【应用】用于先进汽车雷达研发和制造的Keysight最可靠和精确的测试解决方案

每年有120万人死于车祸，其中90%以上的致命事故是人为失误造成的，如酒后驾驶、超速、无视交通信号、开车时发短信等。为了尽可能减少汽车事故的发生，汽车制造商、汽车供应商、政府机构、学术界，甚至非汽车技术供应商都在联合开发高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶汽车。这个新的汽车生态系统融合了多种先进技术，如: 传感器与无线电探测和测距(雷达)、光探测和测距(激光雷达)和光学传感器(相机)的融合；集汽车以太网网络、强大信号处理、带有高清晰度(HD)的导航地图、人工智能(AI)于一体的高速信息系统；实现车辆对车辆(V2V)、车辆对网络(V2N)、车辆对基础设施(V2I)、车辆对行人(V2P)、车辆对公用事业(V2U)以及最终车辆对一切(V2X)的通信。

每一种传感技术都有其优越性和局限性，因此汽车工业不能仅仅依靠一种单一的传感技术。自动驾驶行业的大多数主要设计者将这三种传感技术结合在一起，以确保他们的自动驾驶系统能够获得跨越距离、高分辨率的可靠数据。

你只能通过这三种主要的传感技术避开探测到的东西

在所有的传感技术中，激光雷达是最新的，并且在自动驾驶汽车市场上引起了轰动。它使用激光提供最精确的3D绘图，并扫描自动驾驶汽车周围360度的空间，最远可达100米。一些激光雷达系统可提供多达64个频道和超过每秒一百万点的扫描。这些信息提供了2厘米的高精确度来应对变化的环境。

然而，基于激光的传感技术尚未在大众市场应用中得到证实，它依赖于旋转360度扫描的移动部件。激光雷达产生大量的数据，需要巨大的信号处理能力和数据管理子系统。尽管最近宣布了更经济的激光雷达版本，但是这些传感器仍然非常昂贵。

光学相机传感是成本最低的技术，尽管图像处理成本可能很高。它提供对象的识别和分类，并读取交通标志。然而，基于摄像的传感技术受到天气等环境条件的影响，不能一直依赖于此。在一场悲剧事故中，一辆装有摄像头的半自动驾驶汽车未能在白色天空背景前辨认出道路上的一辆白色卡车。

汽车雷达是几乎在任何情况下都能探测目标距离和运动(包括速度和角度)的最可靠技术。它利用反射无线电波探测其他障碍物背后的障碍物，信号处理要求低。几十年来，雷达技术已经在许多安全意识很强的行业得到了证实，比如航空、空中交通管制、海上运输、执法部门，当然还有汽车行业。

传统的24GHZ窄带汽车雷达在区分物体和识别人、狗、其他汽车甚至纸箱方面能力有限，虽然雷达传感技术不能提供足够的数据来实现完全自主驾驶系统，但汽车雷达通过减少人为驾驶错误， 为ADAS的发展提供了好处，使其成为完全自主驾驶车辆成为主流之前的一个很好的桥梁平台。目前，ADAS在汽车雷达传感技术中的大量应用包括自动紧急制动系统、正向碰撞预警、盲点检测、变道辅助、后侧碰撞预警系统、高速公路自适应巡航控制、以及在拥堵的交通中走走停停的巡航控制。

 表1 基于无线电波的雷达、基于图像的摄像机和基于光的激光雷达传感技术的比较

虽然每一项技术在自动驾驶汽车的发展中都扮演着重要的角色，但传感器对于实现提高道路安全的目标至关重要。从所有可用的传感器中，不管光、暗、晴或下雨条件下，汽车雷达可以唯一地确定速度、范围和角度这三个目标变量。

汽车雷达使驾驶更安全

汽车雷达传感技术由24 GHZ窄带传感器主流，目前正迅速向高频76 - 81 GHZ频带和宽5 GHZ带宽、毫米波、调频连续波形(FMCW)和波束形成天线发展。76 GHZ用于远程检测，77 - 81 GHZ频段用于短程、高精度检测。距离测量误差和最小可解距离与带宽成反比，从24GHZ过渡到77GHZ在距离分辨率和精度方面提供了20多倍的性能。例如，从24GHZ系统的75cm到77GHZ系统的4cm的范围分辨率的改进可以更好地检测到多个靠近的对象(图1)。

低分辨率                                                            高分辨率

雷达24GHZ频带                                               雷达79 GHZ频带

   实物                 雷达感知                             实物                  雷达感知

图1 与带宽有关的分辨率比较

在波长较短的情况下，速度测量的分辨率和准确度也相应提高。因此，通过从24GHZ过渡到77GHZ，速度测量可以提高3x倍。从传统的24GHZ到77GHZ系统的转变的另一优点是尺寸和重量的减小。由于77 GHZ的波长是24 GHZ系统的三分之一，所以77 GHZ天线的总面积是类似24 GHZ天线的九分之一。开发人员可以使用更小、更轻的传感器，并更容易地隐藏它们，以获得更好的燃油经济性和汽车设计。

