CN109714283B - 一种ask调幅信号解调电路及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种无线充电调幅信号解调电路及方法。一种ASK调幅信号解调电路，包括第一滤波器，第一微分器，第二微分器，第一迟滞比较器；所述第一微分器用于对所述第二包络信号进行微分或微分同时放大，其输出第一微分信号(Vo_1^nd_diff)；所述第二微分器用于对所述第一微分信号进行微分，其输出第二微分信号(Vo_2^nd_diff)；所述第一迟滞比较器用于根据所述第二微分信号正负值检测出所述第二包络信号的拐点，输出可经解码输出原始数据信息的数据信号(Dout)。本发明采用两次微分判断出拐点的方式检测出调制信号具有独创性，相比背景技术中提到的传统包络解调，本发明具有响应速度快、抗中频扰动、检测精度高的特点。

Description

一种ASK调幅信号解调电路及解调方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种无线充电调幅信号解调电路及方法。

背景技术

无线充电技术的市场需求越来越大，其中无线充电联盟(WPC)QI标准应用最为广泛。市场已经根据QI标准，推出各种相应的信号解调方案。由于QI标准下的ASK调幅信号频率低至2kHz左右，其中多数方案仍然需要多个外围放大器、电阻、电容实现低通滤波、隔直等功能。但这些方案已经无法满足日益增长的低成本需求、不利于降低应用电路的体积、也不利于降低调试复杂度。

包络解调是一种常用的ASK解调方法。常用包络解调电路包括包络检测电路，多个滤波电路，比较器模块等组成。CN 106506419 A即是基于该包络解调电路的方案：包络检测信号经过低通滤波电路输出接近直流电压作为比较器的参考电压，该电压也即包络检测信号的平均值，比较器比较参考电压与包络检测信号的大小，输出解调输出信号。

常用包络解调电路存在的缺点是：当输入信号包络受到中频扰动时，由于比较器的参考电压由较低频截止频率的低通滤波器生成，参考电压无法快速响应中频扰动，导致输出解调信号的占空比产生较大变化，甚至偏离可识别的区域。该缺点在无线充电系统中尤为明显：接收端位置的变化，会导致耦合系数发生变化，从而包络受到扰动；占空比的变化也会使得包络信号发生变化，产生类似于包络受到扰动的现象；扰动造成的输出占空比错误会导致后级解码电路发生错误。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种便于集成的ASK调幅信号解调电路。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种ASK调幅信号解调电路，包括第一滤波器，第一微分器，第二微分器，第一迟滞比较器；所述第一滤波器用于滤除载波信号,其输入信号为对ASK调幅信号进行包络检波后的第一包络信号Envelop，其输出信号为滤除载波后的第二包络信号V_o_filter；所述第一微分器用于对所述第二包络信号进行微分或微分同时放大，其输出第一微分信号V_o_1^st_diff；所述第二微分器用于对所述第一微分信号进行微分，其输出第二微分信号V_o_2^nd_diff；所述第一迟滞比较器用于根据所述第二微分信号正负值检测出所述第二包络信号的拐点，输出可经解码输出原始数据信息的数据信号Dout。

优选的：所述第一滤波器为低通滤波器或带通滤波器。

优选的：所述第一滤波器为低通滤波器时，截止频率大于2kHz小于87kHz；所述第一滤波器为带通滤波器时，低通截止频率大于2kHz小于87kHz，高通截止频率小于2kHz。

优选的：所述第一滤波器为低通滤波器，所述第一滤波器输入端V_I与输入电阻R_in的一端相连，输入电阻R_in的另一端与放大器AMP的反相输入端相连，反馈电容C₂与反馈电阻R₂并联形成并联电路，所述并联电路的一端连接于放大器AMP的反相输入端，所述并联电路的另一端连接于放大器AMP的输出端V_O，所述第一滤波器的传递函数为：

优选的：所述第一微分器输入端V_I与微分电容C₁的一端相连，微分电容C₁的另一端与放大器AMP的反相输入端相连，反馈电容C_F与电阻R_F并联形成并联电路，所述并联电路的一端连接于放大器AMP的反相输入端，所述并联电路的另一端连接于放大器AMP的输出端V_O，该微分器的传递函数为

优选的：所述第二微分器输入端V_I与微分电阻R_D的一端相连，微分电阻R_D的另一端与电容C_D的一端相连，电容C_D的另一端接地,所述微分电阻R_D的两端形成输出端V_O，该微分器的传递函数为

