遙控無鑰匙進入系統的要求

遙控無鑰匙進入（RKE）吸引了汽車購買者，RKE在新車上的普及和作為售后市場項目就是證明。本應用筆記概述了RKE系統，并討論了它們如何滿足續航里程、電池壽命、可靠性、成本和法規遵從性等要求。它展示了一些電路和設計方法，并為未來的系統提供了一些預測，其中包括雙向通信。

遙控無鑰匙進入（RKE）系統已經變得非常流行。RKE系統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勢外，RKE驅動的車輛防盜技術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公司合作將該技術整合到車輛中，而保險公司又要求將其作為獲得汽車保險的條件。這種趨勢始于德國，預計幾年內將蔓延到整個歐洲。

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

RKE系統由鑰匙扣（或鑰匙）中的RF發射器組成，該發射器將一小段數字數據發送到車輛中的接收器，在那里對其進行解碼，并通過接收器控制的執行器打開或關閉車門或后備箱。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，調制是頻移鍵控（FSK），但在世界大多數其他地區，使用幅度移鍵控或ASK鍵控。載波在兩個電平之間進行幅度調制：為了節省功率，較低的電平通常接近于零，從而產生完全的開關鍵控（OOK）。

詳細的RKE描述和設計目標

典型的RKE系統（圖1）在鑰匙或遙控鑰匙中包含一個微控制器。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 位的流發送到密鑰的射頻發射器，在那里調制載波并通過簡單的印刷電路環形天線進行輻射。（雖然效率低下，但作為印刷電路板一部分制造的環形天線價格低廉且被廣泛使用。

圖1.RKE系統由一個鑰匙扣電路（下圖）組成，該電路傳輸到車輛中的接收器（上圖）。

在車輛中，RF接收器捕獲該數據并將其定向到另一個微控制器，該微控制器對數據進行解碼并發送適當的消息以啟動發動機或打開車門。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之間傳輸的數字數據流通常由數據前導碼、命令代碼、一些校驗位和“滾動代碼”組成，通過每次使用改變自身來確保車輛安全。如果沒有此滾動代碼，您傳輸的信號可能會意外解鎖另一輛車或落入偷車賊手中，竊車賊以后可能會使用它進入。

幾個主要目標支配著這些RKE系統的設計。像所有批量生產的汽車部件一樣，它們必須提供低成本和高可靠性。它們應盡量減少發射器和接收器的功耗，因為更換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系統設計人員還必須兼顧接收器靈敏度、載波容差和其他技術參數，以便在低成本和最小電源電流的限制范圍內實現最大傳輸范圍。

設計約束包括當地短程設備法規定義的約束，例如美國的 FCC 法規。雖然使用短程設備不需要許可證，但產品本身受因國家/地區而異的法律和法規的約束。對于美國，相關文件是聯邦法規 （CFR） 第 47 篇第 15 部分，其中包括 260MHz 至 470MHz 頻段（第 15.231 節）和 902MHz 至 928MHz 頻段（第 15.249 節）。

以下是 FCC 法規如何對 RKE 設計施加限制的一些示例。

第 15.231 節允許設備在緊急情況下傳輸命令或控制信號、ID 代碼和無線電控制信號，但不允許傳輸語音或視頻、玩具控制信號或連續數據。

傳輸時間不得超過五秒，并且僅當此類傳輸速率小于每小時一次時，才允許定期傳輸一秒（最大）。

距離發射天線三米處的最大場強應與基頻（260-470MHz）成線性比例，范圍為3750μV/m至12500μV/m。

距載波20dB的點的帶寬不得超過中心頻率的0.25%，雜散發射應衰減基波的20dB。

以下部分探討與RKE系統設計相關的一些問題，從載波頻率的產生開始。

載波生成

第一代RKE電路包括表面聲波（SAW）器件，用于在發射器中產生RF載波，在接收器中產生本振（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，其頻率穩定性與溫度的關系相對較差。在接收器處，足夠寬以允許載波進入的IF帶通也允許過多的噪聲，這反過來又限制了車輛響應遙控鑰匙信號的范圍。

目前SAW器件的替代方案是基于晶體的鎖相環（PLL）。RF輻射監管日益嚴格，特別是在歐洲和日本，鼓勵向PLL過渡?；诰w的PLL發射器的成本略高于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器件將其標稱頻率定位在1.74MHz寬的433MHz頻段（433.05MHz至434.79MHz）的中點，以確保在預期的工藝和溫度變化下可靠運行。因此，433MHz應用的標稱載波頻率現在為433.92MHz，必須相應地選擇PLL晶體。

現代接收器和發射器芯片集成了PLL電路，因此只需在芯片上的兩個端子之間連接合適的晶體即可。（請參閱下面的側欄，RKE的IC。例如，MAX1470 PLL包括一個64分頻模塊和一個帶低邊注入的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315MHz進行了優化。315MHz 工作所需的晶體頻率（以兆赫茲為單位）為 f鑫達= （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 電容時以 2MHz 振蕩的晶體。

省電

由于電池壽命在RKE系統中非常重要，因此系統必須使用各種可能的方式來最小化工作電流和“準時”。接收器PLL中的壓控振蕩器（VCO）就是這種對細節的關注的一個很好的例子。接收者必須幾乎不斷檢查，以避免錯過進入車輛的要求。為了節省電量，接收器會嘗試盡可能頻繁地關閉，即使在檢查之間的短暫間隔期間也是如此。

密鑰卡發射器通常連續發出四個 10ms 數據流（總共約 40 毫秒），以確保接收器至少捕獲其中一個。接收器每20ms輪詢一次，努力解碼至少兩個數據流，以應對時序誤差和噪聲。它需要0.75ms的解碼時間（足夠7或8個接收位）來確定數據是否感興趣。

