CN107517174B - 一种基于模拟开关的相移键控解调电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模拟开关的相移键控解调电路，包括两个双路模拟开关芯片、两个差分放大电路、两个低通滤波器和一个数字控制器；本发明通过数字控制器为模拟开关提供与信号载波同频、占空比为50％的方波驱动信号，差分信号通过模拟开关后相当于与一个±1V、频率、占空比、相位与驱动信号相同的方波，实现乘法器的功能；通过差分放大器、低通滤波器后，输出包含相位信息的三角函数量sinθ和cosθ；通过数字控制器对sinθ和cosθ采样后进行反三角函数运算得到θ，从而实现PSK解调。本发明解调电路使用模拟开关来代替传统的乘法器芯片或乘法器电路，实现简单，成本低，解调效果好。
Description
技术领域
本发明属于通信电路技术领域，具体涉及一种基于模拟开关的相移键控解调电路。
背景技术
数字通信中数据通信的基本形式可分为两种：基带通信和频带通信。基带传输是按照数字信号原有的波形(以脉冲形式)在信道上直接传输，基带传输不需要调制、解调，设备花费少，适用于较小范围的数据传输；基带通信所占据的频谱是从零频或很低频率开始，而绝大多数信道因为具有带通特性，因此在很多通信场合采用频带通信的方法。
频带传输是一种采用调制、解调技术的传输形式，在发送端采用调制手段对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；在接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。常用的调制方法有：振幅键控调制(ASK Modulation)、频移键控调制(FSKModulation)和相移键控调制(PSKModulation)，其中相移键控调制由于具有良好的抗噪声能力而被广泛使用。
相移键控分为绝对相移和相对相移，以未调载波的相位作为基准的相位调制称作绝对相移。以二进制调相为例，取码元为“1”时，调制后载波与未调载波同相；取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；“1”和“0”时调制后载波相位差180°。利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化来传递信息的方法称为相对相移键控，也称差分相移键控(DPSK)。
PSK常用相干解调法，相干解调可以通过模拟电路或数字控制器实现，以二进制PSK的解调为例：模拟电路解调是将信号载波通过带通滤波器后与相干波(同频载波)相乘后，通过低通滤波器和抽样判决器来得到数字脉冲信号，如图1所示；模拟解调电路中，乘法器电路实现较为复杂，集成的乘法器芯片的成本较高；数字解调是数字控制器对信号进行采样，在芯片内部进行离散傅里叶变换(DFT)后，通过判决门限来判断数字信号，数字解调需要控制器有较高的采样频率，较好的浮点运算能力，同时运算过程需要占用一定的CPU资源。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于模拟开关的相移键控解调电路，其使用模拟开关来代替传统的乘法器芯片或乘法器电路，实现简单，成本低，解调效果好。
一种基于模拟开关的相移键控解调电路，包括两个双路模拟开关芯片、两个差分放大电路、两个低通滤波器以及一个数字控制器；其中：
所述双路模拟开关芯片用于实现乘法器的功能，当触发信号为高电平时使两路差分信号乘以+1后输出，当触发信号为低电平时使两路差分信号乘以-1后输出，两个双路模拟开关芯片的触发信号相位差90°；
所述差分放大电路用于将对应双路模拟开关芯片输出的两路差分信号转换为单端信号；
所述低通滤波器用于使对应差分放大电路输出的单端信号进行低通滤波；
所述数字控制器用于采样两个低通滤波器输出滤波后的单端信号，通过三角函数运算得到两路单端信号的相位，进而使该相位与判决门限进行比较得到数字信号。
进一步地，所述触发信号是与差分信号载波频率相同的方波，占空比为50％，其由数字控制器或方波发生电路提供。
