使用模塊化數字儀對遠程無鑰匙

輸入設備進行物理表征

汽車技術正在將更多功能集成到每臺設備中, 比如車輛鑰匙鏈，它已經從一個簡單的機械鑰匙演變成一個微型電子電源，包括遠程鑰匙進入(RKE)，遠程啟動器和無鑰匙點火。遠程鑰匙入口和遠程啟動器使用超高頻(UHF)發(fā)射機，采用智能編碼來確保安全性。這些設備物理層操作的設計驗證和測試需要能夠獲取和測量相對較長持續(xù)時間的RF信號并進行進一步處理以提取額外信息的工具。虹科模塊化數字化儀是 RKE 測量的理想測量儀器，對典型 RKE 測量參數的研究將揭示選擇合適的模塊化數字化儀所需的規(guī)格。

RKE 設備在工業(yè)、科學和醫(yī)療 (ISM) 頻段運行，允許未經許可的低功率無線電傳輸。使用的標稱頻率在美國和日本為 315 MHz 和 433.92 MHz，在歐洲為 434.79 MHz 和 868 MHz。這些無線電信號的載波通過幅移鍵控 (ASK) 進行二進制調制，其中載波的幅度在兩個電平之間變化，或者通過頻移鍵控 (FSK) 進行二進制調制，其中載波的頻率在兩個不同的值之間跳躍。用于向車輛傳輸數據的協議是每個制造商專有的。通常，數據包由 64 到 256 位組成，以每秒 1 到 20 千位 (kbps) 的速度傳輸。數據包包括前導碼、命令碼和滾動碼。數據包的命令代碼段控制對車輛的訪問。這通常包括鎖定和解鎖車門、啟動發(fā)動機和打開緊急警報的命令。滾動代碼是一種安全功能，可確保不會在每次使用時發(fā)出相同的代碼。RKE模塊或遙控鑰匙通過車身控制模塊(BCM)與車輛通信，BCM控制車輛內的機電設備。

圖 1：典型的 RKE 數據包。測量光標讀取的持續(xù)時間為 269 毫秒。使用“信息”窗格中顯示的測量參數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 遙控鑰匙傳輸的典型數據包。該數據包是通過空中進行的近場采集。其持續(xù)時間為 269 毫秒，用光標測量，讀數顯示在左下方的信息窗格中。已知載波頻率為 433.92 MHz。這種相對高頻載波和長持續(xù)時間的組合使得這種測量對許多儀器來說具有挑戰(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中的半功率或 -3dB 點，因此通常的做法是選擇具有兩倍信號帶寬的儀器，以確保在儀器頻率響應的最平坦部分運行。

測量儀器的采樣率必須大于信號帶寬的兩倍。因此，對于窄帶 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字化儀）提供以 5 GS/s 開始的二進制步進的采樣率，因此可以使用 5、2.5 或 1.25 GS/s 的采樣率，因為它們都超過時鐘頻率的兩倍。以 5 GS/s 采樣，269 ms 持續(xù)時間將需要 1.345 Giga Samples (GS) 的內存。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 位數字化儀，具有 1.5 GHz 帶寬、5 GS/s 最大采樣率和 4 GS 采集內存。4 GS 內存可以以 5 GS/s 的采樣率采集 800 ms 的數據。它提供了良好的時間分辨率，有助于解釋相位或頻率調制信號。虹科模塊化數字化儀還提供多種采集模式，旨在有效地使用采集內存并減少采集之間的死區(qū)時間，尤其是在低占空比下出現的信號時。

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

從幅度的角度來看，該數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，與使用直接模擬測量的 89 mV 峰峰值讀數的信號幅度非常匹配軟件中的參數。輸入阻抗為 50 Ω，與數字化儀的 1.5 GHz 帶寬一致。

