| 标题 | 一种基于包络检测的ASK调制解调电路设计 |
| 范文 | 刘新红 摘 要： 针对ASK数字调制方式，设计了一种基于包络检测调制解调电路。调制电路采用模拟调幅调制方法，用模拟乘法器AD734将被调制二进制数字信号和载波相乘产生调制信号实现调制。解调电路采用包络检测法，用运放LMH6658MA将正弦信号放大限幅转方波信号，用比较器整流电路对信号整流，然后用低通滤波器滤去载波，最后通过微分电路和比较器LM139对信号整形获得解调出的二进制数字信号，从而实现解调。通过Proteus对设计的电路进行仿真验证，结果证明，此电路结构简明，具有大的信号幅度、频率动态范围。 关键词： ASK； 调制电路； 解调电路； Proteus仿真 中图分类号： TN914?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0035?04 0 引 言 ASK作为一种基本的数字调制方式在通信系统中有广泛的应用。ASK调制有模拟幅度调制法和键控法两种，解调有相干解调（同步检测法）和非相干解调（包络检测法）两种[1]。调制相对容易实现，而解调较为困难。包络检测法不需要提取载波信号，实现相对简单，本设计用包络检测法解调。 目前发表的有关ASK解调的文献中提到了几种解调器的结构[2?4]。最简单的结构是包络检波电路加上反相器[2]，这种结构的优点是电路简单，但是能够被正确解调的信号幅度受到反相器阈值电压的限制。另一种结构是包络检波电路加比较器。比较器的一路输入是由包络检波器输出的包络信号，另一路输入是参考电压，用于对包络信号进行比较判决。在文献[3]中，参考电压取包络信号高电平的一半。文献[4]中，参考电压通过将包络信号进行低通滤波得到。文献[5]中给出了一种ASK解调电路的实现方法，解调电路采用包络检波，边沿检测，参考电压提取，迟滞比较电路，用集成电路工艺设计。文献[6]中对给出了一种ASK调制解调电路的实现方法，调制电路采用高电平集电极调幅电路，解调电路采用包络检波，边沿检测，参考电压提取，迟滞比较电路。整个电路设计均采用分立元件，对电路参数的选取要求高。而且迟滞比较器参考电压随包络信号的大小而改变，要通过参考电压提取电路提取，实现复杂。文献[5?6]ASK解调均针对调制深度较浅的ASK信号。 本设计针对调制深度为100%的ASK调制解调，用集成电路芯片设计，电路设计简明，并且提出了将ASK信号中的载波由正弦波变为幅度固定的方波的方法，简化后续电路处理，合理利用微分电路准确提取数字信号边沿。 1 电路结构 1.1 调制电路 调制电路由伪随机序列产生电路和乘法器电路组成，如图1所示。 伪随机序列产生电路由U1：A，U1：B，U2：A，U2：B四个4013 D触发器和U3：A 4030异或门组成，4个D触发器连接成移位寄存器，满足D1=Q3 XOR Q4，起始时刻通过R4将Q1置1使Q4Q3Q2Q1初始化为0001，随后，电路输出000100110101111这样的周期二进制序列，用以模拟调制的二进制数据。伪随机序列产生电路输出的二进制数据信号和正弦波载波信号在U4 AD734乘法器中相乘产生ASK调制信号。 乘法器的转移函数为： 式中[A0]很大，只有[X1-X2Y1-Y2U1-U2-][Z1-Z2=0]运放才处于放大状态，将输出W和Z1相连，则有[W=X1-X2Y1-Y2U1-U2+Z2]，将U0，U1，U2接地，则除数固定为10，[W=X1-X2Y1-Y210+Z2]。输出W用电阻分压后作为[Z2]输入，则[Z2=R2R1+R2W]，由此[W=R1+R2R1·X1-X2Y1-Y210]，通过改R2的值可改变W的大小。芯片[±15 V]供电。X2，Y2接地，X1接载波信号，Y1接二进制数据信号，输出W即为ASK调制信号。 1.2 解调电路 解调电路由放大整形电路、比较器整流电路、射极跟随器电路、低通滤波电路、微分电路、迟滞比较器电路等组成，如图2所示。 放大整形电路由U5：A LMH6658MA运算放大器、反相输入电阻R3、反馈电阻R4、平衡电阻R5组成，同相输入端接地，ASK调制信号从反相端输入，电路为反相比例放大器，但放大倍数较大为[R4R3=5 000100=50]。