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Accexp代理的R&S汽车防撞雷达测试方案

2016年11月08日


1 引言
  随着中国公路通车里程和汽车保有量多年来持续的大幅增长,驾驶员对交通安全的需求也在不断提升,如何提高汽车的安全性已成为汽车行业的重要任务和巨大挑战。为实现安全便捷地出行,车载雷达等安全辅助技术也得到广泛关注。
智能化的汽车不可或缺的便是对周边物体的感知。在智能化的汽车上可多达数十种雷达。国际上采用的车载防撞雷达主要有SRR(短距离雷达) 和LRR (长距离雷达)。短距离雷达有效作用距离15 m~30 m,适用于低速近距离防撞;长距离雷达有效距离100~250 m,适用于远距离防撞。目前,在20 GHz以下很难实现波束成形,而由于大气衰减和技术限制,100 GHz以上也很少使用。因此防撞雷达主要分配24 - 29 / 60 - 61 /77 - 81 GHz这几个频段。长距离雷达主要采用77GHz频段。
近期在日内瓦召开了2015世界无线电通信大会(WRC-15),各国讨论决定,将77.5GHz~78GHz频段划分给无线电定位业务,以支持短距离、高分辨率车载雷达的发展。该频带车载雷达带宽更大、分辨率更高、抗干扰能力更强,且设备体积更小,更便于在车辆上安装和部署。
                                                                1. 汽车防撞系统示意图
汽车防撞雷达的原理包括调频连续波(FMCW)雷达、CW多普勒雷达等方式,线性FMCW(frequency modulation continuous wave) 雷达结构简单,比较适宜测量近距离目标,故作为目前车用防撞雷达的普遍选择方式。
雷达系统的关键参数包括距离分辨率、径向速度分辨率,以及雷达探测距离和径向速度的精度等。对于FMCW雷达,其带宽决定了距离分辨率,相关处理时间CPI (coherentprocessing interval) 决定了径向速度分辨率。而距离和径向速度探测精度则主要由雷达回波信号的信噪比决定。实际上,FMCW雷达发射信号的质量在一定程度上对雷达探测精度也有很大影响,其中一个比较关键的因素就是调频线性度。
图2是一个典型汽车防撞雷达系统结构,包含的部件包括VCO、倍频器、放大器、开关模块、混频器及天线等,这些部件性能的优劣直接影响了雷达系统的性能。因此,在产品开发阶段,需要对各部件的性能参数进行测试,包括本振的相位噪声、收发链路的频率响应及雷达发射信号的质量等,以确保雷达系统的总体性能。
凭借优异的性能和丰富的测试功能,罗德与施瓦茨公司的微波矢量源、信号与频谱分析仪和矢量网络分析仪可完美地完成以上参数的测试,是满足汽车防撞雷达系统研发、生产、质检等测试需求的理想选择

                                                               2. 典型的汽车防撞雷达系统结构
2宽带调频连续波(FMCW)信号产生
对于宽带FMCW雷达接收机性能的验证和评估,需要模拟宽带FMCW信号。罗德与施瓦茨公司的高端微波矢量信号源 SMW200A,凭借极优异的相噪特性、幅度平坦响应、支持160MHz射频带宽的内部基带源及2GHz外调制带宽,使其成为系统测试FMCW雷达接收机的理想工具。

                                                3. R&S SMW200A高端微波矢量信号源
R&S SMW200A是一款高端的、为满足最苛刻应用而开发的微波矢量信号源。凭借其优异的灵活性、射频性能和操作直观性,使其成为生成高质量复杂数字调制信号与雷达信号的完美工具。SMW200A是新型宽带通信系统、雷达系统、无线与移动通信系统理想的数字调制信号发生器。最高160 MHz的I/Q内调制带宽(需配置选件)和2GHz的外调制带宽,可满足航空航天和国防以及汽车电子领域的应用。它的模块化可扩展结构,使用户能够灵活的选择配置以适应他们的应用,以及根据需要升级各种选件。独特的衰落功能可以模拟各种复杂无线通信场景的信道情况,是信号场景模拟的最佳工具。

                                               图4. 采用R&SSMW200A内部基带源时,内部I/Q调制器的频率响应
 
SMW200A单机最高频率可达40GHz,也可配置为31.8 GHz、20GHz、12.75GHz等版本。对40GHz配置,主机即可覆盖24.5GHz及37GHz频段的应用。对于77GHzFMCW信号的产生,需要借助于外部倍频器模块SMZ90,其工作频率范围为60GHz ~90GHz,倍频系数为6。SMZ90对载波进行倍频的同时,也对信号带宽进行了倍频,因此可以输出更宽的宽带信号(最大带宽160×6=960MHz)。


