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ASK/OOK技术介绍,并采用RF功率检测器实现其接收方案

2020-09-18 16:21:10 未知 阅读:554 评论:0

概述

幅移键控(ASK)是一种常用的调制技术,在众多低频 RF 数字通信系统中非常普及。当需要发射“1”时,发射源发送较高的载波幅度;发射“0”时,采用最简单的方式发送出较低的载波幅度。通 - 断键控(OOK)调制是一种更简单的 ASK 方式,发射“0”时,无任何载波信号输出。

ASK 和 OOK 通信协议在近距离无线数据传输中应用非常广泛,如家庭自动化、工业网络、无线基站、遥控钥匙门禁(RKE)和胎压检测系统(TPMS)等。OOK 非常适合电池供电的便携式设备,因为它在发射“0” (不发射)时可以有效节省能量。所涉及的载波频率因具体的应用而相差很大。例如:在某些基站的低频有线通信中约为 2MHz (例如:AISG 协议);有些工业、科学和医疗(ISM)频段的近距离无线通信则采用 433MHz 左右的载频。

目前,不同的无线通信技术已经在消费类产品中取得巨大进展,其中包括:Bluetooth®、ZigBee®、Wi-Fi®。这些协议在设备之间提供了安全的通信方式,典型工作在 2.4GHz ISM 频段,综合采用频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和幅移键控(ASK)或调幅等调制技术。这些调制方式的安全措施有通道跳频和扩频模式等。这些措施很难被窃听,在提高安全性的同时也提高了抗干扰能力。所有这些方案在发射“1”和“0”时都会消耗能量,而且这些协议的复杂度较高,导致硬件实现成本高,特别是对于安全性和抗噪声能力没有特别要求的应用。

Wi-Fi 主要定位于高数据速率、远距离通信,例如:对简单控制和监控要求较高的场合。ZigBee 对于将来的现场传感器网络非常理想,Bluetooth 则被广泛用于消费类音频产品和个人无线设备。表 1 就 Bluetooth、ZigBee 和 ASK/OOK 的不同功能和特点进行了简单对比。

表 1. Bluetooth、ZigBee 和 ASK/OOK 性能对比

ASK/OOK技术介绍,并采用RF功率检测器实现其接收方案

简单的 ASK/OOK,因其低成本特点而成为最直接的选择方案,特别是对电池寿命要求苛刻的电池供电系统。同样,它们也非常适合点对点有线设备的接入应用和无线红外链路。根据不同的应用,选用其它技术实现成本会提高 2 到 5 倍。必要时,在收发链路中增加双向质询应答机制,交换特殊的代码,仍可保证安全性。ASK 相对于 OOK 具有更高的抗噪声能力,成本低于 FSK,但其功耗高于 OOK。

ASK 应用

ASK 的接收前端通常由三部分组成:用于从宽带噪声频谱提取有用载频的输入带通滤波器、用于提取有用信息的包络检波器、用于获得二进制输出的比较器。比较器的触发门限由包络检波器本身产生,可以自适应调整接收信号的输出门限,并且可以随着通道距离和发射强度进行调整。

MAX9933 是实现这种接收前端的一个可行方案,RF 检波器可以读取 2MHz 到 1.6GHz,具有 45dB 动态范围的输入信号。特别是可以为 -58dBV 至 -13dBV (即 1.25mVRMS 至 223mVRMS)的信号提供成比例的对数电压输出。图 1 给出了 ASK 接收信号链路中的 MAX9933 RF 检波器。

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图 1. MAX9933 RF 检波器在 ASK 接收链路中的应用电路

RF 信号通过外部交流耦合馈入 RFIN 引脚。由于 MAX9933 是一款峰值响应的 RF 检波器,本质上是一个简化的包络检波器,即使是对于微弱的毫伏级信号。其对数传输函数使得 RF 电压幅度与直流输出之间成对数(dB)比例关系,因此,MAX9933 对小信号特别敏感。MAX9933 允许 ASK 接收器很容易区分弱小的“1”、“0”信号。电容 CCLPF 决定器件输出的响应带宽,由所要求的输出数据速率决定。图 2 给出了当 MAX9933 作为包络检波器检测时的输出波形,MAX9030 比较器配合自适应参考电压产生数字输出。测试波形是 10MHz 载频,数据速率为 40kbps。CCLPF 滤波电容为 150pF,R-C 滤波器由 100kΩ电阻和 0.22µF 电容构成。

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图 2. MAX9933 RF 检波器响应波形。RF 输入信号调制频率为 10MHz,数据速率为 40kbps。两个波形分别是输出响应(..)和输入信号(绿色),(a) -10dBm 和 -20dBm ASK 信号;(b) -40dBm OOK 信号。两个波形在 MAX9030 比较器输入端的信号分别在底部用粉色和绿色表示。

OOK 应用

MAX9930 RF 功率检测控制器设计用于功放(PA)自动增益控制(AGC)的反馈环路。然而,用于开环模式时(即没有 PA 提供从 OUT 到 RFIN 的反馈回路),可以很容易实现图 3 所示的 OOK 通信。REF 电压基准代表可以收到的“1”门限的最小值,从而提取 OOK 信息。

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图 3. MAX9930 RF 检波控制器的 OOK 应用电路

RF 信号同样通过外部交流耦合电容进入器件的 RFIN 引脚。MAX9930 控制器前端是一个峰值检波器,内部检测 RF 信号的输入峰值。电压输出反馈到 SET 引脚作为比较器门限,非常适合 OOK 检测应用。电阻 RFB 和 RIN 提供比较器的滞回,以提高抗干扰能力,电阻 RFB 选择为 300kΩ,RIN 选择为 10kΩ。为了提高数据速率可以选择尽可能小的 CCLPF。图 4 给出了与图 2 测试中同样输入条件下的测试结果。

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图 4. MAX9930 RF 检波控制器的响应波形。RF 输入信号调制频率为 10MHz,数据速率为 40kbps,OOK 信号为 -40dBm,REF 设置为 500mV。输出数据以..显示,输入 RF 信号以蓝色显示。

OOK 发送器

OOK 发送器的简单性是其它调制方案所不及的。仅需要将载波信号发送到功放和天线或线缆,即可实现发射“1”的目的,或不发射任何信号即代表发射“0”。MAX1472 VHF/UHF 发送器是一款非常好的应用选择,采用输入数字流调制基于晶体的 PLL 振荡器的输出,最后馈送到功放。接收系统可以是 OOK 接收机系统(固定门限)或 ASK 接收系统(自适应门限)。

结论

在当前的互联世界,电路之间需要多种模式的通信方式。ASK 和 OOK 提供了两个这样的协议,上述电路提供了可行的应用方案,与市场上的其它通信协议相比结构更简单。

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