汽車用遠(yuǎn)程無線鑰匙(RKE)做為新型汽車的一種性能和汽車零件市場的一種產(chǎn)品，受到人們的喜愛，這顯示了第一代RKE對用戶的吸引力。在北美RKE系統(tǒng)在新車中的安裝率超過80%、歐洲超過70%。這些系統(tǒng)大部分采用單向(單工)通信，但第2代和第3代系統(tǒng)可能會為鑰匙提供回復(fù)信號，提示汽車需要加油或輪胎需要打氣。

RKE系統(tǒng)除方便用戶外，還有另外的好處：全球更多的汽車制造廠家正在把RKE驅(qū)動的汽車制動技術(shù)用在汽車中，以使汽車被盜率降到最低。在歐洲，汽車制造公司正在與保險(xiǎn)公司合作把這種技術(shù)引入汽車中，保險(xiǎn)公司又把它作為得到汽車保險(xiǎn)的一個(gè)條件。這種發(fā)展趨勢已出現(xiàn)在德國，最近幾年會擴(kuò)展到全歐洲。

簡單地說，RKE系統(tǒng)是由在鑰匙包(或鑰匙)中集成了RF發(fā)射器，發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)短脈沖到汽車中的接收器，接收器譯碼并通過接收器控制的制動器使車門開/關(guān)。無線鏈路載波頻率，在美國和日本用315MHz，歐洲用433.92MHz(ISM頻段)。在日本，是頻移鍵控(FSK)，但是世界上大多數(shù)國家采用幅移鍵控(ASK)。載波在兩個(gè)電平幅度之間調(diào)制。為了節(jié)省功率，低電平通常接近零，這構(gòu)成了完全的開關(guān)鍵控(OOK)。

圖1  RKE系統(tǒng)由鑰匙上的電路(圖下部)和汽車中的接收器電路(圖上部)組成

圖2  為了監(jiān)視鑰匙發(fā)射，RKE接收器必須在譯碼輸入信號前分配時(shí)間，來喚醒和穩(wěn)定它

圖3 增加外部LAN(MAX2640)可提高接收器靈敏度，但降低了3階截獲點(diǎn)

RKE詳述

典型的REK系統(tǒng)(圖1)包括鑰匙或鑰匙包中的微控制器。按鍵中的一個(gè)按鈕開關(guān)汽車，喚醒mC并發(fā)送64或128位數(shù)據(jù)流到鑰匙的RF發(fā)射器，發(fā)射器調(diào)制載波并通過一個(gè)簡單的印刷電路環(huán)路天線發(fā)射(用PC板制造環(huán)路天線盡管效率低，但價(jià)廉而且廣泛被采用)。

在汽車中，RF接收器捕獲此數(shù)據(jù)并送到另一個(gè)mC，此mC譯碼并發(fā)送適當(dāng)?shù)?a target="_blank">信息來啟動引擎或開車門，多按鈕鑰匙包可選擇駕駛員車門或所有車門，或者行李箱。

在2.4Kbps和20Kbps之間發(fā)射的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流通常包括前置碼、命令碼、檢驗(yàn)位和“滾動碼”，以保證汽車安全(否則所發(fā)射的信號可能會偶然開啟另外的汽車，或落入盜賊之手使其得逞)。

有幾個(gè)主要的因素支配著RKE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。像所有批量生產(chǎn)的部件那樣，RKE系統(tǒng)必須具有低成本和高可靠性。其發(fā)射器和接收器功率應(yīng)保持最小，因?yàn)楦鼡Q鑰匙中的電池是件麻煩的事情，而且重新充電汽車電池也是件麻煩的事情。針對這些要求，RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須巧妙處理接收機(jī)靈敏度、載波容限和其他技術(shù)參量，以便在低成本和最小電源電流條件下達(dá)到最大的傳輸距離。

其他的制約因素包括對這些短距離裝置的本地規(guī)章(如美國的FCC規(guī)范)。使用短距離裝置不需要執(zhí)照，但產(chǎn)品本身受不同國家的法律和規(guī)章的約束。美國的相關(guān)文本是CFR(聯(lián)邦規(guī)范碼)，Titel47,Part15,這包括260~470MHz頻段(Section15.231)和902~928MHz頻段(Section15.249)。

下面考慮FCC規(guī)范如何影響RKE設(shè)計(jì)，Section15.231規(guī)定器件傳輸命令或控制信號、ID碼和緊急情況期間的無線電控制信號，但不包括視頻和音頻、玩具控制信號或連續(xù)數(shù)據(jù)。傳輸時(shí)間不能超過5秒。只有在傳輸率低于每小時(shí)一次時(shí)，才會允許1秒種的傳輸周期。距發(fā)射天線3米處的最大場強(qiáng)與基頻(260~470MHz)是線性比例關(guān)系，其范圍是3750mV/m~12500mV/m。比載波低20dB點(diǎn)的帶寬不應(yīng)超過中心頻率2.25%，而寄生發(fā)射應(yīng)該比基頻低20dB。

下面仔細(xì)研究RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)問題，首先研究載波產(chǎn)生。