                                       图5. 77GHz FMCW信号产生方案:SMW200A+ SMZ90
 


                                    图6. 77GHz FMCW信号产生方案结构示意图
 
调频连续波FMCW信号波形文件的制作,可以使用罗德与施瓦茨公司的K300脉冲序列软件,也可以使用Matlab等其它工具制作波形文件。R&SK300脉冲序列软件是一款功能非常强大的脉冲波形文件制作工具,可以非常方便地制作单、双脉冲、chirp pulse、barker pulse及FMCW信号的波形文件。

                                                图7. 采用R&S K300脉冲序列软件制作FMCW信号
对于FMCW雷达接收机的测试,需要专门的信号源提供一个标准的FMCW信号——该信号用于模拟雷达回波信号,图8是77GHz FMCW雷达接收机测试连接示意图,波导端口输出的宽带FMCW信号直接馈入待测接收机。雷达接收机对信号源产生的宽带FMCW信号进行放大、滤波及下变频至中频后,再作进一步分析。如果接收机的性能不好,比如本振信号频率稳定度较差(典型指标为相位噪声),那么将恶化距离和径向速度的测量精度。为了准确评估FMCW雷达接收机的性能,需要使用一台能够产生标准FMCW信号的信号源。

                                                            图8.77GHz FMCW雷达接收机测试连接示意图
凭借优异的射频性能,诸如高输出功率、极低相位噪声、极优异的幅度平坦响应以及支持160MHz射频带宽的内部基带源等,R&S SMW200A是测试汽车防撞雷达接收机的理想选择。
3宽带调频连续波(FMCW)信号分析
罗德与施瓦茨公司提供全面的雷达信号分析方案,包括频谱/信号分析仪、实时频谱仪、功率计、软件和附件等,可以对雷达信号进行脉冲参数、信号频谱、脉内和脉间调制、瞬态特性等方面进行分析,具有频率范围大、宽带、功能集成度高等优点。
R&S FSW是一款高端的信号与频谱分析仪,具有非常优异的射频性能和丰富的测试功能,可以满足苛刻的用户要求。对于航空航天与国防(A&D)及汽车电子领域的用户,以及未来宽带通信系统的开发人员,FSW具有足够多的优势使其成为满足测试和测量要求的最佳解决方案。例如,FSW凭借其在信号与频谱分析仪中无与伦比的相位噪声指标,使得对雷达系统中振荡器的开发更有信心。
R&SFSW 单机具有500MHz的分析带宽,借助于R&S RTO宽带示波器,可将分析带宽扩展至2GHz,配合专为线性调频雷达设计的K60C 选件,可以一键测试驻留时间、频率偏差、线性度、脉压系数等指标,可以清晰显示每一个Chirp 信号的起始时间、CPI 等重要参数。
FSW还支持自动相噪测试,并且可以抑制相位噪声中叠加的AM噪声,从而测试比较纯净的相位噪声。FSW本身具有非常优异的相位噪声测试灵敏度,其相噪特性如图10所示,在载波1GHz处,频偏10kHz的相噪可以达到-138dBc/Hz。

 
                                                              图9. R&S FSW信号与频谱分析仪


 
                                                                           图10. R&S FSW的相位噪声性能
FSW43主机工作频率范围可达43.5GHz,可以覆盖目前在研的24.5GHz及38GHz频段的产品测试。为了实现77GHzFMCW信号的测试,则需要外部谐波混频器FS-Z90。测试77GHz信号时,信号不再馈入FSW的射频端口,而是直接馈入谐波混频器FS-Z90的波导端口。FS-Z90工作所需要的本振信号由FSW提供,其中频输出信号则馈入FSW的IF Input接口,从而对信号作进一步分析。虽然借助于外部谐波混频器FS-Z90,但在60GHz~90GHz频率范围内依然支持宽带FMCW信号分析及相位噪声测试,符合目前在研及未来产品的测试需求。

                                     图11. 77GHz FMCW信号分析方案:FSW43+ FS-Z90
FSW-K60C是专门为FMCW雷达信号分析而开发的功能,其可以分析的参数非常全面,其中包括:RF power vs time、chirp rate vs time、chirp begin/length (CPI)、chirp rate、frequencydeviation (线性度)及信号功率等,如图12所示。FSW-K60C也支持以列表的形式显示每一个参数,而且可以作相应的统计分析,以便于观察某个参数随时间的变化趋势。
对FMCW信号进行分析时,K60C将按照设置的捕获带宽、记录时间等进行数据捕获,但具体分析时,K60C向客户提供了一个Analysis Region(AR),用户可以通过相应的设置对感兴趣的频段和时段作相应的分析,如图13所示。此外,K60C也支持单独对其中一个chirp进行分析,所以应用非常灵活。

