Современные методы анализа сверхширокополосных сигналов автомобильных радаров
Введение
Автомобильные радары с непрерывной частотной модуляцией, как правило, работают в диапазоне 76–77 ГГц. В некоторых странах для автомобильных радаров стал доступен диапазон частот 77–81 ГГц. Поскольку разрешающая способность по дальности радаров с непрерывной частотной модуляцией пропорциональна полосе частот его сигнала, производители автомобильных радаров уже разрабатывают радары с непрерывной частотной модуляцией с полосами частот в несколько ГГц, чтобы максимально использовать доступный диапазон.
Радар позволяет быстро и точно определить скорость, расстояние и азимутальный угол для нескольких объектов.
Современные системы содействия водителю (ADAS) в автомобилях все чаще оснащаются радарными датчиками, которые помогают водителям в критических ситуациях и помогают уменьшить количество аварий (рис. 1).
Рис. 1. Транспортные средства все чаще оснащаются радарными датчиками
Поскольку помимо диапазона 77 ГГц (76–77 ГГц) в некоторых странах автомобильным радарам стал доступен диапазон 79 ГГц (77–81 ГГц), автомобильная промышленность уже разрабатывает радарные датчики, работающие в E‑диапазоне с сигналами с полосой в несколько ГГц.
Разрешающая способность по дальности радаров с частотной модуляцией прямо пропорциональна полосе частот его сигнала, т. е. чем шире полоса частот, тем лучше радарный датчик различает близко расположенные объекты.
Для получения хорошей разрешающей способности по дальности или других характеристик радара одной полосы частот сигнала недостаточно. На этапе разработки и испытаний компонентов радара необходимо тщательно проверить и другие параметры сигнала, например частоту, мощность, девиацию частоты от линейного ЛЧМ-сигнала, отношение сигнал/шум, скорость изменения частоты и длительность ЛЧМ-сигнала.
Анализ автомобильных сигналов с полосой частот 5 ГГц в E‑диапазоне представляет собой сложную задачу для обычного контрольно-измерительного оборудования. В этой статье мы покажем, как высокопроизводительный анализатор спектра и сигналов совместно с осциллографом позволяет производителям автомобильных радаров решить эту задачу.
Радиоизмерения в E‑диапазоне (60–90 ГГц): анализатор спектра и внешние смесители на гармониках
Анализаторы являются стандартными приборами для оценки таких ВЧ-параметров как частота, эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (EIRP), занимаемая полоса частот и внеполосное излучение на этапах разработки, производства и испытаний радарных датчиков. Для непосредственного измерения высокочастотных сигналов, передаваемых радарами в диапазоне 76–81 ГГц, предлагаются высокопроизводительные анализаторы спектра, работающие до 90 ГГц. Если анализатор спектра не поддерживает такие высокие частоты, его диапазон частот можно расширить с помощью внешних смесителей на гармониках. Мы рассмотрим основные аспекты, которые следует учитывать при использовании разных подходов.
Измерения в E‑диапазоне с помощью внешних смесителей
Большинство анализаторов спектра не может напрямую работать с такими высокими частотами как 79 ГГц. В этом случае диапазон частот анализатора расширяется с помощью внешних смесителей (рис. 2). Гармоники сигнала гетеродина, формируемые в смесителе, используются для преобразования входного сигнала в промежуточную частоту (ПЧ) анализатора спектра.
Рис. 2. Для измерения ВЧ-сигналов в E-диапазоне можно использовать анализатор R&S FSW26 (до 26,5 ГГц) совместно с внешними смесителями на гармониках R&S FS-Z90 (60–90 ГГц)
Выполняемое смесителем преобразование частоты выражается следующей формулой:
|m • fLO ± n • fRF| = fIF,
где m — порядок гармоники сигнала гетеродина (m = 1, 2, 3 …); n — порядок гармоники входного СВЧ-сигнала (n = 1, 2, 3 …); fLO — частота гетеродина; fRF — частота входного сигнала; fIF — промежуточная частота.
Исходя из приведенной выше формулы, можно сделать вывод, что помимо входного сигнала на полезной частоте приема существует также ряд нежелательных зеркальных сигналов и составляющих от смешивания. Внешние смесители на гармониках не содержат фильтра предварительной селекции и не подавляют зеркальный канал, поэтому в спектре присутствуют нежелательные составляющие (рис. 3).
