遙控門禁(RKE)系統已經備受用戶的青睞，北美80%以上、歐洲70%以上的新車均安裝了RKE系統。除了顯而易見的便捷性，RKE用于開啟汽車制動裝置的技術還具有防盜作用。歐洲汽車生產廠商與保險公司合作，要求購置汽車保險時汽車要安裝RKE系統。德國已開始推行這一政策，預計在幾年內會擴展到整個歐洲。

　　大多數RKE系統采用單向(單工)通信，但第二代、第三代RKE系統將提供返回到鑰匙的逆向通信雙工操作，可以通知車主需要加油或需要增加左前輪胎壓。

　　RKE系統包括鑰匙扣(或鑰匙)中的一個無線發射器，它向安裝在車內的接收器發出一串短脈沖數子信號，信號經過解碼，通過接收器控制傳動機構，打開或關閉車門或行李箱。在美國和日本該無線載波頻率為315MHz，歐洲則使用433.92MHz (ISM頻段)。日本的RKE系統采用頻移鍵控FSK調制，其他絕大部分國家則采用幅移鍵控ASK調制，它的載波幅度調制在兩個電平。為了減小功耗，通常取低電平接近于0，于是產生了開關鍵控(OOK)調制。

　　RKE系統說明和設計目標

　　典型的RKE系統(圖1)是在鑰匙扣或鑰匙上安裝一個微控制器。對于汽車而言，按下控制裝置一個按鈕，將喚醒微控制器。微控制器向鑰匙的射頻發射器送出一串64位或128位的數據流，經過載波調制，用簡單的環狀印制板天線(雖然效率不高，但環狀天線可以設置在PCB上，造價低廉，使用廣泛)輻射出去，實施*操作。

　　圖1. RKE系統包括一個鑰匙扣發射電路(圖中下部)和車輛內部的接收機(圖中上部)。

　　在車輛中，射頻接收器捕捉到發射數據，并直接將它傳到另一個微控制器，完成解碼后發出正確的控制信息，以啟動引擎或打開車門。具有多個按鈕的鑰匙控制器還可以選擇打開駕駛門、全部車門或行李箱等。

　　數據流以2.4kbps至20kbps速率發射，通常由以下字段組成：前導碼、操作碼、校驗位和"滾動碼"，滾動碼在每次使用后會修改自身數值，以保證車輛的安全性。如果沒有滾動碼，發送的信號可能會意外地開啟另一車輛，或由于發射碼每小偷盜取，然后用它開啟車輛。

　　有幾個主要目標支配著RKE系統的設計。與所有大批量生產的汽車零部件一樣，它們都必須具備低成本和高可靠性。發射機和接收機都應該消耗最小功率，因為更換鑰匙控制器的電池非常麻煩，為汽車電池充電更為復雜。RKE系統設計人員一方面要關注這些要求，另一方面還必須確保一定的接收靈敏度、載波容限以及其它技術參數，在滿足低成本、小電流限制的情況下，實現最大的發射范圍。

　　其它的限制包括：當地對近距離通信設備的管理規定，例如美國的FCC規定。近距離通信設備不需要申請許可證，但產品本身受各國的不同法律和規則制約。對于美國，相關管理文件是聯邦政府管理條例(CFR)，標題47的第15部分，它覆蓋了260MHz至470MHz波段(15.231節)和902MHz至928MHz波段(15.249節) (請參考：http://www.access.gpo.gov/nara/cfr/waisidx_01/47cfr15_01.html)。

　　以下提供了一些FCC標準對RKE設計的限制。

　　按照15.231節規定，允許設備發射命令或控制信號、 ID碼，允許在緊急情況下發射無線控制信號，但不能是聲音或圖像信號、玩具控制信號或連續數據。

　　傳輸時間不能超過5秒；只有當重復傳輸頻率低于每小時一次時，才允許固定間隔、持續時間可以達到1秒(最長)的發射周期。

　　發射天線三米以內的最大場強在3750?V/m到12500?V/m以內，線性正比于基頻頻率(260至470MHz)。

　　頻帶內下降20dB的頻偏不超過中心頻率的0.25%；雜散輻射應該比基頻信號的增益衰減20dB。

　　以下各部分詳細探討與RKE系統設計相關的問題，先從載波頻率的產生開始。

　　載波發生器

　　第一代RKE電路使用了聲表面波(SAW)器件產生發射器的RF載波和接收器的本振(LO)。不幸的是，SAW器件初始頻率的不確定性至少為±100kHz，并且隨溫度變化其頻率穩定性相對較差。在接收端，如果IF通帶過寬，則在接收載波時會收到過多的噪聲，從而限制了汽車響應鑰匙控制信號的距離。

