遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的要求

遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）吸引了汽車購買者，RKE在新車上的普及和作為售后市場(chǎng)項(xiàng)目就是證明。本應(yīng)用筆記概述了RKE系統(tǒng)，并討論了它們?nèi)绾螡M足續(xù)航里程、電池壽命、可靠性、成本和法規(guī)遵從性等要求。它展示了一些電路和設(shè)計(jì)方法，并為未來的系統(tǒng)提供了一些預(yù)測(cè)，其中包括雙向通信。

遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)已經(jīng)變得非常流行。RKE系統(tǒng)在新車上的安裝率在北美超過80%，在歐洲超過70%。除了便利性的明顯優(yōu)勢(shì)外，RKE驅(qū)動(dòng)的車輛防盜技術(shù)還可以最大限度地減少汽車盜竊。歐洲汽車制造商正在與保險(xiǎn)公司合作將該技術(shù)整合到車輛中，而保險(xiǎn)公司又要求將其作為獲得汽車保險(xiǎn)的條件。這種趨勢(shì)始于德國，預(yù)計(jì)幾年內(nèi)將蔓延到整個(gè)歐洲。

這些系統(tǒng)中的大多數(shù)采用單向（單工）通信。但是第二代和第三代系統(tǒng)可能會(huì)與鑰匙對(duì)話，告訴您汽車需要汽油或左前輪胎的更大壓力。

RKE系統(tǒng)由鑰匙扣（或鑰匙）中的RF發(fā)射器組成，該發(fā)射器將一小段數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到車輛中的接收器，在那里對(duì)其進(jìn)行解碼，并通過接收器控制的執(zhí)行器打開或關(guān)閉車門或后備箱。無線載波頻率目前在美國/日本為315MHz，在歐洲為433.92MHz（ISM頻段）。在日本，調(diào)制是頻移鍵控（FSK），但在世界大多數(shù)其他地區(qū)，使用幅度移鍵控或ASK鍵控。載波在兩個(gè)電平之間進(jìn)行幅度調(diào)制：為了節(jié)省功率，較低的電平通常接近于零，從而產(chǎn)生完全的開關(guān)鍵控（OOK）。

詳細(xì)的RKE描述和設(shè)計(jì)目標(biāo)

典型的RKE系統(tǒng)（圖1）在鑰匙或遙控鑰匙中包含一個(gè)微控制器。您可以通過按下喚醒微控制器的鑰匙上的按鈕來解鎖汽車。微控制器將 64 或 128 位的流發(fā)送到密鑰的射頻發(fā)射器，在那里調(diào)制載波并通過簡單的印刷電路環(huán)形天線進(jìn)行輻射。（雖然效率低下，但作為印刷電路板一部分制造的環(huán)形天線價(jià)格低廉且被廣泛使用。

圖1.RKE系統(tǒng)由一個(gè)鑰匙扣電路（下圖）組成，該電路傳輸?shù)杰囕v中的接收器（上圖）。

在車輛中，RF接收器捕獲該數(shù)據(jù)并將其定向到另一個(gè)微控制器，該微控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并發(fā)送適當(dāng)?shù)南⒁詥?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或打開車門。多按鈕遙控鑰匙可以選擇打開駕駛員車門、所有車門或后備箱等。

在2.4kbps和20kbps之間傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流通常由數(shù)據(jù)前導(dǎo)碼、命令代碼、一些校驗(yàn)位和“滾動(dòng)代碼”組成，通過每次使用改變自身來確保車輛安全。如果沒有此滾動(dòng)代碼，您傳輸?shù)?a target="_blank">信號(hào)可能會(huì)意外解鎖另一輛車或落入偷車賊手中，竊車賊以后可能會(huì)使用它進(jìn)入。

幾個(gè)主要目標(biāo)支配著這些RKE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。像所有批量生產(chǎn)的汽車部件一樣，它們必須提供低成本和高可靠性。它們應(yīng)盡量減少發(fā)射器和接收器的功耗，因?yàn)楦鼡Q鑰匙扣中的電池很麻煩，而為汽車電池充電則令人討厭。除了這些要求之外，RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還必須兼顧接收器靈敏度、載波容差和其他技術(shù)參數(shù)，以便在低成本和最小電源電流的限制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大傳輸范圍。

