System testowy ASK / FSK układów zamków zbliżeniowych
Firma Rigol Technologies rozszerzyła system testowy zakresu częstotliwości radiowych (RF) analizatora spektralnego DSA800 od dodatkowe funkcje testowe systemów pasywnych zamków zbliżeniowych (bezkluczowych). Rozwiązanie Rigola jest bardzo wygodne w użyciu i znacznie tańsze od innych systemów testowych dostępnych na rynku.
Systemy zamków zbliżeniowych (ang. PKE – Passive Keyless Entry) są systemami elektronicznymi używanymi głównie do otwierania samochodów lub budynków bez mechanicznych kluczy. Takie systemy blokujące pracują z elementem pasywnym (klucz), który jest aktywowany przez urządzenie (np. samochód) wysyłające sygnał okresowy do otoczenia. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych przykładów takiego systemu jest system zbliżeniowego otwierania samochodu. Pojazd zawsze wysyła do otaczającego środowiska stały sygnał niskiej częstotliwości (LF) około 130 kHz. Jeżeli właściwy kluczyk znajdzie się w pobliżu pojazdu (około 1-1,5 m), to rozpoznaje sygnał LF i zwrotnie wysyła prawidłowy identyfikator (ID) w postaci sygnału RF (w paśmie UHF1) z modulacją ASK lub FSK. Po ręcznym otwarciu drzwi samochodu system jest odblokowywany. W pewnych rozwiązaniach jest możliwe również uruchomienie silnika samochodu przyciskiem, gdy kluczyk znajduje się w kabinie pojazdu, lub otwarcie bagażnika. Wykorzystywana częstotliwość sygnału UHF w systemach PKE zależy od lokalizacji. W Europie głównie stosuje się częstotliwość nośną 433 MHz z pasma ISM2. Aplikacje takie wykorzystują w Europie także częstotliwość nośną
868 MHz, przy czym nie jest to częstotliwość z pasma ISM. W USA i Japonii używana jest głównie częstotliwość 315 MHz.
Możliwe są dwa rodzaje procedur działania zamków zbliżeniowych3:
1) Pojazd wysyła sygnał LF z krótkim sygnałem pobudzającym (ang. wake up signal)
- W zdefiniowanym okresie pojazd wysyła do otoczenia sygnał LF z krótką informacją (sygnałem pobudzającym).
- Jeżeli kluczyk zbliżeniowy znajduje się blisko samochodu, odsyła sygnał potwierdzenia (UHF).
- Kluczyk i samochód rozpoczynają transmisję danych z kontrolą danych identyfikacyjnych (ID).
- Samochód wysyła ID do kluczyka. Jeżeli dane identyfikacyjne są prawidłowe, kluczyk wysyła swój kod. Jeżeli kod ten jest prawidłowy, pojazd odblokowuje drzwi, umożliwiając ich otwarcie.
2) Pojazd wysyła sygnał LF ze swoim ID
- W zdefiniowanym okresie pojazd wysyła do otoczenia sygnał LF ze swoimi danymi identyfikacyjnymi.
- Jeżeli kluczyk zbliżeniowy znajduje się blisko samochodu i odebrane ID jest prawidłowe, kluczyk odsyła swój kod identyfikacyjny. Jeżeli kod ten jest prawidłowy, samochód można otworzyć.
1 UHF (ang. Ultra High Frequency) = pasmo decymetrowych fal elektromagnetycznych o zakresie 300 MHz do 1000 MHz.
2 ISM (ang. Industrial, Scientific and Medical)= pasmo fal radiowych przeznaczone początkowo dla zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych, a obecnie również prywatnych. ISM definiowano dwa rodzaje pasma: typ A i typ B. Pasmo typu B może być wykorzystywane bez licencji. Najpopularniejszym zakresem częstotliwości ISM jest pasmo 2,4 GHz do 2,5 GHz, które jest wykorzystywane przez systemy bezprzewodowej transmisji danych w sieciach komputerowych.
3 Źródło: Relay Attacks on Passive Keyless Entry and Start Systems in Modern Cars, Aur’elien Francillon, Boris Danev, Srdjan Capkun Department of Computer Science ETH Zurich 8092 Zurich, Switzerland, §2.2
Modulacja FSK – modulacja z kluczowaniem częstotliwości
Modulacja FSK (ang. Frequency Shift Keying) jest rodzajem modulacji cyfrowej. Modulacja ta polega na modulacji fali nośnej sygnałem cyfrowym, a zmiany częstotliwości fali nośnej mają charakter dyskretny. Podstawową postacią tej modulacji jest modulacja 2FSK. Modulacja 2FSK jest wykorzystywana m.in. w systemach zbliżeniowych, jak np. systemach otwierania samochodów lub systemach kontroli ciśnienia w oponach. W najprostszej postaci modulacji 2FSK dwa stany cyfrowe „0” i „1” (2FSK z 1 bitem/symbol) są transmitowane dwiema różnymi częstotliwościami.
