遥控门禁(RKE)系统的设计要求 - 文章

遥控门禁(RKE)系统的设计要求

作者：Maxim

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摘要：随着RKE在新车市场和售后配件市场的普及，遥控门禁(RKE)系统在汽车用户中越来越受欢迎。本篇应用笔记介绍了RKE系统并讨论系统设计如何满足发射距离、电池寿命、可靠性、成本等各项要求。该应用笔记给出了实际电路和设计方法，并提出双向通信系统在未来的发展趋势。

遥控门禁(RKE)系统已经备受用户的青睐，北美80%以上、欧洲70%以上的新车均安装了RKE系统。除了显而易见的便捷性，RKE用于开启汽车制动装置的技术还具有防盗作用。欧洲汽车生产厂商与保险公司合作，要求购置汽车保险时汽车要安装RKE系统。德国已开始推行这一政策，预计在几年内会扩展到整个欧洲。

大多数RKE系统采用单向(单工)通信，但第二代、第三代RKE系统将提供返回到钥匙的逆向通信双工操作，可以通知车主需要加油或需要增加左前轮胎压。

RKE系统包括钥匙扣(或钥匙)中的一个无线发射器，它向安装在车内的接收器发出一串短脉冲数子信号，信号经过解码，通过接收器控制传动机构，打开或关闭车门或行李箱。在美国和日本该无线载波频率为315MHz，欧洲则使用433.92MHz (ISM频段)。日本的RKE系统采用频移键控FSK调制，其他绝大部分国家则采用幅移键控ASK调制，它的载波幅度调制在两个电平。为了减小功耗，通常取低电平接近于0，于是产生了开关键控(OOK)调制。

RKE系统说明和设计目标

典型的RKE系统(图1)是在钥匙扣或钥匙上安装一个微控制器。对于汽车而言，按下控制装置一个按钮，将唤醒微控制器。微控制器向钥匙的射频发射器送出一串64位或128位的数据流，经过载波调制，用简单的环状印制板天线(虽然效率不高，但环状天线可以设置在PCB上，造价低廉，使用广泛)辐射出去，实施开锁操作。

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图1. RKE系统包括一个钥匙扣发射电路(图中下部)和车辆内部的接收机(图中上部)。

在车辆中，射频接收器捕捉到发射数据，并直接将它传到另一个微控制器，完成解码后发出正确的控制信息，以启动引擎或打开车门。具有多个按钮的钥匙控制器还可以选择打开驾驶门、全部车门或行李箱等。

数据流以2.4kbps至20kbps速率发射，通常由以下字段组成：前导码、操作码、校验位和"滚动码"，滚动码在每次使用后会修改自身数值，以保证车辆的安全性。如果没有滚动码，发送的信号可能会意外地开启另一车辆，或由于发射码每小偷盗取，然后用它开启车辆。

有几个主要目标支配着RKE系统的设计。与所有大批量生产的汽车零部件一样，它们都必须具备低成本和高可靠性。发射机和接收机都应该消耗最小功率，因为更换钥匙控制器的电池非常麻烦，为汽车电池充电更为复杂。RKE系统设计人员一方面要关注这些要求，另一方面还必须确保一定的接收灵敏度、载波容限以及其它技术参数，在满足低成本、小电流限制的情况下，实现最大的发射范围。

其它的限制包括：当地对近距离通信设备的管理规定，例如美国的FCC规定。近距离通信设备不需要申请许可证，但产品本身受各国的不同法律和规则制约。对于美国，相关管理文件是联邦政府管理条例(CFR)，标题47的第15部分，它覆盖了260MHz至470MHz波段(15.231节)和902MHz至928MHz波段(15.249节) (请参考：http://www.access.gpo.gov/nara/cfr/waisidx_01/47cfr15_01.html)。

以下提供了一些FCC标准对RKE设计的限制。

•按照15.231节规定，允许设备发射命令或控制信号、 ID码，允许在紧急情况下发射无线控制信号，但不能是声音或图像信号、玩具控制信号或连续数据。
•传输时间不能超过5秒；只有当重复传输频率低于每小时一次时，才允许固定间隔、持续时间可以达到1秒(最长)的发射周期。
•发射天线三米以内的最大场强在3750µV/m到12500µV/m以内，线性正比于基频频率(260MHz至470MHz)。
•频带内下降20dB的频偏不超过中心频率的0.25%；杂散辐射应该比基频信号的增益衰减20dB。

