那些參與設(shè)計當(dāng)今汽車所需的雷達(dá)系統(tǒng)的人可以轉(zhuǎn)而依靠能準(zhǔn)確預(yù)測系統(tǒng)性能的軟件。

　　先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS，advanced driver assistance systems)的持續(xù)發(fā)展正在擴大汽車的能力和可支付性，使得汽車能夠使用主要集中在76到81 GHz頻譜的雷達(dá)技術(shù)來警報和協(xié)助駕駛員。這些系統(tǒng)必須執(zhí)行一系列應(yīng)用，操作條件和對象檢測方面的挑戰(zhàn)，以便在駕駛員輔助功能所規(guī)定的特定的范圍(距離)和視場(角度)上提供可靠的覆蓋。

　　本文探討了開發(fā)毫米波雷達(dá)系統(tǒng)和將負(fù)責(zé)下一代智能汽車和卡車的天線陣列技術(shù)背后的一些挑戰(zhàn)。本文的第1部分概述了ADAS系統(tǒng)，并討論了各種雷達(dá)系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)。第2部分討論了多波束和多波段設(shè)計，并研究了用于5G的多輸入多輸出(MIMO)和波束控制技術(shù)的天線設(shè)計，這些對未來的汽車安全是非常有用的。

　　先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS，advanced driver assistance systems)概述

　　為了獲得較高的安全評級，汽車制造商正在通過一系列具有特定安全功能的傳感器來為其新的車型配備駕駛輔助系統(tǒng)。制造商目前正在實施這些基于視覺傳感器技術(shù)和運行在24GHz和/或77 GHz頻段的雷達(dá)系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)檢測車道標(biāo)記并處理其他視覺道路信息。但是，由于降水(特別是雪和霧)以及距離的原因，它們?nèi)菀资艿讲贿m當(dāng)?shù)囊曈X(Vision systems)系統(tǒng)的性能的影響。

　　遠(yuǎn)程雷達(dá)(LRR，Long-range radar )支持多種功能，它們可以舒適地處理30到200米之間的距離，而短程雷達(dá)(SRR)可以檢測在30米距離內(nèi)的物體。雖然解決SRR檢測問題的24 GHz頻段預(yù)計到2022年在新車型中將逐步淘汰，但如今這個頻段的短距雷達(dá)在混合架構(gòu)中普遍存在。同時，支持LRR的77 GHz頻段(76至81 GHz)預(yù)計將為所有未來的汽車?yán)走_(dá)提供短距離和長距離檢測。圖1提供了短程/中程和遠(yuǎn)程雷達(dá)的細(xì)節(jié)。

　　圖1.此處顯示的是ADAS系統(tǒng)的不同范圍，視場(FOV，field-of-views )和功能。

　　77-GHz頻段的技術(shù)優(yōu)勢包括更小的天線(目前是24 GHz頻段天線的三分之一大小)，更高的發(fā)射功率，最重要的是更寬的可用帶寬，從而實現(xiàn)更高的檢測物體分辨率。因此，雷達(dá)調(diào)制技術(shù)，天線波束控制，系統(tǒng)架構(gòu)和半導(dǎo)體技術(shù)的進步正在推動毫米波雷達(dá)在未來的汽車和卡車的ADAS中快速應(yīng)用。

　　為了管理這些技術(shù)的采用，雷達(dá)開發(fā)人員需要RF感知系統(tǒng)設(shè)計軟件，以支持雷達(dá)模擬，對射頻前端組件進行詳細(xì)分析，包括非線性RF鏈路分析，先進的天線設(shè)計和信道建模。采用電路和電磁(EM)分析的聯(lián)合仿真在構(gòu)建和測試昂貴的雷達(dá)原型之前提供對真實系統(tǒng)性能的精確表示。

　　NI AWR軟件提供這些功能，所有這些功能都在一個管理汽車?yán)走_(dá)產(chǎn)品開發(fā)的平臺中進行 - 從最初的架構(gòu)和調(diào)制研究到天線陣列的物理設(shè)計以及基于III-V或者硅集成電路(IC)的前端電子設(shè)備設(shè)計技術(shù)。

　　NI AWR設(shè)計環(huán)境平臺集成了這些關(guān)鍵的雷達(dá)仿真技術(shù)，同時提供必要的自動化技術(shù)，以協(xié)助工程團隊管理與ADAS電子相關(guān)的物理和電氣設(shè)計數(shù)據(jù)這一非常復(fù)雜的任務(wù)。 NI AWR的ADAS的設(shè)計支持包括：