优选的：所述第二微分器的输出信号为差分输出信号，所述差分输出信号输入至所述第一迟滞比较器两端，判定所述差分输出信号的符号，比较器的翻转点即原输入信号的拐点。

优选的：所述第一微分器与所述第二微分器之间包括第二滤波器，所述第二微分器与所述迟滞比较器之间包括第三滤波器，所述第二滤波器与所述第三滤波器用于滤除带外噪声。

优选的：所述第一包络信号为原始输入信号经过半桥整流滤波后的包络信号。

优选的：所述第一迟滞比较器的迟滞电压小于100毫伏。

本发明的有益技术效果由数学原理可知，通过判断信号经过一阶导数后的正负值，可以检测出信号的上升或下降沿，但信号在同一个周期有可能出现多个斜率不同的下降(或上升沿)，因此输出信号的占空比容易受到扰动；本方案采用判断信号经过二阶导数后的正负值，检测出包络信号的拐点，由于同一个周期的拐点个数稳定为二，该发明显著提高了输出信号的可靠性。本发明采用两次微分判断出拐点的方式检测出调制信号具有独创性，相比背景技术中提到的传统包络解调，本发明具有响应速度快、抗中频扰动、检测精度高的特点。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的另一种结构框图；

图3为本发明的一种低通滤波器；

图4为本发明的一种第一微分器；

图5为本发明的一种第二微分器；

图6为本发明的重要结点的瞬态响应仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明包括四部分：滤波器(如带通或低通滤波器)、第一级微分器、第二级微分器、迟滞比较器。硬件及其工作原理、也就是用于无线充电的信号解调方法是：滤波器将整流后的ASK调幅信号进行滤波并放大，得出ASK的包络信号，并进一步输出至第一级微分器；第一级微分器检测或检测的同时放大包络信号的斜率并输出至第二级；第二级微分器检测第一级微分器的输出信号的斜率并输出至迟滞比较器。上述两处检测也可以理解为就是微分处理，且既可以是没有放大增益的微分，也可以是有放大增益的微分。迟滞比较器的边沿时刻即为原包络信号的拐点时刻。配合相应的解码电路或者微控制器(MCU)，即可从迟滞比较器的最终输出解码出数据信息包。需要说明的是，上述ASK调幅信号的整流电路、最后的解码电路不属于本发明所涉及的范围，可以采用现有技术，或者做进一步改进，本领域技术人员都可以实施。

如图2所示，为本发明的另一种实现形式，即可根据需求在微分器之间、微分器与比较器之间加入滤波器。加入的滤波器有助于滤除带外噪声。所述滤波器、第一微分器、第二微分器、迟滞比较器皆可采用现有通用技术实现。

如图3所示，为本发明滤波器的一种实现方式。所述第一滤波器为低通滤波器，所述第一滤波器包括输入电阻R_in，反馈电阻R₂、反馈电容C₂，第一滤波器的传递函数为：

其中低通截止频率应设置为大于2kHz低于87kHz，从而保留2kHz基频的数据信号，滤除87kHz以上的载波信号。2kHz与87kHz是Qi标准的特殊参数，Qi标准规定信号频率是2kHz，最低载波频率是87kHz。

如图4所示，为所述第一微分器的一种实现方式，包括放大器、微分电容C₁、反馈电阻R_F、反馈电容C_F。该微分器的传递函数为：

其中高通截止频率可设置为大于10kHz，从而对2kHz基频信号进行有效微分，并且抑制微分器对载波信号的放大作用。高通截止频率设置为2kHz基频信号的5次谐波10kHz，是一种优选参数；如果截止频率过大，则微分器对87kHz以上的载波信号放大作用过大；如果截止频率过小，则微分器偏离了对2kHz信号的理想微分特性，造成对拐点时刻的检测延迟过大。

如图5所示，为所述第二微分器的一种实现方式，所述第二微分器包括微分电阻R_D、电容C_D，该微分器将单端输入信号转换为差分输出的微分信号，传递函数为

其中高通截止频率可设置为大于10kHz，从而对2kHz基频信号进行有效微分，并且抑制微分器对载波信号的放大作用。高通截止频率取基频信号的5次谐波10kHz，是一种优选参数；如果截止频率过大，则微分器对87kHz以上的载波信号放大作用过大；如果截止频率过小，则微分器偏离了对2kHz信号的理想微分特性，造成对拐点时刻的检测延迟过大。

需要说明的是，将高通截止频率设置为2kHz至10kHz时，该方案的拐点时刻检测功能在时域误差要求较低的情况下依然可视为有效；同时从传递函数可以得到，将高通截止频率降低时，微分器在2kHz处的增益相应提高，即能够检测到更低幅值的信号。这一特性说明，该方案可在幅值检测精度和拐点时刻检测精度间进行折中，灵活选择最适合系统的参数。

第二微分器的差分输出信号输入至通用迟滞比较器的两端，即可判定出差分输出信号的符号，比较器的翻转点即原输入信号的拐点。其中迟滞比较器的迟滞电压可以设置为数十毫伏。

需要说明的是，所述附图的电路皆为单端信号处理，但本发明同样适用于全差分信号处理；本发明示例的电路皆为连续时间的信号处理电路，但本发明同样适用于离散时间的开关电容信号处理电路。