ASK信号较大时放大器处于饱和状态， ASK调制信号的正弦波经放大整形电路后输出幅度恒定的方波信号，这有利于后边各级电路的处理。电路双极性[±5 V]供电。 放大整形电路U5：A LMH6658MA运算放大器后接U5：B LMH6658MA运算放大器组成的同相比较器，比较电压为3 V，目的是将ASK调制信号中对应数字信号0的波形部分由1 V变为-4.25 V，实现整流。电路双极性[±5 V]供电。 射极跟随器电路由2N3903三极管和基极偏置电阻R6、发射极电阻R7组成。由隔直电容C1和前级整流电路连接。该电路起隔离前后级电路，放大电流的作用。电路双极性[±5 V]供电。射极跟随器输出的信号经隔直电容C2输入到低通滤波电路中，滤除高频载波成分，获得调制的数字信号包络。电路由电阻R8和电容C3组成。为了使信号的边沿更陡峭，以便最后获得更加准确的数字信号波形，低通滤波输出信号再经过微分电路处理，微分电路由电容C4和电阻R9组成。输出信号取自R9上的电压。该电压是低通滤波输出信号的微分。微分电路输出信号是数字信号上升沿、下降沿脉冲信号，用迟滞比较器可获得相应整形后的数字信号。该电路由电压比较器LM139和上拉电阻R10、正反馈分压电阻R11、R12组成。比较信号由反相端输入。电路[±5 V]双极性供电。调制电路生成子电路，解调电路便可使用调制电路产生的调制信号进行解调。电路中的ASK_MODU即为ASK调制子电路。 2 电路仿真验证 2.1 调制电路仿真验证 调制电路的仿真波形如图3所示。图中第一个波形为伪随机序列产生电路产生的伪随机序列。为000100110101111这样的周期二进制序列。模拟被调制的二进制数字信号。电压为0～5 V，码率为100 b/s，和电路的时钟信号频率相等。第二个波形为载波，频率为2 kHz，幅度为10 V。第三个波形为调制后的ASK信号ask_sig，幅度为5 V。符合[ask_sig（t）=][data（t）×cos（2πfct）]。第四个波形为伪随机序列产生电路的时钟信号，频率100 Hz。仿真结果表明，调制电路能够正确实现ASK调制功能，输出调制信号ask_sig。 2.2 解调电路仿真验证 由于解调电路模块较多，分别对各电路模块进行仿真验证，最终对整体电路进行仿真验证。 2.2.1 分电路模块仿真验证 图4显示了解调电路各电路模块的输出信号点。 第一个输出信号点是放大整形电路输出信号点，第二个输出信号点是比较器整流电路的输出信号点，第三个输出信号点是射极跟随器的输出信号点，第四个输出信号点是低通滤波器的输出信号点。 图5中：第一个波形为放大整形电路输出信号，电压为-4.25～4.25 V，数字信号的0对应电平1 V，为三电平，载波由正弦波变成了方波。第二个波形为电压比较整流电路的输出波形，电压为-4.25～4.25 V，为[±4.25 V]二电平信号。第三个波形为射极跟随器的输出波形，电压为-4.25～4.25 V。第四个波形为低通滤波器输出波形，电压为0～6.8 V，已将载波滤除，基本上恢复了数字信号波形，但上升沿下降沿有变形。 低通滤波器的截止频率： 故2 kHz的载波被滤除。如果载波频率用1 kHz，则这样的截止频率就难以滤除载波，因此。载波和数字信号码率差别越大越有利于滤除载波得到失真小的数字信号波形。本设计中载波频率是数字信号码率的20倍。截止频率高，滤波后的数字信号中的残留载波越大，信号波形失真越大，但有利于宽输入数字信号频率的实现。 对于微分电路，要获得一定的输出微分电压信号，电阻R9的取值要比较大，本设计中取[R9=1 MΩ]，电容C4的取值要满足C4充放电时间常数[τ<1Td=1100=0.01 s]，[Td]为数字信号码周期。本设计中时间常数[τ=R9C4=106×10-9=10-3s]。 2.2.2 总电路仿真验证 解调总电路的的信号测试点如图2所示，四个测试点分别为ASK信号，微分电路输出信号，解调出的数字信号（迟滞电压比较器输出信号），原始数字信号。 上述测试点的仿真波形如图6所示。 第一个波形为ASK信号，ask_sig。