Accexp代理的R&S汽車防撞雷達測試方案
2016-11-08
1 引言
隨著中國公路通車里程和汽車保有量多年來持續(xù)的大幅增長，駕駛員對交通安全的需求也在不斷提升，如何提高汽車的安全性已成為汽車行業(yè)的重要任務和巨大挑戰(zhàn)。為實現安全便捷地出行，車載雷達等安全輔助技術也得到廣泛關注。
隨著中國公路通車里程和汽車保有量多年來持續(xù)的大幅增長，駕駛員對交通安全的需求也在不斷提升，如何提高汽車的安全性已成為汽車行業(yè)的重要任務和巨大挑戰(zhàn)。為實現安全便捷地出行，車載雷達等安全輔助技術也得到廣泛關注。
智能化的汽車不可或缺的便是對周邊物體的感知。在智能化的汽車上可多達數十種雷達。國際上采用的車載防撞雷達主要有SRR(短距離雷達) 和LRR (長距離雷達)。短距離雷達有效作用距離15 m~30 m，適用于低速近距離防撞；長距離雷達有效距離100~250 m，適用于遠距離防撞。目前，在20 GHz以下很難實現波束成形，而由于大氣衰減和技術限制，100 GHz以上也很少使用。因此防撞雷達主要分配24 - 29 / 60 - 61 /77 - 81 GHz這幾個頻段。長距離雷達主要采用77GHz頻段。
近期在日內瓦召開了2015世界無線電通信大會(WRC-15)，各國討論決定，將77.5GHz～78GHz頻段劃分給無線電定位業(yè)務，以支持短距離、高分辨率車載雷達的發(fā)展。該頻帶車載雷達帶寬更大、分辨率更高、抗干擾能力更強，且設備體積更小，更便于在車輛上安裝和部署。
圖2. 典型的汽車防撞雷達系統(tǒng)結構
SMW200A單機最高頻率可達40GHz，也可配置為31.8 GHz、20GHz、12.75GHz等版本。對40GHz配置，主機即可覆蓋24.5GHz及37GHz頻段的應用。對于77GHzFMCW信號的產生，需要借助于外部倍頻器模塊SMZ90，其工作頻率范圍為60GHz ～90GHz，倍頻系數為6。SMZ90對載波進行倍頻的同時，也對信號帶寬進行了倍頻，因此可以輸出更寬的寬帶信號(最大帶寬160×6=960MHz)。
圖1. 汽車防撞系統(tǒng)示意圖
汽車防撞雷達的原理包括調頻連續(xù)波(FMCW)雷達、CW多普勒雷達等方式，線性FMCW(frequency modulation continuous wave) 雷達結構簡單，比較適宜測量近距離目標，故作為目前車用防撞雷達的普遍選擇方式。
雷達系統(tǒng)的關鍵參數包括距離分辨率、徑向速度分辨率，以及雷達探測距離和徑向速度的精度等。對于FMCW雷達，其帶寬決定了距離分辨率，相關處理時間CPI (coherentprocessing interval) 決定了徑向速度分辨率。而距離和徑向速度探測精度則主要由雷達回波信號的信噪比決定。實際上，FMCW雷達發(fā)射信號的質量在一定程度上對雷達探測精度也有很大影響，其中一個比較關鍵的因素就是調頻線性度。
圖2是一個典型汽車防撞雷達系統(tǒng)結構，包含的部件包括VCO、倍頻器、放大器、開關模塊、混頻器及天線等，這些部件性能的優(yōu)劣直接影響了雷達系統(tǒng)的性能。因此，在產品開發(fā)階段，需要對各部件的性能參數進行測試，包括本振的相位噪聲、收發(fā)鏈路的頻率響應及雷達發(fā)射信號的質量等，以確保雷達系統(tǒng)的總體性能。
憑借優(yōu)異的性能和豐富的測試功能，羅德與施瓦茨公司的微波矢量源、信號與頻譜分析儀和矢量網絡分析儀可完美地完成以上參數的測試，是滿足汽車防撞雷達系統(tǒng)研發(fā)、生產、質檢等測試需求的理想選擇
圖2. 典型的汽車防撞雷達系統(tǒng)結構
