应用笔记 4439

简单易用的OOK调制方案


摘要 : 本文介绍了ASK/OOK技术和一种采用RF功率检测器和若干分立元件实现ASK/OOK接收的方案,并给出了实施方案详细的测试波形。

类似文章发表在2008年7月21日的RF DesignLine网站。

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
Features Bluetooth ZigBee ASK/OOK General ISM
Frequency 2.4GHz 2.4GHz 315MHz to 2.4GHz
Battery Life Low High High
Speed 800kbps 200kbps 2Mbps
Relative Cost Medium Medium Low
Industry Standards Yes Yes No

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。

图1. MAX9933 RF检波器在ASK接收链路中的应用电路
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。

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(黄色)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。
详细图片
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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(黄色)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。

图3. MAX9930 RF检波控制器的OOK应用电路
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。

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。输出数据以黄色显示,输入RF信号以蓝色显示。
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。输出数据以黄色显示,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。