一種基于包絡檢測的ASK調制解調電路設計

劉新紅

摘 要： 針對ASK數字調制方式，設計了一種基于包絡檢測調制解調電路。調制電路采用模擬調幅調制方法，用模擬乘法器AD734將被調制二進制數字信號和載波相乘產生調制信號實現調制。解調電路采用包絡檢測法，用運放LMH6658MA將正弦信號放大限幅轉方波信號，用比較器整流電路對信號整流，然后用低通濾波器濾去載波，最后通過微分電路和比較器LM139對信號整形獲得解調出的二進制數字信號，從而實現解調。通過Proteus對設計的電路進行仿真驗證，結果證明，此電路結構簡明，具有大的信號幅度、頻率動態范圍。

關鍵詞： ASK； 調制電路； 解調電路； Proteus仿真

中圖分類號： TN914?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0035?04

0 引 言

ASK作為一種基本的數字調制方式在通信系統中有廣泛的應用。ASK調制有模擬幅度調制法和鍵控法兩種，解調有相干解調（同步檢測法）和非相干解調（包絡檢測法）兩種[1]。調制相對容易實現，而解調較為困難。包絡檢測法不需要提取載波信號，實現相對簡單，本設計用包絡檢測法解調。

目前發表的有關ASK解調的文獻中提到了幾種解調器的結構[2?4]。最簡單的結構是包絡檢波電路加上反相器[2]，這種結構的優點是電路簡單，但是能夠被正確解調的信號幅度受到反相器閾值電壓的限制。另一種結構是包絡檢波電路加比較器。比較器的一路輸入是由包絡檢波器輸出的包絡信號，另一路輸入是參考電壓，用于對包絡信號進行比較判決。在文獻[3]中，參考電壓取包絡信號高電平的一半。文獻[4]中，參考電壓通過將包絡信號進行低通濾波得到。文獻[5]中給出了一種ASK解調電路的實現方法，解調電路采用包絡檢波，邊沿檢測，參考電壓提取，遲滯比較電路，用集成電路工藝設計。文獻[6]中對給出了一種ASK調制解調電路的實現方法，調制電路采用高電平集電極調幅電路，解調電路采用包絡檢波，邊沿檢測，參考電壓提取，遲滯比較電路。整個電路設計均采用分立元件，對電路參數的選取要求高。而且遲滯比較器參考電壓隨包絡信號的大小而改變，要通過參考電壓提取電路提取，實現復雜。文獻[5?6]ASK解調均針對調制深度較淺的ASK信號。

本設計針對調制深度為100%的ASK調制解調，用集成電路芯片設計，電路設計簡明，并且提出了將ASK信號中的載波由正弦波變為幅度固定的方波的方法，簡化后續電路處理，合理利用微分電路準確提取數字信號邊沿。

1 電路結構

1.1 調制電路

調制電路由偽隨機序列產生電路和乘法器電路組成，如圖1所示。

偽隨機序列產生電路由U1：A，U1：B，U2：A，U2：B四個4013 D觸發器和U3：A 4030異或門組成，4個D觸發器連接成移位寄存器，滿足D1=Q3 XOR Q4，起始時刻通過R4將Q1置1使Q4Q3Q2Q1初始化為0001，隨后，電路輸出000100110101111這樣的周期二進制序列，用以模擬調制的二進制數據。偽隨機序列產生電路輸出的二進制數據信號和正弦波載波信號在U4 AD734乘法器中相乘產生ASK調制信號。

乘法器的轉移函數為：

式中[A0]很大，只有[X1-X2Y1-Y2U1-U2-][Z1-Z2=0]運放才處于放大狀態，將輸出W和Z1相連，則有[W=X1-X2Y1-Y2U1-U2+Z2]，將U0，U1，U2接地，則除數固定為10，[W=X1-X2Y1-Y210+Z2]。輸出W用電阻分壓后作為[Z2]輸入，則[Z2=R2R1+R2W]，由此[W=R1+R2R1·X1-X2Y1-Y210]，通過改R2的值可改變W的大小。芯片[±15 V]供電。X2，Y2接地，X1接載波信號，Y1接二進制數據信號，輸出W即為ASK調制信號。

