一种使用超声波传递能量和数据的传输方法及系统.pdf

本发明提供一种使用超声波传递能量和数据的传输方法及系统，有助于提高数据和能量的传输效率。所述方法包括：将获取的所述能量信号进行共轭阻抗匹配；将匹配后的所述能量信号通过金属信道之后再进行共轭阻抗匹配；将获取的所述数据信号进行共轭阻抗匹配；将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道之后再进行共轭阻抗匹配。所述系统包括：第一匹配单元，用于将能量信号进行共轭阻抗匹配；第二匹配单元，用于将匹配后的所述能量信号通过金属信道之后再进行共轭阻抗匹配；第三匹配单元，用于将数据信号进行共轭阻抗匹配；第四匹配单元：用于将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道之后再进行共轭阻抗匹配。本发明适用于超声波通信技术领域。

1.  一种使用超声波传递能量和数据的传输方法，其特征在于，包括：
获取能量信号，并将获取的所述能量信号接入第一匹配网络进行共轭阻抗匹配；
将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配；
获取数据信号，并将获取的所述数据信号接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配；
将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配。

2.  根据权利要求1所述的使用超声波传递能量和数据的传输方法，其特征在于，所述金属信道包括：发射端换能器、金属板和接收端换能器，所述将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配包括：
通过所述发射端换能器将匹配后的所述能量信号由电能转化为超声波；
将转化为超声波的所述能量信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器；
通过所述接收端换能器将所述能量信号由超声波转化为电能后接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配；
所述将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配包括：
通过所述发射端换能器将匹配后的所述数据信号由电能转化为超声波；
将转化为超声波的所述数据信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器；
通过所述接收端换能器将所述数据信号由超声波转化为电能后接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配。

3.  根据权利要求2所述的使用超声波传递能量和数据的传输方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用集成电路通用模拟程序建立金属信道模型在仿真环境下确定所述数据信号和所述能量信号的传输的性能。

4.  根据权利要求2所述的使用超声波传递能量和数据的传输方法，其特 征在于，所述获取数据信号，并将获取的所述数据信号接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配包括：
获取数据信号；
通过发射端信号处理器对获取的所述数据信号进行OFDM调制；
将调制后的所述数据信号转化为模拟信号并接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配。

5.  根据权利要求2所述的使用超声波传递能量和数据的传输方法，其特征在于，所述将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配之后包括：
将从第四匹配网络进行共轭阻抗匹配后输出的所述数据信号接入低噪放大器；
通过模数转换器将放大后的所述数据信号转化为数字信号；
通过接收端信号处理器对所述数字信号进行OFDM解调。

6.  一种使用超声波传递能量和数据的传输系统，其特征在于，包括：
第一匹配单元：用于获取能量信号，并将获取的所述能量信号接入第一匹配网络进行共轭阻抗匹配；
第二匹配单元：用于将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配；
第三匹配单元：用于获取数据信号，并将获取的所述数据信号接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配；
第四匹配单元：用于将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配。

7.  根据权利要求6所述的使用超声波传递能量和数据的传输系统，其特征在于，所述金属信道包括：发射端换能器、金属板和接收端换能器，所述第二匹配单元包括：
第一转换模块：用于通过所述发射端换能器将匹配后的所述能量信号由电能转化为超声波；
第一传输模块：用于将转化为超声波的所述能量信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器；
第一匹配模块：用于通过所述接收端换能器将所述能量信号由超声波转化为电能后接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配；
所述第四匹配单元包括：
第二转换模块：用于通过所述发射端换能器将匹配后的所述数据信号由电能转化为超声波；
第二传输模块：用于将转化为超声波的所述数据信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器；
第二匹配模块：用于通过所述接收端换能器将所述数据信号由超声波转化为电能后接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配。

8.  根据权利要求7所述的使用超声波传递能量和数据的传输系统，其特征在于，还包括：
仿真单元：用于利用集成电路通用模拟程序建立金属信道模型在仿真环境下确定所述数据信号和所述能量信号的传输的性能。