2寬帶調頻連續(xù)波(FMCW)信號產生
對于寬帶FMCW雷達接收機性能的驗證和評估，需要模擬寬帶FMCW信號。羅德與施瓦茨公司的高端微波矢量信號源 SMW200A，憑借極優(yōu)異的相噪特性、幅度平坦響應、支持160MHz射頻帶寬的內部基帶源及2GHz外調制帶寬，使其成為系統(tǒng)測試FMCW雷達接收機的理想工具。
圖3. R&S SMW200A高端微波矢量信號源
圖3. R&S SMW200A高端微波矢量信號源
R&S SMW200A是一款高端的、為滿足最苛刻應用而開發(fā)的微波矢量信號源。憑借其優(yōu)異的靈活性、射頻性能和操作直觀性，使其成為生成高質量復雜數字調制信號與雷達信號的完美工具。SMW200A是新型寬帶通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、無線與移動通信系統(tǒng)理想的數字調制信號發(fā)生器。最高160 MHz的I/Q內調制帶寬（需配置選件）和2GHz的外調制帶寬，可滿足航空航天和國防以及汽車電子領域的應用。它的模塊化可擴展結構，使用戶能夠靈活的選擇配置以適應他們的應用，以及根據需要升級各種選件。獨特的衰落功能可以模擬各種復雜無線通信場景的信道情況，是信號場景模擬的最佳工具。
圖4. 采用R&SSMW200A內部基帶源時，內部I/Q調制器的頻率響應
圖4. 采用R&SSMW200A內部基帶源時，內部I/Q調制器的頻率響應
圖5. 77GHz FMCW信號產生方案：SMW200A+ SMZ90
圖6. 77GHz FMCW信號產生方案結構示意圖
調頻連續(xù)波FMCW信號波形文件的制作，可以使用羅德與施瓦茨公司的K300脈沖序列軟件，也可以使用Matlab等其它工具制作波形文件。R&SK300脈沖序列軟件是一款功能非常強大的脈沖波形文件制作工具，可以非常方便地制作單、雙脈沖、chirp pulse、barker pulse及FMCW信號的波形文件。
圖7. 采用R&S K300脈沖序列軟件制作FMCW信號
對于FMCW雷達接收機的測試，需要專門的信號源提供一個標準的FMCW信號——該信號用于模擬雷達回波信號，圖8是77GHz FMCW雷達接收機測試連接示意圖，波導端口輸出的寬帶FMCW信號直接饋入待測接收機。雷達接收機對信號源產生的寬帶FMCW信號進行放大、濾波及下變頻至中頻后，再作進一步分析。如果接收機的性能不好，比如本振信號頻率穩(wěn)定度較差(典型指標為相位噪聲)，那么將惡化距離和徑向速度的測量精度。為了準確評估FMCW雷達接收機的性能，需要使用一臺能夠產生標準FMCW信號的信號源。
圖8.77GHz FMCW雷達接收機測試連接示意圖
圖8.77GHz FMCW雷達接收機測試連接示意圖
憑借優(yōu)異的射頻性能，諸如高輸出功率、極低相位噪聲、極優(yōu)異的幅度平坦響應以及支持160MHz射頻帶寬的內部基帶源等，R&S SMW200A是測試汽車防撞雷達接收機的理想選擇。
3寬帶調頻連續(xù)波(FMCW)信號分析
羅德與施瓦茨公司提供全面的雷達信號分析方案，包括頻譜/信號分析儀、實時頻譜儀、功率計、軟件和附件等，可以對雷達信號進行脈沖參數、信號頻譜、脈內和脈間調制、瞬態(tài)特性等方面進行分析，具有頻率范圍大、寬帶、功能集成度高等優(yōu)點。
R&S FSW是一款高端的信號與頻譜分析儀，具有非常優(yōu)異的射頻性能和豐富的測試功能，可以滿足苛刻的用戶要求。對于航空航天與國防(A&D)及汽車電子領域的用戶，以及未來寬帶通信系統(tǒng)的開發(fā)人員，FSW具有足夠多的優(yōu)勢使其成為滿足測試和測量要求的最佳解決方案。例如，FSW憑借其在信號與頻譜分析儀中無與倫比的相位噪聲指標，使得對雷達系統(tǒng)中振蕩器的開發(fā)更有信心。
