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。

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:
以下提供了一些FCC标准对RKE设计的限制。

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)。
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(NFdB/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:
FTotal = 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。
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。
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