OOK

OOK及其应用

1. OOK

1.1 什么是 OOK

“OOK” 全称为 On-Off Keying（开关键控），是一种最简单、最基础的数字调制技术，核心原理是通过 载波信号的 “存在”（On）与 “消失”（Off） 来对应传输二进制数字中的 “1” 和 “0”，广泛应用于低速率、低成本的无线通信场景。

1.2 OOK 的核心原理

数字通信的本质是将二进制数据（0 和 1）转换为可在信道（如空气、电缆）中传输的电 / 电磁波信号。

OOK 的调制逻辑极为直接：

  • 当传输二进制 “1” 时：发送端输出 → 有载波信号（比如一个固定频率的正弦波）；
  • 当传输二进制 “0” 时：发送端停止 → 输出载波（信号幅度为 0，即 “无信号”）。

1.3 OOK 的优缺点

优缺点 说明
优点 1. 实现成本极低：发送端只需控制载波的通断，接收端只需检测信号 “有无”，电路简单（无需复杂的相位 / 幅度调节模块）；
2. 功耗低：传输 “0” 时无载波输出，可减少设备能耗，适合电池供电的低功耗设备（如遥控器）；
3. 技术门槛低：原理直观，易于设计和调试。
缺点 1. 抗干扰能力差：信道中的噪声（如电磁干扰）可能误将 “无信号”（0）判为 “有信号”（1），或反之，速率越高误码率越高；
2. 频谱效率低：相同带宽下，OOK 传输速率远低于 PSK（相移键控）、QAM（正交振幅调制）等复杂调制技术；
3. 依赖强信号：信号衰减后易丢失，适合短距离通信。

1.4 OOK 的典型应用场景

由于其 “低成本、低功耗” 的特点，OOK 主要用于 短距离、低速率、对可靠性要求不极致的场景。
常见例子包括：

  1. 红外遥控器：如电视、空调、机顶盒的遥控器，通过红外光的 “亮 / 灭” 传输控制指令。
  2. 无线射频（RF）低速率设备：如汽车遥控钥匙（解锁 / 锁车指令）、无线门铃（触发信号）、低功耗传感器（如温湿度传感器的简单数据上报）；
  3. 早期通信系统：如电报系统（摩尔斯电码），本质是通过电线中电流的 “通 / 断” 实现远距离信息传输，是 OOK 的早期雏形。

1.5 OOK 与其他调制技术的对比

为了更清晰理解 OOK 的定位，可将其与常见的数字调制技术对比：

调制技术 核心原理 抗干扰能力 频谱效率 适用场景
OOK 载波 “有 / 无” 对应 1/0 最差 最低 短距离、低速率、低成本设备（遥控器、钥匙）
ASK 不同幅度载波对应不同符号 较差 较低 中短距离数据传输（如部分 RFID）
FSK 不同频率载波对应不同符号 较好 中等 无线数据传输（如蓝牙低功耗、对讲机）
PSK 不同相位载波对应不同符号 最好 较高 高速通信（如 WiFi、4G/5G、卫星通信）

2. 软件模拟OOK

2.1 原理

通过把发送串口（串口也可以换成其他）的Tx引脚发送的串口数据帧用OOK调制，再用接收串口的Rx引脚在经过解调之后接收。
高电平输出正弦波，低电平输出中间电平。

2.2 OOK波形输出

使用DAC+DMA把串口的Tx引脚发送的数据帧进行数模转换，使开发板通过PA4引脚输出带有调制的载波信号。
由于是定时器触发，因此可以通过调节定时器的周期和分频系数来调节正弦波的周期。比如，调节每个bit所输出的正弦波个数。

关键步骤：

  1. 发送：

    • 定义正弦波数组（不用函数计算），用DMA直接把数组值传输至DAC，更高效。

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      const uint16_t SineWave128[128] = {
          2047, 2147, 2248, 2347, 2446, 2545, 2641, 2737, 2831, 2922, 3012, 3100, 3185, 3267, 3346, 3422,
          3495, 3564, 3630, 3692, 3749, 3803, 3853, 3898, 3939, 3975, 4006, 4033, 4055, 4072, 4085, 4092, 4095,

          4092, 4085, 4072, 4055, 4033, 4006, 3975, 3939, 3898, 3853, 3803, 3749, 3692, 3630, 3564, 3495, 3422,
          3346, 3267, 3185, 3100, 3012, 2922, 2831, 2737, 2641, 2545, 2446, 2347, 2248, 2147, 2047,

