啟動(dòng)振蕩器(FOX)提升了超外差性能

摘要：Maxim在單片超外差接收器器件中開發(fā)出了一套獨(dú)特的快速啟動(dòng)振蕩器系統(tǒng)，針對300-450MHz ISM (US)波段的應(yīng)用，接收器通過縮短啟動(dòng)時(shí)間而有效節(jié)省了電池能量。快速啟動(dòng)振蕩器允許更低占空比的接收器掃描。

簡單RF數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)常見的應(yīng)用是在當(dāng)今大多數(shù)汽車中常見的遙控?zé)o鑰匙門禁(RKE)系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，可控制車門的開關(guān)，打開旅行箱，防盜報(bào)警。將來還可能應(yīng)用RKE進(jìn)行運(yùn)距離汽車定位和啟動(dòng)。

RKE系統(tǒng)的工作很直觀。它由類似鑰匙扣的發(fā)射器(通常每人一個(gè))和車上的接收器構(gòu)成。工作頻率一般是300MHz到450MHz，但在歐洲有些新系統(tǒng)考慮使用ISM頻段分配的868MHz。通訊是單方向的，即數(shù)據(jù)僅從發(fā)射器到接收器。試用這一結(jié)構(gòu)的最重要的原因是低價(jià)和使發(fā)射器里的電池的壽命盡可能長。

開始工作時(shí)，用戶按下鑰匙扣上的按鈕，喚醒內(nèi)部的單片機(jī)發(fā)出一串?dāng)?shù)據(jù)流進(jìn)入RF發(fā)射器，數(shù)據(jù)流包括前導(dǎo)數(shù)據(jù)、實(shí)際命令(比如鎖門)、用于車輛識(shí)別的信道碼以保證你的鑰匙不會(huì)打開別的車和一些校驗(yàn)位。如圖1。

圖1. 在遙控?zé)o鑰匙門禁系統(tǒng)中，按下發(fā)射扣上的鍵啟動(dòng)了一個(gè)短數(shù)據(jù)流的發(fā)送。

完整的數(shù)據(jù)包(64到128位)通常以2.4kHz至20kHz的速率發(fā)送，RF調(diào)制方式用鍵控幅移(ASK)或鍵控開關(guān)(OOK，即調(diào)制度為0%和100%的ASK)。這些調(diào)制方法降低了價(jià)格，延長了鑰匙扣里的電池壽命。

低價(jià)和長電池壽命在這種應(yīng)用中非常重要。當(dāng)你考慮到這一系統(tǒng)使用的數(shù)量(幾千萬)時(shí)，低價(jià)是必須的。另外，電池壽命盡可能的長對發(fā)射器和接收器來說都很重要。

對鑰匙扣發(fā)射器來說，電池壽命長意味著用戶可以少換電池。理想的發(fā)射器電池應(yīng)該和車的使用時(shí)間一樣長，現(xiàn)在已經(jīng)有這樣的電池，但是你可能不愿意在自己的口袋或包里帶一個(gè)很大的鑰匙扣，小鑰匙扣更方便，但是如果每兩個(gè)月要換一次電池就不方便了。因此，現(xiàn)在的產(chǎn)品在尺寸適當(dāng)?shù)那闆r下，電池壽命一般在2到5年。

接收器的電池壽命同樣重要。接收器必須一直開著，用戶任何時(shí)候都可能發(fā)射命令。RKE接收器是由汽車的蓄電池(即用于啟動(dòng)汽車的電池)供電。如果接收器的用電消耗太高，電池就可能會(huì)沒有足夠的電力發(fā)動(dòng)汽車。

從表面上看這種擔(dān)心很愚蠢，汽車電池很大，而接收器的典型功耗只有1mA到5mA。日常使用中這么小的電流根本不要緊，但是如果你把汽車停在機(jī)場長達(dá)幾個(gè)星期或更長，情況就不一樣了。

汽車制造商由此來確定電池的容量。對某一個(gè)RKE系統(tǒng)，電池尺寸(容量)與接收器的功耗和持續(xù)工作時(shí)間的乘積成正比。因此，他們會(huì)預(yù)先警告你汽車是否存足了30天以上的電量?，F(xiàn)在回到本文的主題-超外差接收器中的振蕩器的快速啟動(dòng)是如何影響電池的壽命？

為了簡化計(jì)算，我們采用了一些中間值。前面已經(jīng)討論過數(shù)據(jù)包和傳輸速率，假定數(shù)據(jù)包是100位，數(shù)據(jù)速率是10kHz (每位0.1ms)。那么發(fā)送100位需要10ms。為了節(jié)省電能，我們把接收器的工作分成時(shí)間片，只讓它短時(shí)間地開啟一下――僅僅足夠用來判定是否有有效的傳輸。開啟時(shí)間通常約占10%的時(shí)間。

由于接收器是分時(shí)工作的，我們必須提供額外的發(fā)送使接收器能檢測出所需要的指令。通常是鑰匙扣重復(fù)發(fā)送三次以上。如果總共發(fā)送4次，總的發(fā)送時(shí)間是4x10ms，40ms。接收器要?jiǎng)幼?，它必須至少要解碼其中一次發(fā)送的100位 (10ms)。

為了至少得到一個(gè)完整的傳輸，接收器必須輪巡工作、察看是否有有效數(shù)據(jù)(當(dāng)然，接收器可以一直開著，但是這樣耗電較大)，給定的40ms數(shù)據(jù)包不會(huì)重復(fù)，因此我們必須輪詢得足夠頻繁，這樣才能得到其中的一次完整10ms傳輸。由此可得最大的輪巡時(shí)間間隔是30ms。

