随着工业化的不断发展，人类生产和生活对电力的依赖程度持续加深。无线电力传输（WPT）技术可以避免传统接触式供电的安全隐患，并提高系统安全性。因此，它在许多应用场景中发挥着重要作用，已成为学术和工程研究的热点[[1], [2], [3]]。在实际应用中，为了提高WPT系统的整体性能，电力发射器和接收器往往需要实现实时通信，即电力和信号的同步传输技术[4,5]。
目前，信号传输技术主要分为两种类型：分离通道和共享通道[[6], [7], [8]]。分离通道意味着电力传输和信号传输在物理结构上是独立的，因此电力传输通道和信号传输通道是两个独立的子系统，分别只实现电力传输和通信功能。然而，当功率较大时，会对信号造成显著干扰，导致信号失真或无法传输。为了解决这个问题，共享通道传输方法受到了更多关注和研究[[9], [10], [11]]。
共享通道传输方法包括功率调制、载波调制、谐波利用等[12,13]。功率调制将待传输的信号与发射端的功率波形结合，形成具有信号特性的功率包络。然后在接收端，通过识别和提取功率波形的包络特性来解调信号。在文献[14]中，通过幅度移键技术实现了信号的 forward 传输。在接收端，将MOSFET与一个无控制的整流器并联连接，通过改变其开关频率来实现恒定电压输出和反向信号传输。功率调制的问题在于，在信号传输过程中会导致严重的负载电压降和效率下降。因此，在文献[15]中提出了一种采用多频调制的新型单线圈半双工电力和信号同步传输系统。通过根据所需的信号频率调节转换器的导通角，可以生成稳定的波形和正弦波，从而形成不同的数据信息。由于信号传输依赖于频率而非幅度，因此可以降低负载电压降。
为了提高信号传输速率，许多学者对载波调制方法进行了研究[16]。该方法以待传输的信号作为调制波，以功率波形作为载波波。两者结合后一起传输，然后通过区分信号的特性来实现信号的解调[17,18]。然而，在载波调制过程中不可避免地会产生功率干扰，导致信噪比下降和潜在的通信失败。此外，在全双工通信中，双向信号源之间的干扰也是一个问题。为了解决这些问题，在文献[19]中采用了双边LCCL补偿拓扑结构来更有效地防止电力电路对信号传输的干扰，同时在信号传输通道中使用双谐振结构来抑制同侧干扰。此外，在文献[20]中利用双切口滤波器分离数据载波，实现了全双工通信，减少了同侧干扰并提高了信噪比。然而，尽管干扰问题得到了缓解，但仍需要相对复杂的信号调制和解调电路。
谐波利用主要利用逆变器输出电压中的谐波进行信号传输。与功率调制相比，它可以实现更高的信号传输速率，并大大减少输出功率的波动[[21], [22], [23]]；与载波调制相比，它还可以大幅减小系统的体积和成本[24,25]。因此，近年来受到了相当多的关注。在[26]中，通过改变逆变器的相位角在初级线圈中生成梯形电流。通过在次级侧使用频率选择网络来分离基波和谐波电流，从而实现电力和信号的传输。此外，在文献[27]中提出了一种基于多频调制的新型PWM控制技术，实现了并行信号的传输。
总体而言，分离通道信号传输方法在电力传输过程中会对信号传输造成较大干扰，导致无法解调传输的信号以及系统结构更为复杂。对于共享通道方法，功率调制会导致输出功率波动。此外，载波调制由于将信号加载到功率波形上，不可避免地会产生干扰，从而导致信噪比下降。
本文作者之前提出了一种用于WPT系统的功率增强方法[28]，该方法在发射端采用了双谐振补偿网络，使系统能够同时在两个频率上传输电力，从而增加总输出功率。基于文献[28]，本文提出了一种基于双频功率分配的同步电力和信号传输方法。在保证总传输功率稳定性的前提下，通过改变两个频率的功率比例来实现信号的同步传输。所提出的方法不需要信号调制电路，并大大减少了电力传输和信号之间的干扰。
本文首先介绍了所提出系统的拓扑结构和数学模型，然后基于基波-谐波双频通道分析了电力传输的工作原理。接着从信号调制方法、信号解调方法和信号传输速率等方面分析了电力和信号同步传输的原理。随后，定量分析了电力传输通道和信号传输通道之间的干扰，并提出了一种更优的系统参数配置方法。最后，通过仿真和实验验证了所提出系统的有效性，实现了5kbps的电力和信号同步传输。