Te dwie częstotliwości modulują falę nośną i obie mają ten sam odstęp od częstotliwości fali nośnej. Różnica między modulacją FSK a analogową modulacją FM jest taka, że w modulacji FSK dwie transmitowane częstotliwości zmieniają się w takt danych binarnych, a w modulacji FM częstotliwość nośna zmienia się zgodnie z analogowym sygnałem modulującym.
Odstęp dwóch kluczowanych częstotliwości od częstotliwości fali nośnej jest nazywana dewiacją FSK:
- Dewiacja FSK =
- fcarrier (częstotliwość nośnej) ± ∆f
Przykład:
Na rysunku 1 pokazano sygnał modulacji 2FSK z ∆f = 40 kHz i fcarrier = 866 MHz
Rys. 1 Sygnał 2FSK z dewiacją 40 kHz i częstotliwością fali nośnej 866 MHz zmierzony przyrządem DSA832E
Odstęp między obiema częstotliwościami charakterystycznymi wynosi 80 kHz:
- fmax = fcarrier + ∆f = 866 MHz + 40 kHz
- fmin = fcarrier - ∆f = 866 MHz - 40 kHz
- fmax - fmin = 80 kHz
Odstęp częstotliwości charakterystycznych wynosi 2 x dewiacja FSK:
- ∆(f2 - f1) = 2 x ∆f
Diagram konstelacji sygnału 2FSK jest uwidoczniony na rysunku nr 2.
Rys. 2 Diagram konstelacji modulacji 2FSK,
częstotliwość nośna jest w środku ekranu.
Wyniki testów zobrazowane na rysunkach 3 i 4 pokazują różne rodzaje istotnych pomiarów:
Rys. 3 Maska Dobry/zły dla analizy krzywych
- Sygnał nie powinien wykraczać poza zdefiniowane przez użytkownika linie maski Dobry/zły (rys. 3). Test może być wykonany przyrządami DSA832, DSA832E lub DSA8754.
- Można zmierzyć wartości bezwzględne obu częstotliwości (rys. 4, markery 2R i 3D).
- Odstęp częstotliwości nośnej można sprawdzić funkcją markera (rys. 4, marker 1D).
- Można również zmierzyć wartość różnicy mocy obu częstotliwości (rys. 4, markery 2R i 2D).
Rys. 4 Zmierzone parametry charakterystyczne sygnału 2FSK (patrz tabela markerów – Marker Table)
Innym dostępnym pomiarem jest analiza zajętości pasma (OCP). Funkcja OCP mierzy zakres częstotliwości, w którym zawarte jest 99% mocy widmowej sygnału. Częstotliwość nośna sygnału znajduje się w środku tego zakresu (patrz rys. 5). OCP można mierzyć przyrządem DSA800 z opcją DSA800-AMK5.
Wartość OCP dla sygnału 2FSK jest obliczana z zależności:
- OCPBW6 = szybkość transmisji + 2 x ∆f
Przykładowo: szybkość transmisji 10k symboli/s i dewiacja częstotliwości 40 kHz
- OCPBW = 10k symboli/s + 2 x 40 kHz = 90 kHz
4 Szybkość pomiarów przyrządów DSA832, DSA832E i DSA875 (czas przemiatania 10 ms: czas przetwarzania wynosi 30-40 ms): w normalnym trybie pracy dostępna jest szybkość pomiarów ~50 ms.
5 Z opcją DSA800-AMK dostępne są następujące pomiary: Time Power (pomiar mocy w funkcji dla danej częstotliwości nośnej), Adjacent Channel Power (pomiar mocy w kanałach sąsiednich), Channel Power (pomiar mocy i gęstości mocy w kanale), Occupied Bandwidth (pomiar zajętości pasma), Emission Bandwidth (pomiar pasma emisji), S/N (pomiar stosunku sygnał/szum), Harmonic Distortion (pomiar zawartości harmonicznych), TOI (pomiar zniekształceń intermodulacyjnych 3. rzędu.
6 Ze względu na wpływ współczynnika poszerzenia pasma (ang. Roll Off Factor) nr. 0,35, OCP będzie mniejsze niż wynika to z obliczenia.
