原创 采用902-928MHz扩频ASK调制技术来有效降低电流消耗和成本(图)

2008-6-20 23:19 5058 7 7 分类: 通信

短距离射频(SRD)的引入和无线应用领域的扩大促进了对更加便宜的集成无线解决方案需求的日益增长。目前的无线IC仅需要少量的外围器件,而且成本只占设备总成本中相当小的一部分。考察未来和现有无线应用的功能发现,新特性的出现对电池容量产生了相当大的制约。因此,这带来了对更先进电源管理的需求。为了应对这些新的挑战,许多像Micrel这样的公司已经开始大量推出类似MICRF405的解决方案(290?980MHz射频发送器),它采用了一种新型的扩频ASK/OOK调制技术。这种新的调制技术通过扩频技术可以获得很高的输出功率,而电源功耗只有50%。



由于无线局域网(WLAN)的发展,2.4GHz频段的应用获得了很大的成功,它主要被用在需要高数据速率通信和采用充电电池的无线设备中,但是该频段不适合工业领域、低功耗和长距离应用的场合。在这些设备中,902?928MHz被认为是很好的ISM频段。为了在这个频段内工作,就必须使用某些频率的扩展频谱,常见扩频技术主要有两种类型:跳频扩频和直接序列扩频。



跳频扩频(FHSS)



跳频扩频(FHSS)通信,如图1所示,是指数据信号通过窄带载波信号调制的射频通信方式,窄带载波信号以随机但可以预测的序列从一个频率跳到另一个频率,跳频序列是时间的函数并覆盖整个宽带频率。信号能量在时间域内扩展,而不是在频率域内将每个位分成码片。这种技术降低了干扰,因为如果两个信号同时以相同的频率传输,一个窄带系统的信号将仅影响扩频信号。传输频度由跳频码决定,为了正确接收信号,接收器必须设置同样的跳频码,并且必须在合适的时间和合适的频率上侦听输入信号。为了在902?928MHz的ISM频段工作,FCC条款要求生产商使用25个或更多最大驻留时间(在任何单跳中的一个特定频率所持续的时间)为400ms的频率。不过,这种通信的最大缺点是在发射和接收机之间需要频率同步,这会导致相当慢的访问时间和更高的功率消耗,因为系统为了和接收机同步需要在所有的信道内通信。


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图1  调频扩频


直接序列扩频(DSSS)



另一种扩频通信的方式是数字调制或直接序列扩频(DSSS)通信。如图2所示,DSSS是通过在发送端将数据信号和更高数据速率的位序列或填充码组合而实现的。填充码是冗余位组合,其可根据扩展率将用户数据分段。当该位信号发送时,可以增加信号抗干扰的能力。如果在这种组合中有一个或多个位在传输过程中发生错误,那么由于发送的冗余性,原始数据也可以被恢复出来。由于信道是固定的,DSSS通信具有很短的访问时间。它的缺点是解调机制非常复杂,这是由于接收的信号需要逆扩展和同步。


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图2  直接序列扩频


扩频ASK/OOK



由于对更高数据传输速率的需求逐渐增多,工业界建议取消对接收单元数字处理增益的要求,这一点得到了采纳,IEEE规范随后增加了允许根据信噪比自动调整扩展代码的相应协议描述。这些已经在新的频率条款15.247中得到实现,就是现在所说的“跳频系统”或“数字调制系统”。



FCC条款中的“数字调制系统”是这样定义的:“采用数字调制技术的系统可以在902?908MHz、2400?2483.5 MHz和5728?5850MHz频段工作,最小6dB带宽应该至少为500kHz。”
幅移键控(ASK)调制就是利用数字数据对载波的幅度进行调制的方法。这种调制技术工作的最简单和最常用的形式是开关,载波存在用“1”代表,载波不存在用“0”代表。这种类型的调制称为开关键控(OOK),是最节省能量的调制方式,因为只有在发送“1”时辐射能量。幅移键控需要很高的信噪比才能解调信号,因为根据其本身特性,大部分信号都是以很低的功率进行发射的。ASK调制射频系统的优点是发射和接收设备的结构简单,并且功耗比较低。但不幸的是,ASK/OOK调制系统所占用的带宽低于500kHz或着峰值密度根本不会落入“数字调制系统”要求的范围。这表明ASK/OOK调制系统的发射功率被限制在50mV/m,或者必须采用一些FHSS技术以满足FCC的15.247条款的要求。


