快啟動振蕩器(FOX)提升了超外差性能

注意: Maxim為那些對低頻RF設(shè)計或應(yīng)用感興趣的人員創(chuàng)辦了一個基于e-mail的討論組。
相關(guān)信息參見: http://www.maxim-ic.com.cn/TechSupport/Groups/LFRF.htm (English only)。

簡單RF數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€常見的應(yīng)用是在當(dāng)今大多數(shù)汽車中常見的遙控?zé)o鑰匙門禁(RKE)系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，可控制車門的開關(guān)，打開旅行箱，防盜報警。將來還可能應(yīng)用RKE進(jìn)行運距離汽車定位和啟動。

RKE系統(tǒng)的工作很直觀。它由類似鑰匙扣的發(fā)射器(通常每人一個)和車上的接收器構(gòu)成。工作頻率一般是300MHz到450MHz，但在歐洲有些新系統(tǒng)考慮使用ISM頻段分配的868MHz。通訊是單方向的，即數(shù)據(jù)僅從發(fā)射器到接收器。試用這一結(jié)構(gòu)的最重要的原因是低價和使發(fā)射器里的電池的壽命盡可能長。

開始工作時，用戶按下鑰匙扣上的按鈕，喚醒內(nèi)部的單片機(jī)發(fā)出一串?dāng)?shù)據(jù)流進(jìn)入RF發(fā)射器，數(shù)據(jù)流包括前導(dǎo)數(shù)據(jù)、實際命令(比如鎖門)、用于車輛識別的信道碼以保證你的鑰匙不會打開別的車和一些校驗位。如圖1。

圖1. 在遙控?zé)o鑰匙門禁系統(tǒng)中，按下發(fā)射扣上的鍵啟動了一個短數(shù)據(jù)流的發(fā)送。

完整的數(shù)據(jù)包(64到128位)通常以2.4kHz至20kHz的速率發(fā)送，RF調(diào)制方式用鍵控幅移(ASK)或鍵控開關(guān)(OOK，即調(diào)制度為0%和100%的ASK)。這些調(diào)制方法降低了價格，延長了鑰匙扣里的電池壽命。

低價和長電池壽命在這種應(yīng)用中非常重要。當(dāng)你考慮到這一系統(tǒng)使用的數(shù)量(幾千萬)時，低價是必須的。另外，電池壽命盡可能的長對發(fā)射器和接收器來說都很重要。

對鑰匙扣發(fā)射器來說，電池壽命長意味著用戶可以少換電池。理想的發(fā)射器電池應(yīng)該和車的使用時間一樣長，現(xiàn)在已經(jīng)有這樣的電池，但是你可能不愿意在自己的口袋或包里帶一個很大的鑰匙扣，小鑰匙扣更方便，但是如果每兩個月要換一次電池就不方便了。因此，現(xiàn)在的產(chǎn)品在尺寸適當(dāng)?shù)那闆r下，電池壽命一般在2到5年。

接收器的電池壽命同樣重要。接收器必須一直開著，用戶任何時候都可能發(fā)射命令。RKE接收器是由汽車的蓄電池(即用于啟動汽車的電池)供電。如果接收器的用電消耗太高，電池就可能會沒有足夠的電力發(fā)動汽車。

從表面上看這種擔(dān)心很愚蠢，汽車電池很大，而接收器的典型功耗只有1mA到5mA。日常使用中這么小的電流根本不要緊，但是如果你把汽車停在機(jī)場長達(dá)幾個星期或更長，情況就不一樣了。

汽車制造商由此來確定電池的容量。對某一個RKE系統(tǒng)，電池尺寸(容量)與接收器的功耗和持續(xù)工作時間的乘積成正比。因此，他們會預(yù)先警告你汽車是否存足了30天以上的電量。現(xiàn)在回到本文的主題-超外差接收器中的振蕩器的快速啟動是如何影響電池的壽命？

為了簡化計算，我們采用了一些中間值。前面已經(jīng)討論過數(shù)據(jù)包和傳輸速率，假定數(shù)據(jù)包是100位，數(shù)據(jù)速率是10kHz (每位0.1ms)。那么發(fā)送100位需要10ms。為了節(jié)省電能，我們把接收器的工作分成時間片，只讓它短時間地開啟一下——僅僅足夠用來判定是否有有效的傳輸。開啟時間通常約占10%的時間。

由于接收器是分時工作的，我們必須提供額外的發(fā)送使接收器能檢測出所需要的指令。通常是鑰匙扣重復(fù)發(fā)送三次以上。如果總共發(fā)送4次，總的發(fā)送時間是4x10ms，40ms。接收器要動作，它必須至少要解碼其中一次發(fā)送的100位 (10ms)。

為了至少得到一個完整的傳輸，接收器必須輪巡工作、察看是否有有效數(shù)據(jù)(當(dāng)然，接收器可以一直開著，但是這樣耗電較大)，給定的40ms數(shù)據(jù)包不會重復(fù)，因此我們必須輪詢得足夠頻繁，這樣才能得到其中的一次完整10ms傳輸。由此可得最大的輪巡時間間隔是30ms。