第二个波形为微分电路输出信号，该信号的正负脉冲和ask_sig的包络上升沿和下降沿准确对应，即微分电路输出信号能够准确反映数字信号的边沿，为准确恢复数字信号提供了条件。第三个波形是解调出的数字信号，边沿和微分电路输出信号的正负脉冲对应，表明已经由微分电路输出信号正确恢复了数字信号。第四个波形为原始数字信号，波形三和波形四完全相同，进一步证明解调电路能够正确地解调出数字信号。 在电压迟滞比较电路中，输出上拉电阻[R10=3 kΩ]，正反馈分压电阻R11，R12取值应比较大，以免+5 V电源在R10中产生过大电流，而使输出电压无法达到[±5 V]。本设计中取[R11=1 mΩ]，R12取值根据比较电压的高低电压确定，高低比较电压要避开滤波后残留的载波信号波动，本设计中经测量不超过[±2.2 V]，故取高低比较电压为[±2.5 V]。当输入信号不超过2.5 V时，R11上的电压为2.5 V，输出电压为+5 V。由此可得[UoUh=R11+R12R11，52.5=1+R121，R12=1 mΩ]。 ASK信号幅度为0.1～6.25 V，码率1～600 b/s电路均可正确解调，表明电路具有较大的幅度、频率的动态范围。电路有较强的适应性。 3 结 语 设计了ASK调制解调电路，调制采用数字信号和载波相乘的方法，解调电路采用包络检测的方法。解调电路中首先将ASK中的载波通过运算放大器由正弦波转换为方波使幅度固定，简化了后续处理。然后，用比较器整流电路实现整流。最后，通过微分处理使提取的数字信号包络更准确，保证了最终恢复出的数字信号和原始数字信号完全相同。 通过Proteus仿真证明电路设计正确，调制解调功能能够稳定可靠实现，解调出的数字信号和原始数字信号完全相同。设计电路有处理信号幅度、频率大幅度范围的能力。如果考虑噪声，解调的信号幅度、码率范围会减小。 参考文献 [1] 樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2001. [2] DE VITA G， IANNACCONE G. Ultra low power RF section of a passive microwave RFID transponder in 0.35 um BiCMOS [C]// Proceedings of IEEE Int Symp Circ and Syst. Kobe， Japan： IEEE， 2005： 5075?5078. [3] CURTY J?P， JOEHL N， DEHOLLAIN C， et a1.Remotely powered addressable UHF RFID integrated system [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuit， 2005， 40（11）： 2193?2202. [4] CHO N?J， SONG S?J， KIN S?Y， et a1. A 5.1 uW UHF RFID tag chip integrated with sensors for wireless environmental monitoring [C]// Proceedings of Euro Solid?State Circuit Conference. Grenoble， France： ESSCIRC， 2005： 279?282. [5] 白蓉蓉，李永明，张春，等.一种用于射频标签的新型低压低功耗ASK解调器[J].微电子学，2007，37（6）：790?793. [6] 宋依青.一种新型ASK调制系统的设计与实现[J].通信技术，2011，44（2）：22?24. 2.1 调制电路仿真验证 调制电路的仿真波形如图3所示。图中第一个波形为伪随机序列产生电路产生的伪随机序列。为000100110101111这样的周期二进制序列。模拟被调制的二进制数字信号。电压为0～5 V，码率为100 b/s，和电路的时钟信号频率相等。第二个波形为载波，频率为2 kHz，幅度为10 V。