遙控門(mén)禁(RKE)系統的設計要求

遙控門(mén)禁(RKE)系統已經(jīng)備受用戶(hù)的青睞，北美80%以上、歐洲70%以上的新車(chē)均安裝了RKE系統。除了顯而易見(jiàn)的便捷性，RKE用于開(kāi)啟汽車(chē)制動(dòng)裝置的技術(shù)還具有防盜作用。歐洲汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商與保險公司合作，要求購置汽車(chē)保險時(shí)汽車(chē)要安裝RKE系統。德國已開(kāi)始推行這一政策，預計在幾年內會(huì )擴展到整個(gè)歐洲。

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

RKE系統包括鑰匙扣(或鑰匙)中的一個(gè)無(wú)線(xiàn)發(fā)射器，它向安裝在車(chē)內的接收器發(fā)出一串短脈沖數子信號，信號經(jīng)過(guò)解碼，通過(guò)接收器控制傳動(dòng)機構，打開(kāi)或關(guān)閉車(chē)門(mén)或行李箱。在美國和日本該無(wú)線(xiàn)載波頻率為315MHz，歐洲則使用433.92MHz (ISM頻段)。日本的RKE系統采用頻移鍵控FSK調制，其他絕大部分國家則采用幅移鍵控ASK調制，它的載波幅度調制在兩個(gè)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(kāi)關(guān)鍵控(OOK)調制。

RKE系統說(shuō)明和設計目標

典型的RKE系統(圖1)是在鑰匙扣或鑰匙上安裝一個(gè)微控制器。對于汽車(chē)而言，按下控制裝置一個(gè)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位的數據流，經(jīng)過(guò)載波調制，用簡(jiǎn)單的環(huán)狀印制板天線(xiàn)(雖然效率不高，但環(huán)狀天線(xiàn)可以設置在PCB上，造價(jià)低廉，使用廣泛)輻射出去，實(shí)施開(kāi)鎖操作。

在車(chē)輛中，射頻接收器捕捉到發(fā)射數據，并直接將它傳到另一個(gè)微控制器，完成解碼后發(fā)出正確的控制信息，以啟動(dòng)引擎或打開(kāi)車(chē)門(mén)。具有多個(gè)按鈕的鑰匙控制器還可以選擇打開(kāi)駕駛門(mén)、全部車(chē)門(mén)或行李箱等。

數據流以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(dòng)碼，滾動(dòng)碼在每次使用后會(huì )修改自身數值，以保證車(chē)輛的安全性。如果沒(méi)有滾動(dòng)碼，發(fā)送的信號可能會(huì )意外地開(kāi)啟另一車(chē)輛，或由于發(fā)射碼每小偷盜取，然后用它開(kāi)啟車(chē)輛。

有幾個(gè)主要目標支配著(zhù)RKE系統的設計。與所有大批量生產(chǎn)的汽車(chē)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(chē)電池充電更為復雜。RKE系統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，在滿(mǎn)足低成本、小電流限制的情況下，實(shí)現最大的發(fā)射范圍。

其它的限制包括：當地對近距離通信設備的管理規定，例如美國的FCC規定。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)和902MHz至928MHz波段(15.249節)

以下提供了一些FCC標準對RKE設計的限制。

按照15.231節規定，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(wú)線(xiàn)控制信號，但不能是聲音或圖像信號、玩具控制信號或連續數據。

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

發(fā)射天線(xiàn)三米以?xún)鹊淖畲髨?chǎng)強在3750µV/m到12500µV/m以?xún)?，線(xiàn)性正比于基頻頻率(260至470MHz)。

頻帶內下降20dB的頻偏不超過(guò)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系統設計相關(guān)的問(wèn)題，先從載波頻率的產(chǎn)生開(kāi)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定性相對較差。在接收端，如果IF通帶過(guò)寬，則在接收載波時(shí)會(huì )收到過(guò)多的噪聲，從而限制了汽車(chē)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(jià)格略微貴一點(diǎn)，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(diǎn)，以保證在工藝和溫度變化時(shí)保證系統的可靠性。因此，對標稱(chēng)載波頻率為433MHz的應用，現在頻率是433.92MHz，于是必須根據這一頻率選擇PLL晶體。

目前，發(fā)送和接收芯片均內置鎖相環(huán)，只需要一個(gè)外接晶振，以產(chǎn)生有效的RKE信號(參考本文補充說(shuō)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(gè)5pF的電容。關(guān)于晶體頻率的調節，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。

節省功耗

由于電池的使用壽命非常重要，RKE系統采用了各種技術(shù)降低工作電流和開(kāi)機時(shí)間。接收器PLL的壓控振蕩器(VCO)是這一設計細節的范例，接收器需要保持幾乎不間斷的檢測狀態(tài)，以免漏過(guò)打開(kāi)車(chē)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。

控制器的發(fā)射裝置通常連續發(fā)送4組10ms的數據流(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執行一次查詢(xún)操作，力圖至少捕獲兩組數據，以便有足夠的余量消除時(shí)序誤差和噪聲。譯碼時(shí)間大約需要0.75ms (足夠接收7或8位數據)，用來(lái)判斷是否為有效數據。

