被动门禁中RF设计注意事项
汽车天线
引言
被动门禁（Passive Entry, PE）系统在汽车舒适度和安全性方面正在引领一个新的发展趋势。尽管
这种技术几年前就已经问世了，但直到最近才开始快速流行，主要是因为系统集成度不断提高，使系统成
本得以大幅度降低。
就完全性而言，遥控无匙门禁（Remote Keyless Entry, RKE）系统是交互式的，即用户必须按下钥
匙才能打开车门；而被动门禁系统则是被动式的，也就是说，它们无需用户做出任何交互式动作就可以打
开车门。当用户准备进入车辆时，通过拉门柄的动作触发PE系统发射低频Low frequency, LF信号。几
毫秒内密钥卡接收到LF信号，并对接收到的数据包进行加密，然后经由射频（RF）信道把加密信号发送
给车辆作确认。适合于汽车混合密匙应用。此混合密匙应用可为汽车制造商和消费者提供一个非常渴望的
易用、完全集成的方案。爱特梅尔的ATA5798主要面向大批量、单向（uni-directional）汽车密匙应用，并同时集成有防盗器（immobilizer）和遥控无匙门禁功能。防盗器是一个安装在汽车的电子设备，如果
没有正确的汽车密匙，将无法启动引擎。
在AES-128加密密码层之上，爱特梅尔的ATA5795包括一个完整的开放式防盗器协议栈，支持可配
置的验证方案，可满足多种不同安全级别需要。器件还包括8KB闪存和2KB EEPROM存储器，可供应
用和用户数据存储使用。器件采用微型QFN 5毫米X5毫米封装，可以实现最低成本和最小体积设计。
虽然爱特梅尔提供一个完整的防盗器协议栈，但其创新的开放式架构允支持任何现有协议，并保证与
已有系统后向兼容。该器件中防盗器物理接口为内嵌式，与市场现有的所有主要兼容，因而可实现高
性能、低成本密匙设计，而无须重新设计任何。
被动门禁系统还可以包含一个被动式引擎发动功能，即被动门禁启动（Passive Entry Go, PEG）。
只要系统确认密钥卡在车辆里面，则驾驶员一坐上驾驶席就会触发LF电路。在验证确认并且完成位置测
量之后，只需按下启动键就可以发动引擎。
这两种情况都是通过密钥卡来接收纯文本数据，并利用功能强大的硬件加密模块（如AES-28模块）
对之进行加密，然后再把加密数据返回给车辆以做验证。
PE密钥卡采用小型锂电池，为数据接收、加密及传输提供电源。被动门禁系统中的密钥卡经专门设
计来确保尽可能长的电池寿命。如果电池快将用完，密钥卡就会进入一个紧急模式，通过LF线圈获得足
够的磁场能量来实现无电池工作。这时需要把密钥卡放置在车门线圈附近的位置。在这种情况下，系统只
会通过LF信道进行通信。
典型的PE系统
一个典型的PE系统是由汽车车内部分和一个密钥卡子系统组成，这两者作为通信对等点，建立有两
条通信链路：（1） LF上行链路：车辆到密钥卡，（2）超高频（UHF）下行链路：密钥卡到车辆（见
图1）。
车内部分
当用户拉动汽车门柄时，车辆中的天线驱动器便会产生LF场。这种变化激活中央仪表板的控制器，
请求密钥卡启动LF通信。通常每扇车门内都安装有LF天线线圈，由天线驱动器单元驱动（一个天线驱
动器单元可以驱动多个天线线圈，比如，ATA5279就能够驱动多达6个不同的天线线圈）。系统采用一
个UHF接收器模块来接收从密钥卡发出的RF数据，以支持RF链路。接收到的数据经加密后再被发送回仪表板控制器，然后通过软件进行解密（AES-128）。
密钥卡
在任何PE系统中，密钥卡都必须能够测量LF信号在三个正交轴（X、Y和Z方向）上的强度，并能利用UHF 发射器，通过RF信道把这一信息发回给车辆，以确定密钥卡的位置。这种信号强度信息（也
被称为远程信号强度指示器，即RSSI）由与3D LF接收器相连接的三个正交天线线圈收集。任何数字数据，比如唤醒数据模式（前导码，ID）、系统命令或作为协议载荷的纯文本数据口令，将会被接收并传送给密钥卡中的微控制器（MCU）处理（返回信息包，加密）。为了节能，LF接收器带有一个专用的控制
逻辑，能够以极低功耗来分析和检测唤醒信号，故无需全面唤醒整个系统，这样可以大大延长密钥卡的电
池寿命。密钥卡数据流量的进出可通过一个小型8位超低功耗MCU（如ATtiny44）来控制。接收到的数
据可以通过软件进行加密，也可以通过带有功能强大的加密功能的硬件加密模块（如AES-128）进行加密。为提高安全性，一个加密机制会同时用在硬件内部和嵌入在MCU上。加密后的数据被传送到UHF
