遥控无钥匙进入系统的要求

遥控无钥匙进入（RKE）吸引了汽车购买者，RKE在新车上的普及和作为售后市场项目就是证明。本应用笔记概述了RKE系统，并讨论了它们如何满足续航里程、电池寿命、可靠性、成本和法规遵从性等要求。它展示了一些电路和设计方法，并为未来的系统提供了一些预测，其中包括双向通信。

遥控无钥匙进入（RKE）系统已经变得非常流行。RKE系统在新车上的安装率在北美超过80%，在欧洲超过70%。除了便利性的明显优势外，RKE驱动的车辆防盗技术还可以最大限度地减少汽车盗窃。欧洲汽车制造商正在与保险公司合作将该技术整合到车辆中，而保险公司又要求将其作为获得汽车保险的条件。这种趋势始于德国，预计几年内将蔓延到整个欧洲。

这些系统中的大多数采用单向（单工）通信。但是第二代和第三代系统可能会与钥匙对话，告诉您汽车需要汽油或左前轮胎的更大压力。

RKE系统由钥匙扣（或钥匙）中的RF发射器组成，该发射器将一小段数字数据发送到车辆中的接收器，在那里对其进行解码，并通过接收器控制的执行器打开或关闭车门或后备箱。无线载波频率目前在美国/日本为315MHz，在欧洲为433.92MHz（ISM频段）。在日本，调制是频移键控（FSK），但在世界大多数其他地区，使用幅度移键控或ASK键控。载波在两个电平之间进行幅度调制：为了节省功率，较低的电平通常接近于零，从而产生完全的开关键控（OOK）。

详细的RKE描述和设计目标

典型的RKE系统（图1）在钥匙或遥控钥匙中包含一个微控制器。您可以通过按下唤醒微控制器的钥匙上的按钮来解锁汽车。微控制器将 64 或 128 位的流发送到密钥的射频发射器，在那里调制载波并通过简单的印刷电路环形天线进行辐射。（虽然效率低下，但作为印刷电路板一部分制造的环形天线价格低廉且被广泛使用。

图1.RKE系统由一个钥匙扣电路（下图）组成，该电路传输到车辆中的接收器（上图）。

在车辆中，RF接收器捕获该数据并将其定向到另一个微控制器，该微控制器对数据进行解码并发送适当的消息以启动发动机或打开车门。多按钮遥控钥匙可以选择打开驾驶员车门、所有车门或后备箱等。

在2.4kbps和20kbps之间传输的数字数据流通常由数据前导码、命令代码、一些校验位和“滚动代码”组成，通过每次使用改变自身来确保车辆安全。如果没有此滚动代码，您传输的信号可能会意外解锁另一辆车或落入偷车贼手中，窃车贼以后可能会使用它进入。

几个主要目标支配着这些RKE系统的设计。像所有批量生产的汽车部件一样，它们必须提供低成本和高可靠性。它们应尽量减少发射器和接收器的功耗，因为更换钥匙扣中的电池很麻烦，而为汽车电池充电则令人讨厌。除了这些要求之外，RKE系统设计人员还必须兼顾接收器灵敏度、载波容差和其他技术参数，以便在低成本和最小电源电流的限制范围内实现最大传输范围。

设计约束包括当地短程设备法规定义的约束，例如美国的 FCC 法规。虽然使用短程设备不需要许可证，但产品本身受因国家/地区而异的法律和法规的约束。对于美国，相关文件是联邦法规 （CFR） 第 47 篇第 15 部分，其中包括 260MHz 至 470MHz 频段（第 15.231 节）和 902MHz 至 928MHz 频段（第 15.249 节）。

以下是 FCC 法规如何对 RKE 设计施加限制的一些示例。

第 15.231 节允许设备在紧急情况下传输命令或控制信号、ID 代码和无线电控制信号，但不允许传输语音或视频、玩具控制信号或连续数据。

传输时间不得超过五秒，并且仅当此类传输速率小于每小时一次时，才允许定期传输一秒（最大）。

距离发射天线三米处的最大场强应与基频（260-470MHz）成线性比例，范围为3750μV/m至12500μV/m。

距载波20dB的点的带宽不得超过中心频率的0.25%，杂散发射应衰减基波的20dB。

以下部分探讨与RKE系统设计相关的一些问题，从载波频率的产生开始。

载波生成

第一代RKE电路包括表面声波（SAW）器件，用于在发射器中产生RF载波，在接收器中产生本振（LO）频率。遗憾的是，典型SAW器件的初始频率不确定性至少为±100kHz，其频率稳定性与温度的关系相对较差。在接收器处，足够宽以允许载波进入的IF带通也允许过多的噪声，这反过来又限制了车辆响应遥控钥匙信号的范围。

