一  引言

下一代智能汽車的自動(dòng)駕駛的真正實(shí)現(xiàn)離不開對(duì)相關(guān)道路和交通流量參與的所有對(duì)象的信息的全面掌握。真正的無人駕駛不僅需要對(duì)道路環(huán)境的實(shí)時(shí)測(cè)，還需要強(qiáng)大的車載計(jì)算能力。所以未來的無人駕駛汽車會(huì)采用各種傳感器，毫米波雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)，同時(shí)采用視覺傳感器的融合技術(shù)和冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)道路環(huán)境實(shí)時(shí)、可靠的探測(cè)。作為傳感器的毫米波雷達(dá)，由于其特有的優(yōu)勢(shì)，全天候、探測(cè)距離遠(yuǎn)，是車載傳感器中必不可少的。



隨著毫米雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，特別是大帶寬、高頻率、高精度的雷達(dá)產(chǎn)品出現(xiàn)，對(duì)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品本身性能指標(biāo)的測(cè)試提出了很高的要求。相對(duì)而言采用數(shù)字視覺傳感器的方法，在傳統(tǒng)的3C行業(yè)已經(jīng)應(yīng)用成熟，目前在汽車行業(yè)應(yīng)用主要是提高可靠性和穩(wěn)定性并進(jìn)行充分驗(yàn)證和測(cè)試，技術(shù)實(shí)現(xiàn)基本沒有難點(diǎn)。而頻域的方法，則相對(duì)是全新的技術(shù)在全新領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)突破并產(chǎn)品化，因此還處于技術(shù)探索和創(chuàng)新階段，考慮到汽車自動(dòng)駕駛的0失誤率的要求，因而無論如何認(rèn)真都是不過分的。


二  新一代汽車毫米波雷達(dá)的技術(shù)趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

隨著無人駕駛對(duì)毫米波雷達(dá)的要求，雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是調(diào)制帶寬更寬、調(diào)制波形更復(fù)雜、調(diào)制精度更高、收發(fā)通道數(shù)更多。技術(shù)背后的主要驅(qū)動(dòng)因素分析如下：

1. 調(diào)制帶寬更寬

在中遠(yuǎn)距離探測(cè)范圍即60m以外，雷達(dá)的探測(cè)精度在1米左右，在中近距離探測(cè)范圍內(nèi)即60m以內(nèi)，雷達(dá)的探測(cè)精度最高需要在0.1m以內(nèi)。從最初的24GHz，76GHz雷達(dá)，到目前的79GHz雷達(dá)，雷達(dá)的工作帶寬已經(jīng)到2GHz，甚至未來會(huì)更寬。

更高的分析帶寬對(duì)傳統(tǒng)的分析儀器無論是時(shí)域還是頻域均帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的時(shí)域方法主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻處理再采用實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行分析，但是下變頻器的帶寬及頻響特性和噪聲帶來的測(cè)量誤差是不可忽略的問題。而頻譜儀的分析帶寬和成本則一直是影響投資決策的巨大障礙。


圖1 毫米波雷達(dá)帶寬與分辨率的關(guān)系

2. 調(diào)制波形更復(fù)雜

傳統(tǒng)的毫米波雷達(dá)有單幀的FMCW，或者雙幀的FMCW，如圖1所示為雙幀調(diào)制的雷達(dá)信號(hào)?？紤]到毫米波雷達(dá)的普及性和安全性，未來的雷達(dá)需要頻率跳變來避免其它信號(hào)對(duì)雷達(dá)的干擾，甚至雷達(dá)會(huì)有簡單的通信功能。這些技術(shù)都會(huì)使得雷達(dá)的信號(hào)越來越復(fù)雜，對(duì)于測(cè)試提出的很高的要求。需要從時(shí)域、頻域、解調(diào)域，全方位的對(duì)雷達(dá)信號(hào)做解調(diào)分析。

3. 調(diào)制精度更高

當(dāng)前的汽車毫米波雷達(dá)主要還是利用FMCW來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)距離和速度的探測(cè)，所以發(fā)射信號(hào)本身的調(diào)制精度就非常關(guān)鍵。發(fā)射端的調(diào)制精度越高，雷達(dá)本身的誤差就越小，探測(cè)精度就越高。目前國內(nèi)毫米波雷達(dá)芯片在3.5GHz調(diào)制帶寬內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)0.027%的調(diào)制線性度（FM INL）。這個(gè)測(cè)試不需要變頻，直接在79GHz頻率進(jìn)行采樣測(cè)試，所以測(cè)試系統(tǒng)的誤差非常小。