发射器，并以很高的波特率向车辆发射。
在电池完全耗尽的情况下，发射应答器可以作为一个无电池的无源设备进行工作，这时被称为紧急模
式工作。在此模式下，正交线圈中只有一个与LF磁场耦合，从中获得足够的能量，并以电荷的形式存储
在外部电容器里。发射应答器通过LF链路与通信来打开车门，并被用作一个防盗锁止装置，可阻止
发动引擎（参见图1，其中X轴线圈相当于一个3D LF接收器线圈和一个紧急/防盗锁止收发器天线）。
模拟前端（AFE）模块被用于LF通信，而功率管理（PM）模块用来管理场电源，即存储在外部电容器Cbuf上的电荷。在紧急模式下，RSSI测量、3D LF数据接收和RF发射都被禁用。
表1：PE系统密钥卡的基本参数
接收LF信号
载波频率为125kHz左右的低频场可以有以下作用：（1）低波特率发射数据的数据通信链路；（2）计算3个轴向上RSSI值定位信息的媒介；（3）短距发射电能的无接触式电磁媒介。不过，每一类应用
及其发射质量都与发射器和接收器天线的耦合程度密切相关。这种耦合程度又取决于众多物理参数和电气
参数，比如天线电感、电阻、线圈之间的距离、谐振调谐程度等等因素。耦合因子越大，通信链路越强大（亦即从线圈传输到线圈的能量增加）。
发射器线圈天线发射的LF电磁波信号沿着磁场强度最大的方向角传播，并随着远离中心而逐渐衰减。要获得最佳天线耦合性能，发射器必须直接面向接收器天线。通过采用三个按X、Y和Z轴向正交放置的
接收器天线，单个发射器天线的方向性问题就得以解决。反之，多个正交放置的接收器天线可以接收到来
自不同天线线圈的任何方向的信号。
被动门禁系统中的RF通信
爱特梅尔提供广泛的UHF IC，这些芯片专为ISM频率范围上的单向或双向通信而设计，适用于汽车
门禁系统等车载应用。如用于单向通信的 T5750/53/54、ATA5756/57发射器系列和 ATA5723/24/28、ATA5745/46接收器系列。至于双向通信，则有收发器系列ATA5811/12和ATA5823/24。表1总结了设
计被动门禁系统时必须考虑的RF事项。
RF 基本原理在信号的分析上，不外乎时域，频域及功率三种：时域将信号表示成时间的函数f（t）量测仪器：示波器作用：量测信号源的活动在时域中分析。频域（变换域）：通过正交变换，将信号表
示成其他变数（如频率）的函数。一般常用的是傅利叶变换（F.T）。傅利叶变换公式： F （jω ）= ∫
+∞ 量测仪器：频谱仪作用：频谱仪提供的主要是被测信号功率信息和频率信息，我们可以看到不同频
率成份的信号会被分隔开来，而且可以清楚地分辨每个信号不同的强度。
表2：不同类型天线的优缺点比较
不同类型天线的优缺点比较
RF设计中讨论最多的是可接收距离，当然还有系统可靠性。一般而言，一个RF系统包含一个发射
器模块（本例中即为密钥卡）和一个接收器模块。要设计出最好的解决方案，必须考虑到发射功率和灵敏
度这两个主要参数。例如，爱特梅尔的收发器IC ATA5824就能够提供典型值达-109 dBm 的出频移键
控（Frequency Shift Keying, FSK）灵敏度（在2.4kBps的数据速率下）和典型值达10dBm 的发射功率，这有助于汽车门禁系统实现十分理想的覆盖距离。
车辆天线2D辐射模式实例
天线性能
要获得一个最佳系统链路成本预算和尽可能大的覆盖距离，除了发射功率和灵敏度等 RF参数之外，天线的性能也是至关重要的。在大多数情况下，天线设计必须在可用空间和天线尺寸之间进行权衡折衷。鉴于此，密钥卡中往往不能实现最佳天线形状，而更常采用小型环形天线。环形天线是一种磁性天线，在密钥卡应用中，这类天线比鞭形（whip）天线更有用，因为环形天线对人体接触不太敏感。不过，有
些应用因为发射距离长，故可能需要高效天线，这时，（折叠式）鞭形天线也许是很适合的密钥卡解决方案。有些天线制造商提供芯片式天线，相比印制式天线，其品质因数（Q因子）和增益都更高。如果系统的成本不是关键因素的话，这也是一种很好的解决方案。在车辆中，天线的尺寸并不算相当重要，有的汽车把天线放在车窗上（比如后车窗），但最流行的解决方案是放置在接收模块的PCB上的印制式天线。表2
总结了这两类天线的优点和缺点。
接地噪声反射