1 GHZ和4 GHZ带宽之间的测试比较(图2)清楚地表明，只有更高带宽的解决方案才能测量两个不同的对象，距离接近10厘米。低带宽雷达无法检测到两种不同的目标，并向驾驶员或自动驾驶系统提供错误的数据，导致错误的决策。如果一个人和他的狗走得很近，狗突然跳到路上，只有更宽的带宽雷达(见图2，测试在右边)可以分别检测到，并向司机或自动驾驶系统提供正确的信息。另一方面，较窄的带宽雷达(测试在左边)提供错误或混淆的信息，可能导致悲惨的事故。

图2 带宽比较测试:4 GHZ(右)显示两个分离的对象，仅相隔10厘米

随着分辨率和射程的提高，汽车雷达在任何情况下都能使驾驶更安全。一个司机在高速公路上以每小时55英里的速度发短信时，可能会忽略掉整个足球场的交通状况。虽然分心的司机可能没有注意到交通减速，但基于雷达的ADAS系统会在潜在的撞车前发出声音和视觉警告。如果驾驶员不采取任何行动，ADAS系统可以启动完全自主制动响应，以避免碰撞或减少冲击力。只有毫米波带宽的高级汽车雷达可以在晴雨或下雨天气下，为了短期和远距离的物体检测，在阳光或下雨的天气下执行这一关键任务。

用于先进汽车雷达研发和制造的KEYSIGHT测试解决方案

研制毫米波汽车雷达要求将传播损耗、相位噪声、IQ和频率响应误差以及噪声降低对评估模块(EVM)的影响。对毫米波，特别是76 - 81 GHZ波段的测试，需要一个复杂的测试解决方案，涉及到许多仪器、电缆、连接器和附件，使其难以确保测试结果的可重复性。生成和描述准确的宽的带宽毫米波信号,它是至关重要的应用最可靠和精确的测试解决方案。

(1) 设计仿真

灵活、准确、易于设置的信号生成是最佳雷达系统设计和测试的核心。Keysight SystemVue W1908汽车雷达库是一个仿真软件，帮助汽车雷达基带算法开发人员、系统架构师和研究工程师，它拥有超过40个模型库，具有参考设计和额外的汽车雷达场景模拟。它为快速微波雷达波形生成、信号调制、天线建模、信道仿真和信号处理提供了全面的工具。用户可以简单地连接不同的模型建立的场景,比如Keysight独特的行人步行微多普勒的场景模型。

参考设计，如多目标距离和速度测量和使用天线阵列的三维扫描雷达，为早期模拟和原型设计提供了一个很好的起点。例如，SystemVue库可以生成三种不同类型的FMCW信号(图3)。定制的信号功能(图3，下一页;图右侧显示的测试)允许用户自由地创建自己的自定义FMCW波形，以获得最大的设计和测试灵活性。

图3 由Keysight SystemVue W1908汽车雷达库生成的FMCW信号

(从左到右:锯齿、三角形和自定义FMCW波形)

(2) 开发

汽车雷达开发工程师可以将仿真波形下载到Keysight任意波形发生器和矢量信号发生器上，转换成毫米波频带，并通过实际硬件测试验证其设计和仿真。任意波形发生器(AWGs)，如Keysight M8195 65 GSa/s AWG，用于产生宽带雷达信号，用于测试汽车雷达信号。Keysight性能汽车雷达信号生成解决方案E8740A - 070,包括AWG,矢量信号发生器和升频器,产生理想的参考信号(取代Tx LO / VCO),干扰、杂波和干扰测试信号(Rx测试)。

                                       表2 高速AWG功能和优点测试汽车雷达

对于包括RF功率、频谱发射、相位噪声、频率稳定性和调制质量的宽带宽汽车雷达信号分析，Keysight性能的汽车雷达信号分析解决方案e8740a - 060提供了高达110GHZ频率的工业上最强大的信号分析能力，以及用于额外设计余量的5GHZ带宽。独特的- 150dmb / Hz显示平均噪声级(DANL)使开发人员能够测量低水平和敏感的雷达信号，这也有助于工程师根据需要使用空中(OTA)测试环境。

(3) 制造

为了帮助先进的汽车雷达制造商降低其雷达生产测试的成本和时间，Keysight提供了一个可伸缩、可靠、准确和可重复的雷达目标模拟器(RTS)解决方案。适用时间延迟，多普勒频移和衰减模拟范围，径向速度法，和雷达截面(对象)的大小分别模拟测试范围从近1米和450米，速度从0±360公里/小时。

高频宽带雷达是今后道路安全的最佳选择

汽车雷达是当今在所有环境条件下提高驾驶安全的领先传感技术。先进的汽车雷达利用76 - 81GHZ波段更高的频率和5 GHZ更宽的带宽，为更高的分辨率，更小和更轻的传感器设计，适用于当前和未来的ADAS，和即将到来的自动驾驶系统。

为了实现零致命车祸的理想世界，汽车雷达开发人员需要优化他们的设计和测试方法，并自信地证明他们的解决方案的可靠性和安全性。Keysight在先进的汽车雷达设计和测试解决方案中领先，帮助您以更快的速度创新并保护生命。