以下各部分详细探讨与RKE系统设计相关的问题，先从载波频率的产生开始。

载波发生器

第一代RKE电路使用了声表面波(SAW)器件产生发射器的RF载波和接收器的本振(LO)。不幸的是，SAW器件初始频率的不确定性至少为±100kHz，并且随温度变化其频率稳定性相对较差。在接收端，如果IF通带过宽，则在接收载波时会收到过多的噪声，从而限制了汽车响应钥匙控制信号的距离。

目前可以代替SAW器件的方案是选择基于晶体的锁相环(PLL)。PLL的使用主要源自日益严格的RF辐射规则，尤其是在欧洲和日本。使用晶振PLL的发射器比使用SAW谐振器的发射器价格略微贵一点，但精度一般提高十倍。因此接收器具有较窄的IF带宽，由于提高了SNR，可以提高发射距离。

早期的SAW器件设计工作在带宽为1.74MHz的433MHz频段(433.05MHz至434.79MHz)的中点，以保证在工艺和温度变化时保证系统的可靠性。因此，对标称载波频率为433MHz的应用，现在频率是433.92MHz，于是必须根据这一频率选择PLL晶体。

目前，发送和接收芯片均内置锁相环，只需要一个外接晶振，以产生有效的RKE信号(参考本文补充说明：用于RKE的IC)。例如，Maxim的MAX1470 PLL包含64分频电路和低端注入的10.7MHz中频电路(该芯片可以工作在433.92MHz，但在315MHz，其镜频抑制能力最佳)。按照315MHz工作频率，所要求的晶体频率为fXTAL = (fRF - 10.7)/64 = 4.7547 (单位为MHz)。该IC要求在XTAL1和XTAL2引脚加上振荡频率为315MHz的晶体和一个5pF的电容。关于晶体频率的调节，请参考应用笔记1017：如何为MAX1470超外差接收机选择石英晶体振荡器。

节省功耗

由于电池的使用寿命非常重要，RKE系统采用了各种技术降低工作电流和"开机时间"。接收器PLL的压控振荡器(VCO)是这一设计细节的范例，接收器需要保持几乎不间断的检测状态，以免漏过打开车辆的命令；而为了省电需要尽可能地将其置于关机状态，甚至在检查之间的短暂间隔内。

控制器的发射装置通常连续发送4组10ms的数据流(共计40ms左右)，以确保接收器至少捕捉到它们中的一组。接收器可以每隔20ms执行一次查询操作，力图至少捕获两组数据，以便有足够的余量消除时序误差和噪声。译码时间大约需要0.75ms (足够接收7或8位数据)，用来判断是否为有效数据。

除了译码时间外，轮询操作必须首先具备接收器"唤醒"和稳定时间。大多数放大电路可以快速唤醒，但VCO晶体是机电元件，它需要一定的起振时间，当然，它还需要更长的时间才能稳定在所要求的频率。对于传统的超外差接收机，该时间通常需要2ms至5ms。而MAX1470的VCO从上电到晶体稳定振荡只需0.25ms。于是，在每20ms内，通过唤醒检测发射信号只需要1ms (0.75ms解码、0.25ms稳定) (图2)。可快速唤醒的MAX1470工作电压为3.3V，而不是5V，这是节省能量并延长电池寿命的四个或五个因素中的一个(相对于传统的超外差接收机)。

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图2. 为监测钥匙控制器的发送数据，在解码收到信号之前，RKE接收器必须分配时间，
用来唤醒和建立稳定

严格来讲，RKE是近距离通信技术，有源系统的传输距离可以达到20m，无源RKE系统的通信距离是1至2m，既使是近距离传输，保证低功耗和低成本设计对于RF电路也是一个挑战。为简单起见，发射器和接收器的天线由PCB上的环形或矩形印制导线组成，并用一个简单的LC网络，以达到天线与发射器或接收器芯片的阻抗匹配(参考应用笔记1830：How to Tune and Antenna Match the MAX1470 Circuit)。

增加一个低噪声放大器(LNA)?

由于FCC规定必须使用低发射功率，小的电池容量以及发射天线朝向的不确定性等因素，要求RKE接收芯片具有极高的灵敏度。提高接收灵敏度的一个方法是增加一个低噪声放大器(图3)，但这种方法会降低动态范围，在具体应用中可能无法接受。可以考虑一下对MAX1470超外差接收器的分析。

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图3. 添加一个外部LNA (MAX2640)，提高接收灵敏度，但降低了三阶交调截点

接收灵敏度取决于它的噪声系数、载波调制检波所要求的最低信噪比S/N和系统的热噪声：

S = NF + n0 + S/N，式1

其中，S为所要求的最小信号电平，以dBm为单位；NF为接收器的噪声系数，以dBm为单位；n0为接收器的热噪声功率，以dBm为单位；S/N为满足信号检波的输出信噪比，以dBm为单位(通常基于可接受的误码率)。