在实际生活中，由于反射和衰退效应，环境影响着系统链路预算的衰减。在定义系统的链路预算时，必须把这些因素考虑在内。下面通过一个计算例子来说明接地噪声（接地反弹）反射对可接收距离的影响：举例：
接收器灵敏度：典型值
109dBm，433.92MHz
发射功率：典型值10dBm
发射器天线增益：-18dB （接近小尺寸环形天线的性能）
本例中假设接收器的天线增益为-6dB
如果接地噪声反射可以忽略，按照自由空间方程，可计算出距离大约为3km。然而本例考虑到了接地噪声反射，典型可接收距离降至300m。当然，实际中接地噪声反射远比本例的更为复杂。图7显示了反射效应是如何影响车辆天线的接收功率的。红曲线代表自由空间条件下的理想情况，而蓝曲线代表有人慢慢走近汽车时的行为。
阻断性能
RF系统总是会受到环境干扰的；而汽车内部存在大量的噪声和干扰，情况便比较明显。爱特梅尔的
汽车门禁器件具有出的阻断性能，可为这类应用提供最佳解决方案。不过，在有些情况下，这种阻断要
求远不是集成电路能够满足的。为了满足这类扩展性的应用要求，这时可以借助一个外部前端表面声波（SAW）滤波器来提高阻断性能。
中频滤波器带宽
系统定义中另一个重要指标是中频（intermediate frequency, IF）滤波器带宽。关于这个参数，必须
充分考虑到所有的系统频率容差。接收器和发射器的晶振容差和晶振都必须特别仔细地规定，以使最差情况下也仍然能够接收到IF滤波器带宽内的发射器频谱信号。对于极窄IF带宽的系统，还必须考虑到数据
速率和调制类型（容差除外）。
带宽输入为分辨率带宽步进输入，它决定了待分析带宽B （RBW）和滤波器组的抽取。操作时，首
先可由待分析带宽确定最后一级FIR滤波器的3dB带宽和输入采样率，然后再根据A/D采样率与FIR输
入采样率的比值来确定CIC滤波器抽取因子和HB滤波器级联级数。
另外，在模块整体设计中，位数处理也是一个关键，它由带宽步进输入决定，可调整各个部分的二进制输出位宽。因为滤波的卷积运算为乘累加运算，这会导致滤波器的输出位数增多，可在输出精度和准确度满足要求的情况下，在正交解调和每一级滤波器后做位数处理，这样的方法一是为了防止多余的输出位数在后级滤波器中累加，从而节省FPGA逻辑资源；二是为了调整滤波器组的输出幅度，以避免在不同
带宽选择时输出幅度不一致。
耗电量
耗电量始终是汽车门禁系统的一个主要问题，特别是在密钥卡模块中。现在对电池寿命的一般要求为
7年左右。即使车辆对耗电量的要求似乎没有这么严苛，但是因为汽车内部电子模块的数量正在不断攀升，所以低功耗解决方案也是必须的。爱特梅尔的UHF器件就是专门为满足这类低功耗要求而设计。
爱特梅尔半导体成立于 1984 年，总部位于美国。是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，产品包括了微处理器、可编程逻辑器件、非易失性存储器、安全芯片、混合信号及 RF 射频集成电路。通过这些核心技术的组合，ATMEL 生产出了各种通用目的及特定应用的系统级芯片，以满足当今
电子系统设计工程师不断增长和演进的需求。
下面是爱特梅尔 IC的耗电量示例：
透明（Transparent）接收器IC ATA5745：工作模式下为6.5 mA（典型值）
接收器IC ATA5724：工作模式下为8mA（典型值）
发射器IC T5754：7.5dBm功率下为9mA（典型值）
收发器 IC ATA5824：接收和发射模式下都为10.5mA （典型值）（P=5dBm）
此外，还有一些方法可用来进一步降低平均耗电量。例如通过提高数据传输速率使发射时间变得更短，从而减低电流消耗。在降低发射器的平均耗电量方面，开/关键控（On/Off Keying, OOK）调制比频移键
控（正弦振荡的频率在一组离散值间改变的角度调制，其中每一离散值表示时间离散调制信号的一种特征状态，是利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0。用数字信号的1和0去控制两个独立
的振荡源交替输出。对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽比较大，频带利用率小）更有利。而降低接收器耗电量的最好方法是在睡眠和工作模式之间进行切换，以使整个电路保持有效信号进入时的工作状态。为此，大多数爱特梅尔的接收器和发射器 IC都带有轮询模式。