Рис. 3. Спектр в диапазоне 60–90 ГГц, измеренный с помощью внешнего смесителя на гармониках R&S FS-Z90, подключенного к анализатору R&S FSW43
Расстояние между полезным и зеркальным сигналами в два раза превышает промежуточную частоту анализатора спектра (2fIF). Если полоса частот сигнала шире 2fIF, полезный и зеркальный сигналы будут перекрываться в спектральной области.
Промежуточная частота (ПЧ) анализатора R&S FSW равна 1,3 ГГц, так что при использовании для анализа спектра внешних смесителей на гармониках свободный от зеркальных сигналов диапазон составляет 2,6 ГГц.
Чтобы обеспечить однозначные измерения спектра, необходимо отфильтровать нежелательные зеркальные частоты. Программные алгоритмы, использующие методы двойной развертки, выявляют и подавляют нежелательные составляющие. Эти алгоритмы хорошо работают со статическими сигналами, но их применение в отношении импульсных или неустановившихся сигналов, которые обычно используются в радиолокационных задачах, ограничено.
Измерения в E‑диапазоне с помощью анализатора спектра и сигналов (2–90 ГГц)
Высокопроизводительный анализатор спектра и сигналов R&S FSW85 охватывает диапазон 2–85 ГГц или опционально до 90 ГГц. На частотах 8–85 ГГц для подавления нежелательных зеркальных частот в анализаторе используется аппаратная предварительная селекция. Входной каскад содержит узкополосный полосовой фильтр, выполненный на основе железо–иттриевого граната (ЖИГ). Центральная частота ЖИГ-фильтра соответствует частоте входного сигнала, а его узкая полоса пропускания позволяет подавлять нежелательные зеркальные частоты.
После ЖИГ-фильтра смеситель переносит входной ВЧ-сигнал на ПЧ 1,3 ГГц. На рис. 4 показан свободный от зеркальных частот сигнал на частоте 76 ГГц с полосой 500 МГц. Анализ спектра с помощью одного прибора, поддерживающего требуемую частоту (рис. 5), имеет ряд преимуществ над использованием внешних смесителей на гармониках:
- непрерывный спектр от 0 Гц до 85/90 ГГц;
- встроенное подавление зеркальных частот с помощью фильтра предварительной селекции/ЖИГ-фильтра в режиме анализатора спектра;
- лучшая регулировка уровня: внутренняя регулировка аттенюаторов и пр.;
- минимальное количество кабельных соединений;
- более высокий динамический диапазон для SEM-измерений.
Рис. 4. Спектр ЛЧМ-сигнала с полосой 500 МГц на частоте 76 ГГц, измеренный с помощью анализатора R&S FSW85
Рис. 5. Анализатор спектра и сигналов R&S FSW85 с внешним предусилителем R&S HA-Z24E (1–85 ГГц)
Опциональный внешний предусилитель для частот до 85 ГГц уменьшает уровень собственных шумов анализатора спектра, что особенно полезно при проведении эфирных измерений радарных сигналов.
Сверхширокополосные измерения с помощью анализаторов спектра
Требования к полосе анализа непрерывно повышаются. Как следствие, в настоящее время в продаже появились анализаторы спектра и сигналов с внутренней полосой демодуляции до 2 ГГц (информация о максимально доступной ширине полосы анализа приведена на момент написания оригинального текста статьи (2018 г.). На данный момент современные анализаторы спектра FSW обладают внутренней полосой анализа до 8,312 ГГц, что позволяет выполнять анализ со встроенным АЦП и в более широкой полосе, чем в схеме с внешним АЦП (рис. 6). Однако это решение также широко применяется из-за очевидных преимуществ в широте возможностей при наличии двух приборов.). Анализатор R&S FSW с опциями расширения внутренней полосы пропускания выполняет измерения в полосе до 2 ГГц и свободном от гармоник динамическим диапазоном (SFDR) выше 60 дБн.