Rys. 5 Pomiar zajętości pasma (OCP) sygnału 2FSK
Filtracja
Celem filtracji jest nadanie impulsom cyfrowym gładkiego zaokrąglonego kształtu, aby uzyskać lepsze wyniki pomiarów widmowych i ograniczenie pasma. W oprogramowaniu ULTRA IQ STATION Rigola można wybrać różne typy filtrów. Dla modulacji FSK dostępny jest specjalny filtr gaussowski do ograniczenia pasma przed transmisją. Filtracja sygnału FSK tym rodzajem filtra skutkuje zamianą sygnału do postaci modulacji GFSK. W oprogramowaniu tym jest możliwe jest ustawienie współczynnika poszerzenia pasma (α = B*T), długości impulsu (liczba próbek na impuls w czasie jednego bitu) i oversamplingu (zwiększenie szybkości próbkowania dla uzyskania lepszej zgodności z twierdzeniem o próbkowaniu, aby można użyć prostszego filtru rekonstrukcyjnego). Charakterystyka gaussowska jest przedstawiona na rysunku 6. Długość filtru jest iloczynem długości impulsu i wartości ovwersamplingu.
Współczynnik poszerzenia pasma α jest obliczany z wartości:
- pasmo charakterystyki gaussowskiej (@-3dB): B
- czas trwania jednego bitu: TBit
Rys. 6 Charakterystyka gaussowska7
Sygnał 2FSK może być wygenerowany w oprogramowaniu ULTRA IQ STATION i załadowany do generatora sygnałów RF z opcją IQ (DSG3030-IQ lub DSG3060-IQ8).
Rys. 7 Generacja sygnału 2FSK w oprogramowaniu ULTRA IQ STATION
7 Źródło rysunku: Wikipedia.org
8 DSG3030-IQ: 9 kHz do 3 GHZ; DSG3060-IQ: 9 kHz do 6 GHz; Modulator IQ jest opcją i zawiera także zewnętrzne wejścia i wyjścia analogowe I i Q.
Częstotliwość zegara w generatorze ustawia częstotliwość wyjściową zegara syntezy tablicowej. Częstotliwość zegarowa jest obliczana z wartości oversamplingu i szybkości transmisji (w naszym przykładzie modulacji 2FSK jeden transmitowany symbol zawiera jeden bit).
Częstotliwość zegara = wartość oversamplingu * szybkość transmisji
Oprogramowanie S1220 do demodulacji 2FSK
Rigol dostarcza (jako opcję) rozwiązanie programowej demodulacji ASK / FSK w postaci pakietu oprogramowania S1220. Oprogramowanie to pracuje z analizatorami DSA832, DSA832E i DSA8759. Demodulację ASK opisano na końcu tego dokumentu.
- Oprogramowanie wyświetla przebiegi symboli zmodulowanego sygnału.
- Można analizować diagramy oka, co jest szczególnie istotne przy analizie jittera badanego sygnału.
- Jest możliwość ustawienia wzorca sygnału jako przebiegu odniesienia. Każdorazowo, gdy wzorzec jest transmitowany, to oznaczony jest kolorem żółtym.
- Dostępny jest pomiar mocy fali nośnej, dewiacji częstotliwości i offset częstotliwości nośnej.
- Obsługiwane jest kodowanie Manchester.
- Można zachowywać w pamięci i ładować dane konfiguracyjne.
Ustawienia sygnału 2FSK pokazano na rysunku 8.
Rys. 8 Oprogramowanie S1220 do demodulacji ASK / FSK
9 Analizator musi być ustawiony w tryb DMA (FFT). Sterowanie analizatorem za pomocą oprogramowania S1220 jest możliwe tylko w trybie DMA.
Rys. 9 Konfiguracja dla modulacji FSK w pakiecie S1220
Pomiary sygnałów FSK przyrządami DSA815, DSA705 i DSA710
Oprogramowanie S1220 jest przeznaczone tylko dla analizatorów DSA832(E) / DSA875. Szybkość pomiarów w analizatorach DSA815, DSA705 i DSA710 jest mniejsza niż w przyrządach DSA832(E)/DSA875 i zbyt mała dla sygnałów 2FSK. Rigol rozwiązał ten problem, wprowadzając nową opcję do ciągłej rejestracji sygnału (SSC-DSA)10. Dzięki opcji SSC-DSA możliwa jest także analiza sygnałów 2FSK mierzonych przyrządami DSA815, DSA705 i DSA710. Przy tej opcji analizator przełączany jest w tryb FFT z większą szybkością rejestracji sygnału. Opcja ta umożliwia równoległe pomiary sygnałów FSK (do trzech sygnałów 2FSK) aż do 1,5 MHz (patrz rys. 10) bezpośrednio przez przyrząd bez żadnego dodatkowego oprogramowania.
