率点的表达式为： 式中L1为主线圈电感值。在确定LCC拓扑各个元器件参数值时，由参数所确定的频率值由上式计算得来。
[0012] 步骤四、确定电路的谐振频率：使用标准正弦波信号源激励搭建的系统，在输出端观察输出波形。记录输出电压极大值点，此时的频率点为谐振频率点。其中频率值较大的点为数据传输载波对应的频率点、频率值较小的频率点为能量传输频率点。
[0013] 实际电路与理想情况会有偏差，步骤三计算得到的结果需要验证以确定实际电路的频率大小。
[0014] 步骤五、根据双侧LCC拓扑谐振频率点分布生成高低频叠加后的信号。将传输信息用的高频载波装载到传输能量用的载波上去；双侧LCC拓扑的频率响应，存在两个谐振频率点，允许两个频率通过，系统对这两个频率点的增益一样。从系统的层面来看，双侧LCC拓扑可等效为通过频率为ω1和ω2的两个带通滤波器并联。同时的无线能量与数据传输，必须将数据与能量传输载体设置在不同的频率点处。在保证信号的频谱与系统的频率响应相吻合的情况下，实现数据与能量的载体同时传输。
[0015] 设需要传输的信号 的表达式为： A1为能量传输信号的幅度，A2为数据传输信号的幅度；g(t)为需要传输的数字信号，根据调制方式的不同，g(t)能取不同的表达式。在OOK调制方式下，g(t)表达式如下： A1与A2的比值为调制深度，在8位正弦波数据宽度的情况下，A1与A2的关系表达式如下：
为了将 的信号转换为电压信号，采用DDS(Direct Digital Synthesis)
的方式合成信号，将频率归一的正弦信号Y[i]按照下式进行N1、N2点采样：
将采样得到的信号存储到上位机的ROM1与ROM2里面，通过改变N1、N2以
及读取ROM的时钟频率C，改变输出正弦信号的频率。读取ROM的时钟与采样点数N共同决定着OOK的载波频率，载波频率 在进行信息的调制时，将从ROM1里读取到的数据与从ROM2里读取到的数据相加，进行信息的转载。将从ROM里面读出的数据输入到DAC模块中，转换为电压信号。本系统使用R‑2R梯形电阻网络来搭建DAC模块。
[0016] 步骤六、设计下位机滤波电路用来分离能量与数据载波：在接收端接收到所需的波形以后需要对波形进行两次滤波，分别用于提取用于能量传输与数据传输的信号载体。选用LC串联谐振电路构成的带通滤波器，带通滤波器通带频率中心点为： 在谐振点附近，LC电路阻抗接近于0，此时所有电压都将降在负载两端。当远离谐振点时，LC回路吸收大部分电压。
[0017] 滤波器中心通带频率分别为数据传输载波频率与能量传输载波频率。将滤出来的数据传输信号进行半桥整流、滤波后就可得到解调后的数据。将滤出来的能量传输信号进行整流、滤波、稳压后给整个系统供电。
[0018] 步骤七、设计通信协议：传输一个bit的数据所占的载波周期个数为3*n，其中n取决于调制方式与通信系统。当需要传输逻辑1时，高电平所占的载波个数为2n个，低电平所占的载波个数为n个。当需要传输逻辑0时，高电平所占的载波个数为n个，低电平为2n个。解调时可通过判断高电平所占的时间比重来确定所传输的逻辑值。此时传输数据的比特率为： fcarrier为前文得到的载波频率；由上式可知，传输一个bit所占的载波周期个数越少，数据传输的速率越高。同时，提高系统工作的载波频率也可提高系统的数据传输速率。但是由于各种寄生电容的存在，载波频率的提高势必增加系统的功耗。
[0019] 本发明不需要集成额外的通信模块以及设计专用的天线，可以大大降低植入式通信系统的复杂度、降低系统功耗和体积。能量与数据同时传输，适合于无电池等储能元件的植入式应用场景。将数据传输与能量传输设置在不同的频率点，相比于其他无线能量与数据系统，可降低系统调制的代价。