扩频幅移键控



扩频幅移键控是采用数字信号调制的传统ASK/OOK技术来实现的。典型的结构如图3所示,这也说明了MICRF405是如何以SSASK/OOK模式工作的。SSASK/OOK调制是通过将用户数据输入到AM调制器来实现幅度的键控或开/关(如图4所示)频移键控的调制方式(如图5所示)。通过增加一个PN序列到FSK调制器可产生一个FSK信号,该FSK调制器被编程的带宽大于FCC规定的500kHz。FSK数据速率和PN序列的选择应尽可能根据在6dB带宽之内峰值密度的一致性来选择。扩频ASK/OOK的频谱如图6所示。


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图3  SSASK/OOK框图


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图4  9600b/s 调制速率的OOK调制波形


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图5  250kHz和77kb/s调制速率的FSK调制波形


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图6  9600b/s调制速率的SSASK调制频谱



SSASK/OOK调制频谱的辐射频谱和峰值密度符合 “数字调制系统”的要求,因此,被FCC称为“数字调制系统”。这种新的调制类型最大的优点就是功耗很低,因为它仅在发送“1”时辐射功率,而且不需要FHSS就可以增加输出功率。



采用SSASK/OOK调制方式,用户数据是以信号幅值的变化体现的,并且可以利用传统的ASK/OOK超外差接收器如MICRF005(如图7所示)来接收。MICRF005所接收到的SSASK/OOK信号是的标准OOK/ASK调制信号,并据此进行解调。


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图7  MICRF005应用电路


SSASK/OOK应用电路



在902?928MHz频段,当设备需要超过50mV/m的输出功率时,ASK/OOK调制对于实现跳频扩频是必须的。通过在扩频ASK/OOK模式中使用MICRF405,不需要FHSS就可以使发射输出功率达到10dBm。应用电路(如图8所示)包括匹配电路、晶体和退耦电容等。当使用MICRF405作为扩频ASK/OOK设备时,可以达到FCC允许的最大输出功率,而外部功率放大器却只有+20dBm。图9所示的应用电路就是这种例子,当使用SSOOK调制模式且占空比为50%时,其功耗只有83mA。FCC规范中约束的8dBm/3kHz限制了它的最大输出功率。


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图8  功率输出为10dBm的SSOOK调制方式应用电路


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图9  输出功率为+20dBm的SSOK调制方式应用电路



MICRF405(如图10所示)是一个290?980MHz射频发射IC,可以满足无须申请执照的ISM频段工作要求(如表1所示)。它可以工作在北美规定的315MHz和915MHz频段,以及欧洲规定的433MHz和868MHz频段。该器件完全兼容FCC的15.247条款和EN300-200规范。


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图10  MICRF405内部框图


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发送器由FSK/ASKS调制器、PLL频率合成器和功率放大器组成。频率合成器由压控振荡器(VCO)、晶体振荡器、双模式预定标器、可编程分频器和相位检测器组成。环路滤波器可以使用内部的,也可使用外部的。功率放大器的输出功率可以分成8个级别。锁定检测电路可以检测什么时候PLL被锁定。在FSK模式中,用户可以在三种不同调制类型中选择一种,数据传输数率也可高达200kb/s。第一种FSK调制类型为间隔调制,当选择后,MICRF405就在两套寄存器(M0、N0、A0:“0”和M1、N1、A1:“1”)间切换。第二种调制类型是使用内部调制器的闭环VCO调制,调制数据直接输入到VCO。第三个FSK调制类型是开环VCO调制。



在ASK调制模式中,用户可以在具有或不具有扩频能力的两种调制类型之间选择,这两种模式的调制深度都是可编程的。


http://www.epc.com.cn/magzine/20061201/8094.asp

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