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技术趋势:依靠设计软件的毫米波汽车雷达和天线系统开发

2018-01-18 10:27 万物云联网

导读:先进驾驶辅助系统(ADAS,advanced driver assistance systems)的持续发展正在扩大汽车的能力和可支付性,使得汽车能够使用主要集中在76到81 GHz频谱的雷达技术来警报和协助驾驶员。这些系统必须执行一系列应用,操作条件和对象检测方面的挑战,以便在驾驶员辅助功能所规定的特定的范围(距离)和视场(角度)上提供可靠的覆盖。

  那些参与设计当今汽车所需的雷达系统的人可以转而依靠能准确预测系统性能的软件。

  先进驾驶辅助系统(ADAS,advanced driver assistance systems)的持续发展正在扩大汽车的能力和可支付性,使得汽车能够使用主要集中在76到81 GHz频谱的雷达技术来警报和协助驾驶员。这些系统必须执行一系列应用,操作条件和对象检测方面的挑战,以便在驾驶员辅助功能所规定的特定的范围(距离)和视场(角度)上提供可靠的覆盖。

  本文探讨了开发毫米波雷达系统和将负责下一代智能汽车和卡车的天线阵列技术背后的一些挑战。本文的第1部分概述了ADAS系统,并讨论了各种雷达系统和体系结构。第2部分讨论了多波束和多波段设计,并研究了用于5G的多输入多输出(MIMO)和波束控制技术的天线设计,这些对未来的汽车安全是非常有用的。

  先进驾驶辅助系统(ADAS,advanced driver assistance systems)概述

  为了获得较高的安全评级,汽车制造商正在通过一系列具有特定安全功能的传感器来为其新的车型配备驾驶辅助系统。制造商目前正在实施这些基于视觉传感器技术和运行在24GHz和/或77 GHz频段的雷达系统。视觉系统检测车道标记并处理其他视觉道路信息。但是,由于降水(特别是雪和雾)以及距离的原因,它们容易受到不适当的视觉(Vision systems)系统的性能的影响。

  远程雷达(LRR,Long-range radar )支持多种功能,它们可以舒适地处理30到200米之间的距离,而短程雷达(SRR)可以检测在30米距离内的物体。虽然解决SRR检测问题的24 GHz频段预计到2022年在新车型中将逐步淘汰,但如今这个频段的短距雷达在混合架构中普遍存在。同时,支持LRR的77 GHz频段(76至81 GHz)预计将为所有未来的汽车雷达提供短距离和长距离检测。图1提供了短程/中程和远程雷达的细节。

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  图1.此处显示的是ADAS系统的不同范围,视场(FOV,field-of-views )和功能。

  77-GHz频段的技术优势包括更小的天线(目前是24 GHz频段天线的三分之一大小),更高的发射功率,最重要的是更宽的可用带宽,从而实现更高的检测物体分辨率。因此,雷达调制技术,天线波束控制,系统架构和半导体技术的进步正在推动毫米波雷达在未来的汽车和卡车的ADAS中快速应用。

  为了管理这些技术的采用,雷达开发人员需要RF感知系统设计软件,以支持雷达模拟,对射频前端组件进行详细分析,包括非线性RF链路分析,先进的天线设计和信道建模。采用电路和电磁(EM)分析的联合仿真在构建和测试昂贵的雷达原型之前提供对真实系统性能的精确表示。

  NI AWR软件提供这些功能,所有这些功能都在一个管理汽车雷达产品开发的平台中进行 - 从最初的架构和调制研究到天线阵列的物理设计以及基于III-V或者硅集成电路(IC)的前端电子设备设计技术。

  NI AWR设计环境平台集成了这些关键的雷达仿真技术,同时提供必要的自动化技术,以协助工程团队管理与ADAS电子相关的物理和电气设计数据这一非常复杂的任务。 NI AWR的ADAS的设计支持包括:

  针对雷达系统的波形,基带信号处理和参数估计的设计,针对雷达测量的具体分析以及用于射频元件和信号处理的综合行为模型。

  针对印刷电路板(PCB)和单片微波集成电路(MMIC)/ RF集成电路的电路级分析和建模(分布式传输线路和有源和无源器件)收发信机的RF /微波前端(包括RFIC)的设计。

  平面/ 3D EM分析,用于表征无源结构,复杂互连和外壳以及天线和天线阵列的电气特性。

  仿真软件与测试和测量仪器之间的连接。

  雷达的结构和调制

  对于自适应巡航控制(ACC,adaptive cruise control),同时进行的目标范围和速度测量需要高分辨率和高精度雷达来管理多目标的应用场景,如高速公路交通。针对安全应用如碰撞避免(CA,collision avoidance)或者自动驾驶(AD,autonomous driving)的未来发展需要更高的可靠性(极低的误报率),并且与当前利用相对熟知的波形的较长测量时间(50-100 ms)的ACC系统相比,其反应时间明显更快。

  汽车雷达系统的重要要求包括ACC的最大距离约为200米,距离分辨率约为1米,速度分辨率为2.5千米/小时。为了满足所有这些系统要求,已经实现了各种波形调制技术和架构,包括连续波(CW)发送信号或者具有超短脉冲宽度的经典脉冲波形。

  连续波雷达系统与脉冲波形相比的主要优点是对于固定的高分辨率系统需求而言其测量时间较短,计算复杂度相对较低。目前文献中广泛报道的两类CW调制波形包括使用至少两个不同的离散发射频率的线性频率调制(LFMCW,linear-frequency modulation)和频移键控(FSK,frequency-shift-keying )。下面的表格比较了不同雷达体系结构及其优缺点。