1.2 解調電路

解調電路由放大整形電路、比較器整流電路、射極跟隨器電路、低通濾波電路、微分電路、遲滯比較器電路等組成，如圖2所示。

放大整形電路由U5：A LMH6658MA運算放大器、反相輸入電阻R3、反饋電阻R4、平衡電阻R5組成，同相輸入端接地，ASK調制信號從反相端輸入，電路為反相比例放大器，但放大倍數較大為[R4R3=5 000100=50]。ASK信號較大時放大器處于飽和狀態， ASK調制信號的正弦波經放大整形電路后輸出幅度恒定的方波信號，這有利于后邊各級電路的處理。電路雙極性[±5 V]供電。

放大整形電路U5：A LMH6658MA運算放大器后接U5：B LMH6658MA運算放大器組成的同相比較器，比較電壓為3 V，目的是將ASK調制信號中對應數字信號0的波形部分由1 V變為-4.25 V，實現整流。電路雙極性[±5 V]供電。

射極跟隨器電路由2N3903三極管和基極偏置電阻R6、發射極電阻R7組成。由隔直電容C1和前級整流電路連接。該電路起隔離前后級電路，放大電流的作用。電路雙極性[±5 V]供電。射極跟隨器輸出的信號經隔直電容C2輸入到低通濾波電路中，濾除高頻載波成分，獲得調制的數字信號包絡。電路由電阻R8和電容C3組成。為了使信號的邊沿更陡峭，以便最后獲得更加準確的數字信號波形，低通濾波輸出信號再經過微分電路處理，微分電路由電容C4和電阻R9組成。輸出信號取自R9上的電壓。該電壓是低通濾波輸出信號的微分。微分電路輸出信號是數字信號上升沿、下降沿脈沖信號，用遲滯比較器可獲得相應整形后的數字信號。該電路由電壓比較器LM139和上拉電阻R10、正反饋分壓電阻R11、R12組成。比較信號由反相端輸入。電路[±5 V]雙極性供電。調制電路生成子電路，解調電路便可使用調制電路產生的調制信號進行解調。電路中的ASK_MODU即為ASK調制子電路。

2 電路仿真驗證

2.1 調制電路仿真驗證

調制電路的仿真波形如圖3所示。圖中第一個波形為偽隨機序列產生電路產生的偽隨機序列。為000100110101111這樣的周期二進制序列。模擬被調制的二進制數字信號。電壓為0～5 V，碼率為100 b/s，和電路的時鐘信號頻率相等。第二個波形為載波，頻率為2 kHz，幅度為10 V。第三個波形為調制后的ASK信號ask_sig，幅度為5 V。符合[ask_sig（t）=][data（t）×cos（2πfct）]。第四個波形為偽隨機序列產生電路的時鐘信號，頻率100 Hz。仿真結果表明，調制電路能夠正確實現ASK調制功能，輸出調制信號ask_sig。

2.2 解調電路仿真驗證

由于解調電路模塊較多，分別對各電路模塊進行仿真驗證，最終對整體電路進行仿真驗證。

2.2.1 分電路模塊仿真驗證

圖4顯示了解調電路各電路模塊的輸出信號點。

第一個輸出信號點是放大整形電路輸出信號點，第二個輸出信號點是比較器整流電路的輸出信號點，第三個輸出信號點是射極跟隨器的輸出信號點，第四個輸出信號點是低通濾波器的輸出信號點。

圖5中：第一個波形為放大整形電路輸出信號，電壓為-4.25～4.25 V，數字信號的0對應電平1 V，為三電平，載波由正弦波變成了方波。第二個波形為電壓比較整流電路的輸出波形，電壓為-4.25～4.25 V，為[±4.25 V]二電平信號。第三個波形為射極跟隨器的輸出波形，電壓為-4.25～4.25 V。第四個波形為低通濾波器輸出波形，電壓為0～6.8 V，已將載波濾除，基本上恢復了數字信號波形，但上升沿下降沿有變形。

低通濾波器的截止頻率：

故2 kHz的載波被濾除。如果載波頻率用1 kHz，則這樣的截止頻率就難以濾除載波，因此。載波和數字信號碼率差別越大越有利于濾除載波得到失真小的數字信號波形。本設計中載波頻率是數字信號碼率的20倍。截止頻率高，濾波后的數字信號中的殘留載波越大，信號波形失真越大，但有利于寬輸入數字信號頻率的實現。

對于微分電路，要獲得一定的輸出微分電壓信號，電阻R9的取值要比較大，本設計中取[R9=1 MΩ]，電容C4的取值要滿足C4充放電時間常數[τ<1Td=1100=0.01 s]，[Td]為數字信號碼周期。本設計中時間常數[τ=R9C4=106×10-9=10-3s]。

