基于遙控門禁（RKE）系統(tǒng)的設計要求

　　摘要：隨著RKE在新車市場和售后配件市場的普及，遙控門禁(RKE)系統(tǒng)在汽車用戶中越來越受歡迎。本篇應用筆記介紹了RKE系統(tǒng)并討論系統(tǒng)設計如何滿足發(fā)射距離、電池壽命、可靠性、成本等各項要求。該應用筆記給出了實際電路和設計方法，并提出雙向通信系統(tǒng)在未來的發(fā)展趨勢。

　　遙控門禁(RKE)系統(tǒng)已經(jīng)備受用戶的青睞，北美80%以上、歐洲70%以上的新車均安裝了RKE系統(tǒng)。除了顯而易見的便捷性，RKE用于開啟汽車制動裝置的技術(shù)還具有防盜作用。歐洲汽車生產(chǎn)廠商與保險公司合作，要求購置汽車保險時汽車要安裝RKE系統(tǒng)。德國已開始推行這一政策，預計在幾年內(nèi)會擴展到整個歐洲。

　　大多數(shù)RKE系統(tǒng)采用單向(單工)通信，但第二代、第三代RKE系統(tǒng)將提供返回到鑰匙的逆向通信雙工操作，可以通知車主需要加油或需要增加左前輪胎壓。

　　RKE系統(tǒng)包括鑰匙扣(或鑰匙)中的一個無線發(fā)射器，它向安裝在車內(nèi)的接收器發(fā)出一串短脈沖數(shù)子信號，信號經(jīng)過解碼，通過接收器控制傳動機構(gòu)，打開或關(guān)閉車門或行李箱。在美國和日本該無線載波頻率為315MHz，歐洲則使用433.92MHz (ISM頻段)。日本的RKE系統(tǒng)采用頻移鍵控FSK調(diào)制，其他絕大部分國家則采用幅移鍵控ASK調(diào)制，它的載波幅度調(diào)制在兩個電平。為了減小功耗，通常取低電平接近于0，于是產(chǎn)生了開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制。

　　RKE系統(tǒng)說明和設計目標

　　典型的RKE系統(tǒng)(圖1)是在鑰匙扣或鑰匙上安裝一個微控制器。對于汽車而言，按下控制裝置一個按鈕，將喚醒微控制器。微控制器向鑰匙的射頻發(fā)射器送出一串64位或128位的數(shù)據(jù)流，經(jīng)過載波調(diào)制，用簡單的環(huán)狀印制板天線(雖然效率不高，但環(huán)狀天線可以設置在PCB上，造價低廉，使用廣泛)輻射出去，實施*操作。

　　圖1. RKE系統(tǒng)包括一個鑰匙扣發(fā)射電路(圖中下部)和車輛內(nèi)部的接收機(圖中上部)。

　　在車輛中，射頻接收器捕捉到發(fā)射數(shù)據(jù)，并直接將它傳到另一個微控制器，完成解碼后發(fā)出正確的控制信息，以啟動引擎或打開車門。具有多個按鈕的鑰匙控制器還可以選擇打開駕駛門、全部車門或行李箱等。

　　數(shù)據(jù)流以2.4kbps至20kbps速率發(fā)射，通常由以下字段組成：前導碼、操作碼、校驗位和"滾動碼"，滾動碼在每次使用后會修改自身數(shù)值，以保證車輛的安全性。如果沒有滾動碼，發(fā)送的信號可能會意外地開啟另一車輛，或由于發(fā)射碼每小偷盜取，然后用它開啟車輛。

　　有幾個主要目標支配著RKE系統(tǒng)的設計。與所有大批量生產(chǎn)的汽車零部件一樣，它們都必須具備低成本和高可靠性。發(fā)射機和接收機都應該消耗最小功率，因為更換鑰匙控制器的電池非常麻煩，為汽車電池充電更為復雜。RKE系統(tǒng)設計人員一方面要關(guān)注這些要求，另一方面還必須確保一定的接收靈敏度、載波容限以及其它技術(shù)參數(shù)，在滿足低成本、小電流限制的情況下，實現(xiàn)最大的發(fā)射范圍。

