减少雷达之间的干扰——为车载雷达系统保驾护航

[{"insert":"越来越多的汽车配备了更多雷达，这被认为是一件好事：雷达越多，意味着安全性越高。相应地，由人为失误所致的道路事故伤亡人数也在减少，这无疑是增加雷达使用数量的一大利好，然而有一个问题却不容忽视：当这些雷达大量并存时，它们会有怎样的表现？\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/e4f8e0c4e63ca4be.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"引言 \n全世界每年有超过百万人死于道路事故，受伤人数更是远高于此。这也是很多汽车大厂积极招聘雷达专家的主要原因。雷达专家的任务是开发雷达系统，使其不仅能够提高汽车的安全性、还能满足关键设计标准（如尺寸和成本）的要求。 \n受此驱动，现在的最新车辆中已经广泛使用了各种各样的雷达系统，比如：自适应巡航控制（ACC）、停止和前进、盲点侦测（BSD）、变道辅助（LCA）和后方碰撞预警（RCW）。而且，这些系统不再仅是用于高端车辆。更确切地说，目前几乎所有类型和价位的车辆都安装了雷达传感器。就实际结果来看，在安全系统得以增强的同时，雷达的占用空间也大大增加。 \n在当今大多数汽车应用中，车载雷达的主要类型是使用了调频连续波（FMCW）信号的雷达。与传统的脉冲雷达不同，FMCW 设计可以避免传输中的峰均功率比（PAPR）过高，从而显著简化天线和射频元器件（例如功率放大器）的设计过程。因此，基于 FMCW 技术的车载雷达系统具有射频组件简化、体积小、重量轻、成本低但性能更佳等优点。 \n这些优点综合在一起，有助于更容易地为更多汽车配备精确、可靠的雷达功能。然而，好消息往往也会携带一些坏消息影响着此类系统的成功运作；而且在设计阶段，对毫米波（mmWave）雷达系统的测试也更复杂。\n \n雷达越多，问题越多？ \n越来越多的汽车配备了更多雷达，这被认为是一件好事：雷达越多，意味着安全性越高。 相应地，由人为失误所致的道路事故伤亡人数也在减少；无论是乘车人还是步行者、骑行者等等，都在从中受益。 \n雷达改进的不仅仅是安全性。 当汽车进入自动巡航控制模式时，其驾驶方式更为保守，不会超速或频繁制动，因而可以节省燃油，减少汽车机械部件所受的压力。 \n这些无疑是增加雷达使用数量的一大利好，然而有一个问题却不容忽视：当这些雷达大量并存时，它们会有怎样的表现？\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/60beb933214062f1.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"1. 当几十辆装有雷达的汽车发生拥堵时，出现干扰的可能性会呈指数级增长。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"以图 1 为例，我们可以看到一个小样本，里面有几十辆汽车，还有几十辆在框架外。这些汽车不一定都安装了雷达，但绝大多数会有，而且未来装有雷达的汽车的比例只会继续增长。于是，在这种汽车密集的场景中，很多都装有雷达，有些汽车甚至还装有多种雷达，可以帮助它们实现变道辅助、距离控制以及更多功能。每个雷达装置都是一台发射机/接收机或收发信机，这意味着信号的发射和接收路径都存在于同一模块内。 \n这就引出了第二个关键问题：我们如何确保每个模块只接收和处理最初发射的信号？ \n当然，现在的每个雷达设计师、制造商或集成商都有自己能够提供某种“故障安全”的特定算法，可确保他们的装置既不检测也不分析来自其他车辆的波形。即便如此，这些算法在消除来自其他模块的干扰方面也可能不会百分百成功，特别是当道路上有大量雷达时。除此之外，可能还会存在来自相邻频段的更多干扰源，致使发生故障的可能性急剧上升。而且，即便故障安全算法能够成功滤除不需要的带内信号，来自另一个源的异常大功率信号也可能会使接收机进入过载或饱和状态，从而导致雷达接收机性能下降。\n \n干扰源不仅仅是其他雷达 \n值得一提的是，2021 年早期的车载雷达通常在 76 GHz 至 81 GHz 的频率范围内以 1 GHz 或 4 GHz 的带宽工作。而在其相邻波段内，还有另外一种吸收和使用潜力巨大的技术：毫米波（mmWave）E 频段回程。该网络将小区基站的无线电接入网（RAN）空中接口连接到内部核心网，确保终端用户与其移动网络之间的连通性。 \n在下方图表中，您可以看到毫米波 E 频段回程的工作范围为 71 GHz 至 76 GHz 和 81 GHz 至 86 GHz，包含了车载雷达频段。这种情况下，毫米波 E 频段信号的邻信道泄漏完全有可能溢出到车载雷达频段并造成干扰。