第三个波形为调制后的ASK信号ask_sig，幅度为5 V。符合[ask_sig（t）=][data（t）×cos（2πfct）]。第四个波形为伪随机序列产生电路的时钟信号，频率100 Hz。仿真结果表明，调制电路能够正确实现ASK调制功能，输出调制信号ask_sig。 2.2 解调电路仿真验证 由于解调电路模块较多，分别对各电路模块进行仿真验证，最终对整体电路进行仿真验证。 2.2.1 分电路模块仿真验证 图4显示了解调电路各电路模块的输出信号点。 第一个输出信号点是放大整形电路输出信号点，第二个输出信号点是比较器整流电路的输出信号点，第三个输出信号点是射极跟随器的输出信号点，第四个输出信号点是低通滤波器的输出信号点。 图5中：第一个波形为放大整形电路输出信号，电压为-4.25～4.25 V，数字信号的0对应电平1 V，为三电平，载波由正弦波变成了方波。第二个波形为电压比较整流电路的输出波形，电压为-4.25～4.25 V，为[±4.25 V]二电平信号。第三个波形为射极跟随器的输出波形，电压为-4.25～4.25 V。第四个波形为低通滤波器输出波形，电压为0～6.8 V，已将载波滤除，基本上恢复了数字信号波形，但上升沿下降沿有变形。 低通滤波器的截止频率： 故2 kHz的载波被滤除。如果载波频率用1 kHz，则这样的截止频率就难以滤除载波，因此。载波和数字信号码率差别越大越有利于滤除载波得到失真小的数字信号波形。本设计中载波频率是数字信号码率的20倍。截止频率高，滤波后的数字信号中的残留载波越大，信号波形失真越大，但有利于宽输入数字信号频率的实现。 对于微分电路，要获得一定的输出微分电压信号，电阻R9的取值要比较大，本设计中取[R9=1 MΩ]，电容C4的取值要满足C4充放电时间常数[τ<1Td=1100=0.01 s]，[Td]为数字信号码周期。本设计中时间常数[τ=R9C4=106×10-9=10-3s]。 2.2.2 总电路仿真验证 解调总电路的的信号测试点如图2所示，四个测试点分别为ASK信号，微分电路输出信号，解调出的数字信号（迟滞电压比较器输出信号），原始数字信号。 上述测试点的仿真波形如图6所示。 第一个波形为ASK信号，ask_sig。第二个波形为微分电路输出信号，该信号的正负脉冲和ask_sig的包络上升沿和下降沿准确对应，即微分电路输出信号能够准确反映数字信号的边沿，为准确恢复数字信号提供了条件。第三个波形是解调出的数字信号，边沿和微分电路输出信号的正负脉冲对应，表明已经由微分电路输出信号正确恢复了数字信号。第四个波形为原始数字信号，波形三和波形四完全相同，进一步证明解调电路能够正确地解调出数字信号。 在电压迟滞比较电路中，输出上拉电阻[R10=3 kΩ]，正反馈分压电阻R11，R12取值应比较大，以免+5 V电源在R10中产生过大电流，而使输出电压无法达到[±5 V]。本设计中取[R11=1 mΩ]，R12取值根据比较电压的高低电压确定，高低比较电压要避开滤波后残留的载波信号波动，本设计中经测量不超过[±2.2 V]，故取高低比较电压为[±2.5 V]。当输入信号不超过2.5 V时，R11上的电压为2.5 V，输出电压为+5 V。由此可得[UoUh=R11+R12R11，52.5=1+R121，R12=1 mΩ]。 ASK信号幅度为0.1～6.25 V，码率1～600 b/s电路均可正确解调，表明电路具有较大的幅度、频率的动态范围。电路有较强的适应性。 3 结 语 设计了ASK调制解调电路，调制采用数字信号和载波相乘的方法，解调电路采用包络检测的方法。解调电路中首先将ASK中的载波通过运算放大器由正弦波转换为方波使幅度固定，简化了后续处理。然后，用比较器整流电路实现整流。最后，通过微分处理使提取的数字信号包络更准确，保证了最终恢复出的数字信号和原始数字信号完全相同。 通过Proteus仿真证明电路设计正确，调制解调功能能够稳定可靠实现，解调出的数字信号和原始数字信号完全相同。设计电路有处理信号幅度、频率大幅度范围的能力。如果考虑噪声，解调的信号幅度、码率范围会减小。 