R&SFSW 單機具有500MHz的分析帶寬，借助于R&S RTO寬帶示波器，可將分析帶寬擴展至2GHz，配合專為線性調頻雷達設計的K60C 選件，可以一鍵測試駐留時間、頻率偏差、線性度、脈壓系數等指標，可以清晰顯示每一個Chirp 信號的起始時間、CPI 等重要參數。
FSW還支持自動相噪測試，并且可以抑制相位噪聲中疊加的AM噪聲，從而測試比較純凈的相位噪聲。FSW本身具有非常優(yōu)異的相位噪聲測試靈敏度，其相噪特性如圖10所示，在載波1GHz處，頻偏10kHz的相噪可以達到-138dBc/Hz。
圖9. R&S FSW信號與頻譜分析儀
圖10. R&S FSW的相位噪聲性能
圖14. 77GHz FMCW雷達發(fā)射機測試連接示意圖
圖15. 77GHz FMCW雷達發(fā)射信號分析結果
如果要詳細測試線性調頻率(Chirp rate)，則可以直接調出RegionChirp Rate Time Domain，如圖16所示，可以觀察到特定分析區(qū)域內線性調頻率隨時間的變化趨勢
圖16. 77GHz FMCW雷達發(fā)射信號的chirprate分析結果
圖17. 77GHz FMCW雷達發(fā)射信號的調頻線性度分析結果
FSW43主機工作頻率范圍可達43.5GHz，可以覆蓋目前在研的24.5GHz及38GHz頻段的產品測試。為了實現77GHzFMCW信號的測試，則需要外部諧波混頻器FS-Z90。測試77GHz信號時，信號不再饋入FSW的射頻端口，而是直接饋入諧波混頻器FS-Z90的波導端口。FS-Z90工作所需要的本振信號由FSW提供，其中頻輸出信號則饋入FSW的IF Input接口，從而對信號作進一步分析。雖然借助于外部諧波混頻器FS-Z90，但在60GHz～90GHz頻率范圍內依然支持寬帶FMCW信號分析及相位噪聲測試，符合目前在研及未來產品的測試需求。
圖11. 77GHz FMCW信號分析方案：FSW43+ FS-Z90
圖11. 77GHz FMCW信號分析方案：FSW43+ FS-Z90
FSW-K60C是專門為FMCW雷達信號分析而開發(fā)的功能，其可以分析的參數非常全面，其中包括：RF power vs time、chirp rate vs time、chirp begin/length (CPI)、chirp rate、frequencydeviation (線性度)及信號功率等，如圖12所示。FSW-K60C也支持以列表的形式顯示每一個參數，而且可以作相應的統(tǒng)計分析，以便于觀察某個參數隨時間的變化趨勢。
對FMCW信號進行分析時，K60C將按照設置的捕獲帶寬、記錄時間等進行數據捕獲，但具體分析時，K60C向客戶提供了一個Analysis Region(AR)，用戶可以通過相應的設置對感興趣的頻段和時段作相應的分析，如圖13所示。此外，K60C也支持單獨對其中一個chirp進行分析，所以應用非常靈活。
圖12. K60C模式中ChirpResults支持的測試參數
圖12. K60C模式中ChirpResults支持的測試參數
圖13. K60C模式中數據捕獲和分析設置界面：允許用戶對相應頻段和時段進行選擇分析