为简化起见，对基于曼彻斯特编码的数据，估计其S/N为5dB，根据定义，可以得到：

n0 = 10log₁₀(kTB/1E-3)，

其中，k为玻尔兹曼常数(1.38E-23)，T为温度，以开氏度为单位；B为系统噪声带宽，在室温(T = 290°K)下，1Hz带宽时， n0 = -174dbm/Hz。相对300kHz IF带宽， n0 = - 119dbm。

假定系统灵敏度(S)是-109dBm，用式1可以算出噪声系数NF = 5dB。噪声系数(NF)与噪声因数(F)之间的关系为：(NF)_dB = 10logF，其中F = 10(NF_dB/10)。所以，F = 3.162。对于多个双端口部件级联的情况，噪声系数为：

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

利用式2可以对系统增加了外部LNA时的新噪声因数进行计算。对于Maxim的MAX2640 LNA，NF = 1dB、增益 = 15dB (也就是，F1 = 1.26，G1 = 31.62)。原系统的噪声因数是3.162，所以，FTotal = 1.327，即1.23dB，代入式1得到：

S = 1.23 - 119 + 5 = -112.77dB。

假定原灵敏度是-109dB，加上LNA后仅仅获得了3.77dB的提高。考虑三阶交调截点(IIP3)对动态范围的影响，MAX1470有16dB的内部LNA增益和-18dBm的内部混频器IIP3，而总的IIP3为-34dBm。加上具有15dB增益的外部LNA，将这个数字降低到-49dBm。因此外部LNA的加入对灵敏度大约有4dB的改善，但系统动态范围降低了15dB! 对于指定的应用场合，必须考虑这种折衷。

发展方向

下一步RKE系统的发展将会涉及双向(半双工)通信，目前它已经以"无源RKE"的形式应用在某些高端车辆中。当驾驶人员靠近汽车时，汽车发射装置不断轮询，以确定驾驶人员的接近。在一定范围内(1至2米)，控制器和车辆建立双向通信，并打开车门。目前的双向系统除了包含确认功能(确认车门已锁)之外，还包含遥控启动功能，它使驾驶者在一段距离之外可以启动发动机。

未来的发展可能包括轮胎气压检测(TPS)技术，与无源RKE一样，当前TPS仅用于某些卡车和豪华汽车。TPS系统与RKE有很多相似之处，将类似于RKE的控制器与测压、测温传感器集成在一起，安装在每只轮胎的阀座上。每只车胎定时向车内的接收器(类似于RKE接收器)发送信息，向驾驶员提供出现任何轮胎问题的预警。TPS和RKE具有很多相似之处(近距离、简单调制、需要省电等等)，未来的系统很可能会通过共用和合并电路降低成本。

RKE有可能演变成一种半双工系统，在打开车门之前，通知司机汽车的状态以及是否需要加油等。如果证明RKE耐用、可靠，它将逐步淘汰目前的钥匙和开启车门的相关硬件。

用于RKE的CMOS IC

Maxim是为数不多的可以提供RKE产品的厂商之一，可生产特定功能的用于RKE市场的集成电路。对于钥匙扣控制器，Maxim提供目前业界最小的300MHz至450MHz发送器—MAX1472，该器件采用微型3mm x 3mm、8引脚SOT23封装。其2.1V 至3.6V的供电范围使器件可以采用单节锂离子电池供电，待机模式下仅消耗5nA电源电流。

在传输曼彻斯特编码数据时，MAX1472支持高达100kbps的数据传输速率，消耗3.0mA和5.5mA电源电流，同时可向50Ω负载提供-10dBm至+10dBm的输出功率。基于晶体的锁相环产生精确的载波频率，允许接收器使用较窄的IF带宽，从而提高传输距离。为了降低功耗，内部振荡器可快速起振，发出使能信号之后，启动时间仅需220µs。

对于汽车上的接收器，可以考虑使用300MHz至450MHz的超外差ASK接收器MAX1473。该器件具有-114dBm的高灵敏度，且全差分混频器具有50dB的镜频抑制。MAX1473优化工作于315MHz或433MHz。该芯片采用3.3V或5V电源，包括低噪声放大器(LNA)、全差分镜频抑制混频器、基于晶体的PLL提供本振，并具有接收信号强度指示(RSSI)的10.7MHz IF限幅放大器。内部数据滤波器和数据限幅器提供数据输出，另外，还可选择接收器MAX1470，该芯片与MAX1473类似，区别是只是优化工作于315MHz，工作在3.0V至3.6V电源范围。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/15/2011)


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