ASK和FSK調(diào)制汽車(chē)遙控系統(tǒng)應(yīng)用綜述

孫 軍，張 林，李國(guó)慶，王禮建

（上海汽車(chē)乘用車(chē)技術(shù)中心 （南京）電器部，江蘇 南京 210061）

近年來(lái)，數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及處理芯片性能的提高，極大擴(kuò)展了數(shù)字處理系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。目前，在汽車(chē)射頻功能上，廣泛采用兩種射頻載波方式:ASK和FSK，它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)國(guó)家 《微功率 （短距離）無(wú)線電設(shè)備的技術(shù)要求》規(guī)定，汽車(chē)能夠使用的載波頻率為314～316 MHz、430～432 MHz、 433.00～434.79 MHz， 輻射強(qiáng)度最大為10 mW。歐洲74／61／EEC規(guī)定，汽車(chē)能夠使用的載波的頻率為433.92MHz，輻射強(qiáng)度最大為25mW。

1 基本概念

1.1 幅移鍵控ASK信號(hào)

幅移鍵控 （Amplitude Shift Keying，簡(jiǎn)寫(xiě)為ASK）信號(hào)相當(dāng)于模擬信號(hào)的調(diào)幅，只不過(guò)與載波相乘的是二進(jìn)制碼，載波在二進(jìn)制基帶信號(hào)1或0的控制下通或斷，即用載波幅度的有或無(wú)來(lái)代表信號(hào)的1或0，這樣就可以得到ASK信號(hào)，這種二進(jìn)制幅移鍵控方式稱為通-斷鍵控。2ASK通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1，2ASK信號(hào)典型時(shí)域波形圖見(jiàn)圖2。

1.2 頻移鍵控FSK信號(hào)

頻移鍵控 （Frequency Shift Keying，簡(jiǎn)寫(xiě)為FSK），是利用載波的頻率參量來(lái)攜帶數(shù)字信息的調(diào)制方式。常用的是二進(jìn)制頻率鍵控信號(hào)，即2FSK。2FSK信號(hào)典型時(shí)域波形圖見(jiàn)圖3，2FSK通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

1.3 弗列斯公式

針對(duì)超高頻 （300～3000MHz）通信，射程能力是首要關(guān)注。弗列斯公式是超高頻的重要公式，描述了在自由空間的射頻通信中各重要參數(shù)之間的關(guān)系。

式中:PR——接收功率；PT——發(fā)射功率；GT——發(fā)射天線增益；GR——接收天線增益；λ——射頻波長(zhǎng)；d——發(fā)射和接收器之間的距離；n——環(huán)境冪指數(shù)。

公式描述了接收信號(hào)的強(qiáng)度與以下幾個(gè)信號(hào)的關(guān)系:①發(fā)射功率的強(qiáng)度；②發(fā)送和接收的天線增益；③載波信號(hào)的波長(zhǎng)；④發(fā)送和接收距離。

2 ASK與FSK的性能比較

2.1 ASK與FSK實(shí)現(xiàn)方式

2.1.1 ASK和FSK發(fā)射典型電路

1）以射頻芯片T5754為例，ASK發(fā)射典型電路見(jiàn)圖5。

當(dāng)單片機(jī)ATARx9x控制的T5754的ENABLE=0&PA_ENABLE=0，T5754將處在低功耗模式，所有器件處在靜默狀態(tài)，靜態(tài)電流非常的小。

當(dāng)單片機(jī)ATARx9x控制的T5754的ENABLE=1&PA_ENABLE=0，T5754僅有晶振輸入XTO和鎖相環(huán)PLL運(yùn)行，定時(shí)CLK驅(qū)動(dòng)被打開(kāi)，壓控振蕩器VCO輸出頻率鎖定為XTO輸入晶振的32倍 （為載波頻率），但此時(shí)PA放大器沒(méi)有輸出，它相當(dāng)于輸出0數(shù)據(jù)。

當(dāng)單片機(jī)ATARx9x控制的T5754的ENABLE=1&PA_ENABLE=1，T5754晶振輸入XTO和鎖相環(huán)PLL運(yùn)行，定時(shí)CLK驅(qū)動(dòng)被打開(kāi)，壓控振蕩器VCO輸出頻率鎖定為XTO輸入晶振的32倍 （為載波頻率），此時(shí)PA放大器有輸出，通過(guò)天線ANT1和ANT2，發(fā)射出高頻信號(hào)，此時(shí)輸出數(shù)據(jù)為1。