載波產(chǎn)生

第一代RKE電路包括聲表面波(SAW)器件，用SAW器件產(chǎn)生發(fā)射器中的RF載波和接收器中的本振(L0)頻率。然而，典型SAW器件的起始頻率不確定度至少為±100KHz，而隨溫度變化的頻率穩(wěn)定是相當(dāng)差的。接收器的IF帶寬足以允許載波和過量噪聲進(jìn)入，過量噪聲本身又限制汽車鑰匙發(fā)射信號的響應(yīng)范圍。

現(xiàn)在用晶振基鎖相環(huán)(PLL)替代SAW器件。晶振基PLL發(fā)射器成本雖比SAW諧振器高，但其精度比SAW諧振器高10倍。因此，接收器可以有較窄的IF帶寬，從而提高信噪比，使傳輸距離提高。

較早的SAW器件的額定頻率規(guī)定為433.05~434.79MHz頻段的中心頻率，以保證在預(yù)期的操作和溫度變化范圍內(nèi)可靠的工作。因此，對于433MHz應(yīng)用的額定載波頻率現(xiàn)在為433.92MHz，因此必須相應(yīng)地選擇PLL晶振。

先進(jìn)的接收器和發(fā)射器芯片集成有PLL電路，所以只需要在芯片兩個(gè)引腳間連接一個(gè)合適的晶振即可。例如，MAX1470PLL包含64分頻單元和低端注入的10.7MHz IF(此芯片可工作在433.92MHz，但其鏡像載波抑制對于315MHz是最佳的)。315MHz工作所需的晶振頻率為：fXTAL=(fRF-10.7)/64=4.7547MHz。所選的晶振在芯片引腳XTAL1和XTAL2之間呈現(xiàn)5pF電容負(fù)載時(shí)應(yīng)該振蕩在315MHz。對于如何調(diào)節(jié)晶振頻率請參考應(yīng)用指南1017(www.maxim-ic.com)。

節(jié)省功耗

在RKE系統(tǒng)中電池壽命是非常重要的，系統(tǒng)采用一切方法使工作電流和“導(dǎo)通時(shí)間”最佳。在接收器PLL中的壓控振蕩器(VCO)備受關(guān)注。接收器必須不斷地檢查，以避免漏掉對汽車的輸入請求，并且，為了節(jié)省功率而盡可能地停機(jī)，甚至在檢查之間的短暫期間也要求這樣。

通常，鑰匙發(fā)射器連續(xù)發(fā)射4個(gè)10ms數(shù)據(jù)流，以保證接收器至少能捕獲到其中一個(gè)數(shù)據(jù)流。接收器每20ms要查詢一次，跳躍到譯碼至少2個(gè)數(shù)據(jù)流，以保證定時(shí)誤差和噪聲容限。需要0.75ms譯碼時(shí)間(對于7或8位接收數(shù)據(jù)此時(shí)間足以滿足要求)來確定數(shù)據(jù)是否是重要的。

除譯碼時(shí)間外，查詢操作必須首先“喚醒”和穩(wěn)定接收器電路，這需要時(shí)間。大多數(shù)放大器電路可以很快喚醒，但VCO晶振是一個(gè)機(jī)電元件，它需要時(shí)間來啟振并且，需要更多時(shí)間穩(wěn)定到所希望的頻率。一般超外差接收器需要2ms~5ms時(shí)間用在這種操作上，但MAX1470執(zhí)行這種操作僅需0.25ms(僅靠加足夠的電源來保持晶振的振蕩)。因此，MAX1470每20ms檢查鑰匙發(fā)射，在喚醒操作僅花1ms(0.75ms譯碼時(shí)間加0.25ms穩(wěn)定時(shí)間)，見圖2。快速喚醒MAX1470工作可用3.3V代替5V，其凈能量節(jié)省3或4倍(與一般超外差接收器相比)，從而延長電池壽命。

嚴(yán)格的講，RKE是短距離技術(shù)(對于無源RKE系統(tǒng)距離長達(dá)20米或1~2米)，但保證在短傳輸距離中具有低功率和低成本設(shè)計(jì)是RF電路要解決的一個(gè)問題。為簡單化，發(fā)射和接收天線由小的印刷電路板上的銅線環(huán)或矩形環(huán)構(gòu)成，用簡單的LC網(wǎng)絡(luò)來匹配天線與發(fā)射或接收芯片的阻抗(參見MAXIM公司的應(yīng)用指南#1830)。

是否增加低噪聲放大器

低發(fā)射功率受FCC規(guī)范、電池容量和發(fā)射天線定位(要求在RKE接收器芯片中有最大的靈敏度)的不確定性所限制。增強(qiáng)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)，但是，動態(tài)范圍的限制，使這種方法在應(yīng)用中是不能接受的。下面是基于MAX1470超外差接收器的分析。

接收器靈敏度依賴于噪聲系數(shù)、載波調(diào)制檢測所需的最大信噪比和系統(tǒng)中的熱噪聲：

S=NF+n0+S/N                                (1)

