被動(dòng)門禁中RF設(shè)計(jì)須知

引言

　　被動(dòng)門禁 (Passive Entry, PE)系統(tǒng)在汽車舒適度和安全性方面正在引領(lǐng)一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。盡管這種技術(shù)幾年前就已經(jīng)問(wèn)世了，但直到最近才開(kāi)始快速流行，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)集成度不斷提高，使系統(tǒng)成本得以大幅度降低。

　　就完全性而言，遙控?zé)o匙門禁(Remote Keyless Entry, RKE)系統(tǒng)是交互式的，即用戶必須按下鑰匙才能打開(kāi)車門;而被動(dòng)門禁系統(tǒng)則是被動(dòng)式的，也就是說(shuō)，它們無(wú)需用戶做出任何交互式動(dòng)作就可以打開(kāi)車門。當(dāng)用戶準(zhǔn)備進(jìn)入車輛時(shí)，通過(guò)拉門柄的動(dòng)作觸發(fā)PE系統(tǒng)發(fā)射低頻Low frequency, LF)信號(hào)。幾毫秒內(nèi)密鑰卡接收到LF信號(hào)，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密，然后經(jīng)由射頻(RF)信道把加密信號(hào)發(fā)送給車輛作確認(rèn)。

　　被動(dòng)門禁系統(tǒng)還可以包含一個(gè)被動(dòng)式引擎發(fā)動(dòng)功能，即被動(dòng)門禁啟動(dòng)(Passive Entry Go, PEG)。只要系統(tǒng)確認(rèn)密鑰卡在車輛里面，則駕駛員一坐上駕駛席就會(huì)觸發(fā)LF電路。在驗(yàn)證確認(rèn)并且完成位置測(cè)量之后，只需按下啟動(dòng)鍵就可以發(fā)動(dòng)引擎。

　　這兩種情況都是通過(guò)密鑰卡來(lái)接收純文本數(shù)據(jù)，并利用功能強(qiáng)大的硬件加密模塊(如AES-28模塊)對(duì)之進(jìn)行加密，然后再把加密數(shù)據(jù)返回給車輛以做驗(yàn)證。

　　PE密鑰卡采用小型鋰電池，為數(shù)據(jù)接收、加密及傳輸提供電源。被動(dòng)門禁系統(tǒng)中的密鑰卡經(jīng)專門設(shè)計(jì)來(lái)確保盡可能長(zhǎng)的電池壽命。如果電池快將用完，密鑰卡就會(huì)進(jìn)入一個(gè)緊急模式，通過(guò)LF線圈獲得足夠的磁場(chǎng)能量來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)電池工作。這時(shí)需要把密鑰卡放置在車門線圈附近的位置。在這種情況下，系統(tǒng)只會(huì)通過(guò)LF信道進(jìn)行通信。

　　典型的PE系統(tǒng)

　　一個(gè)典型的PE系統(tǒng)是由汽車車內(nèi)部分和一個(gè)密鑰卡子系統(tǒng)組成，這兩者作為通信對(duì)等點(diǎn)，建立有兩條通信鏈路：(1) LF上行鏈路：車輛到密鑰卡，(2) 超高頻(UHF)下行鏈路：密鑰卡到車輛 (見(jiàn)圖1)。

　　車內(nèi)部分

　　當(dāng)用戶拉動(dòng)汽車門柄時(shí)，車輛中的天線驅(qū)動(dòng)器便會(huì)產(chǎn)生LF場(chǎng)。這種變化激活中央儀表板的控制器，請(qǐng)求密鑰卡啟動(dòng)LF通信。通常每扇車門內(nèi)都安裝有LF天線線圈，由天線驅(qū)動(dòng)器單元驅(qū)動(dòng) (一個(gè)天線驅(qū)動(dòng)器單元可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)天線線圈，比如，ATA5279就能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)6個(gè)不同的天線線圈)。系統(tǒng)采用一個(gè)UHF接收器模塊來(lái)接收從密鑰卡發(fā)出的RF數(shù)據(jù)，以支持RF鏈路。接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)加密后再被發(fā)送回儀表板控制器，然后通過(guò)軟件進(jìn)行解密(AES-128)。

