被動門禁系統的RF設計注意事項

被動門禁 (Passive Entry, PE)系統在汽車舒適度和安全性方面正在引領一個新的發展趨勢。就完全性而言，遙控無匙門禁(Remote Keyless Entry, RKE)系統是交互式的，即用戶必須按下鑰匙才能打開車門；而被動門禁系統則是被動式的，也就是說，它們無需用戶做出任何交互式動作就可以打開車門。當用戶準備進入車輛時，通過拉門柄的動作觸發PE系統發射低頻Low frequency, LF)信號。幾毫秒內密鑰卡接收到LF信號，并對接收到的數據包進行加密，然后經由射頻(RF)信道把加密信號發送給車輛作確認。

被動門禁系統還可以包含一個被動式引擎發動功能，即被動門禁啟動(Passive Entry Go, PEG)。只要系統確認密鑰卡在車輛里面，則駕駛員一坐上駕駛席就會觸發LF電路。在驗證確認并且完成位置測量之后，只需按下啟動鍵就可以發動引擎。

這兩種情況都是通過密鑰卡來接收純文本數據，并利用功能強大的硬件加密模塊(如AES-28模塊)對之進行加密，然后再把加密數據返回給車輛以做驗證。

PE密鑰卡采用小型鋰電池，為數據接收、加密及傳輸提供電源。被動門禁系統中的密鑰卡經專門設計來確保盡可能長的電池壽命。如果電池快將用完，密鑰卡就會進入一個緊急模式，通過LF線圈獲得足夠的磁場能量來實現無電池工作。這時需要把密鑰卡放置在車門線圈附近的位置。在這種情況下，系統只會通過LF信道進行通信。

典型的PE系統

一個典型的PE系統是由汽車車內部分和一個密鑰卡子系統組成，這兩者作為通信對等點，建立有兩條通信鏈路：(1) LF上行鏈路：車輛到密鑰卡，(2) 超高頻(UHF)下行鏈路：密鑰卡到車輛 (見圖1)。

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圖1 被動門禁系統的模塊示意圖

車內部分

當用戶拉動汽車門柄時，車輛中的天線驅動器便會產生LF場。這種變化激活中央儀表板的控制器，請求密鑰卡啟動LF通信。通常每扇車門內都安裝有LF天線線圈，由天線驅動器單元驅動 (一個天線驅動器單元可以驅動多個天線線圈，比如，ATA5279就能夠驅動多達6個不同的天線線圈)。系統采用一個UHF接收器模塊來接收從密鑰卡發出的RF數據，以支持RF鏈路。接收到的數據經加密后再被發送回儀表板控制器，然后通過軟件進行解密(AES-128)。

密鑰卡

在任何PE系統中，密鑰卡都必須能夠測量LF信號在三個正交軸(X、Y和Z方向)上的強度，并能利用UHF發射器，通過RF信道把這一信息發回給車輛，以確定密鑰卡的位置。這種信號強度信息 (也被稱為遠程信號強度指示器，即RSSI) 由與3D LF接收器相連接的三個正交天線線圈收集。任何數字數據，比如喚醒數據模式(前導碼，ID)、系統命令或作為協議載荷的純文本數據口令，將會被接收并傳送給密鑰卡中的微控制器(MCU)處理(返回信息包，加密)。為了節能，LF接收器帶有一個專用的控制邏輯，能夠以極低功耗來分析和檢測喚醒信號，故無需全面喚醒整個系統，這樣可以大大延長密鑰卡的電池壽命。密鑰卡數據流量的進出可通過一個小型8位超低功耗MCU(如ATtiny44)來控制。接收到的數據可以通過軟件進行加密，也可以通過帶有功能強大的加密功能的硬件加密模塊(如AES-128)進行加密。為提高安全性，一個加密機制會同時用在硬件內部和嵌入在MCU上。加密后的數據被傳送到UHF發射器，并以很高的波特率向車輛發射。

在電池完全耗盡的情況下，發射應答器可以作為一個無電池的無源設備進行工作，這時被稱為緊急模式工作。在此模式下，正交線圈中只有一個與LF磁場耦合，從中獲得足夠的能量，并以電荷的形式存儲在外部電容器里。發射應答器通過LF鏈路與基站通信來打開車門，并被用作一個防盜鎖止裝置，可阻止發動引擎(參見圖1，其中X軸線圈相當于一個3D LF接收器線圈和一個緊急/防盜鎖止收發器天線)。模擬前端(AFE)模塊被用于LF通信，而功率管理(PM)模塊用來管理場電源，即存儲在外部電容器Cbuf上的電荷。在緊急模式下，RSSI測量、3D LF數據接收和RF發射都被禁用。

表1：PE系統密鑰卡的基本參數



圖2 3D LF接收器的喚醒

圖3 RSSI定位測量

接收LF信號

載波頻率為125kHz左右的低頻場可以有以下作用：(1) 低波特率發射數據的數據通信鏈路；(2) 計算3個軸向上RSSI值定位信息的媒介；(3) 短距發射電能的無接觸式電磁媒介。不過，每一類應用及其發射質量都與發射器和接收器天線的耦合程度密切相關。這種耦合程度又取決于眾多物理參數和電氣參數，比如天線電感、電阻、線圈之間的距離、諧振調諧程度等等因素。耦合因子越大，通信鏈路越強大(亦即從線圈傳輸到線圈的能量增加)。

發射器線圈天線發射的LF電磁波信號沿著磁場強度最大的方向角傳播，并隨著遠離中心而逐漸衰減。要獲得最佳天線耦合性能，發射器必須直接面向接收器天線。通過采用三個按X、Y和Z軸向正交放置的接收器天線，單個發射器天線的方向性問題就得以解決。反之，多個正交放置的接收器天線可以接收到來自不同天線線圈的任何方向的信號。