2）以芯片T5754為例，F(xiàn)SK發(fā)射典型電路見(jiàn)圖6。

FSK與ASK電路的差別在于數(shù)據(jù)芯片上增加一個(gè)控制端口，板間布置一個(gè)電容，通過(guò)此電路改變晶振頻率，抑制載波頻率不同。

當(dāng)單片機(jī)ATARx9x控制的T5754的ENABLE=0&PA_ENABLE=0，T5754將處在低功耗模式，所有器件處在靜默狀態(tài)，靜態(tài)電流非常的小。

當(dāng)單片機(jī)ATARx9x控制的T5754的ENABLE=1&PA_ENABLE=1，T5754晶振輸入XTO和鎖相環(huán)PLL運(yùn)行，定時(shí)CLK驅(qū)動(dòng)被打開(kāi)，壓控振蕩器VCO輸出頻率鎖定為XTO輸入晶振的32倍 （為載波頻率）。此晶振頻率可通過(guò)單片機(jī)ATARx9x的一個(gè)可控MOS開(kāi)關(guān)引腳BP42／T2O=0而變化。此時(shí)PA放大器有輸出，通過(guò)天線ANT1和ANT2，發(fā)射出載波f0，此時(shí)輸出0信息。

當(dāng)單片機(jī)ATARx9x控制的T5754的ENABLE=1&PA_ENABLE=1，T5754晶振輸入XTO和鎖相環(huán)PLL運(yùn)行，定時(shí)CLK驅(qū)動(dòng)被打開(kāi)，壓控振蕩器VCO輸出頻率鎖定為XTO輸入晶振的32倍 （為載波頻率）。此晶振頻率可通過(guò)單片機(jī)ATARx9x的一個(gè)可控MOS開(kāi)關(guān)引腳BP42／T2O=1而變化。此時(shí)PA放大器有輸出，通過(guò)天線ANT1和ANT2，發(fā)射載波f1，此時(shí)輸出1信息。

通過(guò)單片機(jī)ATARx9x的一個(gè)可控MOS開(kāi)關(guān)引腳BP42／T2O控制晶振頻率，VCO處的載波f0與f1頻率相差21kHz。

2.1.2 ASK和FSK接收典型電路

以TD5210為例，ASK／FSK選擇開(kāi)關(guān)MSEL搭鐵或者懸空，就可切換兩種模式，接收典型電路如圖7所示。此開(kāi)關(guān)控制了一個(gè)2檔可控的放大器，其中一個(gè)是針對(duì)ASK的，只有單級(jí)增益的放大器，另一個(gè)針對(duì)FSK，有11級(jí)增益放大器。ASK的數(shù)據(jù)通道頻率僅被數(shù)據(jù)濾波器控制，采用的是低通。FSK數(shù)據(jù)通道分了高通和低通，低通截止頻率受外部RC電路決定，高通截止頻率由數(shù)據(jù)濾波器決定。

2.2 ASK與FSK的接收性能比較

根據(jù)弗列斯公式，ASK與FSK在相同的接收條件下，有載波發(fā)射時(shí)，接收的功率是相同的，接收的性能是一樣的，但由于ASK與FSK在發(fā)送0時(shí)是有

2.3 ASK與FSK功率消耗比較

當(dāng)0數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，ASK是沒(méi)有載波信號(hào)發(fā)出的，因此，硬件功率消耗很低，基本可以忽略，但FSK調(diào)制方式還需要有高頻載波發(fā)出，功耗與發(fā)送1數(shù)據(jù)功耗一致。因此，在工作狀態(tài)下，F(xiàn)SK功率消耗約為ASK功率消耗的2倍。以汽車(chē)遙控系統(tǒng)ASK與FSK遙控壽命為例，即

ASK壽命計(jì)算:N （有效次數(shù)）=電池有效容量／（按鍵平均電流×按鍵時(shí)間）=225mAh×50%／（150mA×100ms／3600000）=27000； T（天數(shù)）=有效次數(shù)／（每日的按鍵次數(shù)）=N／（20次／天）=1350天。

FSK壽命計(jì)算:N（有效次數(shù)）=電池有效容量／（按鍵平均電流×按鍵時(shí)間）=225 mAh×50% ／（280 mA×100ms／3600000）=14423； T（天數(shù)）=有效次數(shù)／（每日的按鍵次數(shù)）=N／（20次 ／天）=721.1天。

