虹科数字化仪在RKE测量中的应用

汽车技术正在将更多功能集成到每台设备中, 比如车辆钥匙链，它已经从一个简单的机械钥匙演变成一个微型电子电源，包括远程钥匙进入(RKE)，远程启动器和无钥匙点火。远程钥匙入口和远程启动器使用超高频(UHF)发射机，采用智能编码来确保安全性。这些设备物理层操作的设计验证和测试需要能够获取和测量相对较长持续时间的RF信号并进行进一步处理以提取额外信息的工具。虹科模块化数字化仪是 RKE 测量的理想测量仪器，对典型 RKE 测量参数的研究将揭示选择合适的模块化数字化仪所需的规格。

RKE 设备在工业、科学和医疗 (ISM) 频段运行，允许未经许可的低功率无线电传输。使用的标称频率在美国和日本为 315 MHz 和 433.92 MHz，在欧洲为 434.79 MHz 和 868 MHz。这些无线电信号的载波通过幅移键控 (ASK) 进行二进制调制，其中载波的幅度在两个电平之间变化，或者通过频移键控 (FSK) 进行二进制调制，其中载波的频率在两个不同的值之间跳跃。用于向车辆传输数据的协议是每个制造商专有的。通常，数据包由 64 到 256 位组成，以每秒 1 到 20 千位 (kbps) 的速度传输。数据包包括前导码、命令码和滚动码。数据包的命令代码段控制对车辆的访问。这通常包括锁定和解锁车门、启动发动机和打开紧急警报的命令。滚动代码是一种安全功能，可确保不会在每次使用时发出相同的代码。RKE模块或遥控钥匙通过车身控制模块(BCM)与车辆通信，BCM控制车辆内的机电设备。

图 1：典型的 RKE 数据包。测量光标读取的持续时间为 269 毫秒。使用“信息”窗格中显示的测量参数读取的峰峰值幅度为 89 mV，有效或 RMS 幅度为 19.7 mV。

图 1 显示了从 RKE 遥控钥匙传输的典型数据包。该数据包是通过空中进行的近场采集。其持续时间为 269 毫秒，用光标测量，读数显示在左下方的信息窗格中。已知载波频率为 433.92 MHz。这种相对高频载波和长持续时间的组合使得这种测量对许多仪器来说具有挑战性。

用于采集此波形的仪器必须具有大于载波频率的带宽。由于带宽通常定义为仪器频率响应中的半功率或 -3dB 点，因此通常的做法是选择具有两倍信号带宽的仪器，以确保在仪器频率响应的最平坦部分运行。

测量仪器的采样率必须大于信号带宽的两倍。因此，对于窄带 433.92 MHz 载波，采样频率必须至少为每秒 868 兆采样 (MS/s)。仪器（例如本例中使用的数字化仪）提供以 5 GS/s 开始的二进制步进的采样率，因此可以使用 5、2.5 或 1.25 GS/s 的采样率，因为它们都超过时钟频率的两倍。以 5 GS/s 采样，269 ms 持续时间将需要 1.345 Giga Samples (GS) 的内存。以 1.25 GS/s 采样需要 336 MS。图 1 中的示例是在虹科M4i.2230-x8上采集的，这是一款单通道、8 位数字化仪，具有 1.5 GHz 带宽、5 GS/s 最大采样率和 4 GS 采集内存。4 GS 内存可以以 5 GS/s 的采样率采集 800 ms 的数据。它提供了良好的时间分辨率，有助于解释相位或频率调制信号。虹科模块化数字化仪还提供多种采集模式，旨在有效地使用采集内存并减少采集之间的死区时间，尤其是在低占空比下出现的信号时。

图：虹科M4i.2230-x8，具有 1.5 GHz 带宽、5 GS/s 最大采样率和 4 GS 采集内存。

从幅度的角度来看，该数字化仪的最小输入范围为 ±200 mV 满量程，可选的低电压范围为 ±40 mV 满量程，与使用直接模拟测量的 89 mV 峰峰值读数的信号幅度非常匹配软件中的参数。输入阻抗为 50 Ω，与数字化仪的 1.5 GHz 带宽一致。