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/32bd7aa41c3108d6.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 2. 毫米波 E 频段回程带包含现在的车载雷达频率，所以就增加了发生射频干扰的可能性。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"这个问题仍在不断加剧，原因是消费者和汽车行业致力于推动汽车实现最大程度的互联。为了做到这一点，汽车中将会更加普及现代连接标准（如 5G），而毫米波 E 频段回程频谱的使用量也将随之增加。这就要求安装在汽车上的雷达模块必须非常强大，足以承受住可能泄漏到车载雷达频段内的信号。图 3 中的概念图示出了每辆汽车可能存在的连接量，由于存在各种不同的信号（包括毫米波 E 频段回程信号），它们可能会成为繁忙道路上层层覆盖的干扰源，而雷达模块必须要能够阻挡这些干扰。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/549771924a3d0b2b.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 3. 随着高度互联且装有雷达的车辆不断增多，妨碍所有此类无线系统的干扰也在持续增加。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"测试难点 \n在我们的道路上各种雷达已经存在了很多年，它们看似彼此共存的很好，那么第三个问题来了：在开发过程中，为什么没有在实验室里就大规模地仿真真实场景，以便进行深度干扰测试呢？ \n部分答案是：直到现在，复杂性一直是最大的困扰。我们来看看“为什么”。 \n \n硬件复杂性 \n无论是汽车测试还是其他无线测试，在实验室里创建真实场景一直都相当困难。只是创建一个典型或具有代表性意义的真实用例场景就需要大量设备和最新的软件（例如，必须保证紧跟不断演进的标准和技术）。 \n而直到现在，难度仍在不断加剧。因为在严格意义上，测试车载雷达干扰需要使用真实场景——必须有许多汽车（例如，几十辆或更多）、大量行人，以及路上和道路周围的许多其他物体。除此以外，还有许多会影响干扰源行为的信道效应（比如如微多普勒效应，等等），而仿真这些效应则是另一个重大挑战。而且，在毫米波频率下创建单个宽带信号就已经足够复杂，而创建多个毫米波信号无疑会进一步放大这种复杂性。\n参考图 4 我们可以展开更详细的讨论：看看在实验室环境下，测试这个相对简单的场景都需要什么。我们先假设蓝色汽车是被测设备（DUT），绿色汽车将使用雷达目标仿真器（RTS）1 进行仿真。对于干扰测试，所有红色箭头都要求信号发生器不仅能够产生宽带自动雷达信号，还要能产生其他可能的干扰信号类型，例如毫米波 E 频段回程信号。在以前，这就需要为每个信号使用独立的仪器；然而，正如我们将在下一节中要讨论的，现在这一切均可通过一个多通道设置加上一个新型升频器（无需外部 LO）来实现，从而进一步降低复杂性。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/faa610a412ad2dc8.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 4. 即使仿真一个仅有三辆车的相对简单的场景，也是一项相当复杂的任务。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"软件复杂性 \n到目前，我们只谈了硬件的复杂性。创建真实信号所需的软件功能也变得复杂得多。一开始，需要有人使用开发工具来创建所需的信号，然后将其下载到每个仪表。预先定义且易于下载的波形并不总是容易获得，手动创建将真实效果融入真实环境仿真的波形肯定会很复杂，并且非常耗时。\n \n对标准化缓解方案的需求 \n尽管存在前面所述的复杂情况且重重困难，但艰难的道路总有尽头，现在我们便看到了曙光。\n多项国际研究证明前景依旧可期，例如欧盟 MOARIM 项目和最近的IMIKO RADAR 项目。它们针对更高的雷达密度进行建模，并仿真了可能存在的干扰场景。 \n有鉴于这些研究和前文提到的情况，我们可以确定，在任何设计过程中，拥有一个缓解干扰的方案都是确保成功的关键。\n为了验证缓解干扰给设计带来的效果，开发人员可以执行多项富有参考意义的检验措施： \n• 测试机载雷达系统中的接收机灵敏度 \n• 测试传导和辐射发射是否符合标准 \n• 测试信号处理、阻断和抗干扰能力 \n• 执行基本射频参数测试 \n信号处理测试的目的是了解雷达设计如何解决频段内、频段外以及远程频带内存在的阻断信号。在此期间有一个特定的测试要求，就是使用大功率连续波（CW）音调作为阻断信号。