　　目前可以代替SAW器件的方案是選擇基于晶體的鎖相環(PLL)。PLL的使用主要源自日益嚴格的RF輻射規則，尤其是在歐洲和日本。使用晶振PLL的發射器比使用SAW諧振器的發射器價格略微貴一點，但精度一般提高十倍。因此接收器具有較窄的IF帶寬，由于提高了SNR，可以提高發射距離。

　　早期的SAW器件設計工作在帶寬為1.74MHz的433MHz頻段(433.05MHz至434.79MHz)的中點，以保證在工藝和溫度變化時保證系統的可靠性。因此，對標稱載波頻率為433MHz的應用，現在頻率是433.92MHz，于是必須根據這一頻率選擇PLL晶體。

　　目前，發送和接收芯片均內置鎖相環，只需要一個外接晶振，以產生有效的RKE信號(參考本文補充說明：用于RKE的IC)。例如，Maxim的MAX1470 PLL包含64分頻電路和低端注入的10.7MHz中頻電路(該芯片可以工作在433.92MHz，但在315MHz，其鏡頻抑制能力最佳)。按照315MHz工作頻率，所要求的晶體頻率為fXTAL = (fRF - 10.7)/64 = 4.7547 (單位為MHz)。該IC要求在XTAL1和XTAL2引腳加上振蕩頻率為315MHz的晶體和一個5pF的電容。關于晶體頻率的調節，請參考應用筆記1017：如何為MAX1470超外差接收機選擇石英晶體振蕩器。

　　節省功耗

　　由于電池的使用壽命非常重要，RKE系統采用了各種技術降低工作電流和"開機時間"。接收器PLL的壓控振蕩器(VCO)是這一設計細節的范例，接收器需要保持幾乎不間斷的檢測狀態，以免漏過打開車輛的命令；而為了省電需要盡可能地將其置于關機狀態，甚至在檢查之間的短暫間隔內。

　　控制器的發射裝置通常連續發送4組10ms的數據流(共計40ms左右)，以確保接收器至少捕捉到它們中的一組。接收器可以每隔20ms執行一次查詢操作，力圖至少捕獲兩組數據，以便有足夠的余量消除時序誤差和噪聲。譯碼時間大約需要0.75ms (足夠接收7或8位數據)，用來判斷是否為有效數據。

　　除了譯碼時間外，輪詢操作必須首先具備接收器"喚醒"和穩定時間。大多數放大電路可以快速喚醒，但VCO晶體是機電元件，它需要一定的起振時間，當然，它還需要更長的時間才能穩定在所要求的頻率。對于傳統的超外差接收機，該時間通常需要2ms至5ms。而MAX1470的VCO從上電到晶體穩定振蕩只需0.25ms。于是，在每20ms內，通過喚醒檢測發射信號只需要1ms (0.75ms解碼、0.25ms穩定) (圖2)?？煽焖賳拘训腗AX1470工作電壓為3.3V，而不是5V，這是節省能量并延長電池壽命的四個或五個因素中的一個(相對于傳統的超外差接收機)。

 　　圖2. 為監測鑰匙控制器的發送數據，在解碼收到信號之前，RKE接收器必須分配時間，用來喚醒和建立穩定。

　　嚴格來講，RKE是近距離通信技術，有源系統的傳輸距離可以達到20m，無源RKE系統的通信距離是1至2m，既使是近距離傳輸，保證低功耗和低成本設計對于RF電路也是一個挑戰。為簡單起見，發射器和接收器的天線由PCB上的環形或矩形印制導線組成，并用一個簡單的LC網絡，以達到天線與發射器或接收器芯片的阻抗匹配(參考應用筆記1830：How to Tune and Antenna Match the MAX1470 Circuit)。

　　增加一個低噪聲放大器(LNA)?

　　由于FCC規定必須使用低發射功率，小的電池容量以及發射天線朝向的不確定性等因素，要求RKE接收芯片具有極高的靈敏度。提高接收靈敏度的一個方法是增加一個低噪聲放大器(圖3)，但這種方法會降低動態范圍，在具體應用中可能無法接受?？梢钥紤]一下對MAX1470超外差接收器的分析。

 　　圖3. 添加一個外部LNA (MAX2640)，提高接收靈敏度，但降低了三階交調截點。

　　接收靈敏度取決于它的噪聲系數、載波調制檢波所要求的最低信噪比S/N和系統的熱噪聲：

　　S = NF + n0 + S/N，   式1

　　其中，S為所要求的最小信號電平，以dBm為單位；NF為接收器的噪聲系數，以dBm為單位；n0為接收器的熱噪聲功率，以dBm為單位；S/N為滿足信號檢波的輸出信噪比，以dBm為單位(通常基于可接受的誤碼率)。