9.  根据权利要求7所述的使用超声波传递能量和数据的传输系统，其特征在于，所述第三匹配单元包括：
获取模块：用于获取数据信号；
调制模块：用于通过发射端信号处理器对获取的所述数据信号进行OFDM调制；
第三匹配模块：用于将调制后的所述数据信号转化为模拟信号并接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配。

10.  根据权利要求7所述的使用超声波传递能量和数据的传输系统，其特征在于，所述系统还包括：
放大单元：用于将从第四匹配网络进行共轭阻抗匹配后输出的所述数据信号接入低噪放大器；
模数转换单元：用于通过模数转换器将放大后的所述数据信号转化为数字信号；
解调单元：用于通过接收端信号处理器对所述数字信号进行OFDM解调。

一种使用超声波传递能量和数据的传输方法及系统
技术领域
本发明涉及超声波通信技术领域，特别是指一种使用超声波传递能量和数据的传输方法及系统。
背景技术
第一篇发表的有关无线穿钢的传输系统是1990年6月由法国石油研究所发明的专利，该系统使用电感耦合的方法进行信号传输。在船壁导电表面的两点之间放置一个可以注入电流和调制传感器数据的仪器。这个电流产生一个小的磁场可以被外壁内部的一个独立的仪器检测到。这篇专利没有提供这个系统的传输效率或能力。当使用趋肤深度很小的厚金属壁时这种电感耦合方式传输信号的方式是很低效的，导致这种技术在大多数能量传输应用中是不切实际的。
2000年9月，一个海洋研究机构发表了一篇声频调制解调系统的论文，用声音穿过船壁来传递数据。具体来说，这个技术最初是用来观察世界气象和海洋数据。两个声频调制解调单元固定在船壁的两侧从而形成一个压电换能器。使用移频键控来调制原载波上的数字数据，该调制载波穿过压电换能器即在声频调制解调器之间传输，这个系统没有使用能量传输，而是用电池来为每个声频调制解调单元供电，且由于船壁中强烈的声反射，这个系统只能达到20个符号每秒的波特率，传输效率低。
2009年纽卡斯尔大学的一个研究小组发表了两篇基于电磁声换能器的文章。为了达到1Mbps的数据传输速率使用QPSK调制和反馈均衡器来补偿符号间干扰。电感耦合技术和压电超声波技术都可以用于电信号无损穿过固体金属屏障。然而由于密闭金属容器的法拉利电磁屏蔽效应，使得电感耦合技术的传输效率很低，并且需要在较低频率处工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种使用超声波传递能量和数据的传输 方法及系统，以解决现有技术所存在的金属信道中信号传输效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种使用超声波传递能量和数据的传输方法，包括：
获取能量信号，并将获取的所述能量信号接入第一匹配网络进行共轭阻抗匹配；
将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配；
获取数据信号，并将获取的所述数据信号接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配；
将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配。
可选地，所述金属信道包括：发射端换能器、金属板和接收端换能器，所述将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配包括：
通过所述发射端换能器将匹配后的所述能量信号由电能转化为超声波；
将转化为超声波的所述能量信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器；
通过所述接收端换能器将所述能量信号由超声波转化为电能后接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配；
所述将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配包括：
通过所述发射端换能器将匹配后的所述数据信号由电能转化为超声波；
将转化为超声波的所述数据信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器；
通过所述接收端换能器将所述数据信号由超声波转化为电能后接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配。
可选地，所述方法还包括：
利用集成电路通用模拟程序建立金属信道模型在仿真环境下确定所述数据信号和所述能量信号的传输的性能。