除了解碼時間外，輪詢操作還必須首先留出時間讓接收器電路“喚醒”并穩定下來。大多數放大器電路可以快速喚醒，但VCO的晶體是一種機電元件，需要時間開始振蕩，需要更多時間穩定在所需頻率。為此，傳統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。因此，MAX1470每1ms僅喚醒0ms（解碼為75.0ms，穩定為25.20ms），從而檢測密鑰卡傳輸（圖2）?？焖賳拘袽AX1470也采用3.3V而不是5V工作，可節省凈能耗，將電池壽命（與傳統的superhet接收器相比）延長四到五倍。

圖2.為了監控密鑰卡傳輸，RKE接收器必須在解碼輸入信號之前分配喚醒和穩定的時間。

RKE嚴格來說是一種短程技術，可達20米，或無源RKE系統的1至2米。對于RF電路來說，在低功耗和低成本設計預算下確保較短的傳輸距離也可能具有挑戰性。為簡單起見，發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組成，具有簡單的LC網絡，可將天線阻抗與發射或接收芯片相匹配。

添加低噪聲放大器 （LNA）？

FCC 法規規定的低發射功率、小電池容量以及發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外部低噪聲放大器（圖 3），但與該方法相關的動態范圍限制在您的應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.增加一個外部LNA（MAX2640）可提高接收器靈敏度，但會降低三階交調截點。

接收器的靈敏度取決于其噪聲系數、檢測載波調制所需的最小信噪比以及系統中的熱噪聲：

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電平，NF 是以 dBm 為單位的接收器噪聲系數，以 dBm 為單位，n0是接收器的熱噪聲功率，單位為dBm，S/N是充分檢測所需的輸出信噪比（以dBm為單位）（通?；诳山邮艿恼`碼率）。

為簡單起見，我們根據曼徹斯特編碼數據的假設估計信噪比為5dB。根據定義：

n0= 10log10（kTB/1E-3），

其中k是玻爾茲曼常數（1.38E-23），T是以開爾文度為單位的溫度，B是系統噪聲帶寬。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。

假設系統靈敏度（S）為-109dBm，使用公式1計算NF = 5dB。噪聲系數 （NF） 與噪聲因子 （F） 之間的關系為 （NF）分貝= 10logF，其中 F = 10（NF分貝/10).因此，F = 3.162。對于多個 2 端口設備的級聯，噪聲因數為

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

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

S = 1.23 - 119 + 5 = -112.77dB。

我們假設原始靈敏度為-109dBm，因此在該類別中我們僅獲得了3.77dB?，F在，請注意三階截點（IIP3）所示對動態范圍的影響。MAX1470的內部LNA增益為16dBm，內部混頻器IIP3為-18dBm，總IIP3為-34dBm。增加增益為15dB的外部LNA可將該數字降低至-49dBm。因此，增加一個外部LNA將靈敏度提高了近4dB，但將系統動態范圍降低了15dB！對于給定的應用程序，您必須確定是否可以接受這種權衡。

預后

RKE系統的下一個發展是2路（半雙工）通信，它首先出現在一些高端汽車中已經存在的“無源RKE”。把鑰匙放在口袋里。您只需走到汽車旁，發射器就會不斷輪詢以檢測您的到來。當您進入范圍內（一米或兩米）時，鑰匙和車輛建立雙向通信并為您打開門。目前的 2 路系統包括通常的確認功能（是的，門已鎖定），以及允許用戶在離開家之前預熱汽車發動機的遠程啟動功能。

未來的發展還可能包括輪胎壓力傳感（TPS）技術。與被動式RKE一樣，TPS目前僅適用于某些卡車和豪華汽車。TPS系統與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輪胎的氣門桿中，以及輪胎壓力和溫度傳感器。從每個輪胎到車輛接收器（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任何問題的早期警告。TPS和RKE有很多共同點（短距離、簡單調制、需要節能等），未來的系統可能會通過共享和整合電路功能來節省成本。

RKE可能會也可能不會演變成半雙工系統，在車門打開之前通知駕駛員汽車的狀態及其對汽油，機油等的需求。更有可能的是，如果RKE被證明足夠堅固可靠，最終將淘汰鑰匙及其相關的門硬件。

用于RKE的CMOS IC

Maxim是為RKE市場生產專用集成電路的幾家制造商之一。對于鑰匙扣，它提供了世界上同類產品中最小的發送器——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鋰電池工作，待機模式下僅吸收 5nA 的電源電流。

在傳輸曼徹斯特編碼數據時，MAX1472支持高達100kbps的數據速率，消耗3.0mA至5.5mA電源電流，同時為10Ω負載提供-10dBm至+50dBm的功率。其基于晶體的鎖相環產生精確的載波頻率，通過在接收器中允許更窄的IF帶寬來增強傳輸范圍。為了最大限度地降低功耗，內部振蕩器快速啟動。在發出使能信號后，它只需要220μs的啟動時間。

對于車輛接收器，可以考慮MAX1473 300MHz至450MHz超HET ASK接收器。該器件在其全差分內部混頻器中提供 -114dB 靈敏度和 50dB RF鏡像抑制。MAX1473優化用于315MHz或433MHz工作。該器件工作在 3.3V 或 5V，包括一個低噪聲放大器 （LNA）、一個用于本振的基于晶體的 PLL 和一個帶接收信號強度指示器 （RSSI） 的 10.7MHz IF 限幅放大器。內部數據濾波器和數據切片器提供數字數據輸出。作為替代方案，可以選擇MAX1470接收器，它與MAX1473類似，但僅針對315MHz進行了優化。該器件采用 3.0V 至 3.6V 電源電壓工作。

審核編輯：郭婷