【虹科干貨】虹科數(shù)字化儀在RKE測(cè)量中的應(yīng)用

使用模塊化數(shù)字儀對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙

輸入設(shè)備進(jìn)行物理表征

汽車技術(shù)正在將更多功能集成到每臺(tái)設(shè)備中, 比如車輛鑰匙鏈，它已經(jīng)從一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械鑰匙演變成一個(gè)微型電子電源，包括遠(yuǎn)程鑰匙進(jìn)入(RKE)，遠(yuǎn)程啟動(dòng)器和無(wú)鑰匙點(diǎn)火。遠(yuǎn)程鑰匙入口和遠(yuǎn)程啟動(dòng)器使用超高頻(UHF)發(fā)射機(jī)，采用智能編碼來(lái)確保安全性。這些設(shè)備物理層操作的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和測(cè)試需要能夠獲取和測(cè)量相對(duì)較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的RF信號(hào)并進(jìn)行進(jìn)一步處理以提取額外信息的工具。虹科模塊化數(shù)字化儀是 RKE 測(cè)量的理想測(cè)量?jī)x器，對(duì)典型 RKE 測(cè)量參數(shù)的研究將揭示選擇合適的模塊化數(shù)字化儀所需的規(guī)格。

RKE 設(shè)備在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段運(yùn)行，允許未經(jīng)許可的低功率無(wú)線電傳輸。使用的標(biāo)稱頻率在美國(guó)和日本為 315 MHz 和 433.92 MHz，在歐洲為 434.79 MHz 和 868 MHz。這些無(wú)線電信號(hào)的載波通過(guò)幅移鍵控 (ASK) 進(jìn)行二進(jìn)制調(diào)制，其中載波的幅度在兩個(gè)電平之間變化，或者通過(guò)頻移鍵控 (FSK) 進(jìn)行二進(jìn)制調(diào)制，其中載波的頻率在兩個(gè)不同的值之間跳躍。用于向車輛傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議是每個(gè)制造商專有的。通常，數(shù)據(jù)包由 64 到 256 位組成，以每秒 1 到 20 千位 (kbps) 的速度傳輸。數(shù)據(jù)包包括前導(dǎo)碼、命令碼和滾動(dòng)碼。數(shù)據(jù)包的命令代碼段控制對(duì)車輛的訪問(wèn)。這通常包括鎖定和解鎖車門、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和打開緊急警報(bào)的命令。滾動(dòng)代碼是一種安全功能，可確保不會(huì)在每次使用時(shí)發(fā)出相同的代碼。RKE模塊或遙控鑰匙通過(guò)車身控制模塊(BCM)與車輛通信，BCM控制車輛內(nèi)的機(jī)電設(shè)備。

圖 1：典型的 RKE 數(shù)據(jù)包。測(cè)量光標(biāo)讀取的持續(xù)時(shí)間為 269 毫秒。使用“信息”窗格中顯示的測(cè)量參數(shù)讀取的峰峰值幅度為 89 mV，有效或 RMS 幅度為 19.7 mV。

圖 1 顯示了從 RKE 遙控鑰匙傳輸?shù)牡湫蛿?shù)據(jù)包。該數(shù)據(jù)包是通過(guò)空中進(jìn)行的近場(chǎng)采集。其持續(xù)時(shí)間為 269 毫秒，用光標(biāo)測(cè)量，讀數(shù)顯示在左下方的信息窗格中。已知載波頻率為 433.92 MHz。這種相對(duì)高頻載波和長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的組合使得這種測(cè)量對(duì)許多儀器來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性。

用于采集此波形的儀器必須具有大于載波頻率的帶寬。由于帶寬通常定義為儀器頻率響應(yīng)中的半功率或 -3dB 點(diǎn)，因此通常的做法是選擇具有兩倍信號(hào)帶寬的儀器，以確保在儀器頻率響應(yīng)的最平坦部分運(yùn)行。