                                             图12. K60C模式中ChirpResults支持的测试参数
                       图13. K60C模式中数据捕获和分析设置界面:允许用户对相应频段和时段进行选择分析
图14给出了77GHz FMCW雷达发射机测试的连接示意图,假设雷达信号带宽为480MHz,chirp length (CPI)为1ms。对于这样一个宽带信号,FSW单独便可以完成信号分析,因为FSW单机支持的最大分析带宽为500MHz。进入K60C模式后,只需要设置信号中心频率及合适的分析带宽,即可得到相应的测试结果,如图15所示,包括分析带宽内的射频频谱及瀑布图(Full RF Spectrum、Full Spectrogram)、特定分析区域内的频率随时间的变化(Region FM Time Domain)、特定chirp内的频率线性度(Chirp FrequencyDeviation Time Domain)及列表显示结果(Chirp Results)。

                                          图14. 77GHz FMCW雷达发射机测试连接示意图

                                                     图15. 77GHz FMCW雷达发射信号分析结果
如果要详细测试线性调频率(Chirp rate),则可以直接调出RegionChirp Rate Time Domain,如图16所示,可以观察到特定分析区域内线性调频率随时间的变化趋势

                                    图16. 77GHz FMCW雷达发射信号的chirprate分析结果

                                                图17. 77GHz FMCW雷达发射信号的调频线性度分析结果
调频线性度是FMCW信号的一个非常关键的指标,该指标可以通过瞬时频率偏离其理想线性值的偏移量来评估。频率偏移越小,则表示线性度越好。FSW-K60C模式中,可以直接调出Frequency DeviationTime Domain,观察频率偏移随时间的变化趋势,如图17所示。同时,Chirp Results也给出了Freq.Dev. Peak/RMS/Avg.值,即频率偏离线性值的最大值、均方根值和平均值。由图17可以看出,在down-chirp与up-chirp的临界点处,频率偏移测试曲线存在尖峰值,如红色标记所示。

                                               图18. 单个chirp的调频线性度分析结果
                                图19. 单个chirp的调频线性度分析结果(采用FMLPF抑制噪声)
为了更加详尽地测试调频线性度,可以选择一个特定的chirp,图18给出了第一个chirp(down-chirp)的频率偏移测试结果,在末端存在两个比较大的尖峰值。同时,频率偏移测试迹线有很大的噪声,这将影响最终测试结果。为了进一步提高测试精度,K60C提供了一个专门消除噪声的视频滤波器,可提供0.1%、1%、5%、10%、25%多档相对带宽,以适应不同的测试场合。图19给出了当相对带宽为1%时的频率偏移测试结果,迹线噪声减少了许多,对比图18和图19的测试结果将会发现,后者的频率偏移测试结果更小,这正是滤除了宽带噪声带来的影响的缘故。
以上是信号带宽小于500MHz时的测试分析,对于带宽超过500MHz的超宽带信号的分析,FSW需要借助于宽带示波器RTO,可实现最大2GHz分析带宽。其工作过程:超宽带射频/微波信号馈入FSW的射频输入口,经下变频变换至中心频率为2GHz的宽带IF信号;宽带IF信号再经宽带示波器RTO采样,采集的数据再回传至FSW,经过均衡及数字下变频等得到数字I/Q数据;最后FSW对数字I/Q数据作进一步分析。该超宽带信号分析方案也适用于专门用于FMCW信号分析的FSW-K60C选件,最大分析带宽为2GHz。图20和图21分别给出了信号流示意图和实物连接示意图。
对于77GHz的超宽带FMCW信号的分析,也可以使用该方案,信号不再馈入FSW的射频输入端口,而是直接馈入外部谐波混频器FS-Z90的波导端口,FS-Z90的中频输出信号再馈入FSW主机作相应的分析。图22是FSW借助于外部谐波混频器和RTO宽带示波器分析77GHz载波、960MHz带宽FMCW信号的结果。

                                                图20. FSW与RTO实现2GHz分析带宽:信号流示意图

                                    图21.FSW与RTO实现2GHz分析带宽连接示意图

                                       图22.77GHz载波、960MHz带宽的FMCW信号分析结果
4雷达部件测试
针对射频微波元器件领域的各种测试需求,罗德与施瓦茨公司提供相应的全面测试与测量解决方案,覆盖放大器、滤波器、变频器件、无源多端口器件、电缆、衰减器、移相器、接收机、TR组件以及差分测量,毫米波测试,脉冲测试,在片测试,Loadpull测试等方面。
R&S ZVA系列矢网是罗德与施瓦茨公司目前最高端的矢量网络分析仪,其操作简便,测量速度快,并具有出色的射频性能,丰富的测试功能,以及灵活的配置等。ZVA系列矢网单机最高频率至67GHz,借助于毫米波变频模块,可以将工作频率扩展至500GHz,甚至更高频段。ZVA具有非常优异的动态范围,能够满足高抑制度滤波器及天线隔离度的测试。对于四端口ZVA,可以配置双源或四个内部独立的源,单机即可完成放大器、混频器、接收机和发射机等需要的线性和非线性测试。
图22.77GHz载波、960MHz带宽的FMCW信号分析结果