          1947, 1846, 1747, 1648, 1549, 1453, 1357, 1263, 1172, 1082, 994, 909, 827, 748, 672, 599, 530, 464,
          402, 345, 291, 241, 196, 155, 119, 88, 61, 39, 22, 9, 2, 0,

          2, 9, 22, 39, 61, 88, 119, 155, 196, 241, 291, 345, 402, 464, 530, 599, 672,
          748, 827, 909, 994, 1082, 1172, 1263, 1357, 1453, 1549, 1648, 1747, 1846, 1947
      };

    • 把串口的Tx引脚连接至一个GPIO中断引脚，通过检测该引脚的上升沿和下降沿进行判断此时的电平高低，并赋值给标志位。

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// 引脚中断回调
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_9)
    {
        tx_level_flag = (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_9)) ? 1 : 0;
    }
}
  • 使用DMA半全缓冲模式（把一个缓冲区逻辑上分为前半区和后半区，当DMA把前半区写满时，触发半传输完成中断，此时CPU可以在DMA继续写后半区时，先处理前半区的数据。传输完成中断同理）。
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    // DMA半传输中断
    void HAL_DAC_ConvHalfCpltCallbackCh1(DAC_HandleTypeDef *hdac)
    {
        if (tx_level_flag)
        {
            // 高电平，把前半部分数组赋值为正弦波数组
            memcpy(&OOK_Buffer[0], &SineWave128[0], BUFFER_SIZE / 2 * sizeof(uint16_t));
        }
        else
        {
            // 低电平，把前半部分数组赋值为平电平
            memset(&OOK_Buffer[0], 2048, BUFFER_SIZE / 2 * sizeof(uint16_t));
        }
    }

    // DMA全传输中断
    void HAL_DAC_ConvCpltCallbackCh1(DAC_HandleTypeDef *hdac)
    {
        if (tx_level_flag)
        {
            // 高电平，把后半部分数组赋值为正弦波数组
            memcpy(&OOK_Buffer[BUFFER_SIZE / 2], &SineWave128[BUFFER_SIZE / 2], BUFFER_SIZE / 2 * sizeof(uint16_t));
        }
        else
        {
            // 低电平，把后半部分数组赋值为平电平
            memset(&OOK_Buffer[BUFFER_SIZE / 2], 2048, BUFFER_SIZE / 2 * sizeof(uint16_t));
        }
    }

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  1. 接收
    • 计算采样点信息，用于匹配发送的时序。以下例子的芯片时钟为144MHz
      • 计算每一位所占用的时间 $T_{bit} =\frac 1 {BaudRate}$，如波特率9600，1bit时间 ≈ 104.167us。
      • 计算每个周期的时间 $T_{period} =\frac {T_{bit}} {n}$，n为每个bit的正弦波数量。比如6个，则每个正弦波周期 ≈ 17.36us。
      • 计算每个采样点的时间间隔 $T_{sample} =\frac {T_{period}} {m}$，m为每个周期 ADC 的采样点个数。比如8个，则每个采样点时间间隔 ≈ 2.17us。
      • ADC(12bit)总转换时间 $T_{conv} = {采样时间} + {12.5 个周期}$。比如使用13.5个周期为采样时间，则$T_{sample-total} = ({13.5} + {12.5}) \times {55.56ns} ≈ {1.44us}$， （ADC时钟为18MHz，则一个周期 ≈ 55.56ns。
      • 条件：ADC 总采样时间 ≤ 采样间隔 → 1.44us ＜ 2.17us。
    • 一个正弦波周期时间采样六个点后，触发DMA全传输中断进入回调函数处理。
    • 将PA6引脚接入串口的RX引脚，即可读取数据。
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      #define p2p_threshold 100
      /* 
          *  判断一个正弦波周期的六个采样点的峰峰值是否大于阈值
          *  如果大于阈值则为正弦波，返回1，代表高电平，反之返回0，代表低电平
          */
      static uint8_t decide_bit_from_block(const uint16_t *buf, uint32_t n)
      {
          uint16_t maxv = 0;
          uint16_t minv = 4095;
          for (uint32_t i = 0; i < n; i++)
          {
              if (buf[i] > maxv)
                  maxv = buf[i];
              if (buf[i] < minv)
                  minv = buf[i];
          }
          uint16_t p2p = maxv - minv;
          return (p2p > p2p_threshold) ? 1 : 0;
      }
      // DMA传输6个采样点完成
      void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
      {
          if (hadc->Instance == ADC1)
          {
              uint8_t b = decide_bit_from_block(adc_buf, SINGLE_PERIOD_POINTS);
              HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, b ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
          }
      }
      转换后的波形：
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