进一步地，所述双路模拟开关芯片的两个驱动端接同一触发信号，第一开通输入端和第二关断输入端接vsig+，第一关断输入端和第二开通输入端接vsig-，第一输出端与差分放大电路的正相输入端相连，第二输出端与差分放大电路的反相输入端相连，vsig+和vsig-分别对应为正相和反相的两路差分信号。
进一步地，所述双路模拟开关芯片采用型号为TS5A23159的双路模拟开关。
进一步地，所述数字控制器通过以下三角函数计算两路单端信号的相位θ：
其中：Z1和Z2分别为两个低通滤波器输出滤波后的单端信号。
进一步地，当双路模拟开关芯片的触发信号为高电平时，差分放大电路输出单端信号vo＝ka(vsig+-vsig-)；当双路模拟开关芯片的触发信号为低电平时，差分放大电路输出单端信号vo＝ka(vsig--vsig+)；其中，ka为放大倍数。
进一步地，所述数字控制器采用MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)、DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)、FPGA(Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)或CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)实现。
本发明解调电路适用于二进制PSK调制信号、四进制PSK调制信号以及更高进制的PSK调制信号，可用于相对PSK(DPSK)解调，也可在实现相位同步的条件下的DPSK解调。
本发明解调电路使差分信号通过模拟开关后相当于与一个±1V、频率、占空比、相位与驱动信号相同的方波，实现乘法器的功能，进而实现PSK解调；本发明解调电路利用模拟开关来代替传统的乘法器芯片或乘法器电路，实现简单，成本低，解调效果好。
附图说明
图1为传统PSK相干解调电路的结构示意图。
图2为本发明解调电路的结构示意图。
图3为差分放大电路的结构示意图。
图4为本发明系统中各级电路信号的时序波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明PSK解调电路包括：两个双路模拟开关芯片、两个差分放大电路、两个低通滤波器和一个数字控制器，其中：
双路模拟开关芯片输入为差分信号，双路模拟开关芯片的NO1、NC2引脚连接输入信号的正端vsig+，NO2、NC1引脚连接输入信号的负端vsig-；驱动引脚IN1和IN2连接同一驱动信号，当驱动信号为0时，双路模拟开关芯片的COM1引脚输出为vsig+，COM2为vsig-；当驱动信号为高电平时，双路模拟开关芯片的COM1引脚输出为vsig-，COM2为vsig+。两个双路模拟开关芯片的驱动信号频率是与信号载波频率相同的方波，占空比为50％，两个芯片驱动信号的相位差为90°。
两个差分放大电路分别连接两个双路模拟开关芯片的输出，用于把模拟开关输出的差分信号变为单端信号；差分电路输入正端vin+连接双路模拟开关芯片COM1，差分电路输入负端vin-连接双路模拟开关芯片COM2。则当模拟开关驱动电平为高时，差分电路的输出vo＝ka(vsig+-vsig-)；当模拟开关驱动电平为低电平时，差分电路的输出vo＝ka(vsig--vsig+)，其中ka是差分放大器的放大倍数。
两个低通滤波器分别连接两个差分放大电路的输出，用于将单端信号的高频成分滤除；当通信载波为Asin(ωct+θ)，则两路低通滤波器的输出值分别为kAsinθ和kAcosθ，其中k是比例系数。
数字控制器的两路模数转换通道ADC1和ADC2分别连接两个低通滤波器的输出端，对滤波器输出电压进行采样，得到kAsinθ和kAcosθ，通过三角函数运算得到信号的相位数字控制器通过分析信号载波的相位信息，解调出具体的数字信号。
上述PSK解调电路的整体实现结构如图2所示，差分信号接入两个模拟开关：模拟开关1和模拟开关2；本实施方式双路模拟开关芯片的具体选型为TS5A23159双路模拟开关。
