基于無(wú)線(xiàn)通信的汽車(chē)安全應用設計

圖2 智能被動(dòng)遙控自動(dòng)開(kāi)門(mén)（PKE）系統，采用雙向通信。收發(fā)器（鑰匙）利用三個(gè)正交放置的LC共振天線(xiàn)接收控制器命令（125 kHz），并通過(guò)UHF發(fā)射器發(fā)送響應。

　　圖2給出的是一個(gè)智能PKE系統。收發(fā)器上的按鈕用于可選操作，但開(kāi)車(chē)門(mén)的動(dòng)作并不需要人工干擾即可自動(dòng)完成。PKE應用的雙向通信順序如下：

　　(a)控制器利用125 KHz頻率發(fā)送命令；
　　(b)收發(fā)器利用三個(gè)正交排列的125 kHz共振天線(xiàn)接收125 kHz控制器命令；
　　(c) 如果命令正確，收發(fā)器通過(guò)一個(gè)UHF發(fā)射器發(fā)送響應（加密數據）；
　　(d)控制器接收到響應數據，如果數據正確則激活開(kāi)關(guān)打開(kāi)車(chē)門(mén)。

　　系統設計工程師所面臨的挑戰是決定如何提高125 kHz控制器命令的發(fā)射范圍，從而在保證收發(fā)器電池壽命足夠長(cháng)的情況下保證可靠的操作。

雙向通信范圍對輸入靈敏度的要求

　　在電池供電的收發(fā)器應用中，UHF信號(315/433/915 MHz)的最大通信距離約為100米，但對于低頻信號(LF, 125 KHz)則僅有數米。因此，雙頻率PKE收發(fā)器的通信范圍主要受到125 KHz控制器命令發(fā)射范圍的限制。由于低頻信號的傳輸特性，125KHz信號隨著(zhù)傳輸距離衰減得很快。例如，假設控制器輸出的天線(xiàn)電壓約300 Vpp，那么大約三米處的收發(fā)器天線(xiàn)接收到的電壓則僅有約3mVpp，這與環(huán)境噪聲的水平差不多。檢測微弱信號是系統設計人員面臨的一個(gè)極具挑戰性的問(wèn)題。

　　有人也許會(huì )有疑問(wèn)，為什么不在兩個(gè)方向都使用UHF來(lái)實(shí)現雙向通信。對這個(gè)問(wèn)題的答案是：首先在收發(fā)器中實(shí)現UHF接收器的成本遠比125 kHz檢測電路要高，其次，三米的距離對于大多數PKE應用都足夠了。

　　為提高125 kHz控制器命令的傳輸范圍，有兩種可能的解決方案可以考慮：提高控制器的發(fā)射功率，或者提高收發(fā)器的輸入靈敏度。然而由于政府管制要求，發(fā)射器的最大功率是有限的。因此，假設控制器在允許的范圍內達到最大的發(fā)射功率，那么此時(shí)提高輸入信號檢測靈敏度是唯一有效的解決方案。為達到三米的雙向通信距離，收發(fā)器的輸入靈敏度必須達到3mVpp左右。

　　收發(fā)器的低頻率天線(xiàn)（例如125 KHz）采用的是LC諧振電路。當控制器天線(xiàn)發(fā)射的電磁波的磁場(chǎng)通過(guò)收發(fā)器的線(xiàn)圈天線(xiàn)時(shí)，LC諧振電路感生出電壓。接收線(xiàn)圈的電壓由下式確定：

　　其中，fo 是諧振頻率、N是線(xiàn)圈的匝數、S是線(xiàn)圈的截面積、Q是線(xiàn)圈的品質(zhì)因數、Bo是磁場(chǎng)強度、a是發(fā)射器和接收天線(xiàn)線(xiàn)圈之間的方向角。天線(xiàn)的調諧頻率fo 由下式給出：

　　在LC諧振電路物理限制給定的情況下，收發(fā)器的輸入接收電壓在以下情況時(shí)達到最大，LC電路調諧到控制器命令的載波頻率（125 kHz），或天線(xiàn)線(xiàn)圈（電感L）正對著(zhù)控制器天線(xiàn)。

　　天線(xiàn)方向問(wèn)題的解決方案

　　從天線(xiàn)輻射出來(lái)的任何射頻信號傳播時(shí)都有一定的方向角，如果采用良好的天線(xiàn)，那么會(huì )有很好的方向性（即較窄的輻射角）。從LC諧振電路輻射出來(lái)的低頻（125kHz）信號其方向性沒(méi)有高頻信號好，但仍然包含方向性場(chǎng)分量。對于特定的收發(fā)器設計，低頻信號的通信范圍（感生電壓）取決于控制器和收發(fā)器電線(xiàn)的耦合情況。耦合最佳的情況是兩個(gè)天線(xiàn)面對面放置。

　　對于不需人為干預的PKE應用，收發(fā)器（鑰匙）在車(chē)主口袋中可能處于任意角度。因此，收發(fā)器天線(xiàn)與固定在車(chē)上的控制器天線(xiàn)處于最佳耦合位置的可能性為30%（x、y、z方向）。如果收發(fā)器有三個(gè)正交排列的天線(xiàn)，那么這一可能性提高到約100%。三個(gè)天線(xiàn)分別置于x、y和z方向。通過(guò)采用三個(gè)正交天線(xiàn)，收發(fā)器能夠接收到控制器從任何方向發(fā)射來(lái)的信號。