過去業(yè)界傳統(tǒng)的測(cè)試方法，都是利用下變頻器對(duì)79GHz的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行下變頻，用示波器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣分析。這個(gè)過程會(huì)引入下變頻器和測(cè)試設(shè)備自身的誤差，如帶內(nèi)頻響誤差、相位附加噪聲等，這些都會(huì)影響對(duì)雷達(dá)信號(hào)分析的精度。

4. 收發(fā)通道數(shù)更多

雷達(dá)不僅需要水平角度的探測(cè)，還需要垂直角度的探測(cè)。同時(shí)對(duì)雷達(dá)角度探測(cè)的精度也會(huì)提出更高的要求。下圖是4發(fā)12收的雷達(dá)天線，在實(shí)現(xiàn)對(duì)MIMO雷達(dá)信號(hào)處理時(shí)，要求雷達(dá)芯片通道音的幅度精度在1dB以內(nèi)，相位精度在3°以內(nèi)。

傳統(tǒng)的頻譜儀的有限的通道數(shù)，在針對(duì)今天的車用MIMO雷達(dá)測(cè)試明顯已經(jīng)不能勝任，而時(shí)域儀器——示波器的通道數(shù)向來是一大優(yōu)勢(shì)。因此針對(duì)毫米波MIMO雷達(dá)的測(cè)試，實(shí)時(shí)示波器必將成為未來不可忽略的玩家。

三  是德科技基于UXR系列實(shí)時(shí)示波器的mmW測(cè)試方案

針對(duì)當(dāng)前，越來越多的超寬帶信號(hào)應(yīng)用尤其是汽車毫米波雷達(dá)的蓬勃興起，是德科技作為業(yè)界唯一同時(shí)精通頻域和時(shí)域兩大領(lǐng)域的測(cè)量測(cè)試產(chǎn)品和解決方案公司，推出基于UXR系列示波器的毫米波信號(hào)分析儀系統(tǒng)——UXR0051AP，推翻了傳統(tǒng)示波器用于射頻信號(hào)分析的三座大山：

性能不足——UXR 10bit ADC@256GSa/s；速度太慢——UXR內(nèi)置硬件DDC；示波器太貴——提供基礎(chǔ)帶寬5GHz，采用滑動(dòng)窗分析高頻載波信號(hào)。

UXR0051AP采用1mm信號(hào)輸入端口（即模擬信號(hào)路徑帶寬最高達(dá)110GHz），采樣率256G Sa/s，標(biāo)配1通道（配置N2166A選件可后升級(jí)擴(kuò)展成2通道），實(shí)際是采用UXR高頻段產(chǎn)品的硬件進(jìn)行帶寬限制以支持超寬帶毫米波應(yīng)用。從而成功將時(shí)域的實(shí)時(shí)示波器導(dǎo)入頻域分析，打破傳統(tǒng)的時(shí)域數(shù)字測(cè)量行業(yè)的“內(nèi)卷化”。

針對(duì)汽車毫米波雷達(dá)的測(cè)試應(yīng)用，在UXR示波器上配置VSA 89601C調(diào)制解調(diào)軟件，即可基于256GSa/s采樣率的示波器直接對(duì)79GHz的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行采樣，避免下變頻對(duì)寬頻信號(hào)的幅度精度影響，同時(shí)最多4通道的實(shí)時(shí)采集測(cè)試，可以滿足MIMO雷達(dá)對(duì)通道間幅度和相位測(cè)試的要求。


圖2 UXR0051AP毫米波信號(hào)分析儀系統(tǒng)

如下典型配置提供了最高達(dá)82GHz的超寬帶信號(hào)分析能力，完全覆蓋汽車毫米波雷達(dá)應(yīng)用：


表1 UXR0051AP毫米波信號(hào)分析儀

在配置N2166A選件升級(jí)擴(kuò)展成2通道后，可以對(duì)I/Q信號(hào)同時(shí)進(jìn)行分析。如果需要對(duì)更多通路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試分析，則可以選擇UXR0254AP型號(hào)，25GHz帶寬，4通道256GSa/s，硬件10bit ADC采樣。4通道25GHz帶寬不僅可以滿足MIMO雷達(dá)對(duì)通道間幅度和相位測(cè)試的要求，對(duì)其它高速數(shù)字Serdes標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)和驗(yàn)證測(cè)試也提供了強(qiáng)大的支持。

這一系統(tǒng)具有如下能力和特點(diǎn)：

■  256GSa/s實(shí)時(shí)采樣，直接對(duì)82GHz以內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣避免下變頻引入的誤差；