模拟开关1的驱动信号为Dcos，模拟开关2的驱动信号为Dsin，两个驱动信号的频率与信号载波频率相同，占空比为50％，Dcos相位滞后Dsin相位90度。
以模拟开关1为例，芯片的NO1、NC2引脚连接输入信号的正端vsig+，NO2、NC1引脚连接输入信号的负端vsig-，驱动引脚IN1和IN2连接同一驱动信号Dcos；当Dcos值为1时，COM1与NO1相连，COM2与NO2相连，差分电路输出为vo1＝ka(vsig+-vsig-)；当Dcos值为0时，COM1与NC1相连，COM2与NC2相连，差分电路输出为vo1＝ka(vsig--vsig+)，其中ka是差分放大器的放大倍数。当ka＝1时，即相当于信号与一同频的、占空比为50％、幅值为±1V的方波相乘。
直流分量为0，相位为0的方波经过傅立叶分解可以化为：
a1cos(ω0t)+a3cos(3ω0t)+a5cos(5ω0t)+…
其中：a1,a3…为傅立叶系数；与信号Asin(ωct+θ)相乘后，高次谐波由于正交而消除，可以仅考虑基波相乘后的结果：
在通过低通滤波器后，高频成分被滤除，滤波器输出为kAsinθ；同理，另一路模拟开关的输出经差分放大器、低通滤波器后的输出为kAcosθ，k为比例系数。
通过差分放大电路，模拟开关输出的差分信号变为单端信号；差分放大电路的输出连接低通滤波器，将高频成分滤除，从而得到信号的相位信息；数字控制器的两路模数转换通道ADC1和ADC2分别连接两个低通滤波器的输出端，对滤波器输出电压进行采样，得到sinθ和cosθ，通过三角函数运算得到信号的相位数字控制器通过分析信号载波的相位信息，解调出具体的数字信号。
差分放大电路可以选择如图3所示的电路，由于ADC不能采样负值电压，需要在差分放大、低通滤波环节给解调电路的输出加上直流偏置Vref，防止输出出现负值，差分放大的传递函数为：
也可以选择其余差分放大电路，如传统四电阻差分放大器；本实施方式中各级电路信号的时序波形如图4所示。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于模拟开关的相移键控解调电路，其特征在于：包括两个双路模拟开关芯片、两个差分放大电路、两个低通滤波器以及一个数字控制器；其中：
所述双路模拟开关芯片用于实现乘法器的功能，当触发信号为高电平时使两路差分信号乘以+1后输出，当触发信号为低电平时使两路差分信号乘以-1后输出，两个双路模拟开关芯片的触发信号相位差90°；
所述差分放大电路用于将对应双路模拟开关芯片输出的两路差分信号转换为单端信号；
所述低通滤波器用于使对应差分放大电路输出的单端信号进行低通滤波；
所述数字控制器用于采样两个低通滤波器输出滤波后的单端信号，通过三角函数运算得到两路单端信号的相位，进而使该相位与判决门限进行比较得到数字信号；
所述触发信号是与差分信号载波频率相同的方波，占空比为50％，其由数字控制器或方波发生电路提供；
所述双路模拟开关芯片的两个驱动端接同一触发信号，第一开通输入端和第二关断输入端接vsig+，第一关断输入端和第二开通输入端接vsig-，第一输出端与差分放大电路的正相输入端相连，第二输出端与差分放大电路的反相输入端相连，vsig+和vsig-分别对应为正相和反相的两路差分信号；
所述数字控制器通过以下三角函数计算两路单端信号的相位θ：
其中：Z1和Z2分别为两个低通滤波器输出滤波后的单端信号；
当双路模拟开关芯片的触发信号为高电平时，差分放大电路输出单端信号vo＝ka(vsig+-vsig-)；当双路模拟开关芯片的触发信号为低电平时，差分放大电路输出单端信号vo＝ka(vsig--vsig+)；其中，ka为放大倍数，vsig+和vsig-分别对应为正相和反相的两路差分信号。
2.根据权利要求1所述的相移键控解调电路，其特征在于：所述数字控制器采用MCU、DSP、FPGA或CPLD实现。
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