汽车无源防盗系统设计与安全性的考虑事项

引言

多年来，消费者已习惯于依赖无源汽车防盗系统提供的便利性和加强的安全性。这种系统由驾驶员随身携带的密钥卡 (key fob) 与安装在汽车里的基站组成。两者协同工作，可判断驾驶员是否有权启动汽车；而更重要的是，系统能够阻止非法用户使用汽车。虽然表面看来汽车防盗器的功能性很简单，但其基本实现技术却十分复杂有趣。本文探讨了汽车防盗器的硬件和软件问题，并就设计和安全性方面的考虑事项给出了颇值得关注的评述。

通信

目前在无源汽车防盗系统中，密钥卡与汽车之间的主要通信方法是利用调制磁场，这个磁场由汽车的防盗器基站从低频 (一般为125 kHz) 交流电产生。该磁场的主要用途有三个：A) 密钥卡的能量来源，故有“无源” (passive) 之称；B) 从基站向密钥卡 (即“下行链路”) 传输信息的载波；C) 从密钥卡向基站 (即“上行链路”)传输信息的载波。

由于汽车防盗系统需要完全无源 (如无电池) 地工作，所以密钥卡的磁场特性特别适合这种应用。“下行链路”场检测和“上行链路”场调制都可以利用耗电量极小的电路来实现。此外，利用饱和磁场的场能来为密钥卡中的这些电路供电比较容易实现。

在系统设计阶段，必须仔细考虑一些关键的参数，比如密钥卡的能量要求 (会影响到天线线圈的几何形状和驱动电平)，以及验证过程的安全性 (对响应时间有直接的影响)。下面将逐一对此进行详细阐述。

系统接口

汽车防盗器的系统架构分为若干提取层，其中每一层代表不同的系统接口。图1所示为这些分层的直观表示。

图1 汽车防盗器接口分层

物理层

汽车防盗系统的最底层是物理层，包含一个安装在车上的天线线圈，能够产生足够的磁场，让安装在用户密钥卡中的天线线圈检测与调制得到。

磁场产生与调制

根据磁场支持数据传输的方式不同，汽车防盗系统可分为两类：半双工和全双工。在半双工系统中，车载天线线圈在能量传输和数据传输周期之间更替，而数据调制采用频移键控 (FSK) 方式。这种通信方法的图解如图2所示。从图2可明显看出两点：其一，由于需要反复执行能量传输，如为密钥卡充电，数据传输率大打折扣；其二，相比能量传输期间的磁场，被调制信号极小，因此其更容易受到周围环境噪声的干扰，导致传输距离减小。这些特性使得半双工系统逐渐式微。

目前主要使用的是全双工系统。在这种系统中，车载天线线圈同步执行能量传输和数据传输，而数据调制采用幅移键控 (ASK) 方式。图3所示为这种通信方法的图解。显然，由于能够同步进行数据传输和密钥卡供能或充电，这种方法的数据传输率大大优于半双工系统。而且，恒定的载波场往往还可以屏蔽掉干扰，在数据传输期间确保通信的稳健可靠。此外，这种方案可以采用简单的包络检波电路来实现。鉴于目前市面上全双工汽车防盗系统的流行，下面将专门讨论这类系统。

系统接口：逻辑层

物理层上面是逻辑层。这一层涉及磁场上数据传输和编码的特性及要求。它适用于从汽车到密钥卡 (通常被称为“下行链路”)，以及从密钥卡到汽车的双向数据传输 (被称为“上行链路”)。

下行链路

下行链路的信息采用脉冲长度调制方法：一般是二进制脉冲长度调制 (BPLM) 或 Quad 脉冲长度调制 (QPLM))来进行编码。这种方法基于插入一个长度固定的载波场时隙“Tgap”，并设置时隙到时隙的时间间隔，以预先确定次数：T0 对应于逻辑“0”，T1 对应于逻辑“1”。这种方案的好处是它把从汽车到密钥卡的能量传输嵌入到数据编码中，并确保密钥卡有足够的供能用于处理被编码的数据。不过，这种编码方法也有一个缺点，那就是数据传输波特率必须依赖于正在发送的数据位流的逻辑值，因为每一个二进制状态的传输时间都是不同的。图4给出了这种编码方法的更详尽的图解。

图4 BPLM编码方法

QPLM 是BPLM 的一种变体。利用这种调制方法， 一个时隙后传输两个比特位，于是在收发器端有更多的能量可用。此外，其平均波特率比BPLM的高。除了允许的状态数目从2扩展到4，而预定的时隙间隔被扩展以覆盖更多的状态之外，这种编码方法与BPLM的基本实现原理是相同的。图5所示为QPLM的直观表示。

图5 QPLM编码方法

上行链路

从用户密钥卡到车载基站的信息通信一般采用曼彻斯特 (Manchester) 或双相 (Bi-phase) 编码。这些编码方法都共有一些不同于下行链路的特性：A) 被编码位流的平均占空比总是为50%；B) 发送被编码数据的时间只依赖于波特率。上述两种编码技术都能够从被编码数据流中提取时钟，这是因为编码位流中的所有时间段都被量子化为T 或 2T (T 表示 “半个比特位”)。数据率固定为1/(2T)。时钟提取只需要检测最小时间段因子T，并使其相位与被编码的位流同步即可。