通過(guò)計(jì)算得知:遙控器使用ASK調(diào)制方式的壽命比FSK調(diào)制方式多600多天。

2.4 ASK與FSK的帶寬

由于FSK使用的是兩個(gè)高頻段的載波f1和f2，f1與f2之間相差21kHz，ASK僅有一個(gè)高頻載波，因此FSK比ASK所占的帶寬要寬。

3 PSK調(diào)制方式介紹

FSK信號(hào)受到干擾小，ASK占用帶寬窄，一種調(diào)制方式相移鍵控 （Phase Shift Keying，簡(jiǎn)寫(xiě)為區(qū)別的，因而它們的接收性能有很大區(qū)別。在ASK調(diào)制中，發(fā)送代表0數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)射天線上是沒(méi)有載波發(fā)出的，此時(shí)接收器是被動(dòng)地等待發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果采樣時(shí)間內(nèi)沒(méi)有信號(hào)的跳變，就認(rèn)為是0，但是現(xiàn)實(shí)空間存在很多的干擾，造成接收器無(wú)法正常解調(diào)信號(hào)。FSK調(diào)制中，發(fā)送代表0數(shù)據(jù)時(shí)，是高頻的載波，它受干擾較小，接收器能正常解調(diào)信號(hào)，因而FSK接收性能要優(yōu)于ASK。

通過(guò)雷達(dá)圖測(cè)試方案，在空曠的場(chǎng)地，劃定24區(qū)域做圓周測(cè)試，ASK與FSK兩種不同調(diào)制方式的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8和見(jiàn)圖9，表1為ASK與FSK接收數(shù)據(jù)對(duì)比。

由表1可知，在遙控距離大于15 m之后，F(xiàn)SK接收性能比ASK高10%。PSK）在載波頻率不變的情況下，綜合了FSK和ASK兩者的優(yōu)點(diǎn)，并且在相同信噪比和解調(diào)方式下，PSK誤碼率最小，它是受鍵控的載波相位按數(shù)字基帶脈沖的規(guī)律而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式。這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)數(shù)字信息的相位鍵控，通常被稱為絕對(duì)移相方式。當(dāng)基帶信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字脈沖序列時(shí)，所得到的相位鍵控信號(hào)為二進(jìn)制相位鍵控，即2PSK。2PSK信號(hào)的典型時(shí)域波形圖見(jiàn)圖10。

表1 ASK與FSK接收性能數(shù)據(jù)對(duì)比

PSK調(diào)制的發(fā)射電路與FSK調(diào)制的電路區(qū)別不大，增加了相位轉(zhuǎn)換電路，接收解調(diào)方法可采用相位比較法。

ASK、FSK以及PSK目前的調(diào)制方式多為單工的方式，主要是因?yàn)轭l帶使用受限，傳送數(shù)據(jù)量有限。如果改為雙工方式，不僅現(xiàn)有的接收和發(fā)送電路成本大幅增加，同時(shí)數(shù)據(jù)傳送量少，穩(wěn)定性也不高，對(duì)于未來(lái)的基于GPS的尋車(chē)、遠(yuǎn)程起動(dòng)、遙控駕駛車(chē)輛是不能勝任的。目前，我們?cè)谘芯炕贑DMA、TDMA 3G手機(jī)與車(chē)輛智能通信系統(tǒng)，現(xiàn)已完成虛擬模型搭建，試驗(yàn)室的測(cè)試效果滿足預(yù)期效果，結(jié)果可行。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了射頻領(lǐng)域常用的兩種調(diào)制方式ASK與FSK，以及實(shí)際應(yīng)用中的相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)。ASK與FSK在接收和發(fā)射邏輯電路上差異很小，ASK調(diào)制方式接收性能低于FSK調(diào)制方式，但在工作狀態(tài)，ASK調(diào)制方式的功率消耗遠(yuǎn)低于FSK調(diào)制方式，并且?guī)捳加谜Ｄ壳埃械钠?chē)廠在遙控系統(tǒng)（遙控鑰匙和整車(chē)）上通常采用ASK調(diào)制方式，這主要是從成本和遙控鑰匙使用壽命上考慮；在胎壓檢測(cè)系統(tǒng) （4個(gè)輪胎胎壓傳感器和整車(chē)之間）上通常采用FSK，這主要是因?yàn)樘簷z測(cè)的使用電磁環(huán)境復(fù)雜，對(duì)載波抗干擾能力要求高。同時(shí)，介紹了一種改進(jìn)的集ASK占用帶寬窄和FSK接收性能高的優(yōu)點(diǎn)于一體的調(diào)制方式PSK。針對(duì)未來(lái)基于射頻的復(fù)雜功能，提出了基于3G的雙工通信方案。

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