2.2.2 總電路仿真驗證

解調總電路的的信號測試點如圖2所示，四個測試點分別為ASK信號，微分電路輸出信號，解調出的數字信號（遲滯電壓比較器輸出信號），原始數字信號。

上述測試點的仿真波形如圖6所示。

第一個波形為ASK信號，ask_sig。第二個波形為微分電路輸出信號，該信號的正負脈沖和ask_sig的包絡上升沿和下降沿準確對應，即微分電路輸出信號能夠準確反映數字信號的邊沿，為準確恢復數字信號提供了條件。第三個波形是解調出的數字信號，邊沿和微分電路輸出信號的正負脈沖對應，表明已經由微分電路輸出信號正確恢復了數字信號。第四個波形為原始數字信號，波形三和波形四完全相同，進一步證明解調電路能夠正確地解調出數字信號。

在電壓遲滯比較電路中，輸出上拉電阻[R10=3 kΩ]，正反饋分壓電阻R11，R12取值應比較大，以免+5 V電源在R10中產生過大電流，而使輸出電壓無法達到[±5 V]。本設計中取[R11=1 mΩ]，R12取值根據比較電壓的高低電壓確定，高低比較電壓要避開濾波后殘留的載波信號波動，本設計中經測量不超過[±2.2 V]，故取高低比較電壓為[±2.5 V]。當輸入信號不超過2.5 V時，R11上的電壓為2.5 V，輸出電壓為+5 V。由此可得[UoUh=R11+R12R11，52.5=1+R121，R12=1 mΩ]。

ASK信號幅度為0.1～6.25 V，碼率1～600 b/s電路均可正確解調，表明電路具有較大的幅度、頻率的動態范圍。電路有較強的適應性。

3 結 語

設計了ASK調制解調電路，調制采用數字信號和載波相乘的方法，解調電路采用包絡檢測的方法。解調電路中首先將ASK中的載波通過運算放大器由正弦波轉換為方波使幅度固定，簡化了后續處理。然后，用比較器整流電路實現整流。最后，通過微分處理使提取的數字信號包絡更準確，保證了最終恢復出的數字信號和原始數字信號完全相同。

通過Proteus仿真證明電路設計正確，調制解調功能能夠穩定可靠實現，解調出的數字信號和原始數字信號完全相同。設計電路有處理信號幅度、頻率大幅度范圍的能力。如果考慮噪聲，解調的信號幅度、碼率范圍會減小。

參考文獻

[1] 樊昌信.通信原理[M].北京：國防工業出版社，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，張春，等.一種用于射頻標簽的新型低壓低功耗ASK解調器[J].微電子學，2007，37（6）：790?793.

[6] 宋依青.一種新型ASK調制系統的設計與實現[J].通信技術，2011，44（2）：22?24.

2.1 調制電路仿真驗證

調制電路的仿真波形如圖3所示。圖中第一個波形為偽隨機序列產生電路產生的偽隨機序列。為000100110101111這樣的周期二進制序列。模擬被調制的二進制數字信號。電壓為0～5 V，碼率為100 b/s，和電路的時鐘信號頻率相等。第二個波形為載波，頻率為2 kHz，幅度為10 V。第三個波形為調制后的ASK信號ask_sig，幅度為5 V。符合[ask_sig（t）=][data（t）×cos（2πfct）]。第四個波形為偽隨機序列產生電路的時鐘信號，頻率100 Hz。仿真結果表明，調制電路能夠正確實現ASK調制功能，輸出調制信號ask_sig。

2.2 解調電路仿真驗證

由于解調電路模塊較多，分別對各電路模塊進行仿真驗證，最終對整體電路進行仿真驗證。

2.2.1 分電路模塊仿真驗證

圖4顯示了解調電路各電路模塊的輸出信號點。

第一個輸出信號點是放大整形電路輸出信號點，第二個輸出信號點是比較器整流電路的輸出信號點，第三個輸出信號點是射極跟隨器的輸出信號點，第四個輸出信號點是低通濾波器的輸出信號點。

圖5中：第一個波形為放大整形電路輸出信號，電壓為-4.25～4.25 V，數字信號的0對應電平1 V，為三電平，載波由正弦波變成了方波。第二個波形為電壓比較整流電路的輸出波形，電壓為-4.25～4.25 V，為[±4.25 V]二電平信號。第三個波形為射極跟隨器的輸出波形，電壓為-4.25～4.25 V。第四個波形為低通濾波器輸出波形，電壓為0～6.8 V，已將載波濾除，基本上恢復了數字信號波形，但上升沿下降沿有變形。