可选地，所述获取数据信号，并将获取的所述数据信号接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配包括：
获取数据信号；
通过发射端信号处理器对获取的所述数据信号进行OFDM调制；
将调制后的所述数据信号转化为模拟信号并接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配。
可选地，所述将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配之后包括：
将从第四匹配网络进行共轭阻抗匹配后输出的所述数据信号接入低噪放大器；
通过模数转换器将放大后的所述数据信号转化为数字信号；
通过接收端信号处理器对所述数字信号进行OFDM解调。
另一方面，本发明实施例还提供一种使用超声波传递能量和数据的传输系统，包括：
第一匹配单元：用于获取能量信号，并将获取的所述能量信号接入第一匹配网络进行共轭阻抗匹配；
第二匹配单元：用于将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配；
第三匹配单元：用于获取数据信号，并将获取的所述数据信号接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配；
第四匹配单元：用于将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配。
可选地，所述金属信道包括：发射端换能器、金属板和接收端换能器，所述第二匹配单元包括：
第一转换模块：用于通过所述发射端换能器将匹配后的所述能量信号由电能转化为超声波；
第一传输模块：用于将转化为超声波的所述能量信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器；
第一匹配模块：用于通过所述接收端换能器将所述能量信号由超声波转化为电能后接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配；
所述第四匹配单元包括：
第二转换模块：用于通过所述发射端换能器将匹配后的所述数据信号由电能转化为超声波；
第二传输模块：用于将转化为超声波的所述数据信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器；
第二匹配模块：用于通过所述接收端换能器将所述数据信号由超声波转化为电能后接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配。
可选地，还包括：
仿真单元：用于利用集成电路通用模拟程序建立金属信道模型在仿真环境下确定所述数据信号和所述能量信号的传输的性能。
可选地，所述第三匹配单元包括：
获取模块：用于获取数据信号；
调制模块：用于通过发射端信号处理器对获取的所述数据信号进行OFDM调制；
第三匹配模块：用于将调制后的所述数据信号转化为模拟信号并接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配。
可选地，所述系统还包括：
放大单元：用于将从第四匹配网络进行共轭阻抗匹配后输出的所述数据信号接入低噪放大器；
模数转换单元：用于通过模数转换器将放大后的所述数据信号转化为数字信号；
解调单元：用于通过接收端信号处理器对所述数字信号进行OFDM解调。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过将获取的所述能量信号接入第一匹配网络进行共轭阻抗匹配，并将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络进行共轭阻抗匹配；同时将获取的所述数据信号接入第三匹配网络进行共轭阻抗匹配，将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络进行共轭阻抗匹配。这样，通过第一、第二、第三及第四匹配网络优化所述数据信号及所述能量信号的传输链路，并且所述能量信号能够为参与传输的每个器件提供能源，从而提高了所述能量信号及所述数据信号的传输效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的使用超声波传递能量和数据的传输方法流程 图；
图2为本发明实施例提供的能量传输链路和数据传输链路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的加入第一匹配网络和第二匹配网络的能量传输链路的电路图；
图4为本发明实施例提供的电压源、金属信道及负载的反射示意图；