設(shè)計(jì)約束包括當(dāng)?shù)囟坛淘O(shè)備法規(guī)定義的約束，例如美國的 FCC 法規(guī)。雖然使用短程設(shè)備不需要許可證，但產(chǎn)品本身受因國家/地區(qū)而異的法律和法規(guī)的約束。對(duì)于美國，相關(guān)文件是聯(lián)邦法規(guī) （CFR） 第 47 篇第 15 部分，其中包括 260MHz 至 470MHz 頻段（第 15.231 節(jié)）和 902MHz 至 928MHz 頻段（第 15.249 節(jié)）。

以下是 FCC 法規(guī)如何對(duì) RKE 設(shè)計(jì)施加限制的一些示例。

第 15.231 節(jié)允許設(shè)備在緊急情況下傳輸命令或控制信號(hào)、ID 代碼和無線電控制信號(hào)，但不允許傳輸語音或視頻、玩具控制信號(hào)或連續(xù)數(shù)據(jù)。

傳輸時(shí)間不得超過五秒，并且僅當(dāng)此類傳輸速率小于每小時(shí)一次時(shí)，才允許定期傳輸一秒（最大）。

距離發(fā)射天線三米處的最大場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)與基頻（260-470MHz）成線性比例，范圍為3750μV/m至12500μV/m。

距載波20dB的點(diǎn)的帶寬不得超過中心頻率的0.25%，雜散發(fā)射應(yīng)衰減基波的20dB。

以下部分探討與RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的一些問題，從載波頻率的產(chǎn)生開始。

載波生成

第一代RKE電路包括表面聲波（SAW）器件，用于在發(fā)射器中產(chǎn)生RF載波，在接收器中產(chǎn)生本振（LO）頻率。遺憾的是，典型SAW器件的初始頻率不確定性至少為±100kHz，其頻率穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系相對(duì)較差。在接收器處，足夠?qū)捯栽试S載波進(jìn)入的IF帶通也允許過多的噪聲，這反過來又限制了車輛響應(yīng)遙控鑰匙信號(hào)的范圍。

目前SAW器件的替代方案是基于晶體的鎖相環(huán)（PLL）。RF輻射監(jiān)管日益嚴(yán)格，特別是在歐洲和日本，鼓勵(lì)向PLL過渡。基于晶體的PLL發(fā)射器的成本略高于SAW諧振器，但精度通常高出十倍。因此，接收器可以具有更窄的IF帶寬，這反過來又通過提高信噪比來延長傳輸距離。

早期的SAW器件將其標(biāo)稱頻率定位在1.74MHz寬的433MHz頻段（433.05MHz至434.79MHz）的中點(diǎn)，以確保在預(yù)期的工藝和溫度變化下可靠運(yùn)行。因此，433MHz應(yīng)用的標(biāo)稱載波頻率現(xiàn)在為433.92MHz，必須相應(yīng)地選擇PLL晶體。

現(xiàn)代接收器和發(fā)射器芯片集成了PLL電路，因此只需在芯片上的兩個(gè)端子之間連接合適的晶體即可。（請(qǐng)參閱下面的側(cè)欄，RKE的IC。例如，MAX1470 PLL包括一個(gè)64分頻模塊和一個(gè)帶低邊注入的10.7MHz中頻。（該芯片的工作頻率為433.92MHz，但其鏡像抑制能力針對(duì)315MHz進(jìn)行了優(yōu)化。315MHz 工作所需的晶體頻率（以兆赫茲為單位）為 f鑫達(dá)= （f射頻-10.7）/64 = 4.7547。您必須選擇指定在加載芯片端子 XTAL315 和 XTAL5 提供的 1pF 電容時(shí)以 2MHz 振蕩的晶體。

省電

由于電池壽命在RKE系統(tǒng)中非常重要，因此系統(tǒng)必須使用各種可能的方式來最小化工作電流和“準(zhǔn)時(shí)”。接收器PLL中的壓控振蕩器（VCO）就是這種對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注的一個(gè)很好的例子。接收者必須幾乎不斷檢查，以避免錯(cuò)過進(jìn)入車輛的要求。為了節(jié)省電量，接收器會(huì)嘗試盡可能頻繁地關(guān)閉，即使在檢查之間的短暫間隔期間也是如此。

密鑰卡發(fā)射器通常連續(xù)發(fā)出四個(gè) 10ms 數(shù)據(jù)流（總共約 40 毫秒），以確保接收器至少捕獲其中一個(gè)。接收器每20ms輪詢一次，努力解碼至少兩個(gè)數(shù)據(jù)流，以應(yīng)對(duì)時(shí)序誤差和噪聲。它需要0.75ms的解碼時(shí)間（足夠7或8個(gè)接收位）來確定數(shù)據(jù)是否感興趣。