圖4 RSSI分辨率

被動門禁系統中的RF通信

愛特梅爾提供廣泛的UHF IC，這些芯片專為ISM頻率范圍上的單向或雙向通信而設計，適用于汽車門禁系統等車載應用。如用于單向通信的 T5750/53/54、ATA5756/57發射器系列和 ATA5723/24/28、ATA5745/46接收器系列。至于雙向通信，則有收發器系列ATA5811/12和ATA5823/24。表1總結了設計被動門禁系統時必須考慮的RF事項。

表2：不同類型天線的優缺點比較


RF設計中討論最多的是可接收距離，當然還有系統可靠性。一般而言，一個RF系統包含一個發射器模塊(本例中即為密鑰卡)和一個接收器模塊。要設計出最好的解決方案，必須考慮到發射功率和靈敏度這兩個主要參數。例如，愛特梅爾的收發器IC ATA5824就能夠提供 典型值達-109 dBm 的出色頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)靈敏度(在2.4kBps的數據速率下)和典型值達10dBm 的發射功率，這有助于汽車門禁系統實現十分理想的覆蓋距離。


圖5 車輛天線2D輻射模式實例

天線性能

要獲得一個最佳系統鏈路成本預算和盡可能大的覆蓋距離，除了發射功率和靈敏度等RF參數之外，天線的性能也是至關重要的。在大多數情況下，天線設計必須在可用空間和天線尺寸之間進行權衡折衷。鑒于此，密鑰卡中往往不能實現最佳天線形狀，而更常采用小型環形天線。環形天線是一種磁性天線，在密鑰卡應用中，這類天線比鞭形（whip）天線更有用，因為環形天線對人體接觸不太敏感。不過，有些應用因為發射距離長，故可能需要高效天線，這時，(折疊式)鞭形天線也許是很適合的密鑰卡解決方案。有些天線制造商提供芯片式天線，相比印制式天線，其品質因數(Q因子)和增益都更高。如果系統的成本不是關鍵因素的話，這也是一種很好的解決方案。在車輛中，天線的尺寸并不算相當重要，有的汽車把天線放在車窗上(比如后車窗)，但最流行的解決方案是放置在接收模塊的PCB上的印制式天線。表2總結了這兩類天線的優點和缺點。


圖6 密鑰卡天線2D輻射模式實例

接地噪聲反射

在實際生活中，由于反射和衰退效應，環境影響著系統鏈路預算的衰減。在定義系統的鏈路預算時，必須把這些因素考慮在內。下面通過一個計算例子來說明接地噪聲(接地反彈)反射對可接收距離的影響：

舉例：

? 接收器靈敏度：典型值

-109dBm，433.92MHz

? 發射功率：典型值10dBm

? 發射器天線增益：-18dB (接近小尺寸環形天線的性能)

? 本例中假設接收器的天線增益為-6dB

如果接地噪聲反射可以忽略，按照自由空間方程，可計算出距離大約為3km。然而本例考慮到了接地噪聲反射，典型可接收距離降至300m。當然，實際中接地噪聲反射遠比本例的更為復雜。圖7顯示了反射效應是如何影響車輛天線的接收功率的。紅色曲線代表自由空間條件下的理想情況，而藍色曲線代表有人慢慢走近汽車時的行為。


圖7 反射效應對868MHz下系統接收信號功率的影響

阻斷性能

RF系統總是會受到環境干擾的；而汽車內部存在大量的噪聲和干擾，情況便比較明顯。愛特梅爾的汽車門禁器件具有出色的阻斷性能，可為這類應用提供最佳解決方案。圖8例示了ATA5824在433.92MHz時的3dB阻斷曲線。不過，在有些情況下，這種阻斷要求遠不是集成電路能夠滿足的。為了滿足這類擴展性的應用要求，這時可以借助一個外部前端表面聲波(SAW)濾波器來提高阻斷性能。


圖8 ATA5824在433.92 MHz下的寬帶3dB阻斷特性

中頻濾波器帶寬

系統定義中另一個重要指標是中頻(intermediate frequency, IF)濾波器帶寬。關于這個參數，必須充分考慮到所有的系統頻率容差。接收器和發射器的晶振容差和晶振都必須特別仔細地規定，以使最差情況下也仍然能夠接收到IF濾波器帶寬內的發射器頻譜信號。對于極窄IF帶寬的系統，還必須考慮到數據速率和調制類型(容差除外)。

耗電量

耗電量始終是汽車門禁系統的一個主要問題，特別是在密鑰卡模塊中。現在對電池壽命的一般要求為7年左右。即使車輛對耗電量的要求似乎沒有這么嚴苛，但是因為汽車內部電子模塊的數量正在不斷攀升，所以低功耗解決方案也是必須的。愛特梅爾的UHF器件就是專門為滿足這類低功耗要求而設計。

下面是愛特梅爾 IC的耗電量示例：

? 透明（Transparent）接收器IC ATA5745：工作模式下為6.5 mA(典型值)

? 接收器IC ATA5724：工作模式下為8mA(典型值)

? 發射器IC T5754：7.5dBm功率下為9mA(典型值)

? 收發器 IC ATA5824：接收和發射模式下都為10.5mA (典型值)(P=5dBm)

此外，還有一些方法可用來進一步降低平均耗電量。例如通過提高數據傳輸速率使發射時間變得更短，從而減低電流消耗。在降低發射器的平均耗電量方面，開/關鍵控(On/Off Keying, OOK)調制比頻移鍵控(FSK)更有利。而降低接收器耗電量的最好方法是在睡眠和工作模式之間進行切換，以使整個電路保持有效信號進入時的工作狀態。為此，大多數愛特梅爾的接收器和發射器 IC都帶有輪詢模式。