圖14給出了77GHz FMCW雷達發(fā)射機測試的連接示意圖，假設雷達信號帶寬為480MHz，chirp length (CPI)為1ms。對于這樣一個寬帶信號，FSW單獨便可以完成信號分析，因為FSW單機支持的最大分析帶寬為500MHz。進入K60C模式后，只需要設置信號中心頻率及合適的分析帶寬，即可得到相應的測試結果，如圖15所示，包括分析帶寬內的射頻頻譜及瀑布圖(Full RF Spectrum、Full Spectrogram)、特定分析區(qū)域內的頻率隨時間的變化(Region FM Time Domain)、特定chirp內的頻率線性度(Chirp FrequencyDeviation Time Domain)及列表顯示結果(Chirp Results)。
圖14給出了77GHz FMCW雷達發(fā)射機測試的連接示意圖，假設雷達信號帶寬為480MHz，chirp length (CPI)為1ms。對于這樣一個寬帶信號，FSW單獨便可以完成信號分析，因為FSW單機支持的最大分析帶寬為500MHz。進入K60C模式后，只需要設置信號中心頻率及合適的分析帶寬，即可得到相應的測試結果，如圖15所示，包括分析帶寬內的射頻頻譜及瀑布圖(Full RF Spectrum、Full Spectrogram)、特定分析區(qū)域內的頻率隨時間的變化(Region FM Time Domain)、特定chirp內的頻率線性度(Chirp FrequencyDeviation Time Domain)及列表顯示結果(Chirp Results)。
圖14. 77GHz FMCW雷達發(fā)射機測試連接示意圖
圖15. 77GHz FMCW雷達發(fā)射信號分析結果
如果要詳細測試線性調頻率(Chirp rate)，則可以直接調出RegionChirp Rate Time Domain，如圖16所示，可以觀察到特定分析區(qū)域內線性調頻率隨時間的變化趨勢
圖16. 77GHz FMCW雷達發(fā)射信號的chirprate分析結果
圖17. 77GHz FMCW雷達發(fā)射信號的調頻線性度分析結果
調頻線性度是FMCW信號的一個非常關鍵的指標，該指標可以通過瞬時頻率偏離其理想線性值的偏移量來評估。頻率偏移越小，則表示線性度越好。FSW-K60C模式中，可以直接調出Frequency DeviationTime Domain，觀察頻率偏移隨時間的變化趨勢，如圖17所示。同時，Chirp Results也給出了Freq.Dev. Peak/RMS/Avg.值，即頻率偏離線性值的最大值、均方根值和平均值。由圖17可以看出，在down-chirp與up-chirp的臨界點處，頻率偏移測試曲線存在尖峰值，如紅色標記所示。
圖18. 單個chirp的調頻線性度分析結果
圖18. 單個chirp的調頻線性度分析結果
圖19. 單個chirp的調頻線性度分析結果(采用FMLPF抑制噪聲)
為了更加詳盡地測試調頻線性度，可以選擇一個特定的chirp，圖18給出了第一個chirp(down-chirp)的頻率偏移測試結果，在末端存在兩個比較大的尖峰值。同時，頻率偏移測試跡線有很大的噪聲，這將影響最終測試結果。為了進一步提高測試精度，K60C提供了一個專門消除噪聲的視頻濾波器，可提供0.1%、1%、5%、10%、25%多檔相對帶寬，以適應不同的測試場合。圖19給出了當相對帶寬為1%時的頻率偏移測試結果，跡線噪聲減少了許多，對比圖18和圖19的測試結果將會發(fā)現，后者的頻率偏移測試結果更小，這正是濾除了寬帶噪聲帶來的影響的緣故。
以上是信號帶寬小于500MHz時的測試分析，對于帶寬超過500MHz的超寬帶信號的分析，FSW需要借助于寬帶示波器RTO，可實現最大2GHz分析帶寬。其工作過程：超寬帶射頻/微波信號饋入FSW的射頻輸入口，經下變頻變換至中心頻率為2GHz的寬帶IF信號；寬帶IF信號再經寬帶示波器RTO采樣，采集的數據再回傳至FSW，經過均衡及數字下變頻等得到數字I/Q數據；最后FSW對數字I/Q數據作進一步分析。該超寬帶信號分析方案也適用于專門用于FMCW信號分析的FSW-K60C選件，最大分析帶寬為2GHz。圖20和圖21分別給出了信號流示意圖和實物連接示意圖。