除了解碼時(shí)間外，輪詢操作還必須首先留出時(shí)間讓接收器電路“喚醒”并穩(wěn)定下來。大多數(shù)放大器電路可以快速喚醒，但VCO的晶體是一種機(jī)電元件，需要時(shí)間開始振蕩，需要更多時(shí)間穩(wěn)定在所需頻率。為此，傳統(tǒng)的超外差接收器需要2ms至5ms。但MAX1470 VCO只需0.25ms即可完成，提供足夠的功率來維持晶體振動(dòng)。因此，MAX1470每1ms僅喚醒0ms（解碼為75.0ms，穩(wěn)定為25.20ms），從而檢測(cè)密鑰卡傳輸（圖2）?？焖賳拘袽AX1470也采用3.3V而不是5V工作，可節(jié)省凈能耗，將電池壽命（與傳統(tǒng)的superhet接收器相比）延長四到五倍。

圖2.為了監(jiān)控密鑰卡傳輸，RKE接收器必須在解碼輸入信號(hào)之前分配喚醒和穩(wěn)定的時(shí)間。

RKE嚴(yán)格來說是一種短程技術(shù)，可達(dá)20米，或無源RKE系統(tǒng)的1至2米。對(duì)于RF電路來說，在低功耗和低成本設(shè)計(jì)預(yù)算下確保較短的傳輸距離也可能具有挑戰(zhàn)性。為簡單起見，發(fā)射和接收天線由小型印刷電路板上的圓形或矩形銅跡線環(huán)組成，具有簡單的LC網(wǎng)絡(luò)，可將天線阻抗與發(fā)射或接收芯片相匹配。

添加低噪聲放大器 （LNA）？

FCC 法規(guī)規(guī)定的低發(fā)射功率、小電池容量以及發(fā)射天線方向的不確定性要求 RKE 接收器芯片具有最大的靈敏度。提高接收器靈敏度的一種方法是增加一個(gè)外部低噪聲放大器（圖 3），但與該方法相關(guān)的動(dòng)態(tài)范圍限制在您的應(yīng)用中可能是不可接受的?？紤]以下基于MAX1470超外差接收器的分析。

圖3.增加一個(gè)外部LNA（MAX2640）可提高接收器靈敏度，但會(huì)降低三階交調(diào)截點(diǎn)。

接收器的靈敏度取決于其噪聲系數(shù)、檢測(cè)載波調(diào)制所需的最小信噪比以及系統(tǒng)中的熱噪聲：

S = NF + n0+ 信噪比，公式 1

其中 S 是以 dBm 為單位的最小所需信號(hào)電平，NF 是以 dBm 為單位的接收器噪聲系數(shù)，以 dBm 為單位，n0是接收器的熱噪聲功率，單位為dBm，S/N是充分檢測(cè)所需的輸出信噪比（以dBm為單位）（通常基于可接受的誤碼率）。

為簡單起見，我們根據(jù)曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)的假設(shè)估計(jì)信噪比為5dB。根據(jù)定義：

n0= 10log10（kTB/1E-3），

其中k是玻爾茲曼常數(shù)（1.38E-23），T是以開爾文度為單位的溫度，B是系統(tǒng)噪聲帶寬。在室溫 （T = 290°K） 下，1Hz 帶寬，n0= -174分貝/赫茲。在 300kHz IF 帶寬上，n0= -119分貝。

假設(shè)系統(tǒng)靈敏度（S）為-109dBm，使用公式1計(jì)算NF = 5dB。噪聲系數(shù) （NF） 與噪聲因子 （F） 之間的關(guān)系為 （NF）分貝= 10logF，其中 F = 10（NF分貝/10).因此，F(xiàn) = 3.162。對(duì)于多個(gè) 2 端口設(shè)備的級(jí)聯(lián)，噪聲因數(shù)為

F總= F1 + （F2-1）/G1 + （F3-1）/（G1*G2） + . .等式2

公式2可以計(jì)算向系統(tǒng)添加外部LNA后的新噪聲因數(shù)。對(duì)于Maxim的MAX2640 LNA，NF = 1dB，增益= 15dB（即F1 = 1.26和G1 = 31.62）。原始系統(tǒng)的噪聲因數(shù)為3.162，因此F總= 1.327，即 1.23dB。代入公式1：