Рис. 6. Анализатор спектра и сигналов R&S FSW85 с аппаратной опцией R&S FSW-B5000 совместно с осциллографом R&S RTO2064 выравнивают полосу анализа сигналов 5 ГГц
Для демодуляции и анализа сигналов автомобильных радаров требуется полоса демодуляции шириной до 5 ГГц. Для достижения этой цели высокопроизводительный объединяются анализатор спектра и сигналов с осциллографом, который играет роль внешнего АЦП (рис. 6).
Анализатор переносит сигнал на ПЧ 2,8 или 3,5 ГГц. В осциллографе сигнал оцифровывается, и полученные данные передаются обратно в анализатор через LAN-интерфейс. На рис. 7 показана структурная схема обработки сигнала. Весь путь прохождения сигнала от ВЧ-входа анализатора спектра до АЦП осциллографа описывается амплитудной и фазовой характеристиками. Цифровые данные из осциллографа переносятся в цифровую полосу частот модулирующего сигнала, и измерительное приложение получает выровненные I/Q‑отсчеты.
Рис. 7. Структурная схема обработки сигнала для получения полосы демодуляции 5 ГГц с помощью анализатора R&S FSW, опции R&S®FSW-B5000 и осциллографа R&S RTO206
Соединение между осциллографом и анализатором полностью прозрачно для пользователя. Анализатор сигналов полностью управляет осциллографом, передачей, обработкой и выравниванием цифровых данных.
Максимальное время измерения с активированным расширением I/Q‑полосы до 5 ГГц
Расширение полосы частот до 5 ГГц позволяет захватывать СШП-последовательности ЛЧМ-сигналов без потери информации. При каждой развертке или сборе I/Q‑данных анализатор захватывает определенное количество непрерывных данных. Длина непрерывной последовательности, которую анализатор способен захватить с полосой 5 ГГц, зависит от частоты передачи данных, на которой работает осциллограф, а также от установленных модулей памяти. Если осциллограф работает на частоте дискретизации 20 ГГц и имеет глубину памяти 2000 млн отсчетов, максимальная длительность записи при полосе частот измерения 5 ГГц рассчитывается следующим образом:
(2000 млн отсчетов • 6,25 ГГц/20 ГГц) – 100 = 624,999900 млн отсчетов,
где 6,25 ГГц — частота дискретизации, используемая анализатором для полосы анализа 5 ГГц.
Максимальное время измерения рассчитывается следующим образом:
Эта формула показывает, что анализатор R&S FSW с установленным расширением полосы до 5 ГГц при работе с осциллографом R&S RTO2064 непрерывно захватывает 100 мс I/Q‑данных за один цикл сбора. Измерительные приложения позволяют выполнять углубленный анализ захваченных I/Q‑данных.
Анализ ЛЧМ-сигнала в E‑диапазоне
В автомобильных радарах чаще всего используются непрерывные сигналы с частотной модуляцией или скачкообразной перестройкой частоты. Единого стандарта для формы сигнала не существует. Радары с непрерывными сигналами имеют меньшую мощность передачи по сравнению с импульсными радиолокационными системами. Благодаря этому радары могут быть компактными и экономичными. Другие преимущества, например отсутствие слепой зоны, непосредственное измерение доплеровского сдвига частоты и возможность измерения статических целей, делают непрерывные сигналы хорошо приспособленными для автомобильного и промышленного секторов. Первые автомобильные радары использовали сигналы со скачкообразной перестройкой частоты, например MFSK. В настоящее время все больше автомобильных радаров формируют сигналы с частотной модуляцией, например, сигналы с медленной ЛЧМ или сигналы с быстрой ЧМ (рис. 8).
Рис. 8. Непрерывные сигналы с частотной модуляцией (FMCW) (слева) и сигналы с многочастотной манипуляцией (MFSK) (справа)
Большинство автомобильных радаров использует частотно-модулированные последовательности из нескольких очень коротких непрерывных ЛЧМ-сигналов (LFMCW), каждый из которых имеет длительность TChirp, передаваемых блоком TCPI. Параметры сигнала, такие как полоса частот сигнала, длительность ЛЧМ-сигнала и скорость изменения ЛЧМ-сигнала, имеют непосредственное влияние на разрешение радара по дальности и скорости.
Достижимое разрешение по дальности и радиальной скорости также зависит от линейности сигнала (рис. 9). Нежелательные эффекты в сигнале радара влияют на точность оценки и характеристики радиолокационной системы.