　　為簡化起見，對基于曼徹斯特編碼的數據，估計其S/N為5dB，根據定義，可以得到：

　　n0 = 10log10(kTB/1E-3)，

　　其中，k為玻爾茲曼常數(1.38E-23)，T為溫度，以開氏度為單位；B為系統噪聲帶寬，在室溫(T = 290°K)下，1Hz帶寬時， n0 = -174dbm/Hz。相對300kHz IF帶寬， n0 = - 119dbm。

　　假定系統靈敏度(S)是-109dBm，用式1可以算出噪聲系數NF = 5dB。噪聲系數(NF)與噪聲因數(F)之間的關系為：(NF)dB = 10logF，其中F = 10(NFdB/10)。所以，F = 3.162。對于多個雙端口部件級聯的情況，噪聲系數為：

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

　　利用式2可以對系統增加了外部LNA時的新噪聲因數進行計算。對于Maxim的MAX2640 LNA，NF = 1dB、增益 = 15dB (也就是，F1 = 1.26，G1 = 31.62)。原系統的噪聲因數是3.162，所以，FTotal = 1.327，即1.23dB，代入式1得到：

　　S = 1.23 - 119 + 5 = -112.77dB。

　　假定原靈敏度是-109dB，加上LNA后僅僅獲得了3.77dB的提高。考慮三階交調截點(IIP3)對動態范圍的影響，MAX1470有16dB的內部LNA增益和-18dBm的內部混頻器IIP3，而總的IIP3為-34dBm。加上具有15dB增益的外部LNA，將這個數字降低到-49dBm。因此外部LNA的加入對靈敏度大約有4dB的改善，但系統動態范圍降低了15dB！對于指定的應用場合，必須考慮這種折衷。

　　發展方向

　　下一步RKE系統的發展將會涉及雙向(半雙工)通信，目前它已經以"無源RKE"的形式應用在某些高端車輛中。當駕駛人員靠近汽車時，汽車發射裝置不斷輪詢，以確定駕駛人員的接近。在一定范圍內(1至2米)，控制器和車輛建立雙向通信，并打開車門。目前的雙向系統除了包含確認功能(確認車門已鎖)之外，還包含遙控啟動功能，它使駕駛者在一段距離之外可以啟動發動機。

　　未來的發展可能包括輪胎氣壓檢測(TPS)技術，與無源RKE一樣，當前TPS僅用于某些卡車和豪華汽車。TPS系統與RKE有很多相似之處，將類似于RKE的控制器與測壓、測溫傳感器集成在一起，安裝在每只輪胎的閥座上。每只車胎定時向車內的接收器(類似于RKE接收器)發送信息，向駕駛員提供出現任何輪胎問題的預警。TPS和RKE具有很多相似之處(近距離、簡單調制、需要省電等等)，未來的系統很可能會通過共用和合并電路降低成本。

　　RKE有可能演變成一種半雙工系統，在打開車門之前，通知司機汽車的狀態以及是否需要加油等。如果證明RKE耐用、可靠，它將逐步淘汰目前的鑰匙和開啟車門的相關硬件。

　　用于RKE的CMOS IC

　　Maxim是為數不多的可以提供RKE產品的廠商之一，可生產特定功能的用于RKE市場的集成電路。對于鑰匙扣控制器，Maxim提供目前業界最小的300MHz至450MHz發送器—MAX1472，該器件采用微型3mm x 3mm、8引腳SOT23封裝。其2.1V 至3.6V的供電范圍使器件可以采用單節鋰離子電池供電，待機模式下僅消耗5nA電源電流。

　　在傳輸曼徹斯特編碼數據時，MAX1472支持高達100kbps的數據傳輸速率，消耗3.0mA和5.5mA電源電流，同時可向50Ω負載提供-10dBm至+10dBm的輸出功率?；诰w的鎖相環產生精確的載波頻率，允許接收器使用較窄的IF帶寬，從而提高傳輸距離。為了降低功耗，內部振蕩器可快速起振，發出使能信號之后，啟動時間僅需220?s。

　　對于汽車上的接收器，可以考慮使用300MHz至450MHz的超外差ASK接收器MAX1473。該器件具有-114dBm的高靈敏度，且全差分混頻器具有50dB的鏡頻抑制。MAX1473優化工作于315MHz或433MHz。該芯片采用3.3V或5V電源，包括低噪聲放大器(LNA)、全差分鏡頻抑制混頻器、基于晶體的PLL提供本振，并具有接收信號強度指示(RSSI)的10.7MHz IF限幅放大器。內部數據濾波器和數據限幅器提供數據輸出，另外，還可選擇接收器MAX1470，該芯片與MAX1473類似，區別是只是優化工作于315MHz，工作在3.0V至3.6V電源范圍。