S = 1.23 - 119 + 5 = -112.77dB。

我們假設(shè)原始靈敏度為-109dBm，因此在該類別中我們僅獲得了3.77dB。現(xiàn)在，請(qǐng)注意三階截點(diǎn)（IIP3）所示對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響。MAX1470的內(nèi)部LNA增益為16dBm，內(nèi)部混頻器IIP3為-18dBm，總IIP3為-34dBm。增加增益為15dB的外部LNA可將該數(shù)字降低至-49dBm。因此，增加一個(gè)外部LNA將靈敏度提高了近4dB，但將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍降低了15dB！對(duì)于給定的應(yīng)用程序，您必須確定是否可以接受這種權(quán)衡。

預(yù)后

RKE系統(tǒng)的下一個(gè)發(fā)展是2路（半雙工）通信，它首先出現(xiàn)在一些高端汽車中已經(jīng)存在的“無源RKE”。把鑰匙放在口袋里。您只需走到汽車旁，發(fā)射器就會(huì)不斷輪詢以檢測(cè)您的到來。當(dāng)您進(jìn)入范圍內(nèi)（一米或兩米）時(shí)，鑰匙和車輛建立雙向通信并為您打開門。目前的 2 路系統(tǒng)包括通常的確認(rèn)功能（是的，門已鎖定），以及允許用戶在離開家之前預(yù)熱汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)程啟動(dòng)功能。

未來的發(fā)展還可能包括輪胎壓力傳感（TPS）技術(shù)。與被動(dòng)式RKE一樣，TPS目前僅適用于某些卡車和豪華汽車。TPS系統(tǒng)與RKE有很多共同之處。與RKE遙控鑰匙非常相似的電路位于每個(gè)輪胎的氣門桿中，以及輪胎壓力和溫度傳感器。從每個(gè)輪胎到車輛接收器（與RKE接收器非常相似）的定期傳輸，然后為駕駛員提供輪胎出現(xiàn)任何問題的早期警告。TPS和RKE有很多共同點(diǎn)（短距離、簡單調(diào)制、需要節(jié)能等），未來的系統(tǒng)可能會(huì)通過共享和整合電路功能來節(jié)省成本。

RKE可能會(huì)也可能不會(huì)演變成半雙工系統(tǒng)，在車門打開之前通知駕駛員汽車的狀態(tài)及其對(duì)汽油，機(jī)油等的需求。更有可能的是，如果RKE被證明足夠堅(jiān)固可靠，最終將淘汰鑰匙及其相關(guān)的門硬件。

用于RKE的CMOS IC

Maxim是為RKE市場(chǎng)生產(chǎn)專用集成電路的幾家制造商之一。對(duì)于鑰匙扣，它提供了世界上同類產(chǎn)品中最小的發(fā)送器——300MHz至450MHz MAX1472，采用微型3mm x 3mm、8引腳SOT23封裝。其 2.1V 至 3.6V 電源電壓范圍使該器件能夠采用單節(jié)鋰電池工作，待機(jī)模式下僅吸收 5nA 的電源電流。

在傳輸曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)時(shí)，MAX1472支持高達(dá)100kbps的數(shù)據(jù)速率，消耗3.0mA至5.5mA電源電流，同時(shí)為10Ω負(fù)載提供-10dBm至+50dBm的功率。其基于晶體的鎖相環(huán)產(chǎn)生精確的載波頻率，通過在接收器中允許更窄的IF帶寬來增強(qiáng)傳輸范圍。為了最大限度地降低功耗，內(nèi)部振蕩器快速啟動(dòng)。在發(fā)出使能信號(hào)后，它只需要220μs的啟動(dòng)時(shí)間。

對(duì)于車輛接收器，可以考慮MAX1473 300MHz至450MHz超HET ASK接收器。該器件在其全差分內(nèi)部混頻器中提供 -114dB 靈敏度和 50dB RF鏡像抑制。MAX1473優(yōu)化用于315MHz或433MHz工作。該器件工作在 3.3V 或 5V，包括一個(gè)低噪聲放大器 （LNA）、一個(gè)用于本振的基于晶體的 PLL 和一個(gè)帶接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 （RSSI） 的 10.7MHz IF 限幅放大器。內(nèi)部數(shù)據(jù)濾波器和數(shù)據(jù)切片器提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出。作為替代方案，可以選擇MAX1470接收器，它與MAX1473類似，但僅針對(duì)315MHz進(jìn)行了優(yōu)化。該器件采用 3.0V 至 3.6V 電源電壓工作。

審核編輯：郭婷