Рис. 9. Параметры линейности ЛЧМ-сигналов
Для анализа ЛЧМ-сигналов непрерывных сигналов радара применяется специальное измерительное приложение. Оно определяет начало и конец отдельных ЛЧМ-сигналов в захваченных анализатором сигналов I/Q‑данных. Приложение рассчитывает все рабочие характеристики в пределах заданного диапазона.
На рис. 10 показан снимок экрана приложения для измерения ЛЧМ-сигналов:
- На графике Full Spectrogram (полная спектрограмма) показан весь буфер захвата I/Q‑данных во временной (вертикальной) и частотной (горизонтальной) областях. Цвет отображает уровень мощности.
- Время измерения в этом примере было установлено равным 100 мкс; при этом захвачено шесть ЛЧМ-сигналов с полосой примерно 5 ГГц.
- На графике Full RF Spectrum (полный ВЧ-спектр) показан результат БПФ для части (кадра) буфера захвата. Последний кадр — верхняя линия на спектрограмме. Видна основная несущая.
- На графике Region FM Time Domain (ЧМ во временной области) показана частотная модуляция сигнала во времени; полоса синего или зеленого цвета обозначает шесть детектированных ЛЧМ-сигналов. Видеофильтр с полосой, равной 1% от полосы демодуляции (т. е. 50 МГц), подавляет нежелательные сигналы и шум перед пиковым детектором.
- На графике Chirp Frequency Deviation Time Domain (девиация частоты ЛЧМ-сигнала во временной области) показана погрешность частоты демодулированного ЧМ-сигнала для одного из детектированных ЛЧМ-сигналов.
- В таблице Chirp Results (результаты по ЛЧМ) показаны все интересующие параметры для всех детектированных ЛЧМ-сигналов.
- В этом примере приложение автоматически детектирует ЛЧМ-сигналы и вычисляет девиацию частоты при условии, что в качестве эталонного сигнала лучше всего подходит линейная модуляция.
Рис. 10. Измерительное приложение для анализа переходных процессов R&S FSW-K60c
Детектирование ЛЧМ-сигналов
По умолчанию, приложение для анализа автоматически детектирует т. н. состояния ЛЧМ-сигнала: номинальные скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала в МГц/мкс и диапазон допуска для компенсации эффектов установления. Пока отклонение скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала остается в пределах допуска выше или ниже номинальной частоты, ЛЧМ-сигнал детектируется (рис. 11).
Рис. 11. Таблица описания сигнала в приложении R&S FSW-K60C. ЛЧМ-сигналы детектируются автоматически
В стандартном автоматическом режиме приложение вычисляет номинальную скорость изменения частоты ЛЧМ-сигнала и допуск на основе кривой ЛЧМ-сигнала во временной области (рис. 12). Приложение вычисляет распределение измеренной скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала и детектирует части сигнала с относительно постоянной скоростью изменения частоты.
Рис. 12. Измерение скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала во временной области как основы для детектирования ЛЧМ-сигналов
Номинальные скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала в таблице описания сигнала — те скорости, которые встречаются более часто. Значение допуска увеличивается, если шум сигнала возрастает; скорость изменения частоты ЛЧМ-сигнала непостоянна.
Для первоначального обзора сигнала, как правило, достаточно стандартного автоматического определения. Если номинальная частота сигнала или значения скоростей изменения частоты ЛЧМ-сигналов известны, их можно ввести вручную в таблицу состояний сигнала (рис. 11) и выключить автоматический режим. После этого приложение детектирует ЛЧМ-сигналы, которые соответствуют заданным значениям скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала и допусков.
Измерение линейности ЛЧМ-сигнала: оптимальное и заданное пользователем
Для радиолокационных систем, использующих ЛЧМ-сигналы, линейность частотной модуляции является важным параметром. ЧМ и девиация частоты при измерениях во временной области — ключевые параметры при измерении линейности. Девиация частоты во временной области вычисляется относительно определенного опорного ЧМ-сигнала.