图5为本发明实施例提供的金属信道的Pspice电路图；
图6为本发明实施例提供的钢板厚度为10mm时匹配前后的功率变化曲线；
图7为本发明实施例提供的钢板厚度为10mm时匹配前后的效率变化曲线；
图8为本发明实施例提供的钢板厚度为11.67mm时匹配前后的功率变化曲线；
图9为本发明实施例提供的钢板厚度为11.67mm时匹配前后的效率变化曲线；
图10为本发明实施例提供的钢板厚度为28mm时匹配前后的功率变化曲线；
图11为本发明实施例提供的钢板厚度为28mm时匹配前后的效率变化曲线；
图12为本发明实施例提供的数据传输链路脉冲响应；
图13为本发明实施例提供的发射端数据处理原理图；
图14为本发明实施例提供的接收端数据处理原理图；
图15为本发明实施例提供的使用超声波传递能量和数据的传输系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的金属信道中信号传输效率低的问题，提供一种使用超声波传递能量和数据的传输方法及系统。
实施例一
参看图1所示，本发明实施例提供的使用超声波传递能量和数据的传输方 法，包括：
获取能量信号，并将获取的所述能量信号接入第一匹配网络1进行共轭阻抗匹配；
将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络2进行共轭阻抗匹配；
获取数据信号，并将获取的所述数据信号接入第三匹配网络9进行共轭阻抗匹配；
将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配。
本发明实施例所述的使用超声波传递能量和数据的传输方法，将获取的所述能量信号接入第一匹配网络1进行共轭阻抗匹配，并将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络2进行共轭阻抗匹配；同时将获取的所述数据信号接入第三匹配网络9进行共轭阻抗匹配，将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配。这样，通过第一、第二、第三及第四匹配网络优化所述数据信号及所述能量信号的传输链路，并且所述能量信号能够为参与传输的每个器件提供能源，从而提高了所述能量信号及所述数据信号的传输效率。
在前述使用超声波传递能量和数据的传输方法的具体实施方式中，可选地，所述金属信道包括：发射端换能器3、金属板和接收端换能器5，为了方便表述，将数据传输链路和能量传输链路中的发射端换能器和接收端换能器都分别标号为3和5，实际上由于不同链路所发送信号的频率不同，所选用的最优的换能器尺寸也不同，而同一链路中的一对收发换能器的尺寸则完全相同。所述将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络2进行共轭阻抗匹配包括：
通过所述发射端换能器3将匹配后的所述能量信号由电能转化为超声波；
将转化为超声波的所述能量信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器5；
通过所述接收端换能器5将所述能量信号由超声波转化为电能后接入第 二匹配网络2进行共轭阻抗匹配；
所述将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配包括：
通过所述发射端换能器3将匹配后的所述数据信号由电能转化为超声波；
将转化为超声波的所述数据信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器5；
通过所述接收端换能器5将所述数据信号由超声波转化为电能后接入第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配。
本发明实施例中，为了实现所述数据信号及能量信号的传输，首先介绍一下信道的概念，信道是通信系统的重要组成部分，其特性对于通信系统的性能有很大影响，信道是指以传输媒质为基础的信号通道。根据信道的定义，如果信道仅是指信号的传输媒质，这种信道称为狭义信道；如果信道不仅是传输媒质，而且包括通信系统中的一些转换装置，这种信道称为广义信道。
本发明所研究的信道是金属信道，该金属信道包括发射端换能器3、金属板、接收端换能器5、发射端耦合剂及接收端耦合剂。所述发射端换能器3及接收端换能器5由压电材料构成，发射端换能器3作用是将电能转换为超声波穿过钢板4到接收端换能器5，接收端换能器5的作用是将超声波转化为电能，金属板可以看作是各项同性的弹性介质，例如，所述金属板可以为钢板4，它是超声波的主要传输介质，其形状、大小和厚度都直接影响能量信号和数据信号的传输性能。在超声波传输过程中主要考虑的是超声波在金属壁与发射端换能器3及接收端换能器5接触面上产生的反射、衍射，以及在金属板信道中的超声波衰落。