間隔不能太大，那樣可能會(huì)錯(cuò)過接收命令。系統(tǒng)時(shí)序可能有中斷，或者有干擾或其他噪聲破壞了數(shù)據(jù)。保守一點(diǎn)估算，系統(tǒng)應(yīng)該能接收至少兩條完整的傳輸。因此我們把時(shí)間間隔設(shè)為20ms。每20ms接收器喚醒一次去解碼數(shù)據(jù)流，如果有數(shù)據(jù)就解碼，否則進(jìn)入睡眠狀態(tài)等到下一個(gè)20ms。

為了判斷是否是有效數(shù)據(jù)，接收器至少需要7到8位　數(shù)據(jù)，即0.75ms時(shí)間去解碼信息，以此決定是否是發(fā)送器發(fā)送了所感興趣的某一頻率、某一格式的數(shù)據(jù)。因此，接收器必須每20ms喚醒約0.75ms。但很不幸，只有非常完美的接收器能達(dá)到這一水平。

接收器喚醒也需要時(shí)間，大多數(shù)接收器里的放大器能在很短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，但振蕩器則做不到，壓電晶體是一個(gè)電磁元件，它需要時(shí)間起振，需要更長的時(shí)間才能穩(wěn)定在所需的頻率上。

注意許多接收器的指標(biāo)在這一點(diǎn)上含糊不清。重要的參數(shù)是從打開接收器開始到獲得給定范圍的振蕩器頻率(即穩(wěn)定)的時(shí)間。其他參數(shù)，如IF輸出時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生一些誤導(dǎo)，當(dāng)振蕩器開始振蕩時(shí)IF就有輸出了，但是接收器的頻率還沒有鎖定在發(fā)射器的頻率上，這種情況就像收音機(jī)調(diào)到90MHz，但卻實(shí)際收到了92MHz，當(dāng)然，收音機(jī)在工作，但它卻沒有收到你所要的東西。

一般超外差接收機(jī)能在2ms至5ms時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并穩(wěn)定下來。假定在我們的討論中是2.25ms，另外還需要0.75ms時(shí)間用于數(shù)據(jù)解碼，這樣每20ms時(shí)間中需要3ms時(shí)間來檢測鑰匙扣發(fā)射的數(shù)據(jù)(圖2)。MAX1470超外差接收機(jī)就不一樣，它內(nèi)置了一個(gè)快啟動(dòng)振蕩器，通過維持晶體中的振蕩來減少啟動(dòng)時(shí)間，因此把啟動(dòng)時(shí)間從2.25ms減到0.25ms。0.25ms加上0.75ms的數(shù)據(jù)解碼時(shí)間，我們只需1ms時(shí)間來檢測發(fā)射的數(shù)據(jù)，MAX1470只需原來的1/3時(shí)間完成同樣的檢測功能，節(jié)省了電能。

圖2. 為了監(jiān)測發(fā)射扣的發(fā)射，RKE接收器必須分配時(shí)間來喚醒、穩(wěn)定、然后解碼。

大多數(shù)的高性能超外差接收器(即有很高靈敏度)在5V工作時(shí)消耗5mA，MAX1470具有最好的靈敏度，而且是在3.3V供電下消耗5mA，低壓工作非常省電：一般接收器要25mW；MAX1470只要16.5mW。考慮到工作時(shí)間，每20ms時(shí)間片中，一般超外差接收器需要25mW 3ms=75μJ；MAX1470只需要16.5mW 1ms=16.5μJ (圖3)。由此可以看出省電的快速喚醒接收器能延長電池壽命4到5倍。

圖3. 更短的喚醒時(shí)間也節(jié)能，就像降低供電電壓一樣。

因此，對于給定的電池使用時(shí)間，我們可以使用更小的電池，同時(shí)可節(jié)省成本。另一方面，在消耗同樣電能的情況下，可以檢測得更頻繁些，使發(fā)射器可以使用更小尺寸的電池。其原因是汽車電池大小主要是由啟動(dòng)電流和儲(chǔ)能能力來決定，減小尺寸不一定能帶來價(jià)格上的優(yōu)勢，但是減小發(fā)射器的電池就能帶來很多優(yōu)點(diǎn)，特別是應(yīng)用在新的輪胎壓力監(jiān)控(TPM)系統(tǒng)中時(shí)。

TPM發(fā)射器基本上是一個(gè)放在輪胎中閥門桿上的發(fā)射扣，它測量輪胎氣壓和溫度，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，就像無線鑰匙扣一樣。但是信息發(fā)送得很頻繁(相比按鍵再發(fā)送而言)，因?yàn)槟阋磿r(shí)檢測到氣壓問題。為了檢測緩慢漏氣情況，系統(tǒng)需要在汽車停放時(shí)依然監(jiān)測每個(gè)輪胎。

注意：不能在閥門桿上放置一個(gè)很大的電池，它會(huì)影響車輪平衡。但是接收器的電池也不能很容易更換，因此它應(yīng)該比發(fā)射扣上的電池壽命長得多。由此可見對TPM來說低功耗的傳輸系統(tǒng)是基本的要求。雖然RKE發(fā)射器的設(shè)計(jì)人員會(huì)很自然考慮到低功耗，系統(tǒng)工程師知道提高接收器性能同樣會(huì)增加功耗，因此，既要低功耗，又要提高接收器性能，沒有比裝備帶快啟動(dòng)振蕩器的超外差RKE接收器更好的選擇了。