　　密鑰卡

　　在任何PE系統(tǒng)中，密鑰卡都必須能夠測(cè)量LF信號(hào)在三個(gè)正交軸(X、Y和Z方向)上的強(qiáng)度，并能利用UHF 發(fā)射器，通過(guò)RF信道把這一信息發(fā)回給車輛，以確定密鑰卡的位置。這種信號(hào)強(qiáng)度信息 (也被稱為遠(yuǎn)程信號(hào)強(qiáng)度指示器，即RSSI) 由與3D LF接收器相連接的三個(gè)正交天線線圈收集。任何數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，比如喚醒數(shù)據(jù)模式(前導(dǎo)碼，ID)、系統(tǒng)命令或作為協(xié)議載荷的純文本數(shù)據(jù)口令，將會(huì)被接收并傳送給密鑰卡中的微控制器(MCU)處理(返回信息包，加密)。為了節(jié)能，LF接收器帶有一個(gè)專用的控制邏輯，能夠以極低功耗來(lái)分析和檢測(cè)喚醒信號(hào)，故無(wú)需全面喚醒整個(gè)系統(tǒng)，這樣可以大大延長(zhǎng)密鑰卡的電池壽命。密鑰卡數(shù)據(jù)流量的進(jìn)出可通過(guò)一個(gè)小型8位超低功耗MCU(如ATtiny44)來(lái)控制。接收到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)軟件進(jìn)行加密，也可以通過(guò)帶有功能強(qiáng)大的加密功能的硬件加密模塊(如AES-128)進(jìn)行加密。為提高安全性，一個(gè)加密機(jī)制會(huì)同時(shí)用在硬件內(nèi)部和嵌入在MCU上。加密后的數(shù)據(jù)被傳送到UHF發(fā)射器，并以很高的波特率向車輛發(fā)射。

　　在電池完全耗盡的情況下，發(fā)射應(yīng)答器可以作為一個(gè)無(wú)電池的無(wú)源設(shè)備進(jìn)行工作，這時(shí)被稱為緊急模式工作。在此模式下，正交線圈中只有一個(gè)與LF磁場(chǎng)耦合，從中獲得足夠的能量，并以電荷的形式存儲(chǔ)在外部電容器里。發(fā)射應(yīng)答器通過(guò)LF鏈路與基站通信來(lái)打開(kāi)車門，并被用作一個(gè)防盜鎖止裝置，可阻止發(fā)動(dòng)引擎(參見(jiàn)圖1，其中X軸線圈相當(dāng)于一個(gè)3D LF接收器線圈和一個(gè)緊急/防盜鎖止收發(fā)器天線)。模擬前端(AFE)模塊被用于LF通信，而功率管理(PM)模塊用來(lái)管理場(chǎng)電源，即存儲(chǔ)在外部電容器 Cbuf上的電荷。在緊急模式下，RSSI測(cè)量、3D LF數(shù)據(jù)接收和RF發(fā)射都被禁用。

表1：PE系統(tǒng)密鑰卡的基本參數(shù)

　　接收LF信號(hào)

　　載波頻率為125kHz左右的低頻場(chǎng)可以有以下作用：(1) 低波特率發(fā)射數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通信鏈路;(2) 計(jì)算3個(gè)軸向上RSSI值定位信息的媒介;(3) 短距發(fā)射電能的無(wú)接觸式電磁媒介。不過(guò)，每一類應(yīng)用及其發(fā)射質(zhì)量都與發(fā)射器和接收器天線的耦合程度密切相關(guān)。這種耦合程度又取決于眾多物理參數(shù)和電氣參數(shù)，比如天線電感、電阻、線圈之間的距離、諧振調(diào)諧程度等等因素。耦合因子越大，通信鏈路越強(qiáng)大(亦即從線圈傳輸?shù)骄€圈的能量增加)。

