基于環(huán)境反向散射的無(wú)源無(wú)線通信系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

　　環(huán)境反向散射技術(shù)是一種近期出現(xiàn)的新型通信方式，設(shè)備之間通過(guò)反向散射環(huán)境中的射頻信號(hào)，把這些射頻信號(hào)作為載波來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)和微型嵌入式設(shè)備的體積越來(lái)越小，數(shù)量越來(lái)越多。為這些數(shù)量龐大的微型化設(shè)備供電，日常維護(hù)以及無(wú)線通信的問(wèn)題越來(lái)越棘手，傳統(tǒng)的電池和交流電供電的方案通常行不通。本文研究的無(wú)源無(wú)線通信系統(tǒng)把環(huán)境中的射頻信號(hào)作為能量源，利用環(huán)境反向散射技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)源設(shè)備之間的無(wú)線通信，擺脫了對(duì)電池和交流電的依賴(lài)。該系統(tǒng)可以使得微型嵌入式設(shè)備的通信硬件成本和維護(hù)成本大大降低，能極大地促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的推廣和應(yīng)用。因此，對(duì)無(wú)源無(wú)線通信系統(tǒng)的研究具有重要意義。本文針對(duì)如何提高無(wú)源無(wú)線通信系統(tǒng)的能量收集效率、通信速率和通信距離進(jìn)行了深入研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：

　?。?）研究了環(huán)境電磁波能量收集基本原理，并根據(jù)阻抗匹配原理，利用Smith圓圖等工具設(shè)計(jì)了天線與負(fù)載端的阻抗匹配電路。分析并建立了一種N級(jí)RF-DC電荷泵升壓整流電路的理論模型，根據(jù)二極管的等效模型對(duì)該電路的輸出電壓、轉(zhuǎn)換效率與電荷泵級(jí)數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，并利用MATLAB進(jìn)行仿真。最后設(shè)計(jì)了一個(gè)5級(jí)RF-DC電荷泵升壓整流電路并進(jìn)行測(cè)試，能量收集效率最高達(dá)到51%。

　?。?）研究了環(huán)境反向散射技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)制的原理及其能量傳遞過(guò)程，完成了射頻開(kāi)關(guān)的測(cè)試和選型，以TI公司的MSP430G2553為控制芯片設(shè)計(jì)了無(wú)源發(fā)射器，并對(duì)環(huán)境反向散射信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)強(qiáng)度約0.7dBm。

　?。?）提出了一種超低功耗多天線解碼算法，詳細(xì)分析了該算法的理論模型，并在不使用大功率的器件時(shí)，在模擬域中完成了算法的硬件實(shí)現(xiàn)。以該算法為核心設(shè)計(jì)了無(wú)源接收器，完成了硬件電路設(shè)計(jì)，并對(duì)無(wú)源接收器硬件電路進(jìn)行了仿真和測(cè)試。最后，搭建了無(wú)源無(wú)線通信系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)通信速率和通信距離進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：本文提出的算法能使得通信速率從lkbps提高到50kbps，通信距離從2.5英尺提高到6英尺。