　　其它的限制包括：當?shù)貙嚯x通信設備的管理規(guī)定，例如美國的FCC規(guī)定。近距離通信設備不需要申請許可證，但產(chǎn)品本身受各國的不同法律和規(guī)則制約。對于美國，相關(guān)管理文件是聯(lián)邦政府管理條例(CFR)，標題47的第15部分，它覆蓋了260MHz至470MHz波段(15.231節(jié))和902MHz至928MHz波段(15.249節(jié)) (請參考：http://www.access.gpo.gov/nara/cfr/waisidx_01/47cfr15_01.html)。

　　以下提供了一些FCC標準對RKE設計的限制。

　　按照15.231節(jié)規(guī)定，允許設備發(fā)射命令或控制信號、 ID碼，允許在緊急情況下發(fā)射無線控制信號，但不能是聲音或圖像信號、玩具控制信號或連續(xù)數(shù)據(jù)。

　　傳輸時間不能超過5秒；只有當重復傳輸頻率低于每小時一次時，才允許固定間隔、持續(xù)時間可以達到1秒(最長)的發(fā)射周期。

　　發(fā)射天線三米以內(nèi)的最大場強在3750?V/m到12500?V/m以內(nèi)，線性正比于基頻頻率(260至470MHz)。

　　頻帶內(nèi)下降20dB的頻偏不超過中心頻率的0.25%；雜散輻射應該比基頻信號的增益衰減20dB。

　　以下各部分詳細探討與RKE系統(tǒng)設計相關(guān)的問題，先從載波頻率的產(chǎn)生開始。

　　載波發(fā)生器

　　第一代RKE電路使用了聲表面波(SAW)器件產(chǎn)生發(fā)射器的RF載波和接收器的本振(LO)。不幸的是，SAW器件初始頻率的不確定性至少為±100kHz，并且隨溫度變化其頻率穩(wěn)定性相對較差。在接收端，如果IF通帶過寬，則在接收載波時會收到過多的噪聲，從而限制了汽車響應鑰匙控制信號的距離。

　　目前可以代替SAW器件的方案是選擇基于晶體的鎖相環(huán)(PLL)。PLL的使用主要源自日益嚴格的RF輻射規(guī)則，尤其是在歐洲和日本。使用晶振PLL的發(fā)射器比使用SAW諧振器的發(fā)射器價格略微貴一點，但精度一般提高十倍。因此接收器具有較窄的IF帶寬，由于提高了SNR，可以提高發(fā)射距離。

　　早期的SAW器件設計工作在帶寬為1.74MHz的433MHz頻段(433.05MHz至434.79MHz)的中點，以保證在工藝和溫度變化時保證系統(tǒng)的可靠性。因此，對標稱載波頻率為433MHz的應用，現(xiàn)在頻率是433.92MHz，于是必須根據(jù)這一頻率選擇PLL晶體。

　　目前，發(fā)送和接收芯片均內(nèi)置鎖相環(huán)，只需要一個外接晶振，以產(chǎn)生有效的RKE信號(參考本文補充說明：用于RKE的IC)。例如，Maxim的MAX1470 PLL包含64分頻電路和低端注入的10.7MHz中頻電路(該芯片可以工作在433.92MHz，但在315MHz，其鏡頻抑制能力最佳)。按照315MHz工作頻率，所要求的晶體頻率為fXTAL = (fRF - 10.7)/64 = 4.7547 (單位為MHz)。該IC要求在XTAL1和XTAL2引腳加上振蕩頻率為315MHz的晶體和一個5pF的電容。關(guān)于晶體頻率的調(diào)節(jié)，請參考應用筆記1017：如何為MAX1470超外差接收機選擇石英晶體振蕩器。

　　節(jié)省功耗

　　由于電池的使用壽命非常重要，RKE系統(tǒng)采用了各種技術(shù)降低工作電流和"開機時間"。接收器PLL的壓控振蕩器(VCO)是這一設計細節(jié)的范例，接收器需要保持幾乎不間斷的檢測狀態(tài)，以免漏過打開車輛的命令；而為了省電需要盡可能地將其置于關(guān)機狀態(tài)，甚至在檢查之間的短暫間隔內(nèi)。

　　控制器的發(fā)射裝置通常連續(xù)發(fā)送4組10ms的數(shù)據(jù)流(共計40ms左右)，以確保接收器至少捕捉到它們中的一組。接收器可以每隔20ms執(zhí)行一次查詢操作，力圖至少捕獲兩組數(shù)據(jù)，以便有足夠的余量消除時序誤差和噪聲。譯碼時間大約需要0.75ms (足夠接收7或8位數(shù)據(jù))，用來判斷是否為有效數(shù)據(jù)。