測(cè)量?jī)x器的采樣率必須大于信號(hào)帶寬的兩倍。因此，對(duì)于窄帶 433.92 MHz 載波，采樣頻率必須至少為每秒 868 兆采樣 (MS/s)。儀器（例如本例中使用的數(shù)字化儀）提供以 5 GS/s 開始的二進(jìn)制步進(jìn)的采樣率，因此可以使用 5、2.5 或 1.25 GS/s 的采樣率，因?yàn)樗鼈兌汲^(guò)時(shí)鐘頻率的兩倍。以 5 GS/s 采樣，269 ms 持續(xù)時(shí)間將需要 1.345 Giga Samples (GS) 的內(nèi)存。以 1.25 GS/s 采樣需要 336 MS。圖 1 中的示例是在虹科M4i.2230-x8上采集的，這是一款單通道、8 位數(shù)字化儀，具有 1.5 GHz 帶寬、5 GS/s 最大采樣率和 4 GS 采集內(nèi)存。4 GS 內(nèi)存可以以 5 GS/s 的采樣率采集 800 ms 的數(shù)據(jù)。它提供了良好的時(shí)間分辨率，有助于解釋相位或頻率調(diào)制信號(hào)。虹科模塊化數(shù)字化儀還提供多種采集模式，旨在有效地使用采集內(nèi)存并減少采集之間的死區(qū)時(shí)間，尤其是在低占空比下出現(xiàn)的信號(hào)時(shí)。

圖：虹科M4i.2230-x8，具有 1.5 GHz 帶寬、5 GS/s 最大采樣率和 4 GS 采集內(nèi)存。

從幅度的角度來(lái)看，該數(shù)字化儀的最小輸入范圍為 ±200 mV 滿量程，可選的低電壓范圍為 ±40 mV 滿量程，與使用直接模擬測(cè)量的 89 mV 峰峰值讀數(shù)的信號(hào)幅度非常匹配軟件中的參數(shù)。輸入阻抗為 50 Ω，與數(shù)字化儀的 1.5 GHz 帶寬一致。

使用虹科 SBench 6 中提供的信號(hào)處理工具可以進(jìn)一步分析這些 RKE 信號(hào)并解調(diào)這兩種類型的信號(hào)，如圖 3 所示。

用于顯示采集到的 RKE 數(shù)據(jù)的軟件是虹科的 SBench 6 測(cè)量軟件。該軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大且直觀的界面，無(wú)需編寫代碼來(lái)對(duì)數(shù)字化儀進(jìn)行編程即可進(jìn)行采集和測(cè)量。它還包括廣泛的測(cè)量和信號(hào)處理工具，用于評(píng)估 RKE 類型設(shè)備以及許多其他設(shè)備。

上方網(wǎng)格中的軌跡使用頻移鍵控 (FSK)。載波在兩個(gè)頻率之間移動(dòng)以指示二進(jìn)制狀態(tài)“0”或“1”。這可以在右上方網(wǎng)格的 FFT 上看到。頻譜有兩條譜線，如光標(biāo)讀數(shù)所示，一個(gè)在 433.89 MHz，另一個(gè)在 433.96 MHz，它們?cè)跇?biāo)稱 433.92 MHz 載波頻率附近對(duì)稱地間隔 70 kHz。FFT 功能允許數(shù)字化儀像射頻頻譜分析儀一樣顯示波形的頻率或頻譜視圖，且不需要單獨(dú)的儀器。

下方網(wǎng)格圖顯示的 RKE fob 信號(hào)使用幅移鍵控 (ASK)。二進(jìn)制數(shù)據(jù)調(diào)制載波的幅度，從而產(chǎn)生顯示矩形脈沖形狀的信號(hào)包絡(luò)。ASK 信號(hào)的 FFT 在 434.41 MHz 的載波頻率處具有單個(gè)頻譜峰值。

圖 2：使用兩個(gè)不同的 RKE fobs 采集的波形。左上方的跡線使用頻移鍵控，右上方的該波形的 FFT 顯示了雙頻譜峰值。左下方軌跡中顯示的 fob 使用幅移鍵控具有si

圖 3：使用 SBench 6 中的信號(hào)處理工具，可以解調(diào) RKE 信號(hào)以驗(yàn)證關(guān)鍵數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)，例如數(shù)據(jù)速率。

