无线充电通信物理层解析之幅值调制的基本通信原理

在无线充电技术日益普及的当下，设备间的高效通信是保障充电安全、稳定的核心环节。其中，从电力接收器到电力发射器的反向通信，是实现充电功率动态调节、设备身份识别等功能的关键。幅值调制，作为这一通信链路中物理层的核心技术，凭借其简洁高效的特性，成为无线充电通信的主流方案之一。本文将深入解析无线充电通信物理层中幅值调制的原理、实现机制及关键技术要点。

一、幅值调制的基本通信原理

无线充电系统中的幅值调制，本质上是一种负载调制技术。电力接收器通过自身负载的变化，对从功率信号中汲取的能量进行调制，进而将数据信息加载到功率载波上。而电力发射器则通过检测原边线圈的电流或电压变化，完成对数据的解调，从而建立起从接收器到发射器的反向通信链路。

具体而言，电力接收器会呈现出两种状态，即HI状态和LO状态。在不同状态下，接收器从功率信号中汲取的电量不同，这会直接导致原边线圈的电流或电压产生差异。一个状态的核心特征是，其振幅在一定的Δ变化范围内能够保持恒定，且持续时间至少达到ts毫秒。这种稳定的状态持续时间，是确保发射器能够准确检测到状态变化的基础。

当电力接收器与A10或MP - A1类型的发射器原边线圈正确对齐时，对于所有适当的负载，需要满足以下三个条件中的至少一个：其一，HI和LO状态下原边电流的幅值之差至少为15毫安;其二，同样是原边电流在HI和LO状态下的差异至少为15毫安，这里需要注意的是，原边线圈电流是在驱动半桥的控制信号对应于四分之一周期的瞬时测量的;其三，原边线圈电压在HI和LO状态下的幅值之差至少为200毫伏。在状态转换期间，原边电流和原边电压处于未定义状态，这是因为转换过程是一个动态变化的过程，此时的电流和电压值不稳定，无法作为有效检测依据。

值得注意的是，HI和LO状态并不对应固定的原边电流和/或原边电压水平。这是因为移动设备的设计要求决定了其横向位移的范围，而不同的横向位移会导致电力接收器上的对准情况和负载条件发生变化。因此，HI和LO状态的具体电流、电压值会随着设备的实际使用场景而动态调整，只要满足上述的差值条件即可。周期的开始对应于半桥逆变器中顶部开关的闭合，这是整个通信周期的时间基准，确保了接收器和发射器在时间上的同步。

二、差分双相编码方案

为了将数据位准确地调制到功率信号上，电力接收器采用了差分双相编码方案。这种编码方案具有抗干扰能力强、同步性能好等优点，能够有效保障数据传输的准确性。

在差分双相编码中，每个数据位都需要与内部时钟信号的完整周期tCLK对齐，使得数据位的开始与时钟信号的上升沿一致。该内部时钟信号的频率为fCLK = (2±4%) kHz，这个频率范围是经过精心设计的，既能够满足数据传输的速率要求，又能够避免与其他信号产生干扰。

具体的编码规则如下：接收器使用功率信号中的两个转换来编码一个“1”位，第一个转换与时钟信号的上升沿一致，第二个转变与时钟信号的下降沿一致;而使用功率信号中单个转换来编码“0”位，该转换与时钟信号的上升沿一致。换句话说，在一个时钟周期内，如果在边沿处只发生一次电平转换，则表示“0”;如果发生了两次电平转换，则表示“1”。这种编码方式使得数据位的编码与时钟信号紧密关联，发射器可以通过检测电平转换的次数和时间，准确地解调出数据信息。

然而，在实际应用中，电力接收器负载上的纹波会在电力发送器电流上产生纹波。如果该纹波的频率接近调制频率fCLK，就会导致电力发射器中出现较高的误码数。这是因为纹波会干扰发射器对电平转换的检测，使其无法准确判断数据位的编码。因此，在设计无线充电系统时，需要采取相应的滤波措施，尽量减小负载纹波对通信的影响。

三、数据字节的传输格式

电力接收器在传输数据时，采用11位异步串行格式来传输每个数据字节。这种格式由起始位、字节的8个数据位、奇偶校验位和单个停止位组成，能够有效保障数据传输的可靠性。

起始位为“0”，它的作用是通知发射器即将有数据字节传输，让发射器做好接收准备。数据位的顺序是LSB(最低有效位)在前，这是计算机数据传输中常见的格式，确保了数据的正确解析。奇偶校验位为奇数校验，即如果数据字节包含偶数个“1”位，则接收器应将奇偶校验位设置为“1”;否则，将奇偶校验位设置为“0”。奇偶校验位的主要作用是检测数据传输过程中是否发生了错误，当接收到的数据字节中“1”的个数与奇偶校验位所表示的奇偶性不一致时，发射器就可以判断数据传输出现了错误。停止位为“1”，它标志着一个数据字节传输的结束，让发射器能够准确识别出每个数据字节的边界。