使用虹科 SBench 6 中提供的信號處理工具可以進一步分析這些 RKE 信號并解調這兩種類型的信號，如圖 3 所示。

用于顯示采集到的 RKE 數據的軟件是虹科的 SBench 6 測量軟件。該軟件是一個功能強大且直觀的界面，無需編寫代碼來對數字化儀進行編程即可進行采集和測量。它還包括廣泛的測量和信號處理工具，用于評估 RKE 類型設備以及許多其他設備。

上方網格中的軌跡使用頻移鍵控 (FSK)。載波在兩個頻率之間移動以指示二進制狀態(tài)“0”或“1”。這可以在右上方網格的 FFT 上看到。頻譜有兩條譜線，如光標讀數所示，一個在 433.89 MHz，另一個在 433.96 MHz，它們在標稱 433.92 MHz 載波頻率附近對稱地間隔 70 kHz。FFT 功能允許數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，且不需要單獨的儀器。

下方網格圖顯示的 RKE fob 信號使用幅移鍵控 (ASK)。二進制數據調制載波的幅度，從而產生顯示矩形脈沖形狀的信號包絡。ASK 信號的 FFT 在 434.41 MHz 的載波頻率處具有單個頻譜峰值。

圖 2：使用兩個不同的 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 中的信號處理工具，可以解調 RKE 信號以驗證關鍵數據相關參數，例如數據速率。

ASK 信號可以通過將信號自身相乘，從而對其進行平方，然后對結果進行低通濾波來解調。這實質上是執(zhí)行 RMS 檢測。這顯示在圖中右下方的網格中。

FSK 信號的解調是使用斜率檢測來完成的。信號通過高通濾波器，選擇濾波器頻率響應，使載波的頻移位于濾波器頻率響應的斜率上，這會導致不同的頻率被轉換成幅度的差異?，F在調幅信號使用前面相同的 RMS 檢測過程進行解調，結果顯示在圖中右上方的網格中。

解調 RKE 信號可以確定調制的物理特性，例如數據速率、占空比、上升時間，并且可以測量相關的定時測量。圖 4 中的示例顯示了來自基于 FSK 的 RKE fob 的解調數據。數據在光標之間測量，包括顯示屏右側的四個脈沖。

脈沖的數據速率為 2 kHz，占空比為 49.8%，上升時間為 602 ns。此信息在對問題進行故障排除時至關重要，并且在原始 FSK 調制載波中并不明顯。

圖 4：對解調的 FSK 信號進行的測量包括頻率、占空比和上升時間。測量由光標選通，僅包括顯示屏右側的四個脈沖。

使用 MATLAB 或 LabVIEW 等第三方軟件，甚至可以使用 C、C++ 或 Python 進行自定義編程，還可以實現更復雜的數據分析。這些第三方程序提供了快速解碼數據包的能力。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行更多分析，包括協議解碼。虹科M4i.2230-x8數字化儀 PCI Express x8 Gen 2 接口增強了這種在數字化儀外部進行處理的能力。這個接口，使用 虹科 Spectrum 的驅動程序可以在合適的主機上實現大于 3.4 GB/s 的數據傳輸率。當處理像這樣的數百 MB 的波形時，這種傳輸速率非常重要，只要它允許將數據快速傳輸到主機。

具有中級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 訪問選項 (SCAPP)，它允許在數字化儀和基于 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存可用于高級高速信號處理。在此應用中，它可以顯著加快濾波器和 FFT 計算時間。

虹科 M4i.22xx 系列等高頻模塊化數字化儀是測試 RKE 或相關有源射頻識別設備 (RFID) 的理想儀器，它們共享相同的 UHF 頻譜分配。它們涉及以相對較低的數字數據速率調制的高頻載波，需要以高采樣率進行極長的采集。數字化儀具有與被測設備兼容的 1.5 GHz 帶寬。它們包括 5 GS/s 的最大采樣率和 4 GS 長的采集存儲器，以最高采樣率捕獲完整的數據包。該采集引擎由 3.4 GB/s PCI Express 總線提供支持，可將數據快速移動到主機，以進行快速分析和數據存檔。完美匹配的應用程序和儀器組合。