ASK 信號(hào)可以通過(guò)將信號(hào)自身相乘，從而對(duì)其進(jìn)行平方，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行低通濾波來(lái)解調(diào)。這實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行 RMS 檢測(cè)。這顯示在圖中右下方的網(wǎng)格中。

FSK 信號(hào)的解調(diào)是使用斜率檢測(cè)來(lái)完成的。信號(hào)通過(guò)高通濾波器，選擇濾波器頻率響應(yīng)，使載波的頻移位于濾波器頻率響應(yīng)的斜率上，這會(huì)導(dǎo)致不同的頻率被轉(zhuǎn)換成幅度的差異。現(xiàn)在調(diào)幅信號(hào)使用前面相同的 RMS 檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行解調(diào)，結(jié)果顯示在圖中右上方的網(wǎng)格中。

解調(diào) RKE 信號(hào)可以確定調(diào)制的物理特性，例如數(shù)據(jù)速率、占空比、上升時(shí)間，并且可以測(cè)量相關(guān)的定時(shí)測(cè)量。圖 4 中的示例顯示了來(lái)自基于 FSK 的 RKE fob 的解調(diào)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在光標(biāo)之間測(cè)量，包括顯示屏右側(cè)的四個(gè)脈沖。

脈沖的數(shù)據(jù)速率為 2 kHz，占空比為 49.8%，上升時(shí)間為 602 ns。此信息在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行故障排除時(shí)至關(guān)重要，并且在原始 FSK 調(diào)制載波中并不明顯。

圖 4：對(duì)解調(diào)的 FSK 信號(hào)進(jìn)行的測(cè)量包括頻率、占空比和上升時(shí)間。測(cè)量由光標(biāo)選通，僅包括顯示屏右側(cè)的四個(gè)脈沖。

使用 MATLAB 或 LabVIEW 等第三方軟件，甚至可以使用 C、C++ 或 Python 進(jìn)行自定義編程，還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析。這些第三方程序提供了快速解碼數(shù)據(jù)包的能力。由于這些程序可以定制，它們提供了極大的靈活性并允許進(jìn)行更多分析，包括協(xié)議解碼。虹科M4i.2230-x8數(shù)字化儀 PCI Express x8 Gen 2 接口增強(qiáng)了這種在數(shù)字化儀外部進(jìn)行處理的能力。這個(gè)接口，使用 虹科 Spectrum 的驅(qū)動(dòng)程序可以在合適的主機(jī)上實(shí)現(xiàn)大于 3.4 GB/s 的數(shù)據(jù)傳輸率。當(dāng)處理像這樣的數(shù)百 MB 的波形時(shí)，這種傳輸速率非常重要，只要它允許將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)街鳈C(jī)。

具有中級(jí)編程技能的人員可以使用更大的處理能力，其形式是并行處理的 虹科Spectrum CUDA 訪問(wèn)選項(xiàng) (SCAPP)，它允許在數(shù)字化儀和基于 CUDA 的圖形處理單元 (GPU) 之間直接連接。這使得 GPU 的多處理核心和超大內(nèi)存可用于高級(jí)高速信號(hào)處理。在此應(yīng)用中，它可以顯著加快濾波器和 FFT 計(jì)算時(shí)間。

虹科 M4i.22xx 系列等高頻模塊化數(shù)字化儀是測(cè)試 RKE 或相關(guān)有源射頻識(shí)別設(shè)備 (RFID) 的理想儀器，它們共享相同的 UHF 頻譜分配。它們涉及以相對(duì)較低的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)速率調(diào)制的高頻載波，需要以高采樣率進(jìn)行極長(zhǎng)的采集。數(shù)字化儀具有與被測(cè)設(shè)備兼容的 1.5 GHz 帶寬。它們包括 5 GS/s 的最大采樣率和 4 GS 長(zhǎng)的采集存儲(chǔ)器，以最高采樣率捕獲完整的數(shù)據(jù)包。該采集引擎由 3.4 GB/s PCI Express 總線提供支持，可將數(shù)據(jù)快速移動(dòng)到主機(jī)，以進(jìn)行快速分析和數(shù)據(jù)存檔。完美匹配的應(yīng)用程序和儀器組合。