　　除了譯碼時間外，輪詢操作必須首先具備接收器"喚醒"和穩(wěn)定時間。大多數(shù)放大電路可以快速喚醒，但VCO晶體是機電元件，它需要一定的起振時間，當然，它還需要更長的時間才能穩(wěn)定在所要求的頻率。對于傳統(tǒng)的超外差接收機，該時間通常需要2ms至5ms。而MAX1470的VCO從上電到晶體穩(wěn)定振蕩只需0.25ms。于是，在每20ms內(nèi)，通過喚醒檢測發(fā)射信號只需要1ms (0.75ms解碼、0.25ms穩(wěn)定) (圖2)?？煽焖賳拘训腗AX1470工作電壓為3.3V，而不是5V，這是節(jié)省能量并延長電池壽命的四個或五個因素中的一個(相對于傳統(tǒng)的超外差接收機)。

　　圖2. 為監(jiān)測鑰匙控制器的發(fā)送數(shù)據(jù)，在解碼收到信號之前，RKE接收器必須分配時間，用來喚醒和建立穩(wěn)定。

　　嚴格來講，RKE是近距離通信技術(shù)，有源系統(tǒng)的傳輸距離可以達到20m，無源RKE系統(tǒng)的通信距離是1至2m，既使是近距離傳輸，保證低功耗和低成本設計對于RF電路也是一個挑戰(zhàn)。為簡單起見，發(fā)射器和接收器的天線由PCB上的環(huán)形或矩形印制導線組成，并用一個簡單的LC網(wǎng)絡，以達到天線與發(fā)射器或接收器芯片的阻抗匹配(參考應用筆記1830：How to Tune and Antenna Match the MAX1470 Circuit)。

　　增加一個低噪聲放大器(LNA)?

　　由于FCC規(guī)定必須使用低發(fā)射功率，小的電池容量以及發(fā)射天線朝向的不確定性等因素，要求RKE接收芯片具有極高的靈敏度。提高接收靈敏度的一個方法是增加一個低噪聲放大器(圖3)，但這種方法會降低動態(tài)范圍，在具體應用中可能無法接受?？梢钥紤]一下對MAX1470超外差接收器的分析。

　　圖3. 添加一個外部LNA (MAX2640)，提高接收靈敏度，但降低了三階交調(diào)截點。

　　接收靈敏度取決于它的噪聲系數(shù)、載波調(diào)制檢波所要求的最低信噪比S/N和系統(tǒng)的熱噪聲：

　　S = NF + n0 + S/N， 式1

　　其中，S為所要求的最小信號電平，以dBm為單位；NF為接收器的噪聲系數(shù)，以dBm為單位；n0為接收器的熱噪聲功率，以dBm為單位；S/N為滿足信號檢波的輸出信噪比，以dBm為單位(通常基于可接受的誤碼率)。

　　為簡化起見，對基于曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)，估計其S/N為5dB，根據(jù)定義，可以得到：

　　n0 = 10log10(kTB/1E-3)，

　　其中，k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38E-23)，T為溫度，以開氏度為單位；B為系統(tǒng)噪聲帶寬，在室溫(T = 290°K)下，1Hz帶寬時， n0 = -174dbm/Hz。相對300kHz IF帶寬， n0 = - 119dbm。

　　假定系統(tǒng)靈敏度(S)是-109dBm，用式1可以算出噪聲系數(shù)NF = 5dB。噪聲系數(shù)(NF)與噪聲因數(shù)(F)之間的關(guān)系為：(NF)dB = 10logF，其中F = 10(NFdB/10)。所以，F(xiàn) = 3.162。對于多個雙端口部件級聯(lián)的情況，噪聲系數(shù)為：

　　FTotal = F1 + (F2-1)/G1 + (F3-1)/(G1*G2) + . . . 式2

　　利用式2可以對系統(tǒng)增加了外部LNA時的新噪聲因數(shù)進行計算。對于Maxim的MAX2640 LNA，NF = 1dB、增益 = 15dB (也就是，F(xiàn)1 = 1.26，G1 = 31.62)。原系統(tǒng)的噪聲因數(shù)是3.162，所以，F(xiàn)Total = 1.327，即1.23dB，代入式1得到：