目前SAW器件的替代方案是基于晶体的锁相环（PLL）。RF辐射监管日益严格，特别是在欧洲和日本，鼓励向PLL过渡。基于晶体的PLL发射器的成本略高于SAW谐振器，但精度通常高出十倍。因此，接收器可以具有更窄的IF带宽，这反过来又通过提高信噪比来延长传输距离。

早期的SAW器件将其标称频率定位在1.74MHz宽的433MHz频段（433.05MHz至434.79MHz）的中点，以确保在预期的工艺和温度变化下可靠运行。因此，433MHz应用的标称载波频率现在为433.92MHz，必须相应地选择PLL晶体。

现代接收器和发射器芯片集成了PLL电路，因此只需在芯片上的两个端子之间连接合适的晶体即可。（请参阅下面的侧栏，RKE的IC。例如，MAX1470 PLL包括一个64分频模块和一个带低边注入的10.7MHz中频。（该芯片的工作频率为433.92MHz，但其镜像抑制能力针对315MHz进行了优化。315MHz 工作所需的晶体频率（以兆赫兹为单位）为 f鑫达= （f射频-10.7）/64 = 4.7547。您必须选择指定在加载芯片端子 XTAL315 和 XTAL5 提供的 1pF 电容时以 2MHz 振荡的晶体。

省电

由于电池寿命在RKE系统中非常重要，因此系统必须使用各种可能的方式来最小化工作电流和“准时”。接收器PLL中的压控振荡器（VCO）就是这种对细节的关注的一个很好的例子。接收者必须几乎不断检查，以避免错过进入车辆的要求。为了节省电量，接收器会尝试尽可能频繁地关闭，即使在检查之间的短暂间隔期间也是如此。

密钥卡发射器通常连续发出四个 10ms 数据流（总共约 40 毫秒），以确保接收器至少捕获其中一个。接收器每20ms轮询一次，努力解码至少两个数据流，以应对时序误差和噪声。它需要0.75ms的解码时间（足够7或8个接收位）来确定数据是否感兴趣。

除了解码时间外，轮询操作还必须首先留出时间让接收器电路“唤醒”并稳定下来。大多数放大器电路可以快速唤醒，但VCO的晶体是一种机电元件，需要时间开始振荡，需要更多时间稳定在所需频率。为此，传统的超外差接收器需要2ms至5ms。但MAX1470 VCO只需0.25ms即可完成，提供足够的功率来维持晶体振动。因此，MAX1470每1ms仅唤醒0ms（解码为75.0ms，稳定为25.20ms），从而检测密钥卡传输（图2）。快速唤醒MAX1470也采用3.3V而不是5V工作，可节省净能耗，将电池寿命（与传统的superhet接收器相比）延长四到五倍。

图2.为了监控密钥卡传输，RKE接收器必须在解码输入信号之前分配唤醒和稳定的时间。

RKE严格来说是一种短程技术，可达20米，或无源RKE系统的1至2米。对于RF电路来说，在低功耗和低成本设计预算下确保较短的传输距离也可能具有挑战性。为简单起见，发射和接收天线由小型印刷电路板上的圆形或矩形铜迹线环组成，具有简单的LC网络，可将天线阻抗与发射或接收芯片相匹配。

添加低噪声放大器 （LNA）？

FCC 法规规定的低发射功率、小电池容量以及发射天线方向的不确定性要求 RKE 接收器芯片具有最大的灵敏度。提高接收器灵敏度的一种方法是增加一个外部低噪声放大器（图 3），但与该方法相关的动态范围限制在您的应用中可能是不可接受的。考虑以下基于MAX1470超外差接收器的分析。

图3.增加一个外部LNA（MAX2640）可提高接收器灵敏度，但会降低三阶交调截点。

接收器的灵敏度取决于其噪声系数、检测载波调制所需的最小信噪比以及系统中的热噪声：

S = NF + n0+ 信噪比，公式 1

其中 S 是以 dBm 为单位的最小所需信号电平，NF 是以 dBm 为单位的接收器噪声系数，以 dBm 为单位，n0是接收器的热噪声功率，单位为dBm，S/N是充分检测所需的输出信噪比（以dBm为单位）（通常基于可接受的误码率）。

