一  引言

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



隨著毫米雷達技術(shù)的發(fā)展，特別是大帶寬、高頻率、高精度的雷達產(chǎn)品出現(xiàn)，對技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品本身性能指標的測試提出了很高的要求。相對而言采用數(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)定性并進行充分驗證和測試，技術(shù)實現(xiàn)基本沒有難點。而頻域的方法，則相對是全新的技術(shù)在全新領(lǐng)域要實現(xiàn)突破并產(chǎn)品化，因此還處于技術(shù)探索和創(chuàng)新階段，考慮到汽車自動駕駛的0失誤率的要求，因而無論如何認真都是不過分的。


二  新一代汽車毫米波雷達的技術(shù)趨勢和挑戰(zhàn)

隨著無人駕駛對毫米波雷達的要求，雷達技術(shù)的發(fā)展趨勢是調(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)動因素分析如下：

1. 調(diào)制帶寬更寬

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

更高的分析帶寬對傳統(tǒng)的分析儀器無論是時域還是頻域均帶來了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的時域方法主要是對信號進行下變頻處理再采用實時示波器進行分析，但是下變頻器的帶寬及頻響特性和噪聲帶來的測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)制的雷達信號?？紤]到毫米波雷達的普及性和安全性，未來的雷達需要頻率跳變來避免其它信號對雷達的干擾，甚至雷達會有簡單的通信功能。這些技術(shù)都會使得雷達的信號越來越復(fù)雜，對于測試提出的很高的要求。需要從時域、頻域、解調(diào)域，全方位的對雷達信號做解調(diào)分析。

3. 調(diào)制精度更高

當前的汽車毫米波雷達主要還是利用FMCW來實現(xiàn)對目標距離和速度的探測，所以發(fā)射信號本身的調(diào)制精度就非常關(guān)鍵。發(fā)射端的調(diào)制精度越高，雷達本身的誤差就越小，探測精度就越高。目前國內(nèi)毫米波雷達芯片在3.5GHz調(diào)制帶寬內(nèi)可以實現(xiàn)0.027%的調(diào)制線性度（FM INL）。這個測試不需要變頻，直接在79GHz頻率進行采樣測試，所以測試系統(tǒng)的誤差非常小。

過去業(yè)界傳統(tǒng)的測試方法，都是利用下變頻器對79GHz的雷達信號進行下變頻，用示波器對中頻信號進行采樣分析。這個過程會引入下變頻器和測試設(shè)備自身的誤差，如帶內(nèi)頻響誤差、相位附加噪聲等，這些都會影響對雷達信號分析的精度。

4. 收發(fā)通道數(shù)更多

雷達不僅需要水平角度的探測，還需要垂直角度的探測。同時對雷達角度探測的精度也會提出更高的要求。下圖是4發(fā)12收的雷達天線，在實現(xiàn)對MIMO雷達信號處理時，要求雷達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)，在針對今天的車用MIMO雷達測試明顯已經(jīng)不能勝任，而時域儀器——示波器的通道數(shù)向來是一大優(yōu)勢。因此針對毫米波MIMO雷達的測試，實時示波器必將成為未來不可忽略的玩家。

三  是德科技基于UXR系列實時示波器的mmW測試方案

針對當前，越來越多的超寬帶信號應(yīng)用尤其是汽車毫米波雷達的蓬勃興起，是德科技作為業(yè)界唯一同時精通頻域和時域兩大領(lǐng)域的測量測試產(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分析儀系統(tǒng)——UXR0051AP，推翻了傳統(tǒng)示波器用于射頻信號分析的三座大山：

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，采用滑動窗分析高頻載波信號。

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

針對汽車毫米波雷達的測試應(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79GHz的雷達信號進行采樣，避免下變頻對寬頻信號的幅度精度影響，同時最多4通道的實時采集測試，可以滿足MIMO雷達對通道間幅度和相位測試的要求。


圖2 UXR0051AP毫米波信號分析儀系統(tǒng)

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


表1 UXR0051AP毫米波信號分析儀

在配置N2166A選件升級擴展成2通道后，可以對I/Q信號同時進行分析。如果需要對更多通路信號同時進行測試分析，則可以選擇UXR0254AP型號，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雷達對通道間幅度和相位測試的要求，對其它高速數(shù)字Serdes標準的研發(fā)和驗證測試也提供了強大的支持。

這一系統(tǒng)具有如下能力和特點：

■  256GSa/s實時采樣，直接對82GHz以內(nèi)的信號進行采樣避免下變頻引入的誤差；

■  最多支持四通道同步測試，通道相位精度小于0.5度（RMS）；

■  分析帶寬支持10GHz，5GHz兩種選項；

■  強大的VSA矢量信號分析功能，支持各種復(fù)雜的雷達調(diào)制信號；

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


四  針對實際雷達產(chǎn)品的實測案例

1. Dephi ESR2.5雷達

下圖是Dephi ESR2.5雷達雙幀雷達信號分析。ESR2.5有中距離和遠距離兩種探測范圍，硬件有兩組天線，兩個發(fā)射通道。傳統(tǒng)的頻譜儀是很難測試兩個通道內(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的同步，分別測試兩個發(fā)射通道的發(fā)射功率。


圖3 VSA軟件中FMCW不同雷達參數(shù)同步設(shè)置


圖4 VSA軟件觸發(fā)同步用于測試FMCW雷達信號

2. 基于UXR的mmW選件和VSA 89601C測試方案，對加特蘭公司CAL77S244-AE芯片進行實測驗證。


圖5 加特蘭毫米波雷達芯片

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

■  汽車級全集成毫米波雷達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，支持自動增益控制、幀交錯等功能

■  高速ADC：采樣率高達50MSPS，同時支持降采樣功能

■  雷達信號處理基帶：硬件電路實現(xiàn)完整雷達信號處理

■  CPU：300MHz ARC® EM6

■  片內(nèi)存儲空間：2.625MB RAM

■  支持SoC級聯(lián)功能

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

■  AEC-Q100規(guī)范：Grade2

■  功能安全認證：ISO26262 ASIL-B


圖6 實測連線圖

雷達發(fā)射功率和調(diào)制性能的測試方法如下，雷達芯片直接通過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示波器進行測試。從測試結(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)制線性度測試

下圖是雷達相位調(diào)制測試結(jié)果圖，可以看到FMCW的信號時域內(nèi)的相位周期變化。


圖8 相位調(diào)制測試

雷達發(fā)射通道間的相位差測試。利用UXR多通道和VSA多測量任務(wù)的功能，可以實現(xiàn)對多通道信號幅度差和相位差的測試。利用VSA 89601C 內(nèi)置函數(shù)編輯功能，采用下面函數(shù)即可以實現(xiàn)對兩通道信號相位差的測試。


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  用于信號相位差測試

五  小結(jié)

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