其中S是所需信號電平的最大值(dBm),NF是接收器的噪聲系數(shù)(dBm)，n0是接收器熱噪聲功率(dBm),S/N是滿足檢測(通常基于可接受誤碼率)所需的輸出信噪比(dBm)。

為了簡單化，根據(jù)Manchester編碼數(shù)據(jù)，估算S/N(5dBm)。根據(jù)定義：

n0 =10log10(KTB/1E-3)

其中K是波耳茲曼常數(shù)(1.38E-23),T是開氏絕對溫度，B是系統(tǒng)噪聲帶寬。在室溫(T=290°K)，1Hz帶寬，n0 =-174dBm/Hz。在300KHz帶寬，n0 =-119dBm。

假定系統(tǒng)靈敏度(S)是-109dBm，用方程1計(jì)算，NF=5dB。噪聲系數(shù)(NF)和噪聲因數(shù)(F)之間的關(guān)系是(NF)dB=10logF,其中F=10(NFdB/10)。所以，F=3.162。對于幾個(gè)雙端口器件級聯(lián)，其噪聲因數(shù)是：

FTotal=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1×G2+......       (2)

用方程(2)可以計(jì)算系統(tǒng)增加一個(gè)外部低噪聲放大器(LAN)后，新的噪聲因數(shù)，對于MAX2640LAN，NF=1dB,增益=15dB(即F1=1.26，G1=31.62)。原系統(tǒng)噪聲因數(shù)是3.162，所以，FTotal=1.327，其中F1是1.23dB，代入方程1，得到：

S=1.23-119+5=-112.77dB

假定原系統(tǒng)靈敏度是-119dB,所以，在此部分中只獲得3.77dB。另外，還虛注意動態(tài)范圍，用3階截獲點(diǎn)(IIP3)表示。對于-34dBm總IIP3，MAX1470具有內(nèi)部16dBm增益和內(nèi)部混頻器-18 dBmIIP3。增加15dB增益的外部LAN使其降到-49 dBm。因此增加一個(gè)外部LAN改善靈敏度4 dB,但降低系統(tǒng)動態(tài)范圍15 dB。對于給定的應(yīng)用，必須在這種折衷考慮中決定是否接受一個(gè)外部LAN。

預(yù)測

RKE系統(tǒng)的下一步發(fā)展是雙向(半雙工)通信，其中首個(gè)“無源RKE”已出現(xiàn)在某些高檔汽車中。用你的口袋中的鑰匙就可簡單地喚醒汽車，通過發(fā)射器連續(xù)地查詢來檢測你的到來。當(dāng)你處在有效范圍(1米或2米)之內(nèi)時(shí)，鑰匙和汽車建立雙向通信，并為你打開車門?，F(xiàn)在的雙向系統(tǒng)包括有用的應(yīng)答功能(是的，車門已鎖)，以及另外的遠(yuǎn)程啟動功能(允許車主在離開房子前加熱汽車引擎)。

進(jìn)一步的發(fā)展也包括TPS(Tire-Pressure Sensing-突然加大油門的壓力感測)技術(shù)。像無源RKE一樣，TPS僅適用于載重和豪華汽車。TPS系統(tǒng)與RKE有很多共同之處，如短距離、簡單調(diào)制、需要節(jié)省功率等。將來的系統(tǒng)也允許共享合并電路功能以節(jié)省成本。

無論如何，RKE發(fā)展成一個(gè)半雙工系統(tǒng)，能在打開車門前告知車的狀態(tài)、油量需要等，只要這種系統(tǒng)足夠堅(jiān)固可靠，最后將會廢棄鑰匙和相關(guān)的門硬件。

用于RKE的IC

RKE框圖示于圖1。其中300MHz~450MHz發(fā)射器MAX1472是業(yè)內(nèi)尺寸最小的發(fā)射器(占位面積只有3mm2 )，工作電壓2.1V~3.6V(單節(jié)鋰電池供電)，待機(jī)電流僅5nA。在Manchester編碼數(shù)據(jù)發(fā)射期間，MAX1472支持高達(dá)100Kbps的數(shù)據(jù)率，給出一個(gè)-10 dBm~+10 dBm功率到50歐姆負(fù)載。其晶振基PLL產(chǎn)生精確的載波頻率。為使功耗最小，內(nèi)部振蕩器啟動很快，在使能信號之后只需要220mS啟動時(shí)間。

MAX1473 300MHz~450MHz超外差ASK接收器適用于汽車接收器。它提供-114dB靈敏度，50dB RF鏡像載波抑制(在其全差分內(nèi)部混頻器)。MAX1473最佳工作是在315MHz或433MHz。它包含一個(gè)LAN、晶振基PLL(用于本機(jī)振蕩器)、10.7MHz IF限幅放大器(帶接收信號強(qiáng)度指示器RSSI)。內(nèi)部數(shù)據(jù)濾波器和數(shù)據(jù)限制器提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出。也可以選用MAX1470接收器，它類似于MAX1473，但它只對315MHz工作最佳，工作電壓3.0V~3.6V。