本发明实施例中，例如，所述能量信号可以通过能量传输链路传输，所述数据信号可以通过数据传输链路传输。参看图2所示，所述能量传输链路包括连续信号发生器6、放大器7、第一匹配网络1，金属信道、第二匹配网络2及负载8；参看图3所示为加入第一匹配网络1及第二匹配网络2的能量传输链路，所述能量传输链路的具体传输过程包括：通过所述连续信号发生器6产生能量信号为所述负载8提供能源，所述能量信号经所述放大器7放大后由 第一匹配网络1根据所述金属信道的阻抗特性优化所述能量信号的传输性能，经优化后的所述能量信号通过发射端换能器3将所述能量信号由电能转换为机械能(即：超声波)穿过钢板4传输至接收端换能器5，由所述接收端换能器5将所述能量信号机械能转换为电能并通过第二匹配网络2对所述能量信号进行共轭阻抗匹配优化后为所述负载8供能。
本发明实施例中，所述连续信号发生器6可以为提供固定频率的电压源，由于所述电压源的内阻与所述金属信道输入端阻抗的不匹配，会导致反射发生，同样由于所述金属信道的输出端与负载8的阻抗不匹配，也会导致反射，反射会极大的影响传输效率，为了减小反射，需要设计匹配网络进行阻抗匹配。
本发明实施例中，参看图4所示，通过对所述金属信道的两个端口(端口1和端口2)提供一个同时共轭阻抗匹配来最大化所述金属信道的能量传输和萃取，这样，能够改善能量传输效率并且有利于减少发射端换能器3及接收端换能器5的热应力和系统电子设备的电应力。端口1通过一个带有阻抗为Z_s的电压源驱动，端口2带有一个Z_L的负载阻抗，反射系数Γ_s、Γ_L分别针对于信号源和负载8。反射系数Γ₁、Γ₂分别针对于端口1和端口2。为了最大化金属信道的能量传输性能，反射系数必须同时匹配，即满足式(1)和式(2)：
Γs=Γ1*]]>       式(1)
ΓL=Γ2*]]>        式(2)
式(1)和式(2)中，*表示复共轭运算。
本发明实施例中，例如，可以计算出最佳Z_s和Z_L阻抗来保证同时匹配的条件，如果一个金属信道的二端口Z参数给出，这些计算就很方便，Z可以直接由金属信道矩阵S参数和参考阻抗Z₀计算，这个由S到Z的转换通过式(3)计算：
     式(3)
一旦Z被确定，同时匹配的电压源和负载阻抗Z_mS和Z_mL可以由式(4)计算：
      式(4)
式(4)中，符号和分别表示复数阻抗Z的实部和虚部，还必须通过式(4)确保Z_mS和Z_mL的实部都是正数，此时，端口1和端口2得到的阻抗Z_m1和Z_m2分别在同时共轭阻抗匹配的条件下，是电压源阻抗和负载阻抗的复数共轭：
Zm1=ZmS*]]>
Zm2=ZmL*]]>
本发明实施例中，所述匹配网络同样适用于数据信号的传输，将获取的所述数据信号接入第三匹配网络9进行共轭阻抗匹配，并通过所述发射端换能器3将匹配后的所述数据信号由电能转化为超声波，再将转化为超声波的所述数据信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器5，最后通过所述接收端换能器5将所述数据信号由超声波转化为电能后接入第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配。所述数据传输链路和所述能量传输链路建立在同一块钢板4上，它们结构相似但相互独立。所述第一匹配网络1、第二匹配网络2、第三匹配网络 9及第四匹配网络10能够根据所述金属信道的阻抗特性进行设计，从而能够提高能量信号和数据信号的传输效率。
在前述使用超声波传递能量和数据的传输方法的具体实施方式中，可选地，所述方法还包括：
利用集成电路通用模拟程序建立金属信道模型在仿真环境下确定所述数据信号和所述能量信号的传输的性能。
本发明实施例中，在设计金属信道时需要权衡许多变量因素，部分变量因素参看表1所示，使用不同的压电材料，所述压电材料可以是压电传感器，金属板和耦合剂可以创建和配置许多不同的金属信道，对优化金属信道性能是非常有益的，但是同时也非常昂贵且会耗费大量时间，还有当使用固体胶后元件的重新利用和金属信道的重新配置都会非常困难，造成严重的浪费更加大了设计花费。因此，为了快速有效地设计所述金属信道而且精确的确定所述能量信号及数据信号在所述金属信道中的传输性能，需要建立所述金属信道的数学模型，该金属信道的数学模型反映了所述金属信道的输出和输入之间的关系。假定所述金属信道的所有接触面的粗糙程度可以忽略，而且接触面平行，非压电层设为传输线损失模型，金属板的衍射损失归结为衰减损失，两个压电传感器设为有厚度方向的振动模型。