По умолчанию, опорный ЧМ-сигнал вычисляется непосредственно на основе измеренной средней скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала (рис. 12). Любое отклонение от измеренного среднего состояния ЛЧМ-сигнала компенсируются. Настройку по умолчанию рекомендуется использовать, если требуется определить наименьшее отклонение от оптимального соответствия параметров модели. В этом случае устанавливается флажок Compensate Chirp State Deviation (компенсация отклонения состояния ЛЧМ-сигнала) (рис. 13).
Рис. 13. По умолчанию, измеренная скорость изменения частоты ЛЧМ-сигнала используется для измерения линейности ЛЧМ-сигнала
На рис. 14 показан пример измерения линейности методом оптимального соответствия. Маркер устанавливается на пиковой девиации частоты во временной области. На практике часто требуется измерить график девиации частоты относительно известной номинальной скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала, чтобы проверить, что сигнал радара соответствует указанной скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала и допуску. В этом случае можно отключить автоматический режим, ввести требуемые значения скорости изменения частоты ЛЧМ-сигнала и допуска в таблице описания сигнала (рис. 11), измерить отклонение измеренных и указанных значений (рис. 15). Для этого измерения следует отключить автоматический режим и снять флажок Compensate Chirp State Deviation.
Рис. 14. Пример измерения линейности с помощью метода оптимального соответствия: фокус – на ЛЧМ-сигнале №5; параметры ЧМ и девиации частоты во временной области
Рис. 15. Девиация частоты, рассчитанная с помощью номинальных значений скоростей изменения частоты ЛЧМ-сигнала
Измерение времени установления ЛЧМ-сигнала
Чтобы точнее рассчитать частоту, фазу или мощность ЛЧМ-сигналов, задается диапазон измерений и учитывается только определенный участок ЛЧМ-сигнала, например без переходных процессов. Необходимо также измерить время установления ЛЧМ-сигнала, т. е. время, которое требуется ЧМ-сигналу, чтобы оставаться в пределах указанных допусков вблизи номинальной частоты. Параметры установления, например время, точка и длительность установления, вычисляются на основе девиации ЧМ с учетом заданных допусков (рис. 16).
Рис. 16. Параметры измерения времени установления
На рис. 17 показаны результаты измерения времени и точки установления для сигнала из примера на рис. 10, где допуск установления ЧМ был установлен на 1 МГц вблизи номинальной частоты.
Рис. 17. Результаты измерения для допуска установления ЧМ 1 МГц
Заключение
Компания Rohde & Schwarz предлагает гибкое, полностью интегрированное и удобное для пользователя решение для анализа сверхширокополосных сигналов автомобильных радаров в E‑диапазоне. Анализатор R&S FSW85 позволяет измерить непрерывный спектр 2 Гц…85/90 ГГц. Встроенный ЖИГ-фильтр обеспечивает свободный от зеркальных частот спектр в диапазоне до 85 ГГц.
Опция расширения полосы частот до 5 ГГц R&S FSW-B5000 в сочетании с осциллографом R&S RTO в качестве внешнего АЦП обеспечивает выровненный сигнальный тракт с известными характеристиками. Анализатор сигналов управляет осциллографом, так что все операции выполняются с помощью пользовательского интерфейса анализатора R&S FSW.
Приложение для анализа переходных процессов R&S FSW обеспечивает гибкий и глубокий анализ сигналов, передаваемых радарными микросхемами, датчиками и компонентами. Оно измеряет основные параметры сигналов, в частности линейность сигнала.
- Rauscher. Fundamentals of Spectrum Analysis. Rohde & Schwarz. Munich. ISBN 978–3-939837–01–5.
- Rohde & Schwarz, S. Heuel. Radar Waveforms for A&D and Automotive Radar.
- Rohde & Schwarz, S. Heuel. Automated Measurements of 77 GHz FMCW Radar Signals. App. Note.
- Note. IQ-анализатора R&S FSW. Rohde & Schwarz. Munich.
- Руководство пользователя. Опции измерения переходных процессов R&S®FSW-K60. Rohde & Schwarz. Munich.
23 июня, 2020
7 июля, 2020
10 февраля, 2020
Оффтопик: скажите пожалуйста, какова минимальная длина граней для уголкового отражателя радаров 24 и 77 ГГц ?? Нужно для повышения заметности пешеходов автомобилями. Какими разумными способоми пешеходам можно повысить свою радиозаметность на дороге?