對于77GHz的超寬帶FMCW信號的分析，也可以使用該方案，信號不再饋入FSW的射頻輸入端口，而是直接饋入外部諧波混頻器FS-Z90的波導端口，FS-Z90的中頻輸出信號再饋入FSW主機作相應的分析。圖22是FSW借助于外部諧波混頻器和RTO寬帶示波器分析77GHz載波、960MHz帶寬FMCW信號的結果。
圖20. FSW與RTO實現2GHz分析帶寬：信號流示意圖
圖21.FSW與RTO實現2GHz分析帶寬連接示意圖
圖22.77GHz載波、960MHz帶寬的FMCW信號分析結果
圖20. FSW與RTO實現2GHz分析帶寬：信號流示意圖
圖21.FSW與RTO實現2GHz分析帶寬連接示意圖
圖22.77GHz載波、960MHz帶寬的FMCW信號分析結果
4雷達部件測試
針對射頻微波元器件領域的各種測試需求，羅德與施瓦茨公司提供相應的全面測試與測量解決方案，覆蓋放大器、濾波器、變頻器件、無源多端口器件、電纜、衰減器、移相器、接收機、TR組件以及差分測量，毫米波測試，脈沖測試，在片測試，Loadpull測試等方面。
R&S ZVA系列矢網是羅德與施瓦茨公司目前最高端的矢量網絡分析儀，其操作簡便，測量速度快，并具有出色的射頻性能，豐富的測試功能，以及靈活的配置等。ZVA系列矢網單機最高頻率至67GHz，借助于毫米波變頻模塊，可以將工作頻率擴展至500GHz，甚至更高頻段。ZVA具有非常優(yōu)異的動態(tài)范圍，能夠滿足高抑制度濾波器及天線隔離度的測試。對于四端口ZVA，可以配置雙源或四個內部獨立的源，單機即可完成放大器、混頻器、接收機和發(fā)射機等需要的線性和非線性測試。
圖22.77GHz載波、960MHz帶寬的FMCW信號分析結果
圖23. R&S ZVA矢量網絡分析儀
圖23. R&S ZVA矢量網絡分析儀
無源器件的S參數測試相對比較簡單，對于雙端口無源器件，比如濾波器、衰減器等，可以使用兩端口矢網。但是對于多端口無源器件，比如功分器、耦合器、雙工器及合路器等，為了保證測試精度，建議使用四端口矢網測試。
對于有源器件的測試，除需要測試小信號S參數，還要測試相應的非線性特性指標，如P1dB，三階交調點，諧波失真等。因三階交調測試需要儀表提供一個雙音激勵信號，對于四端口ZVA40，標配帶有兩個獨立的內部源，因此可以單獨完成放大器的三階交調測試，圖24給出了測試連接圖及測試結果。對于功率放大器，有時還要測試其正常工作狀態(tài)下的S參數，如輸出端口的熱駐波比。圖25給出了基于ZVA的熱駐波比測試連接示意圖，Port3給放大器提供一個激勵信號f2，使其正常工作，Port2輸出一個不同頻率的小信號f1，用于測試放大器輸出駐波比，建議f1與f2相差1MHz，那么在接收機側通過設置合適的IF BW就可以輕松地實現二者的分離，從而完成熱駐波比的測試。
功率放大器需要在一定激勵功率下才能夠正常工作，如果所要求的驅動功率超出了矢網主機端口輸出的最大功率，并且要求測試功放的四個S參數，此時就需要使用圖26所示的測試裝置，外部引入相應的驅動放大器、雙定向耦合器、環(huán)形隔離器等，為了保護儀表，還需要引入一定的衰減器。
圖24.基于ZVA的小信號放大器測試連接示意圖
圖25.基于ZVA的熱駐波比測試連接示意圖
圖26.基于ZVA的高功率放大器測試連接示意圖