表1
本发明实施例中，通过所述集成电路通用模拟程序(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，PSPICE)可以使很多电学发射器和接收器硬件配置很快地得到设计和测试，能够方便研究金属信道的工作原理及特性，从测试结果中提取的关键性能信息，所述关键性能信息包括:金属信道的能量传输效率，金属信道频率选择性的严重性和一些噪声信息，这些特性信息还可以表现出金属信道的通信能力,分析设计金属信道时需考虑的因素，从而帮助设计者建立高性能数能(数据信号和能量信号)同传的金属信道模型，最优化能量传输链路和数据传输链路的传输性能。利用PSPICE建立金属信道模型可以在仿真环境下观察所述金属信道的响应，参看图5所示为所述金属信道的PSPICE电路图，T部分为发射端换能器3，R为接收端换能器5，layer为物理接触层，Layer包括电极层，耦合剂层，钢板4，所述能量传输链路和数据传输链路的金属信道都是由T，R和layer这三个部分组成。
本发明实施例中，使用Pspice对能量传输链路进行仿真验证，通过图6和图7可以看出，匹配前的最大传输功率为7.8W，最大传输效率为26.7％，匹配后的最大传输功率为25W，最大传输效率为52％，即添加匹配网络后10mm厚钢板4信道，其能量传输性能得到了极大提高；通过图8和图9可以看出，匹配前的最大传输功率为23W，最大传输效率为46％，匹配后的最大传输功率为24.1W，最大传输效率为48.8％。即添加匹配网络后11.676mm厚钢板信道，能量传输性能没有得到显著提高，这是因为在添加匹配网络之前，能量传输链路已经接近匹配，反射很小，所以添加匹配网络后优化作用不明显；通过图10和图11可以看出，匹配前的最大传输功率为12W，最大传输效率为28％，匹配后的最大传输功率为19W，最大传输效率为38％，即添加匹配网络后28mm厚钢板信道，能量传输性能得到了显著提高。综上所述，在能量传输链路中，对不同厚度钢板信道进行了Pspice仿真分析，在添加匹配网络，能够提高所述能量信号的传输效率。
本发明实施例中，例如，所述数据传输链路使用低品质因数的APC850压电材料组成的一对直径为25.4mm的压电圆盘换能器，所述压电圆盘换能器为换能器的一种，所述压电圆盘换能器在4MHz谐振，所述钢板信道的脉冲响应 如图12所示，到达钢板信道输出端的第一个脉冲由于通过所述钢板信道的传输时间被延迟(大约11us)，所有剩余的回波到达需要双倍的传输时间(大约22us)，因为所述回波在到达钢板信道接收端之前会在钢板信道接收端换能器5和空气的边界处返回到钢板信道发射端，并由发射端换能器3与空气的边界返回到钢板信道，最终到达接收端需要双倍的传输时间。
在前述使用超声波传递能量和数据的传输方法的具体实施方式中，可选地，所述获取数据信号，并将获取的所述数据信号接入第三匹配网络9进行共轭阻抗匹配包括：
获取数据信号；
通过发射端信号处理器11对获取的所述数据信号进行OFDM调制；
将调制后的所述数据信号转化为模拟信号并接入第三匹配网络9进行共轭阻抗匹配。
本发明实施例中，参看图13所示，通过发射端信号处理器11对获取的待传输的所述数据信号进行正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)调制获得高的频谱效率及数据吞吐量，从而实现所述数据信号的高速传输，将调制后的所述数据信号通过数模转换器12转化为模拟量并接入第三匹配网络9进行共轭阻抗匹配，其中，所述数据信号以二进制数据流接入发射端信号处理器11，这样，通过采用OFDM技术能够获得高的频谱效率及数据吞吐量，数据吞吐量高达13.33Mbps，从而实现所述数据信号的高速传输，同时还避免了昂贵均衡器的使用。
在前述使用超声波传递能量和数据的传输方法的具体实施方式中，可选地，所述将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配之后包括：
将从第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配后输出的所述数据信号接入低噪放大器13；
通过模数转换器14将放大后的所述数据信号转化为数字信号；
通过接收端信号处理器15对所述数字信号进行OFDM解调。