　　發(fā)射器線圈天線發(fā)射的LF電磁波信號(hào)沿著磁場(chǎng)強(qiáng)度最大的方向角傳播，并隨著遠(yuǎn)離中心而逐漸衰減。要獲得最佳天線耦合性能，發(fā)射器必須直接面向接收器天線。通過(guò)采用三個(gè)按X、Y和Z軸向正交放置的接收器天線，單個(gè)發(fā)射器天線的方向性問(wèn)題就得以解決。反之，多個(gè)正交放置的接收器天線可以接收到來(lái)自不同天線線圈的任何方向的信號(hào)。

　　被動(dòng)門禁系統(tǒng)中的RF通信

　　愛(ài)特梅爾提供廣泛的UHF IC，這些芯片專為ISM頻率范圍上的單向或雙向通信而設(shè)計(jì)，適用于汽車門禁系統(tǒng)等車載應(yīng)用。如用于單向通信的 T5750/53/54、ATA5756/57發(fā)射器系列和 ATA5723/24/28、ATA5745/46接收器系列。至于雙向通信，則有收發(fā)器系列ATA5811/12和ATA5823/24。表1總結(jié)了設(shè)計(jì)被動(dòng)門禁系統(tǒng)時(shí)必須考慮的RF事項(xiàng)。

　　表2：不同類型天線的優(yōu)缺點(diǎn)比較

不同類型天線的優(yōu)缺點(diǎn)比較

　　RF設(shè)計(jì)中討論最多的是可接收距離，當(dāng)然還有系統(tǒng)可靠性。一般而言，一個(gè)RF系統(tǒng)包含一個(gè)發(fā)射器模塊(本例中即為密鑰卡)和一個(gè)接收器模塊。要設(shè)計(jì)出最好的解決方案，必須考慮到發(fā)射功率和靈敏度這兩個(gè)主要參數(shù)。例如，愛(ài)特梅爾的收發(fā)器IC ATA5824就能夠提供 典型值達(dá)-109 dBm 的出色頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)靈敏度(在2.4kBps的數(shù)據(jù)速率下)和典型值達(dá)10dBm 的發(fā)射功率，這有助于汽車門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)十分理想的覆蓋距離。

車輛天線2D輻射模式實(shí)例

天線性能

　　要獲得一個(gè)最佳系統(tǒng)鏈路成本預(yù)算和盡可能大的覆蓋距離，除了發(fā)射功率和靈敏度等 RF參數(shù)之外，天線的性能也是至關(guān)重要的。在大多數(shù)情況下，天線設(shè)計(jì)必須在可用空間和天線尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡折衷。鑒于此，密鑰卡中往往不能實(shí)現(xiàn)最佳天線形狀，而更常采用小型環(huán)形天線。環(huán)形天線是一種磁性天線，在密鑰卡應(yīng)用中，這類天線比鞭形(whip)天線更有用，因?yàn)榄h(huán)形天線對(duì)人體接觸不太敏感。不過(guò)，有些應(yīng)用因?yàn)榘l(fā)射距離長(zhǎng)，故可能需要高效天線，這時(shí)，(折疊式)鞭形天線也許是很適合的密鑰卡解決方案。有些天線制造商提供芯片式天線，相比印制式天線，其品質(zhì)因數(shù)(Q因子)和增益都更高。如果系統(tǒng)的成本不是關(guān)鍵因素的話，這也是一種很好的解決方案。在車輛中，天線的尺寸并不算相當(dāng)重要，有的汽車把天線放在車窗上(比如后車窗)，但最流行的解決方案是放置在接收模塊的PCB上的印制式天線。表2總結(jié)了這兩類天線的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

接地噪聲反射

　　在實(shí)際生活中，由于反射和衰退效應(yīng)，環(huán)境影響著系統(tǒng)鏈路預(yù)算的衰減。在定義系統(tǒng)的鏈路預(yù)算時(shí)，必須把這些因素考慮在內(nèi)。下面通過(guò)一個(gè)計(jì)算例子來(lái)說(shuō)明接地噪聲(接地反彈)反射對(duì)可接收距離的影響：