對于77GHz的元器件測試，已經超過了ZVA40主機的工作頻率范圍，需要使用外部變頻器模塊ZVA-Z90，如圖27所示。ZVA-Z90配合ZVA40可以實現非常優(yōu)異的系統(tǒng)動態(tài)范圍，在60GHz～90GHz頻率范圍內，系統(tǒng)動態(tài)范圍超過115dB，這是準確測試濾波器帶外抑制及天線隔離度的有力保障。同時，ZVA-Z90具有極高的端口輸出功率，可以達到+10dBm，能夠完成大功率測試。ZVA-Z90也同樣適用于高增益器件的測試，因為其具有70dB的功率調節(jié)范圍。ZVA-Z90波導端口的輸出功率是通過調整ZVA40主機端口輸出功率來調整的，因此可以非常方便地實現波導端口處的功率掃描，以測試毫米波放大器的P1dB。
圖27. ZVA借助于ZVA-Z90實現頻率至90GHz的矢量網絡分析方案
圖30. 在片差分器件測試
圖24.基于ZVA的小信號放大器測試連接示意圖
圖25.基于ZVA的熱駐波比測試連接示意圖
圖26.基于ZVA的高功率放大器測試連接示意圖
對于77GHz的元器件測試，已經超過了ZVA40主機的工作頻率范圍，需要使用外部變頻器模塊ZVA-Z90，如圖27所示。ZVA-Z90配合ZVA40可以實現非常優(yōu)異的系統(tǒng)動態(tài)范圍，在60GHz～90GHz頻率范圍內，系統(tǒng)動態(tài)范圍超過115dB，這是準確測試濾波器帶外抑制及天線隔離度的有力保障。同時，ZVA-Z90具有極高的端口輸出功率，可以達到+10dBm，能夠完成大功率測試。ZVA-Z90也同樣適用于高增益器件的測試，因為其具有70dB的功率調節(jié)范圍。ZVA-Z90波導端口的輸出功率是通過調整ZVA40主機端口輸出功率來調整的，因此可以非常方便地實現波導端口處的功率掃描，以測試毫米波放大器的P1dB。
圖27. ZVA借助于ZVA-Z90實現頻率至90GHz的矢量網絡分析方案
對于將來要涉及的在片測試，羅德與施瓦茨公司也有相應的方案。
器件的在片測試主要應用在器件建模，工藝優(yōu)化以及毫米波測試方面，主要的測試參數有S參數、噪聲系數、相位、功率、P1dB、三階交調等，對比普通器件測試，在片測試的關鍵是如何進行電路測試的連接，測試校準的實現，以及如何準確一致的測試全部器件參數。器件的連接主要在于探針臺系統(tǒng)和測試夾具的選擇，羅德與施瓦茨公司則針對測試校準、參數測量方面提供非常全面及專業(yè)的解決方案。
在片測試時，芯片的每次連接都會導致電路參數和測試數據的改變，影響器件建模和工藝優(yōu)化，以及器件的準確測量。利用R&S矢量網絡分析儀ZVA，一次連接即可實現多種參數的在片測量，包括標準S參數、時域測量、變頻測量、真差分測量 (混合模式S參數)、噪聲系數測量等，對于功率器件，也可以實現脈沖S參數的測量，確保所有電路參數的準確可靠一致。
兼容Cascade探針臺，可以實現毫米波太赫茲器件的在片測量。Cascade Wincal軟件支持矢量網絡分析的校準。由于ZVA-Z90變頻器模塊采用無風扇的冷卻處理，工作過程中無噪聲和振動，特別適合探針臺及在片測量。
在片矢量網絡分析測量系統(tǒng)由R&SZVA40矢量網絡分析儀、ZVA-Z90系列毫米波變頻模塊、NGMO2雙通道直流電源以及探針臺和探針組成，如28所示，可完成60GHz-90GHz在片矢量網絡分析測量。
圖28所示接口中，1-4為3.5mm（M-F）同軸電纜，5-6為直流電源電纜，7-8為GPIB或LAN電纜，9-10為波導。
圖28. 在片矢量網絡分析測量系統(tǒng)框圖
圖29. 在片矢量網絡分析測量
圖29. 在片矢量網絡分析測量
圖30. 在片差分器件測試
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