基于环境反向散射的无源无线通信系统研究与实现

　　环境反向散射技术是一种近期出现的新型通信方式，设备之间通过反向散射环境中的射频信号，把这些射频信号作为载波来实现无线通信。随着物联网技术的发展，大规模无线传感器网络的传感器节点和微型嵌入式设备的体积越来越小，数量越来越多。为这些数量庞大的微型化设备供电，日常维护以及无线通信的问题越来越棘手，传统的电池和交流电供电的方案通常行不通。本文研究的无源无线通信系统把环境中的射频信号作为能量源，利用环境反向散射技术实现无源设备之间的无线通信，摆脱了对电池和交流电的依赖。该系统可以使得微型嵌入式设备的通信硬件成本和维护成本大大降低，能极大地促进物联网的推广和应用。因此，对无源无线通信系统的研究具有重要意义。本文针对如何提高无源无线通信系统的能量收集效率、通信速率和通信距离进行了深入研究，主要研究内容如下：

　　（1）研究了环境电磁波能量收集基本原理，并根据阻抗匹配原理，利用Smith圆图等工具设计了天线与负载端的阻抗匹配电路。分析并建立了一种N级RF-DC电荷泵升压整流电路的理论模型，根据二极管的等效模型对该电路的输出电压、转换效率与电荷泵级数的关系进行分析，并利用MATLAB进行仿真。最后设计了一个5级RF-DC电荷泵升压整流电路并进行测试，能量收集效率最高达到51%。

　　（2）研究了环境反向散射技术数据传输和调制的原理及其能量传递过程，完成了射频开关的测试和选型，以TI公司的MSP430G2553为控制芯片设计了无源发射器，并对环境反向散射信号强度进行测试，信号强度约0.7dBm。

　　（3）提出了一种超低功耗多天线解码算法，详细分析了该算法的理论模型，并在不使用大功率的器件时，在模拟域中完成了算法的硬件实现。以该算法为核心设计了无源接收器，完成了硬件电路设计，并对无源接收器硬件电路进行了仿真和测试。最后，搭建了无源无线通信系统测试平台，对通信速率和通信距离进行测试，结果表明：本文提出的算法能使得通信速率从lkbps提高到50kbps，通信距离从2.5英尺提高到6英尺。