以值0x35为例，对应的数据流是0 1010 1100 1 1。其中，第一个“0”是起始位，接下来的“10101100”是8个数据位，然后的“1”是奇偶校验位，因为数据字节中“1”的个数是4个(偶数)，所以奇偶校验位设置为“1”，最后一个“1”是停止位。这种完整的11位格式，为数据的准确传输提供了多重保障。

四、数据包的结构与传输机制

在无线充电通信中，数据是以数据包的形式进行传输的。一个完整的数据包由前导码、报头、消息和校验和四部分组成，每一部分都承担着特定的功能，共同保障了数据传输的高效性和可靠性。

(一)前导码

前导码由最少11位、最多25位组成，且全部设置为“1”，并按照差分双相编码方案进行编码。前导码的主要作用是使功率发射器能够与传入数据同步，并准确检测报头的起始位。在通信开始时，发射器需要一定的时间来调整自身的检测参数，以适应接收器的信号特征。前导码的持续传输，能够让发射器有足够的时间完成同步过程，确保后续数据的准确接收。

(二)报头

报头由指示数据包类型的单个字节组成。它不仅明确了数据包的类型，还隐式提供了数据包中包含的消息的大小。消息中的字节数可以根据数据包标头中包含的值计算得出。例如，标头0x0 - 0x1F分别对应32种编号的信息，每一个信息为1个字节大小。电力接收器需要确保数据包中包含的消息与标头中指示的数据包类型一致，否则发射器会认为数据包无效。

(三)消息

消息是数据包的核心内容，包含了具体的传输数据。消息中的字节数根据报头的指示而定，可以是1 - 27个字节不等。消息的第一个字节(字节B0)直接跟随报头部分，发射器在接收到报头后，就可以根据报头指示的消息大小，准确接收后续的消息内容。

(四)校验和

校验和由一个字节组成，其作用是使电力发射器能够检查传输错误。电能发射器按照特定的公式计算校验和：C = H + B0 + B1 + … + Blast(其中C表示计算出的校验和，H表示头字节，B0、B1、…、Blast代表消息字节)，需要注意的是，校验和的计算不包含前导符部分。如果计算出的校验和C与数据包中包含的校验和字节不相等，则电力发射器应认定校验和不一致，数据包传输出现错误。

当电力发射器接收到数据包后，会按照以下标准判断数据包是否正确接收：首先，发射器需要检测到至少4个前导码位，后跟一个起始位;其次，发射器在构成该数据的任何组成数据包的字节中，都未检测到奇偶校验错误，这包括报头字节、消息字节和校验和字节;再次，发射器要检测到校验和字节的停止位;最后，发射器需要确定校验和字节是一致的。只有同时满足以上所有条件，发射器才会认为数据包已正确接收，否则会丢弃该数据包，并且不使用其中包含的任何信息。在ping阶段以及识别和配置阶段，如果数据包没有被正确接收，通常会导致超时，这会进一步导致功率发射器移除功率信号，以保障系统安全。

五、幅值调制在无线充电系统中的重要性与挑战

幅值调制作为无线充电通信物理层的关键技术，在无线充电系统中具有不可替代的重要性。它实现了电力接收器与发射器之间的高效通信，为充电功率的动态调节、设备的身份识别、充电状态的实时反馈等功能提供了基础。通过幅值调制，无线充电系统能够根据设备的实际充电需求，实时调整充电功率，提高充电效率;同时，还能够识别不同的设备类型，为不同设备提供个性化的充电服务。

然而，幅值调制在实际应用中也面临着一些挑战。例如，设备的横向位移会导致HI和LO状态的电流、电压值发生变化，这就要求发射器具备较强的自适应检测能力，能够在不同的位移情况下准确检测到状态变化。此外，负载纹波对通信的干扰也是一个需要解决的问题，如何有效滤除负载纹波，提高通信的抗干扰能力，是无线充电系统设计中的一个重要课题。另外，随着无线充电技术的不断发展，对通信速率和可靠性的要求也越来越高，如何在现有幅值调制技术的基础上，进一步提升通信性能，也是未来研究的方向之一。

综上所述，幅值调制在无线充电通信物理层中扮演着至关重要的角色。通过深入理解其原理、实现机制和关键技术要点，我们能够更好地设计和优化无线充电系统，推动无线充电技术的不断发展和普及。在未来，随着技术的不断进步，幅值调制技术也将不断完善，为无线充电通信带来更高的效率和可靠性。