　　舉例：

　　接收器靈敏度：典型值

　　109dBm，433.92MHz

　　發(fā)射功率：典型值10dBm

　　發(fā)射器天線增益：-18dB (接近小尺寸環(huán)形天線的性能)

　　本例中假設(shè)接收器的天線增益為-6dB

　　如果接地噪聲反射可以忽略，按照自由空間方程，可計(jì)算出距離大約為3km。然而本例考慮到了接地噪聲反射，典型可接收距離降至300m。當(dāng)然，實(shí)際中接地噪聲反射遠(yuǎn)比本例的更為復(fù)雜。圖7顯示了反射效應(yīng)是如何影響車輛天線的接收功率的。紅色曲線代表自由空間條件下的理想情況，而藍(lán)色曲線代表有人慢慢走近汽車時(shí)的行為。

　　阻斷性能

　　RF系統(tǒng)總是會(huì)受到環(huán)境干擾的;而汽車內(nèi)部存在大量的噪聲和干擾，情況便比較明顯。愛(ài)特梅爾的汽車門禁器件具有出色的阻斷性能，可為這類應(yīng)用提供最佳解決方案。不過(guò)，在有些情況下，這種阻斷要求遠(yuǎn)不是集成電路能夠滿足的。為了滿足這類擴(kuò)展性的應(yīng)用要求，這時(shí)可以借助一個(gè)外部前端表面聲波(SAW)濾波器來(lái)提高阻斷性能。

　　中頻濾波器帶寬

　　系統(tǒng)定義中另一個(gè)重要指標(biāo)是中頻(intermediate frequency, IF)濾波器帶寬。關(guān)于這個(gè)參數(shù)，必須充分考慮到所有的系統(tǒng)頻率容差。接收器和發(fā)射器的晶振容差和晶振都必須特別仔細(xì)地規(guī)定，以使最差情況下也仍然能夠接收到IF濾波器帶寬內(nèi)的發(fā)射器頻譜信號(hào)。對(duì)于極窄IF帶寬的系統(tǒng)，還必須考慮到數(shù)據(jù)速率和調(diào)制類型(容差除外)。

　　耗電量

　　耗電量始終是汽車門禁系統(tǒng)的一個(gè)主要問(wèn)題，特別是在密鑰卡模塊中。現(xiàn)在對(duì)電池壽命的一般要求為7年左右。即使車輛對(duì)耗電量的要求似乎沒(méi)有這么嚴(yán)苛，但是因?yàn)槠噧?nèi)部電子模塊的數(shù)量正在不斷攀升，所以低功耗解決方案也是必須的。愛(ài)特梅爾的UHF器件就是專門為滿足這類低功耗要求而設(shè)計(jì)。

　　下面是愛(ài)特梅爾 IC的耗電量示例：

　　透明 (Transparent)接收器IC ATA5745：工作模式下為6.5 mA(典型值)

　　接收器IC ATA5724：工作模式下為8mA(典型值)

　　發(fā)射器IC T5754：7.5dBm功率下為9mA(典型值)

　　收發(fā)器 IC ATA5824：接收和發(fā)射模式下都為10.5mA (典型值)(P=5dBm)

　　此外，還有一些方法可用來(lái)進(jìn)一步降低平均耗電量。例如通過(guò)提高數(shù)據(jù)傳輸速率使發(fā)射時(shí)間變得更短，從而減低電流消耗。在降低發(fā)射器的平均耗電量方面，開(kāi)/關(guān)鍵控(On/Off Keying, OOK)調(diào)制比頻移鍵控(FSK)更有利。而降低接收器耗電量的最好方法是在睡眠和工作模式之間進(jìn)行切換，以使整個(gè)電路保持有效信號(hào)進(jìn)入時(shí)的工作狀態(tài)。為此，大多數(shù)愛(ài)特梅爾的接收器和發(fā)射器 IC都帶有輪詢模式。