　　S = 1.23 - 119 + 5 = -112.77dB。

　　假定原靈敏度是-109dB，加上LNA后僅僅獲得了3.77dB的提高。考慮三階交調(diào)截點(IIP3)對動態(tài)范圍的影響，MAX1470有16dB的內(nèi)部LNA增益和-18dBm的內(nèi)部混頻器IIP3，而總的IIP3為-34dBm。加上具有15dB增益的外部LNA，將這個數(shù)字降低到-49dBm。因此外部LNA的加入對靈敏度大約有4dB的改善，但系統(tǒng)動態(tài)范圍降低了15dB！對于指定的應用場合，必須考慮這種折衷。

　　發(fā)展方向

　　下一步RKE系統(tǒng)的發(fā)展將會涉及雙向(半雙工)通信，目前它已經(jīng)以"無源RKE"的形式應用在某些高端車輛中。當駕駛?cè)藛T靠近汽車時，汽車發(fā)射裝置不斷輪詢，以確定駕駛?cè)藛T的接近。在一定范圍內(nèi)(1至2米)，控制器和車輛建立雙向通信，并打開車門。目前的雙向系統(tǒng)除了包含確認功能(確認車門已鎖)之外，還包含遙控啟動功能，它使駕駛者在一段距離之外可以啟動發(fā)動機。

　　未來的發(fā)展可能包括輪胎氣壓檢測(TPS)技術(shù)，與無源RKE一樣，當前TPS僅用于某些卡車和豪華汽車。TPS系統(tǒng)與RKE有很多相似之處，將類似于RKE的控制器與測壓、測溫傳感器集成在一起，安裝在每只輪胎的閥座上。每只車胎定時向車內(nèi)的接收器(類似于RKE接收器)發(fā)送信息，向駕駛員提供出現(xiàn)任何輪胎問題的預警。TPS和RKE具有很多相似之處(近距離、簡單調(diào)制、需要省電等等)，未來的系統(tǒng)很可能會通過共用和合并電路降低成本。

　　RKE有可能演變成一種半雙工系統(tǒng)，在打開車門之前，通知司機汽車的狀態(tài)以及是否需要加油等。如果證明RKE耐用、可靠，它將逐步淘汰目前的鑰匙和開啟車門的相關(guān)硬件。

　　用于RKE的CMOS IC

　　Maxim是為數(shù)不多的可以提供RKE產(chǎn)品的廠商之一，可生產(chǎn)特定功能的用于RKE市場的集成電路。對于鑰匙扣控制器，Maxim提供目前業(yè)界最小的300MHz至450MHz發(fā)送器—MAX1472，該器件采用微型3mm x 3mm、8引腳SOT23封裝。其2.1V 至3.6V的供電范圍使器件可以采用單節(jié)鋰離子電池供電，待機模式下僅消耗5nA電源電流。

　　在傳輸曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)時，MAX1472支持高達100kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，消耗3.0mA和5.5mA電源電流，同時可向50Ω負載提供-10dBm至+10dBm的輸出功率?；诰w的鎖相環(huán)產(chǎn)生精確的載波頻率，允許接收器使用較窄的IF帶寬，從而提高傳輸距離。為了降低功耗，內(nèi)部振蕩器可快速起振，發(fā)出使能信號之后，啟動時間僅需220?s。

　　對于汽車上的接收器，可以考慮使用300MHz至450MHz的超外差ASK接收器MAX1473。該器件具有-114dBm的高靈敏度，且全差分混頻器具有50dB的鏡頻抑制。MAX1473優(yōu)化工作于315MHz或433MHz。該芯片采用3.3V或5V電源，包括低噪聲放大器(LNA)、全差分鏡頻抑制混頻器、基于晶體的PLL提供本振，并具有接收信號強度指示(RSSI)的10.7MHz IF限幅放大器。內(nèi)部數(shù)據(jù)濾波器和數(shù)據(jù)限幅器提供數(shù)據(jù)輸出，另外，還可選擇接收器MAX1470，該芯片與MAX1473類似，區(qū)別是只是優(yōu)化工作于315MHz，工作在3.0V至3.6V電源范圍。