为简单起见，我们根据曼彻斯特编码数据的假设估计信噪比为5dB。根据定义：

n0= 10log10（kTB/1E-3），

其中k是玻尔兹曼常数（1.38E-23），T是以开尔文度为单位的温度，B是系统噪声带宽。在室温 （T = 290°K） 下，1Hz 带宽，n0= -174分贝/赫兹。在 300kHz IF 带宽上，n0= -119分贝。

假设系统灵敏度（S）为-109dBm，使用公式1计算NF = 5dB。噪声系数 （NF） 与噪声因子 （F） 之间的关系为 （NF）分贝= 10logF，其中 F = 10（NF分贝/10).因此，F = 3.162。对于多个 2 端口设备的级联，噪声因数为

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

公式2可以计算向系统添加外部LNA后的新噪声因数。对于Maxim的MAX2640 LNA，NF = 1dB，增益= 15dB（即F1 = 1.26和G1 = 31.62）。原始系统的噪声因数为3.162，因此F总= 1.327，即 1.23dB。代入公式1：

S = 1.23 - 119 + 5 = -112.77dB。

我们假设原始灵敏度为-109dBm，因此在该类别中我们仅获得了3.77dB。现在，请注意三阶截点（IIP3）所示对动态范围的影响。MAX1470的内部LNA增益为16dBm，内部混频器IIP3为-18dBm，总IIP3为-34dBm。增加增益为15dB的外部LNA可将该数字降低至-49dBm。因此，增加一个外部LNA将灵敏度提高了近4dB，但将系统动态范围降低了15dB！对于给定的应用程序，您必须确定是否可以接受这种权衡。

预后

RKE系统的下一个发展是2路（半双工）通信，它首先出现在一些高端汽车中已经存在的“无源RKE”。把钥匙放在口袋里。您只需走到汽车旁，发射器就会不断轮询以检测您的到来。当您进入范围内（一米或两米）时，钥匙和车辆建立双向通信并为您打开门。目前的 2 路系统包括通常的确认功能（是的，门已锁定），以及允许用户在离开家之前预热汽车发动机的远程启动功能。

未来的发展还可能包括轮胎压力传感（TPS）技术。与被动式RKE一样，TPS目前仅适用于某些卡车和豪华汽车。TPS系统与RKE有很多共同之处。与RKE遥控钥匙非常相似的电路位于每个轮胎的气门杆中，以及轮胎压力和温度传感器。从每个轮胎到车辆接收器（与RKE接收器非常相似）的定期传输，然后为驾驶员提供轮胎出现任何问题的早期警告。TPS和RKE有很多共同点（短距离、简单调制、需要节能等），未来的系统可能会通过共享和整合电路功能来节省成本。

RKE可能会也可能不会演变成半双工系统，在车门打开之前通知驾驶员汽车的状态及其对汽油，机油等的需求。更有可能的是，如果RKE被证明足够坚固可靠，最终将淘汰钥匙及其相关的门硬件。

用于RKE的CMOS IC

Maxim是为RKE市场生产专用集成电路的几家制造商之一。对于钥匙扣，它提供了世界上同类产品中最小的发送器——300MHz至450MHz MAX1472，采用微型3mm x 3mm、8引脚SOT23封装。其 2.1V 至 3.6V 电源电压范围使该器件能够采用单节锂电池工作，待机模式下仅吸收 5nA 的电源电流。

在传输曼彻斯特编码数据时，MAX1472支持高达100kbps的数据速率，消耗3.0mA至5.5mA电源电流，同时为10Ω负载提供-10dBm至+50dBm的功率。其基于晶体的锁相环产生精确的载波频率，通过在接收器中允许更窄的IF带宽来增强传输范围。为了最大限度地降低功耗，内部振荡器快速启动。在发出使能信号后，它只需要220μs的启动时间。

对于车辆接收器，可以考虑MAX1473 300MHz至450MHz超HET ASK接收器。该器件在其全差分内部混频器中提供 -114dB 灵敏度和 50dB RF镜像抑制。MAX1473优化用于315MHz或433MHz工作。该器件工作在 3.3V 或 5V，包括一个低噪声放大器 （LNA）、一个用于本振的基于晶体的 PLL 和一个带接收信号强度指示器 （RSSI） 的 10.7MHz IF 限幅放大器。内部数据滤波器和数据切片器提供数字数据输出。作为替代方案，可以选择MAX1470接收器，它与MAX1473类似，但仅针对315MHz进行了优化。该器件采用 3.0V 至 3.6V 电源电压工作。

审核编辑：郭婷