低通濾波器的截止頻率：

故2 kHz的載波被濾除。如果載波頻率用1 kHz，則這樣的截止頻率就難以濾除載波，因此。載波和數字信號碼率差別越大越有利于濾除載波得到失真小的數字信號波形。本設計中載波頻率是數字信號碼率的20倍。截止頻率高，濾波后的數字信號中的殘留載波越大，信號波形失真越大，但有利于寬輸入數字信號頻率的實現。

對于微分電路，要獲得一定的輸出微分電壓信號，電阻R9的取值要比較大，本設計中取[R9=1 MΩ]，電容C4的取值要滿足C4充放電時間常數[τ<1Td=1100=0.01 s]，[Td]為數字信號碼周期。本設計中時間常數[τ=R9C4=106×10-9=10-3s]。

2.2.2 總電路仿真驗證

解調總電路的的信號測試點如圖2所示，四個測試點分別為ASK信號，微分電路輸出信號，解調出的數字信號（遲滯電壓比較器輸出信號），原始數字信號。

上述測試點的仿真波形如圖6所示。

第一個波形為ASK信號，ask_sig。第二個波形為微分電路輸出信號，該信號的正負脈沖和ask_sig的包絡上升沿和下降沿準確對應，即微分電路輸出信號能夠準確反映數字信號的邊沿，為準確恢復數字信號提供了條件。第三個波形是解調出的數字信號，邊沿和微分電路輸出信號的正負脈沖對應，表明已經由微分電路輸出信號正確恢復了數字信號。第四個波形為原始數字信號，波形三和波形四完全相同，進一步證明解調電路能夠正確地解調出數字信號。

在電壓遲滯比較電路中，輸出上拉電阻[R10=3 kΩ]，正反饋分壓電阻R11，R12取值應比較大，以免+5 V電源在R10中產生過大電流，而使輸出電壓無法達到[±5 V]。本設計中取[R11=1 mΩ]，R12取值根據比較電壓的高低電壓確定，高低比較電壓要避開濾波后殘留的載波信號波動，本設計中經測量不超過[±2.2 V]，故取高低比較電壓為[±2.5 V]。當輸入信號不超過2.5 V時，R11上的電壓為2.5 V，輸出電壓為+5 V。由此可得[UoUh=R11+R12R11，52.5=1+R121，R12=1 mΩ]。

ASK信號幅度為0.1～6.25 V，碼率1～600 b/s電路均可正確解調，表明電路具有較大的幅度、頻率的動態范圍。電路有較強的適應性。

3 結 語

設計了ASK調制解調電路，調制采用數字信號和載波相乘的方法，解調電路采用包絡檢測的方法。解調電路中首先將ASK中的載波通過運算放大器由正弦波轉換為方波使幅度固定，簡化了后續處理。然后，用比較器整流電路實現整流。最后，通過微分處理使提取的數字信號包絡更準確，保證了最終恢復出的數字信號和原始數字信號完全相同。

通過Proteus仿真證明電路設計正確，調制解調功能能夠穩定可靠實現，解調出的數字信號和原始數字信號完全相同。設計電路有處理信號幅度、頻率大幅度范圍的能力。如果考慮噪聲，解調的信號幅度、碼率范圍會減小。

參考文獻

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[5] 白蓉蓉，李永明，張春，等.一種用于射頻標簽的新型低壓低功耗ASK解調器[J].微電子學，2007，37（6）：790?793.

[6] 宋依青.一種新型ASK調制系統的設計與實現[J].通信技術，2011，44（2）：22?24.