虽然这些测试被建议全部都要执行，但是对于干扰测试的具体要求和程序，ETSI TS 103 256委员会仍在讨论之中。他们将决定哪些方面会作为接收机测试的强制执行部分。 \n \n更简单的测试策略\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/1fff05e2b1dd11fa.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 5. ETSI 工作组讨论得出的一个典型的干扰测试设置。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 5 展示了 ETSI TS 103 256 当中讨论的一些测试程序，它体现了接收机测试的部分要求。下面我们来介绍一下运行这些测试的典型程序。将要提及的所有测试均可在实验室里使用是德科技的测试设备来重现。 \n• 测试需要使用雷达目标仿真器来仿真和探测一个特定目标。 \n• 需要一个干扰源向“受扰”雷达注入干扰信号。这些信号可以是连续波（CW）、FM 线性调频或其他雷达信号（如 PMCW、OFDM 和定制调制信号），也可以是其中几种。 \n• 修改干扰信号的功率电平，直到雷达丢失其目标或开始出现工作异常。为了使受扰雷达与（进行干扰的）线性调频实现信号同步，可以使用触发功能。 \n• 由于必须使用多个干扰信号和功率电平重复此过程，是德科技提供了自动化软件 Keysight KS83RX0A；该软件能够完全控制所有联网的是德硬件，通过一个软件接口管理多个仪器。图 6 和 7 显示了这个过程的示例结果。我们来仔细看看。 \n两幅图显示的都是自动执行干扰测试的软件用户界面。其中包含四个会话 3。 \n• 左上：雷达发射机信号。 \n• 右上：雷达接收机信号，还包括雷达剖面及侦测。 \n• 左下：显示范围域中的对象。 \n• 右下：两个窗口分别显示创建干扰信号时的自动化测试步骤和随后的功率控制序列。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/a1f01e0475fa881b.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 6. 从上述实验中抓取的截图。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202303/fa49dffb906beac5.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 7. 从上述实验中抓取的其他截图。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"该实验阐明了干扰源对雷达的影响。开始的时候，雷达可以正确侦测到目标，但当 1 GHz 的干扰信号被推到更高的功率电平时，雷达开始失去目标，并且“看到”了许多错误的重影目标。该实验只使用了一个干扰源。 在实际道路上，可能会有更多的车辆，而许多车辆上的许多雷达可能会更快地开始失效。\n \n结论 \n大多数车载雷达系统的核心是 FMCW 技术，它有很多优点：射频组件简化、体积小、重量轻、成本低但性能更佳。这些优点综合在一起，使得为更多汽车装配精确、可靠的雷达功能比以往变得更容易。 \n然而，在 5G 无线通信蓬勃发展的时代，随着配备雷达的联网汽车数量的激增，对于雷达而言，这将是一个充满潜在干扰的工作环境。这就提醒我们需要做好两种应对措施：一是创建标准化的缓解方案；一是要在设计实验室通过精确、可重复的真实环境仿真来进行早期测试。 \n从先进的雷达目标仿真器及其配套软件开始，是德科技已经创建了符合 ETSI TS 103 256 要求的高度逼真的测试解决方案。该解决方案拥有易于升级的硬件组件和持续的软件更新，为现在和未来的车载雷达设计提供了一个经济高效的干扰测试平台。 \n \n我们希望与您并肩前行，实现您的移动愿景 \n在您开始打造下一个创新设计时，是德科技已经准备好测试解决方案，伴随您一路从概念设计走向产品上市。我们的目标是帮助您在以下重塑未来移动性的领域中取得卓越成就并加速发展，这些领域包括传感器系统、无线链路、车载网络、电池和电芯等等。我们所做的一切都是为了支持您尽早获得成功并实现移动性愿景。 \n \n是德科技硬件与软件产品 \n• N9041B UXA 系列频谱分析仪 \n• E8740A-080 车载雷达干扰测试解决方案 \n• M8195A 任意波形发生器 \n• V3063B 谐波混频器（上变频和下变频） \n• E8718A 雷达目标仿真器 \n• KS83RX0A 车载雷达控制软件\n \n——内容来源于是德科技（中国）官网——"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]