間隔不能太大，那樣可能會錯過接收命令。系統(tǒng)時序可能有中斷，或者有干擾或其他噪聲破壞了數(shù)據(jù)。保守一點估算，系統(tǒng)應(yīng)該能接收至少兩條完整的傳輸。因此我們把時間間隔設(shè)為20ms。每20ms接收器喚醒一次去解碼數(shù)據(jù)流，如果有數(shù)據(jù)就解碼，否則進(jìn)入睡眠狀態(tài)等到下一個20ms。

為了判斷是否是有效數(shù)據(jù)，接收器至少需要7到8位　數(shù)據(jù)，即0.75ms時間去解碼信息，以此決定是否是發(fā)送器發(fā)送了所感興趣的某一頻率、某一格式的數(shù)據(jù)。因此，接收器必須每20ms喚醒約0.75ms。但很不幸，只有非常完美的接收器能達(dá)到這一水平。

接收器喚醒也需要時間，大多數(shù)接收器里的放大器能在很短的時間內(nèi)穩(wěn)定，但振蕩器則做不到，壓電晶體是一個電磁元件，它需要時間起振，需要更長的時間才能穩(wěn)定在所需的頻率上。

注意許多接收器的指標(biāo)在這一點上含糊不清。重要的參數(shù)是從打開接收器開始到獲得給定范圍的振蕩器頻率(即穩(wěn)定)的時間。其他參數(shù)，如IF輸出時間，會產(chǎn)生一些誤導(dǎo)，當(dāng)振蕩器開始振蕩時IF就有輸出了，但是接收器的頻率還沒有鎖定在發(fā)射器的頻率上，這種情況就像收音機(jī)調(diào)到90MHz，但卻實際收到了92MHz，當(dāng)然，收音機(jī)在工作，但它卻沒有收到你所要的東西。

一般超外差接收機(jī)能在2ms至5ms時間內(nèi)啟動并穩(wěn)定下來。假定在我們的討論中是2.25ms，另外還需要0.75ms時間用于數(shù)據(jù)解碼，這樣每20ms時間中需要3ms時間來檢測鑰匙扣發(fā)射的數(shù)據(jù)(圖2)。MAX1470超外差接收機(jī)就不一樣，它內(nèi)置了一個快啟動振蕩器，通過維持晶體中的振蕩來減少啟動時間，因此把啟動時間從2.25ms減到0.25ms。0.25ms加上0.75ms的數(shù)據(jù)解碼時間，我們只需1ms時間來檢測發(fā)射的數(shù)據(jù)，MAX1470只需原來的1/3時間完成同樣的檢測功能，節(jié)省了電能。

圖2. 為了監(jiān)測發(fā)射扣的發(fā)射，RKE接收器必須分配時間來喚醒、穩(wěn)定、然后解碼。

大多數(shù)的高性能超外差接收器(即有很高靈敏度)在5V工作時消耗5mA，MAX1470具有最好的靈敏度，而且是在3.3V供電下消耗5mA，低壓工作非常省電：一般接收器要25mW；MAX1470只要16.5mW。考慮到工作時間，每20ms時間片中，一般超外差接收器需要25mW 3ms=75μJ；MAX1470只需要16.5mW 1ms=16.5μJ (圖3)。由此可以看出省電的快速喚醒接收器能延長電池壽命4到5倍。

圖3. 更短的喚醒時間也節(jié)能，就像降低供電電壓一樣。

因此，對于給定的電池使用時間，我們可以使用更小的電池，同時可節(jié)省成本。另一方面，在消耗同樣電能的情況下，可以檢測得更頻繁些，使發(fā)射器可以使用更小尺寸的電池。其原因是汽車電池大小主要是由啟動電流和儲能能力來決定，減小尺寸不一定能帶來價格上的優(yōu)勢，但是減小發(fā)射器的電池就能帶來很多優(yōu)點，特別是應(yīng)用在新的輪胎壓力監(jiān)控(TPM)系統(tǒng)中時。

TPM發(fā)射器基本上是一個放在輪胎中閥門桿上的發(fā)射扣，它測量輪胎氣壓和溫度，發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，就像無線鑰匙扣一樣。但是信息發(fā)送得很頻繁(相比按鍵再發(fā)送而言)，因為你要即時檢測到氣壓問題。為了檢測緩慢漏氣情況，系統(tǒng)需要在汽車停放時依然監(jiān)測每個輪胎。

注意：不能在閥門桿上放置一個很大的電池，它會影響車輪平衡。但是接收器的電池也不能很容易更換，因此它應(yīng)該比發(fā)射扣上的電池壽命長得多。由此可見對TPM來說低功耗的傳輸系統(tǒng)是基本的要求。雖然RKE發(fā)射器的設(shè)計人員會很自然考慮到低功耗，系統(tǒng)工程師知道提高接收器性能同樣會增加功耗，因此，既要低功耗，又要提高接收器性能，沒有比裝備帶快啟動振蕩器的超外差RKE接收器更好的選擇了。

注意: Maxim為那些對低頻RF設(shè)計或應(yīng)用感興趣的人員創(chuàng)辦了一個基于e-mail的討論組。
相關(guān)信息參見: http://www.maxim-ic.com.cn/TechSupport/Groups/LFRF.htm (English only)。

同樣版本的文章發(fā)表在Planet Analog雜志2002年10月