2.1 調制電路仿真驗證

調制電路的仿真波形如圖3所示。圖中第一個波形為偽隨機序列產生電路產生的偽隨機序列。為000100110101111這樣的周期二進制序列。模擬被調制的二進制數字信號。電壓為0～5 V，碼率為100 b/s，和電路的時鐘信號頻率相等。第二個波形為載波，頻率為2 kHz，幅度為10 V。第三個波形為調制后的ASK信號ask_sig，幅度為5 V。符合[ask_sig（t）=][data（t）×cos（2πfct）]。第四個波形為偽隨機序列產生電路的時鐘信號，頻率100 Hz。仿真結果表明，調制電路能夠正確實現ASK調制功能，輸出調制信號ask_sig。

2.2 解調電路仿真驗證

由于解調電路模塊較多，分別對各電路模塊進行仿真驗證，最終對整體電路進行仿真驗證。

2.2.1 分電路模塊仿真驗證

圖4顯示了解調電路各電路模塊的輸出信號點。

第一個輸出信號點是放大整形電路輸出信號點，第二個輸出信號點是比較器整流電路的輸出信號點，第三個輸出信號點是射極跟隨器的輸出信號點，第四個輸出信號點是低通濾波器的輸出信號點。

圖5中：第一個波形為放大整形電路輸出信號，電壓為-4.25～4.25 V，數字信號的0對應電平1 V，為三電平，載波由正弦波變成了方波。第二個波形為電壓比較整流電路的輸出波形，電壓為-4.25～4.25 V，為[±4.25 V]二電平信號。第三個波形為射極跟隨器的輸出波形，電壓為-4.25～4.25 V。第四個波形為低通濾波器輸出波形，電壓為0～6.8 V，已將載波濾除，基本上恢復了數字信號波形，但上升沿下降沿有變形。

低通濾波器的截止頻率：

故2 kHz的載波被濾除。如果載波頻率用1 kHz，則這樣的截止頻率就難以濾除載波，因此。載波和數字信號碼率差別越大越有利于濾除載波得到失真小的數字信號波形。本設計中載波頻率是數字信號碼率的20倍。截止頻率高，濾波后的數字信號中的殘留載波越大，信號波形失真越大，但有利于寬輸入數字信號頻率的實現。

對于微分電路，要獲得一定的輸出微分電壓信號，電阻R9的取值要比較大，本設計中取[R9=1 MΩ]，電容C4的取值要滿足C4充放電時間常數[τ<1Td=1100=0.01 s]，[Td]為數字信號碼周期。本設計中時間常數[τ=R9C4=106×10-9=10-3s]。

2.2.2 總電路仿真驗證

解調總電路的的信號測試點如圖2所示，四個測試點分別為ASK信號，微分電路輸出信號，解調出的數字信號（遲滯電壓比較器輸出信號），原始數字信號。

上述測試點的仿真波形如圖6所示。

第一個波形為ASK信號，ask_sig。第二個波形為微分電路輸出信號，該信號的正負脈沖和ask_sig的包絡上升沿和下降沿準確對應，即微分電路輸出信號能夠準確反映數字信號的邊沿，為準確恢復數字信號提供了條件。第三個波形是解調出的數字信號，邊沿和微分電路輸出信號的正負脈沖對應，表明已經由微分電路輸出信號正確恢復了數字信號。第四個波形為原始數字信號，波形三和波形四完全相同，進一步證明解調電路能夠正確地解調出數字信號。

在電壓遲滯比較電路中，輸出上拉電阻[R10=3 kΩ]，正反饋分壓電阻R11，R12取值應比較大，以免+5 V電源在R10中產生過大電流，而使輸出電壓無法達到[±5 V]。本設計中取[R11=1 mΩ]，R12取值根據比較電壓的高低電壓確定，高低比較電壓要避開濾波后殘留的載波信號波動，本設計中經測量不超過[±2.2 V]，故取高低比較電壓為[±2.5 V]。當輸入信號不超過2.5 V時，R11上的電壓為2.5 V，輸出電壓為+5 V。由此可得[UoUh=R11+R12R11，52.5=1+R121，R12=1 mΩ]。

ASK信號幅度為0.1～6.25 V，碼率1～600 b/s電路均可正確解調，表明電路具有較大的幅度、頻率的動態范圍。電路有較強的適應性。

3 結 語

設計了ASK調制解調電路，調制采用數字信號和載波相乘的方法，解調電路采用包絡檢測的方法。解調電路中首先將ASK中的載波通過運算放大器由正弦波轉換為方波使幅度固定，簡化了后續處理。然后，用比較器整流電路實現整流。最后，通過微分處理使提取的數字信號包絡更準確，保證了最終恢復出的數字信號和原始數字信號完全相同。

通過Proteus仿真證明電路設計正確，調制解調功能能夠穩定可靠實現，解調出的數字信號和原始數字信號完全相同。設計電路有處理信號幅度、頻率大幅度范圍的能力。如果考慮噪聲，解調的信號幅度、碼率范圍會減小。

參考文獻

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