本发明实施例中，将从第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配后输出的所述 数据信号(所述数据信号为模拟量)接入低噪放大器13放大所述数据信号，并通过模数转换器14将放大后的所述数据信号转化为数字信号，删除循环前缀CP，最后再通过接收端信号处理器15用快速傅里叶变换FFT对各个子信道的所述数字信号的信息流进行OFDM解调，转化为串行数据流后，再译码恢复原数据信号，参看图14所示，从而将不同载波搬移至零频，在一个码元周期内积分，其他载波由于与所积分的信号正交，不会对这个积分结果产生影响。
实施例二
本发明还提供一种使用超声波传递能量和数据的传输系统的具体实施方式，由于本发明提供的使用超声波传递能量和数据的传输系统与前述使用超声波传递能量和数据的传输方法的具体实施方式相对应，该使用超声波传递能量和数据的传输系统可以通过执行上述方法具体实施方式中的流程步骤来实现本发明的目的，因此上述使用超声波传递能量和数据的传输方法具体实施方式中的解释说明，也适用于本发明提供的使用超声波传递能量和数据的传输系统的具体实施方式，在本发明以下的具体实施方式中将不再赘述。
参看图15所示，本发明实施例还提供一种使用超声波传递能量和数据的传输系统，包括：
第一匹配单元101：用于获取能量信号，并将获取的所述能量信号接入第一匹配网络1进行共轭阻抗匹配；
第二匹配单元102：用于将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络2进行共轭阻抗匹配；
第三匹配单元103：用于获取数据信号，并将获取的所述数据信号接入第三匹配网络9进行共轭阻抗匹配；
第四匹配单元104：用于将匹配后的所述数据信号通过所述金属信道接入第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配。
本发明实施例所述的使用超声波传递能量和数据的传输系统，将获取的所述能量信号接入第一匹配网络1进行共轭阻抗匹配，并将匹配后的所述能量信号通过金属信道接入第二匹配网络2进行共轭阻抗匹配；同时将获取的所述数据信号接入第三匹配网络9进行共轭阻抗匹配，将匹配后的所述数据信号通过 所述金属信道接入第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配。这样，通过第一、第二、第三及第四匹配网络优化所述数据信号及所述能量信号的传输链路，并且所述能量信号能够为参与传输的每个器件提供能源，从而提高了所述能量信号及所述数据信号的传输效率。
在前述使用超声波传递能量和数据的传输系统的具体实施方式中，可选地，所述金属信道包括：发射端换能器3、金属板和接收端换能器5，所述第二匹配单元包括：
第一转换模块：用于通过所述发射端换能器3将匹配后的所述能量信号由电能转化为超声波；
第一传输模块：用于将转化为超声波的所述能量信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器5；
第一匹配模块：用于通过所述接收端换能器5将所述能量信号由超声波转化为电能后接入第二匹配网络2进行共轭阻抗匹配；
所述第四匹配单元包括：
第二转换模块：用于通过所述发射端换能器3将匹配后的所述数据信号由电能转化为超声波；
第二传输模块：用于将转化为超声波的所述数据信号穿过所述金属板传输至所述接收端换能器5；
第二匹配模块：用于通过所述接收端换能器5将所述数据信号由超声波转化为电能后接入第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配。
在前述使用超声波传递能量和数据的传输系统的具体实施方式中，可选地，还包括：
仿真单元：用于利用集成电路通用模拟程序建立金属信道模型在仿真环境下确定所述数据信号和所述能量信号的传输的性能。
在前述使用超声波传递能量和数据的传输系统的具体实施方式中，可选地，所述第三匹配单元包括：
获取模块：用于获取数据信号；
调制模块：用于通过发射端信号处理器11对获取的所述数据信号进行OFDM调制；
第三匹配模块：用于将调制后的所述数据信号转化为模拟信号并接入第三匹配网络9进行共轭阻抗匹配。
在前述使用超声波传递能量和数据的传输系统的具体实施方式中，可选地，所述系统还包括：
放大单元：用于将从第四匹配网络10进行共轭阻抗匹配后输出的所述数据信号接入低噪放大器13；
模数转换单元：用于通过模数转换器14将放大后的所述数据信号转化为数字信号；
解调单元：用于通过接收端信号处理器15对所述数字信号进行OFDM解调。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。