供电应用中易用的ASK/OOK调制方案

2008-12-12 10:51:17来源: 电子工程专辑

  幅移键控(ASK)是一种被广泛使用在许多低频射频应用中的数字通信调制技术。最简单的ASK方式是当信号源要发送‘1’时,它就发送一个大幅值的载波,当需要发送‘0’时,它就发送一个低幅值的载波。通断键控(OOK)调制是这种方法的进一步简化版本,信号源在需要发送‘0’的时候不用发送载波。

  ASK和OOK通信协议通常用在近距离无线通信应用中,例如家庭自动化、工业网络、无线基站、遥控无钥匙进入系统(RKE)以及胎压监测系统(TPMS)。OOK特别适合电池供电的便携式设备使用,因为这样的系统在发送‘0’时无需发送载波,因而可以节省功率。不同的应用涉及的载波频率可能变化很大,例如在某些基站的低频有线通信中约为2MHz,在使用ISM频段(工业、科学和医疗)的短距离无线通信中约433MHz。

  各种无线技术,包括蓝牙、ZigBee、Wi-Fi在当前的消费电子行业中已经取得了一定进展。这些协议提供了设备之间安全通信的机制,通常都工作在2.4GHz的ISM频段,并且组合使用频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和幅移键控(ASK)调制技术。这些技术提供的安全性包括通信的信道跳频和扩频模式。这种方案很难被侦听到,因此具有很高的安全性,并能改善抗噪声性能。所有这些方法在发送‘0’和‘1’的时候都会消耗发送功率。遗憾的是,这些协议还是具有相对较高的复杂性以及较高的硬件实现成本,特别是当安全性和高抗噪声性不是硬性要求的时候。

  Wi-Fi主要用于高数据速率、长距离应用,对于简单的控制+检测应用来说可能是大材小用了。ZigBee被认为是新兴传感器网络的理想选择,而蓝牙在众多的消费类音频设备和个人无线设备中得到了广泛应用。表1对蓝牙、ZigBee和ASK/OOK方法的不同性能特征作了简单对比。


表1:蓝牙、ZigBee 和ASK/OOK特性的比较。

  但简单的ASK/OOK硬件实现由于成本低已经成为优先选择,特别是在使用时间非常长的电池供电应用中,或者接入点对点有线基础网络和无线红外链路可能的情况下。针对不同的应用,其他技术的实现成本可能是它的2到5倍。通过在发送器和接收器之间实现双向讯问机制仍然可以在这种链路上实现足够的安全性,例如必要时通过交换特殊的代码。与OOK相比,ASK可以提供更好的抗噪声性能,而且成本比FSK低,但功耗比OOK高。

  MAX9933在ASK接收器信号链中的应用

  ASK接收器前端通常由三个模块组成:用于从宽带输入噪声谱中辨别感兴趣载波频率的输入带通滤波器,用于提取感兴趣信息的包络检波器,以及用于产生二进制输出的比较器。比较器的触发门限电平来自于包络检波器本身的输出;这使得门限电平能随接收信号电平自动调整。

  前端的一种可能实现方案是使用射频功率检测器MAX9933,它能读取45dB动态范围、频率为2MHz~1.6GHz的输入信号。特别是,它能输出与范围在-58dBV~-13dBV(即1.25mVrms~223mVrms)内的信号电平成正比的对数电压。图1显示了MAX9933在ASK接收器信号链中的应用。

图1:MAX9933在ASK接收器信号链中的应用。
图1:MAX9933在ASK接收器信号链中的应用。

  馈入到FRIN管脚的射频信号在外部采用交流耦合的方式。由于MAX9933是峰值响应射频检测器,因此它的基本功能是简单包络检波器,即使是对于低至毫伏的信号。用于输入射频电压幅值相对于输出直流电压的对数转移函数具有正比于dB的特性,因此MAX9933对非常小的信号非常敏感,使得ASK接收器能轻松区别输入的1和0信号电平。电容CCLPF的值决定了芯片输出端的响应带宽,该值又取决于预期的数据速率。图2给出了在将功率检测器当作包络检波器进行测试时的输出波形,其中比较器使用了一个自适应基准来产生数字输出位。测试波形具有10MHz的载波频率和40kbps的数据速率。CCLPF滤波电容为150pF,RC滤波器由一个100kΩ电阻和一个0.22μF电容组成。

图2:MAX9933射频检测器对调制频率为10MHz、数据速率为40kbps的射频输入信号的响应。
图2:MAX9933射频检测器对调制频率为10MHz、数据速率为40kbps的射频输入信号的响应。

  MAX9930在OOK系统中的应用情况

  射频功率检测控制器MAX9930最初设计用于自动增益控制(AGC)环路中功率放大器(PA)的反馈控制环路。然而,当在开环中进行配置时(即没有使用PA闭合从“OUT”到“RFIN”之间的反馈环路),它可以像图3所示那样简单地用于OOK应用中。REF电压代表在应用中会接收到的低于最低‘1’信号电平的门限电压,它可以用来提取OOK信息。


图3. MAX9930在OOK应用中的电路。

  输入到RFIN管脚的射频信号也通过外部交流方式耦合到芯片内。MAX9930的前端是一个峰值检波器,它在内部检测输入射频信号的峰值。馈入到SET管脚的电压用作比较器的门限电压(适合于OOK检测)。电阻Rfb和Rin提供比较器迟滞功能以增强抗噪声性能。电容CCLPF可以尽量小以提高数据速率。在与图2相同的输入条件下给出了测试结果。比较器迟滞电阻Rfb选用300kΩ,Rin为10kΩ。

  OOK发送器的简单性无可匹敌。它只是非常简单地发送载波到给天线/电缆馈送信号的功放完成‘1’的发送,或者什么也不发送来传递信号‘0’。接收器系统既可以是OOK接收器系统(具有固定的门限),也可以是一个ASK接收器系统(具有自适应的门限)。在当今的互联世界里,电路之间需要多种通信模式,ASK和OOK就是这样的两种协议。


图4. MAX9930射频检测控制器对调制频率为10MHz、速率为40kbps、电平为-40dBm OOK调制的射频输入信号的响应。REF设置为500mV。输出数字位显示为黄色,输入射频信号为蓝色。

   

关键字:频段  检测  载波  调制  安全

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/1212/article_462.html
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