■  最多支持四通道同步測(cè)試，通道相位精度小于0.5度（RMS）；

■  分析帶寬支持10GHz，5GHz兩種選項(xiàng)；

■  強(qiáng)大的VSA矢量信號(hào)分析功能，支持各種復(fù)雜的雷達(dá)調(diào)制信號(hào)；

■  可選帶寬為2.16GHz 的DDC功能，快速進(jìn)行頻譜功能和調(diào)制解調(diào)測(cè)試。


四  針對(duì)實(shí)際雷達(dá)產(chǎn)品的實(shí)測(cè)案例

1. Dephi ESR2.5雷達(dá)

下圖是Dephi ESR2.5雷達(dá)雙幀雷達(dá)信號(hào)分析。ESR2.5有中距離和遠(yuǎn)距離兩種探測(cè)范圍，硬件有兩組天線，兩個(gè)發(fā)射通道。傳統(tǒng)的頻譜儀是很難測(cè)試兩個(gè)通道內(nèi)的不同功率。利用VSA軟件的觸發(fā)同步功能，可以分別選擇不同帶寬信號(hào)的同步，分別測(cè)試兩個(gè)發(fā)射通道的發(fā)射功率。


圖3 VSA軟件中FMCW不同雷達(dá)參數(shù)同步設(shè)置


圖4 VSA軟件觸發(fā)同步用于測(cè)試FMCW雷達(dá)信號(hào)

2. 基于UXR的mmW選件和VSA 89601C測(cè)試方案，對(duì)加特蘭公司CAL77S244-AE芯片進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。


圖5 加特蘭毫米波雷達(dá)芯片

Alps 4T4R 77/79GHz Radar SoC (CAL77S244-AE)的主要特點(diǎn)如下：

■  汽車級(jí)全集成毫米波雷達(dá)SoC

■  發(fā)射通道：4，集成移相器

■  接收通道：4，集成功率飽和檢測(cè)器

■  工作頻率：76~81GHz，最大支持5G掃頻帶寬

■  FMCW波形生成器：用戶自定義，支持自動(dòng)增益控制、幀交錯(cuò)等功能

■  高速ADC：采樣率高達(dá)50MSPS，同時(shí)支持降采樣功能

■  雷達(dá)信號(hào)處理基帶：硬件電路實(shí)現(xiàn)完整雷達(dá)信號(hào)處理

■  CPU：300MHz ARC® EM6

■  片內(nèi)存儲(chǔ)空間：2.625MB RAM

■  支持SoC級(jí)聯(lián)功能

■  外設(shè)接口：CAN/CAN-FD/SPI/QSPI/UART/I²C/LVDS/ GPIOs

■  AEC-Q100規(guī)范：Grade2

■  功能安全認(rèn)證：ISO26262 ASIL-B


圖6 實(shí)測(cè)連線圖

雷達(dá)發(fā)射功率和調(diào)制性能的測(cè)試方法如下，雷達(dá)芯片直接通過PCB板上的微帶線轉(zhuǎn)WR12波導(dǎo)，再轉(zhuǎn)成1.0mm的同軸，直接連接到UXR示波器進(jìn)行測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果可以看到，在4GHz調(diào)制帶寬內(nèi)，該芯片的調(diào)制線性度為0.027%。


圖7 調(diào)制線性度測(cè)試

下圖是雷達(dá)相位調(diào)制測(cè)試結(jié)果圖，可以看到FMCW的信號(hào)時(shí)域內(nèi)的相位周期變化。


圖8 相位調(diào)制測(cè)試

雷達(dá)發(fā)射通道間的相位差測(cè)試。利用UXR多通道和VSA多測(cè)量任務(wù)的功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道信號(hào)幅度差和相位差的測(cè)試。利用VSA 89601C 內(nèi)置函數(shù)編輯功能，采用下面函數(shù)即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩通道信號(hào)相位差的測(cè)試。


圖9 VSA調(diào)制解調(diào)軟件內(nèi)置函數(shù)編輯功能


圖10 VSA調(diào)制解調(diào)軟件內(nèi)置函數(shù)編輯功能  用于信號(hào)相位差測(cè)試

五  小結(jié)

以上本文對(duì)基于UXR實(shí)時(shí)示波器的mmW選件在汽車毫米波雷達(dá)應(yīng)用的測(cè)試進(jìn)行了一個(gè)簡單的介紹，隨著未來自動(dòng)駕駛的普及，車路協(xié)同對(duì)毫米波雷達(dá)的市場需求將持續(xù)推高，為確保足夠的安全性廣泛的驗(yàn)證和測(cè)試也將成為必要任務(wù)，而實(shí)時(shí)示波器方案作為具有廣泛用途的高性價(jià)比方案也必將成為重要的工具。Keysight UXR系列實(shí)時(shí)示波器的毫米波測(cè)試方案已經(jīng)整裝待發(fā)！