除了譯碼時(shí)間外，輪詢(xún)操作必須首先具備接收器喚醒和穩定時(shí)間。大多數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(shí)間，當然，它還需要更長(cháng)的時(shí)間才能穩定在所要求的頻率。對于傳統的超外差接收機，該時(shí)間通常需要2ms至5ms。而MAX1470的VCO從上電到晶體穩定振蕩只需0.25ms。于是，在每20ms內，通過(guò)喚醒檢測發(fā)射信號只需要1ms (0.75ms解碼、0.25ms穩定) (圖2)?？煽焖賳拘训腗AX1470工作電壓為3.3V，而不是5V，這是節省能量并延長(cháng)電池壽命的四個(gè)或五個(gè)因素中的一個(gè)(相對于傳統的超外差接收機)。

嚴格來(lái)講，RKE是近距離通信技術(shù)，有源系統的傳輸距離可以達到20m，無(wú)源RKE系統的通信距離是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(gè)挑戰。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，發(fā)射器和接收器的天線(xiàn)由PCB上的環(huán)形或矩形印制導線(xiàn)組成，并用一個(gè)簡(jiǎn)單的LC網(wǎng)絡(luò )，以達到天線(xiàn)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(gè)低噪聲放大器(LNA)?

由于FCC規定必須使用低發(fā)射功率，小的電池容量以及發(fā)射天線(xiàn)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(gè)方法是增加一個(gè)低噪聲放大器(圖3)，但這種方法會(huì )降低動(dòng)態(tài)范圍，在具體應用中可能無(wú)法接受?？梢钥紤]一下對MAX1470超外差接收器的分析。

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

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，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(mǎn)足信號檢波的輸出信噪比，以dBm為單位(通?；诳山邮艿恼`碼率)。

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，對基于曼徹斯特編碼的數據，估計其S/N為5dB，根據定義，可以得到：

n0 = 10log 10(kTB/1E-3)，

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

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

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

利用式2可以對系統增加了外部LNA時(shí)的新噪聲因數進(jìn)行計算。對于Maxim的MAX2640 LNA，NF = 1dB、增益 = 15dB (也就是，F1 = 1.26，G1 = 31.62)。原系統的噪聲因數是3.162，所以，FTotal = 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?？紤]三階交調截點(diǎn)(IIP3)對動(dòng)態(tài)范圍的影響，MAX1470有16dB的內部LNA增益和-18dBm的內部混頻器IIP3，而總的IIP3為-34dBm。加上具有15dB增益的外部LNA，將這個(gè)數字降低到-49dBm。因此外部LNA的加入對靈敏度大約有4dB的改善，但系統動(dòng)態(tài)范圍降低了15dB!對于指定的應用場(chǎng)合，必須考慮這種折衷。

發(fā)展方向

下一步RKE系統的發(fā)展將會(huì )涉及雙向(半雙工)通信，目前它已經(jīng)以無(wú)源RKE的形式應用在某些高端車(chē)輛中。當駕駛人員靠近汽車(chē)時(shí)，汽車(chē)發(fā)射裝置不斷輪詢(xún)，以確定駕駛人員的接近。在一定范圍內(1至2米)，控制器和車(chē)輛建立雙向通信，并打開(kāi)車(chē)門(mén)。目前的雙向系統除了包含確認功能(確認車(chē)門(mén)已鎖)之外，還包含遙控啟動(dòng)功能，它使駕駛者在一段距離之外可以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。

未來(lái)的發(fā)展可能包括輪胎氣壓檢測(TPS)技術(shù)，與無(wú)源RKE一樣，當前TPS僅用于某些卡車(chē)和豪華汽車(chē)。TPS系統與RKE有很多相似之處，將類(lèi)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(chē)胎定時(shí)向車(chē)內的接收器(類(lèi)似于RKE接收器)發(fā)送信息，向駕駛員提供出現任何輪胎問(wèn)題的預警。TPS和RKE具有很多相似之處(近距離、簡(jiǎn)單調制、需要省電等等)，未來(lái)的系統很可能會(huì )通過(guò)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，在打開(kāi)車(chē)門(mén)之前，通知司機汽車(chē)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(kāi)啟車(chē)門(mén)的相關(guān)硬件。

用于RKE的CMOS IC

Maxim是為數不多的可以提供RKE產(chǎn)品的廠(chǎng)商之一，可生產(chǎn)特定功能的用于RKE市場(chǎng)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據時(shí)，MAX1472支持高達100kbps的數據傳輸速率，消耗3.0mA和5.5mA電源電流，同時(shí)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，內部振蕩器可快速起振，發(fā)出使能信號之后，啟動(dòng)時(shí)間僅需220µs。

對于汽車(chē)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。內部數據濾波器和數據限幅器提供數據輸出，另外，還可選擇接收器MAX1470，該芯片與MAX1473類(lèi)似，區別是只是優(yōu)化工作于315MHz，工作在3.0V至3.6V電源范圍。