参考文献 [1] 樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2001. [2] DE VITA G， IANNACCONE G. Ultra low power RF section of a passive microwave RFID transponder in 0.35 um BiCMOS [C]// Proceedings of IEEE Int Symp Circ and Syst. Kobe， Japan： IEEE， 2005： 5075?5078. [3] CURTY J?P， JOEHL N， DEHOLLAIN C， et a1.Remotely powered addressable UHF RFID integrated system [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuit， 2005， 40（11）： 2193?2202. [4] CHO N?J， SONG S?J， KIN S?Y， et a1. A 5.1 uW UHF RFID tag chip integrated with sensors for wireless environmental monitoring [C]// Proceedings of Euro Solid?State Circuit Conference. Grenoble， France： ESSCIRC， 2005： 279?282. [5] 白蓉蓉，李永明，张春，等.一种用于射频标签的新型低压低功耗ASK解调器[J].微电子学，2007，37（6）：790?793. [6] 宋依青.一种新型ASK调制系统的设计与实现[J].通信技术，2011，44（2）：22?24. 2.1 调制电路仿真验证 调制电路的仿真波形如图3所示。图中第一个波形为伪随机序列产生电路产生的伪随机序列。为000100110101111这样的周期二进制序列。模拟被调制的二进制数字信号。电压为0～5 V，码率为100 b/s，和电路的时钟信号频率相等。第二个波形为载波，频率为2 kHz，幅度为10 V。第三个波形为调制后的ASK信号ask_sig，幅度为5 V。符合[ask_sig（t）=][data（t）×cos（2πfct）]。第四个波形为伪随机序列产生电路的时钟信号，频率100 Hz。仿真结果表明，调制电路能够正确实现ASK调制功能，输出调制信号ask_sig。 2.2 解调电路仿真验证 由于解调电路模块较多，分别对各电路模块进行仿真验证，最终对整体电路进行仿真验证。 2.2.1 分电路模块仿真验证 图4显示了解调电路各电路模块的输出信号点。 第一个输出信号点是放大整形电路输出信号点，第二个输出信号点是比较器整流电路的输出信号点，第三个输出信号点是射极跟随器的输出信号点，第四个输出信号点是低通滤波器的输出信号点。 图5中：第一个波形为放大整形电路输出信号，电压为-4.25～4.25 V，数字信号的0对应电平1 V，为三电平，载波由正弦波变成了方波。第二个波形为电压比较整流电路的输出波形，电压为-4.25～4.25 V，为[±4.25 V]二电平信号。第三个波形为射极跟随器的输出波形，电压为-4.25～4.25 V。第四个波形为低通滤波器输出波形，电压为0～6.8 V，已将载波滤除，基本上恢复了数字信号波形，但上升沿下降沿有变形。 低通滤波器的截止频率： 故2 kHz的载波被滤除。如果载波频率用1 kHz，则这样的截止频率就难以滤除载波，因此。载波和数字信号码率差别越大越有利于滤除载波得到失真小的数字信号波形。本设计中载波频率是数字信号码率的20倍。截止频率高，滤波后的数字信号中的残留载波越大，信号波形失真越大，但有利于宽输入数字信号频率的实现。 对于微分电路，要获得一定的输出微分电压信号，电阻R9的取值要比较大，本设计中取[R9=1 MΩ]，电容C4的取值要满足C4充放电时间常数[τ<1Td=1100=0.01 s]，[Td]为数字信号码周期。本设计中时间常数[τ=R9C4=106×10-9=10-3s]。 