本发明不仅采用两次微分判断出拐点的方式检测出调制信号具有独创性。同时，本发明中第一、第二微分器输出阻抗不同，后者的阻抗较高，无法放到前面作为第一微分器。但第一微分器可以作为第二微分器的实现方案，缺点是需要额外的运算放大器、成本略高。因此，本发明优选的两个微分器及其固定搭配用于解调，是一种非常经济高效的方案。且图3-5的具体电路结构也是优选的最佳实施方式。

如图6所示为本发明的重要节点的瞬态响应仿真示意图。其中，Data是来自无线充电接收端的数据；Envelop是经过半桥整流滤波后的包络信号；全桥整流滤波也是可以实现本发明目的的，但无线充电系统中，由于半波整流性能已经足够好，成本考虑主流方案采用半波，故进行半桥整流滤波。V_o_filter是经过输入滤波器后的包络信号；V_o_1^st_diff是第一微分器的输出信号；V_o_2^nd_diff是第二微分器的输出信号；Dout是迟滞比较器的输出信号。结合后级的解码电路或者微控制器，可以将Dout信号进一步处理，获取数字数据信息包。

上述实施方式为本发明优选的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种ASK调幅信号解调电路，其特征在于：包括第一滤波器，第一微分器，第二微分器，第一迟滞比较器；所述第一滤波器用于滤除载波信号,其输入信号为对ASK调幅信号进行包络检波后的第一包络信号(Envelop)，其输出信号为滤除载波后的第二包络信号(V_o_filter)；所述第一微分器用于对所述第二包络信号进行微分或微分同时放大，其输出第一微分信号(V_o_1^st_diff)；所述第二微分器用于对所述第一微分信号进行微分，其输出第二微分信号(V_o_2^nd_diff)；所述第一迟滞比较器用于根据所述第二微分信号正负值检测出所述第二包络信号的拐点，输出可经解码输出原始数据信息的数据信号(Dout)。

2.根据权利要求1所述的ASK调幅信号解调电路，其特征在于：所述第一滤波器为低通滤波器或带通滤波器。

3.根据权利要求2所述的ASK调幅信号解调电路，其特征在于：所述第一滤波器为低通滤波器时，截止频率大于2kHz小于87kHz；所述第一滤波器为带通滤波器时，低通截止频率大于2kHz小于87kHz，高通截止频率小于2kHz。

4.根据权利要求1所述的ASK调幅信号解调电路，其特征在于：所述第一滤波器为低通滤波器，所述第一滤波器输入端V_I与输入电阻R_in的一端相连，输入电阻R_in的另一端与放大器AMP的反相输入端相连，反馈电容C₂与反馈电阻R₂并联形成并联电路，所述并联电路的一端连接于放大器AMP的反相输入端，所述并联电路的另一端连接于放大器AMP的输出端V_O，所述第一滤波器的传递函数为：

5.根据权利要求1所述的ASK调幅信号解调电路，其特征在于：所述第一微分器输入端V_I与微分电容C₁的一端相连，微分电容C₁的另一端与放大器AMP的反相输入端相连，反馈电容C_F与电阻R_F并联形成并联电路，所述并联电路的一端连接于放大器AMP的反相输入端，所述并联电路的另一端连接于放大器AMP的输出端V_O，该微分器的传递函数为

6.根据权利要求1所述的ASK调幅信号解调电路，其特征在于：所述第二微分器输入端V_I与微分电阻R_D的一端相连，微分电阻R_D的另一端与电容C_D的一端相连，电容C_D的另一端接地,所述微分电阻R_D的两端形成输出端V_O，该微分器的传递函数为

7.根据权利要求6所述的ASK调幅信号解调电路，其特征在于：所述第二微分器的输出信号为差分输出信号，所述差分输出信号输入至所述第一迟滞比较器两端，判定所述差分输出信号的符号，比较器的翻转点即原输入信号的拐点。

8.根据权利要求1所述的ASK调幅信号解调电路，其特征在于：所述第一微分器与所述第二微分器之间包括第二滤波器，所述第二微分器与所述迟滞比较器之间包括第三滤波器，所述第二滤波器与所述第三滤波器用于滤除带外噪声。

9.根据权利要求1所述的ASK调幅信号解调电路，其特征在于：所述第一包络信号为原始输入信号经过半桥整流滤波后的包络信号；和/或所述第一迟滞比较器的迟滞电压小于100毫伏。

10.一种ASK调幅信号解调方法，步骤包括：

来自无线充电接收端的数据(Data)进行包络检波后获得第一包络信号(Envelop)，

第一包络信号(Envelop)用第一滤波器滤除载波信号,其输出信号为滤除载波后的第二包络信号(V_o_filter)；

第一微分器对所述第二包络信号进行微分或微分同时放大，其输出第一微分信号(V_o_1^st_diff)；

第二微分器对所述第一微分信号进行微分，其输出第二微分信号(V_o_2^nd_diff)；

然后第一迟滞比较器用于根据所述第二微分信号正负值检测出所述第二包络信号的拐点，输出可经解码输出原始数据信息的数据信号(Dout)。

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