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  表1

  对于ACC应用,同步距离和相对速度是最重要的。当采用LFMCW和FSK满足这些要求时,LFMCW需要多个测量周期和数学求解算法来解决模糊问题,而FSK缺乏距离分辨率。结果,将LFMCW和FSK组合起来合成称为多频移键控(MFSK,multiple-frequency-shift-keying )的单个波形的技术是相当重要的。 MFSK专门为汽车应用中的雷达开发服务的,它由两个或者更多的发射频率组成,具有交织的频移和一定的带宽和持续时间(如图2所示)。

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  图2、这是MFSK的简单示例。

  如前所述,脉冲雷达也广泛用于汽车雷达系统。其相对速度可以使用相干发射机和接收机从测量包含传达相对速度的多普勒频率的脉冲到脉冲相位变化的连续脉冲中确定。对于脉冲多普勒(PD,pulsed-Doppler)雷达,距离仍然是由信号传播时间来衡量的。为了测量距离和相对速度,脉冲重复频率(PRF,pulse-repetition frequency)是一个重要的系统参数。

  在决定哪种架构和波形调制技术在保持开发和生产成本目标的同时提供必要的性能要求时,需要考虑对许多设计因素的折衷。 NI AWR设计环境,特别是可视系统模拟器(VSS)系统设计软件可以满足这些要求,该系统设计软件专门用于RF系统的设计和实施。它提供了一个通常称为模拟技术和无线电模块/信号处理模型的工具箱,并支持用户对开发的编码。

  VSS是一种射频和无线通信和雷达系统设计解决方案,能够准确地表示信号的生成,传输,天线,T / R切换,杂波,噪声等,为RF和数字信号处理(DSP)干扰,接收,信号处理以及当今先进雷达系统的信道模型设计挑战和分析要求。

  图3显示了VSS工作空间示例,它演示了ACC雷达的体系结构,调制方案,信道建模和测量配置。该工作空间包括一个带有信号发生器,射频发射器,天线,杂波,射频接收器,运动目标检测(MTD),恒虚警率(CFAR)处理器和用于仿真目的的信号检测器的脉冲多普勒(PD,pulse-Doppler)雷达系统设计。

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  图3中所示的是用VSS软件创建的脉冲多普勒雷达系统设计。

  线性调频信号电平设置为0 dBm,PRF为2 kHz,占空比为25%。目标模型由多普勒频率偏移和目标距离来定义。到达角度(THETA / PHI)在数据文件中指定并随时间变化。生成多普勒频率和信道延迟来描述具有不同速度和距离的目标返回信号,同时可以包含雷达杂波模型,并且可以形成功率谱。在这个例子中,杂波幅度分布被设置为瑞利(Rayleigh)分布形式,并且杂波功率谱由威布尔(Weibull)概率分布形式。

  图4显示了一个包含振荡器,混频器,放大器和滤波器的射频发射机。其增益,带宽和载波频率是根据RF设计团队提供的系统要求或者实际的硬件性能指定的。同样,射频接收器包括振荡器,混频器,放大器和滤波器。增益,带宽和载频是根据系统要求确定的。

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  图4.这个RF发射器模块基于一个包含滤波,放大和变频的子电路。

  随着收发器前端设计细节的出现,可以与电路仿真器Microwave Office进行联合仿真。如稍后将讨论的,收发器电子设备和波束形成天线阵列之间的交互可以经由电路,系统和EM协同仿真来分析。

  MTD用于更有效地检测运动物体。 MTD基于PD雷达的高性能信号处理算法。一组多普勒滤波器或FFT运算符涵盖所有可能的预期目标多普勒频移,MTD的输出用于CFAR处理。在这个特定的例子中提供了对检测率和CFAR的测量。

  雷达信号波形必须在接收机输入的时域进行测量。由于目标返回信号经常被杂波,干扰和噪声所阻挡,所以在时域中的检测是不可能的,并且MTD被用于在频域中执行多普勒和范围检测。在MTD模型中,数据被分组以针对相应的目标距离和多普勒频率。之后,使用CFAR处理器根据所需的检测概率和虚警(图5)来设置判定门限阈值。

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  图5.定义发射和接收天线,信道和目标与雷达的扫描距离(包括地面杂波的建模)的子电路。

  这个相对简单的设计可以用作不同PD应用的模板。雷达信号是PRF,功率和脉冲宽度(占空比)的函数。这些参数可以针对不同情况进行修改。在仿真中,雷达信号也可以通过数据文件读取器以任何定义的信号来取代,其中记录的或其他定制数据可以容易地使用。 VSS提供了模拟和建模功能,以改进雷达体系结构,实现越来越精确的信道模型(包括多径衰落和地面杂波),并为收发信机链路预算和详细的天线辐射模式要求制定性能规范。

  图6中的曲线显示了几个仿真结果,包括发射和接收的啁啾波形,天线辐射方向图,以及包括相对速度和距离在内的多个系统的测量结果。在这个模拟中,到目标的距离被扫描,以反映接近并通过静止雷达的车辆,导致多普勒频率将符号从负向反转为正向(红色曲线),并经过雷达产生相对距离为零的目标。在ACC的汽车雷达中,速度和距离信息将被用于警告驾驶员或者采取纠正措施(例如施加制动)。

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  图6.显示在系统度量图中的仿真结果。