使用虹科 SBench 6 中提供的信号处理工具可以进一步分析这些 RKE 信号并解调这两种类型的信号，如图 3 所示。

用于显示采集到的 RKE 数据的软件是虹科的 SBench 6 测量软件。该软件是一个功能强大且直观的界面，无需编写代码来对数字化仪进行编程即可进行采集和测量。它还包括广泛的测量和信号处理工具，用于评估 RKE 类型设备以及许多其他设备。

上方网格中的轨迹使用频移键控 (FSK)。载波在两个频率之间移动以指示二进制状态“0”或“1”。这可以在右上方网格的 FFT 上看到。频谱有两条谱线，如光标读数所示，一个在 433.89 MHz，另一个在 433.96 MHz，它们在标称 433.92 MHz 载波频率附近对称地间隔 70 kHz。FFT 功能允许数字化仪像射频频谱分析仪一样显示波形的频率或频谱视图，且不需要单独的仪器。

下方网格图显示的 RKE fob 信号使用幅移键控 (ASK)。二进制数据调制载波的幅度，从而产生显示矩形脉冲形状的信号包络。ASK 信号的 FFT 在 434.41 MHz 的载波频率处具有单个频谱峰值。

图 2：使用两个不同的 RKE fobs 采集的波形。左上方的迹线使用频移键控，右上方的该波形的 FFT 显示了双频谱峰值。左下方轨迹中显示的 fob 使用幅移键控具有si

图 3：使用 SBench 6 中的信号处理工具，可以解调 RKE 信号以验证关键数据相关参数，例如数据速率。
 

ASK 信号可以通过将信号自身相乘，从而对其进行平方，然后对结果进行低通滤波来解调。这实质上是执行 RMS 检测。这显示在图中右下方的网格中。

FSK 信号的解调是使用斜率检测来完成的。信号通过高通滤波器，选择滤波器频率响应，使载波的频移位于滤波器频率响应的斜率上，这会导致不同的频率被转换成幅度的差异。现在调幅信号使用前面相同的 RMS 检测过程进行解调，结果显示在图中右上方的网格中。

解调 RKE 信号可以确定调制的物理特性，例如数据速率、占空比、上升时间，并且可以测量相关的定时测量。图 4 中的示例显示了来自基于 FSK 的 RKE fob 的解调数据。数据在光标之间测量，包括显示屏右侧的四个脉冲。

脉冲的数据速率为 2 kHz，占空比为 49.8%，上升时间为 602 ns。此信息在对问题进行故障排除时至关重要，并且在原始 FSK 调制载波中并不明显。

图 4：对解调的 FSK 信号进行的测量包括频率、占空比和上升时间。测量由光标选通，仅包括显示屏右侧的四个脉冲。
 

使用 MATLAB 或 LabVIEW 等第三方软件，甚至可以使用 C、C++ 或 Python 进行自定义编程，还可以实现更复杂的数据分析。这些第三方程序提供了快速解码数据包的能力。由于这些程序可以定制，它们提供了极大的灵活性并允许进行更多分析，包括协议解码。虹科M4i.2230-x8数字化仪 PCI Express x8 Gen 2 接口增强了这种在数字化仪外部进行处理的能力。这个接口，使用 虹科 Spectrum 的驱动程序可以在合适的主机上实现大于 3.4 GB/s 的数据传输率。当处理像这样的数百 MB 的波形时，这种传输速率非常重要，只要它允许将数据快速传输到主机。

具有中级编程技能的人员可以使用更大的处理能力，其形式是并行处理的 虹科Spectrum CUDA 访问选项 (SCAPP)，它允许在数字化仪和基于 CUDA 的图形处理单元 (GPU) 之间直接连接。这使得 GPU 的多处理核心和超大内存可用于高级高速信号处理。在此应用中，它可以显着加快滤波器和 FFT 计算时间。

虹科 M4i.22xx 系列等高频模块化数字化仪是测试 RKE 或相关有源射频识别设备 (RFID) 的理想仪器，它们共享相同的 UHF 频谱分配。它们涉及以相对较低的数字数据速率调制的高频载波，需要以高采样率进行极长的采集。数字化仪具有与被测设备兼容的 1.5 GHz 带宽。它们包括 5 GS/s 的最大采样率和 4 GS 长的采集存储器，以最高采样率捕获完整的数据包。该采集引擎由 3.4 GB/s PCI Express 总线提供支持，可将数据快速移动到主机，以进行快速分析和数据存档。完美匹配的应用程序和仪器组合。