                                     图23. R&S ZVA矢量网络分析仪
无源器件的S参数测试相对比较简单,对于双端口无源器件,比如滤波器、衰减器等,可以使用两端口矢网。但是对于多端口无源器件,比如功分器、耦合器、双工器及合路器等,为了保证测试精度,建议使用四端口矢网测试。
对于有源器件的测试,除需要测试小信号S参数,还要测试相应的非线性特性指标,如P1dB,三阶交调点,谐波失真等。因三阶交调测试需要仪表提供一个双音激励信号,对于四端口ZVA40,标配带有两个独立的内部源,因此可以单独完成放大器的三阶交调测试,图24给出了测试连接图及测试结果。对于功率放大器,有时还要测试其正常工作状态下的S参数,如输出端口的热驻波比。图25给出了基于ZVA的热驻波比测试连接示意图,Port3给放大器提供一个激励信号f2,使其正常工作,Port2输出一个不同频率的小信号f1,用于测试放大器输出驻波比,建议f1与f2相差1MHz,那么在接收机侧通过设置合适的IF BW就可以轻松地实现二者的分离,从而完成热驻波比的测试。
功率放大器需要在一定激励功率下才能够正常工作,如果所要求的驱动功率超出了矢网主机端口输出的最大功率,并且要求测试功放的四个S参数,此时就需要使用图26所示的测试装置,外部引入相应的驱动放大器、双定向耦合器、环形隔离器等,为了保护仪表,还需要引入一定的衰减器。

                                              图24.基于ZVA的小信号放大器测试连接示意图

                                     图25.基于ZVA的热驻波比测试连接示意图

                                    图26.基于ZVA的高功率放大器测试连接示意图
对于77GHz的元器件测试,已经超过了ZVA40主机的工作频率范围,需要使用外部变频器模块ZVA-Z90,如图27所示。ZVA-Z90配合ZVA40可以实现非常优异的系统动态范围,在60GHz~90GHz频率范围内,系统动态范围超过115dB,这是准确测试滤波器带外抑制及天线隔离度的有力保障。同时,ZVA-Z90具有极高的端口输出功率,可以达到+10dBm,能够完成大功率测试。ZVA-Z90也同样适用于高增益器件的测试,因为其具有70dB的功率调节范围。ZVA-Z90波导端口的输出功率是通过调整ZVA40主机端口输出功率来调整的,因此可以非常方便地实现波导端口处的功率扫描,以测试毫米波放大器的P1dB。

                      图27. ZVA借助于ZVA-Z90实现频率至90GHz的矢量网络分析方案
对于将来要涉及的在片测试,罗德与施瓦茨公司也有相应的方案。
器件的在片测试主要应用在器件建模,工艺优化以及毫米波测试方面,主要的测试参数有S参数、噪声系数、相位、功率、P1dB、三阶交调等,对比普通器件测试,在片测试的关键是如何进行电路测试的连接,测试校准的实现,以及如何准确一致的测试全部器件参数。器件的连接主要在于探针台系统和测试夹具的选择,罗德与施瓦茨公司则针对测试校准、参数测量方面提供非常全面及专业的解决方案。
在片测试时,芯片的每次连接都会导致电路参数和测试数据的改变,影响器件建模和工艺优化,以及器件的准确测量。利用R&S矢量网络分析仪ZVA,一次连接即可实现多种参数的在片测量,包括标准S参数、时域测量、变频测量、真差分测量 (混合模式S参数)、噪声系数测量等,对于功率器件,也可以实现脉冲S参数的测量,确保所有电路参数的准确可靠一致。
兼容Cascade探针台,可以实现毫米波太赫兹器件的在片测量。Cascade Wincal软件支持矢量网络分析的校准。由于ZVA-Z90变频器模块采用无风扇的冷却处理,工作过程中无噪声和振动,特别适合探针台及在片测量。
在片矢量网络分析测量系统由R&SZVA40矢量网络分析仪、ZVA-Z90系列毫米波变频模块、NGMO2双通道直流电源以及探针台和探针组成,如28所示,可完成60GHz-90GHz在片矢量网络分析测量。
图28所示接口中,1-4为3.5mm(M-F)同轴电缆,5-6为直流电源电缆,7-8为GPIB或LAN电缆,9-10为波导。

 
                                                      图28. 在片矢量网络分析测量系统框图

                                                             图29. 在片矢量网络分析测量

                                                                         图30. 在片差分器件测试
 
 
 
 
 
 


 



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