2.2.2 总电路仿真验证 解调总电路的的信号测试点如图2所示，四个测试点分别为ASK信号，微分电路输出信号，解调出的数字信号（迟滞电压比较器输出信号），原始数字信号。 上述测试点的仿真波形如图6所示。 第一个波形为ASK信号，ask_sig。第二个波形为微分电路输出信号，该信号的正负脉冲和ask_sig的包络上升沿和下降沿准确对应，即微分电路输出信号能够准确反映数字信号的边沿，为准确恢复数字信号提供了条件。第三个波形是解调出的数字信号，边沿和微分电路输出信号的正负脉冲对应，表明已经由微分电路输出信号正确恢复了数字信号。第四个波形为原始数字信号，波形三和波形四完全相同，进一步证明解调电路能够正确地解调出数字信号。 在电压迟滞比较电路中，输出上拉电阻[R10=3 kΩ]，正反馈分压电阻R11，R12取值应比较大，以免+5 V电源在R10中产生过大电流，而使输出电压无法达到[±5 V]。本设计中取[R11=1 mΩ]，R12取值根据比较电压的高低电压确定，高低比较电压要避开滤波后残留的载波信号波动，本设计中经测量不超过[±2.2 V]，故取高低比较电压为[±2.5 V]。当输入信号不超过2.5 V时，R11上的电压为2.5 V，输出电压为+5 V。由此可得[UoUh=R11+R12R11，52.5=1+R121，R12=1 mΩ]。 ASK信号幅度为0.1～6.25 V，码率1～600 b/s电路均可正确解调，表明电路具有较大的幅度、频率的动态范围。电路有较强的适应性。 3 结 语 设计了ASK调制解调电路，调制采用数字信号和载波相乘的方法，解调电路采用包络检测的方法。解调电路中首先将ASK中的载波通过运算放大器由正弦波转换为方波使幅度固定，简化了后续处理。然后，用比较器整流电路实现整流。最后，通过微分处理使提取的数字信号包络更准确，保证了最终恢复出的数字信号和原始数字信号完全相同。 通过Proteus仿真证明电路设计正确，调制解调功能能够稳定可靠实现，解调出的数字信号和原始数字信号完全相同。设计电路有处理信号幅度、频率大幅度范围的能力。如果考虑噪声，解调的信号幅度、码率范围会减小。 参考文献 [1] 樊昌信.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2001. [2] DE VITA G， IANNACCONE G. Ultra low power RF section of a passive microwave RFID transponder in 0.35 um BiCMOS [C]// Proceedings of IEEE Int Symp Circ and Syst. Kobe， Japan： IEEE， 2005： 5075?5078. [3] CURTY J?P， JOEHL N， DEHOLLAIN C， et a1.Remotely powered addressable UHF RFID integrated system [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuit， 2005， 40（11）： 2193?2202. [4] CHO N?J， SONG S?J， KIN S?Y， et a1. A 5.1 uW UHF RFID tag chip integrated with sensors for wireless environmental monitoring [C]// Proceedings of Euro Solid?State Circuit Conference. Grenoble， France： ESSCIRC， 2005： 279?282. [5] 白蓉蓉，李永明，张春，等.一种用于射频标签的新型低压低功耗ASK解调器[J].微电子学，2007，37（6）：790?793. [6] 宋依青.一种新型ASK调制系统的设计与实现[J].通信技术，2011，44（2）：22?24. |
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