Opcja posiada trzy główne cechy charakterystyczne:
- Wyświetlanie widma w czasie rzeczywistym (RT Trace).
- Funkcję pamięci wartości maksymalnej (Maximum Hold).
- Analizę zarejestrowanego sygnału 2FSK, która zawiera:
- także funkcję pamięci wartości maksymalnej równolegle z pomiarem ciągłym,
- test Dobry/zły względem ustawionych przez użytkownika linii granicznych,
- aktywację dwóch linii markerów,
- pomiar dwóch częstotliwości sygnału 2FSK, amplitudy obu tych częstotliwości, dewiację częstotliwości i offset częstotliwości nośnej.
10 Opcja ta jest dostępna tylko dla przyrządów DSA705, DSA710 i DSA815.
Rys. 10 Pomiar sygnału 2FSK przyrządem DSA815 z opcją SSC
Rys. 11 Pomiar trzech sygnałów 2FSK jednocześnie z funkcją max hold
Modulacja ASK – modulacja z kluczowaniem amplitudy
Modulacja ASK (ang. Amplitude Shift Keying) jest również rodzajem modulacji cyfrowej używanym np. w systemach zamków bezkluczowych lub radiolatarniach nawigacyjnych. W najprostszej postaci dwa stany sygnału cyfrowego „0” i „1” są mnożone z częstotliwością nośną (patrz rysunki 12 do 14). c (2FSK z 1 bitem/symbol) są transmitowane dwiema różnymi częstotliwościami. Kluczowanie dwustanowe (ang. OOK - On/Off Keying) jest wykorzystywane w systemach bezkluczowych używających modulacji ASK.
Kluczowanie dwustanowe (OOK):
- Przy stanie „1” fala nośna jest transmitowana; przy stanie „0” fala nośna jest wyłączona.
- Modulacja ASK jest 100% (patrz rys. 14).
Rys. 12 Ciąg impulsów „1” i „0” (sygnał cyfrowy)
Rys. 13 Fala nośna modulacji ASK (sygnał sinusoidalny)
Rys. 14 Modulacja ASK (sygnał cyfrowy * fala nośna)
Sygnał ASK może być także transmitowany ze stałą falą nośną. W takim przypadku stan „0” jest transmitowany z niższą amplitudą niż stan „1”. Modulacja ASK może być np. 10% (np. w systemach tzw. komunikacji bliskiego pola [NFC] z szybkością kodowania 424 kbps).
Wskaźnik modulacji ASK obliczany jest z poniższej zależności:
- m = (A-B)/(A+B) * 100
- Jeżeli m = 8~14%, to mamy do czynienia z modulacją ASK ~10%.
- Głębokość modulacji wynosi B/A
Rys. 15 10% modulacja ASK
Pasmo modulacji ASK jest definiowane zależnością:
- B = 2 x szybkość transmisji
Sygnały ASK mogą być również generowane przez generator sygnałowy RF serii DSG3000-IQ (np. DSG3060) z oprogramowaniem ULTRA IQ STATION (patrz rysunek 16).
Rys. 16 Ustawienia ULTRA IQ STATION do generacji sygnału ASK
Zakres częstotliwości pokazano na rysunku 17. Widmo ASK jest równe 2 x szybkość transmisji. Widmo takie jest widoczne przy różnych liniach sygnału. Ma to sens, gdyż oczekiwane widmo w tej postaci transmisji nie jest tylko sygnałem OOK.
- Impuls w dziedzinie czasu jest reprezentowany funkcją SI (sinx/x) w dziadzienia częstotliwości.
- Ciąg impulsów (stały ciąg 0101…) w dziedzinie czasu odpowiada funkcji SI pomnożonej przez ciąg impulsów Diraca (ciąg impulsów od bardzo małej szerokości ) w dziedzinie częstotliwości.
- Mnożenie z częstotliwością nośną daje w wyniku przesunięcie tej funkcji do częstotliwości nośnej.
Sygnał cyfrowy jest widoczny w trybie zero span analizatora (patrz rysunek 18). W trybie tym można analizować ciąg impulsowy w dziedzinie czasu.
Rys. 17 Widmo sygnału ASK
Rys. 18 Widok sygnału ASK w trybie zero span
Sygnał ASK może być także analizowany za pomocą oprogramowania S1220 Rigola do demodulacji ASK-FSK. Ustawienia i obrazy do analizy są takie same jak dla analizy sygnałów 2FSK.