　　針對雷達(dá)系統(tǒng)的波形，基帶信號處理和參數(shù)估計的設(shè)計，針對雷達(dá)測量的具體分析以及用于射頻元件和信號處理的綜合行為模型。

　　針對印刷電路板(PCB)和單片微波集成電路(MMIC)/ RF集成電路的電路級分析和建模(分布式傳輸線路和有源和無源器件)收發(fā)信機的RF /微波前端(包括RFIC)的設(shè)計。

　　平面/ 3D EM分析，用于表征無源結(jié)構(gòu)，復(fù)雜互連和外殼以及天線和天線陣列的電氣特性。

　　仿真軟件與測試和測量儀器之間的連接。

　　雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和調(diào)制

　　對于自適應(yīng)巡航控制(ACC，adaptive cruise control)，同時進行的目標(biāo)范圍和速度測量需要高分辨率和高精度雷達(dá)來管理多目標(biāo)的應(yīng)用場景，如高速公路交通。針對安全應(yīng)用如碰撞避免(CA，collision avoidance)或者自動駕駛(AD，autonomous driving)的未來發(fā)展需要更高的可靠性(極低的誤報率)，并且與當(dāng)前利用相對熟知的波形的較長測量時間(50-100 ms)的ACC系統(tǒng)相比，其反應(yīng)時間明顯更快。

　　汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的重要要求包括ACC的最大距離約為200米，距離分辨率約為1米，速度分辨率為2.5千米/小時。為了滿足所有這些系統(tǒng)要求，已經(jīng)實現(xiàn)了各種波形調(diào)制技術(shù)和架構(gòu)，包括連續(xù)波(CW)發(fā)送信號或者具有超短脈沖寬度的經(jīng)典脈沖波形。

　　連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)與脈沖波形相比的主要優(yōu)點是對于固定的高分辨率系統(tǒng)需求而言其測量時間較短，計算復(fù)雜度相對較低。目前文獻中廣泛報道的兩類CW調(diào)制波形包括使用至少兩個不同的離散發(fā)射頻率的線性頻率調(diào)制(LFMCW，linear-frequency modulation)和頻移鍵控(FSK，frequency-shift-keying )。下面的表格比較了不同雷達(dá)體系結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點。

　　表1

　　對于ACC應(yīng)用，同步距離和相對速度是最重要的。當(dāng)采用LFMCW和FSK滿足這些要求時，LFMCW需要多個測量周期和數(shù)學(xué)求解算法來解決模糊問題，而FSK缺乏距離分辨率。結(jié)果，將LFMCW和FSK組合起來合成稱為多頻移鍵控(MFSK，multiple-frequency-shift-keying )的單個波形的技術(shù)是相當(dāng)重要的。 MFSK專門為汽車應(yīng)用中的雷達(dá)開發(fā)服務(wù)的，它由兩個或者更多的發(fā)射頻率組成，具有交織的頻移和一定的帶寬和持續(xù)時間(如圖2所示)。

　　圖2、這是MFSK的簡單示例。

　　如前所述，脈沖雷達(dá)也廣泛用于汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。其相對速度可以使用相干發(fā)射機和接收機從測量包含傳達(dá)相對速度的多普勒頻率的脈沖到脈沖相位變化的連續(xù)脈沖中確定。對于脈沖多普勒(PD，pulsed-Doppler)雷達(dá)，距離仍然是由信號傳播時間來衡量的。為了測量距離和相對速度，脈沖重復(fù)頻率(PRF，pulse-repetition frequency)是一個重要的系統(tǒng)參數(shù)。

　　在決定哪種架構(gòu)和波形調(diào)制技術(shù)在保持開發(fā)和生產(chǎn)成本目標(biāo)的同時提供必要的性能要求時，需要考慮對許多設(shè)計因素的折衷。 NI AWR設(shè)計環(huán)境，特別是可視系統(tǒng)模擬器(VSS)系統(tǒng)設(shè)計軟件可以滿足這些要求，該系統(tǒng)設(shè)計軟件專門用于RF系統(tǒng)的設(shè)計和實施。它提供了一個通常稱為模擬技術(shù)和無線電模塊/信號處理模型的工具箱，并支持用戶對開發(fā)的編碼。

　　VSS是一種射頻和無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計解決方案，能夠準(zhǔn)確地表示信號的生成，傳輸，天線，T / R切換，雜波，噪聲等，為RF和數(shù)字信號處理(DSP)干擾，接收，信號處理以及當(dāng)今先進雷達(dá)系統(tǒng)的信道模型設(shè)計挑戰(zhàn)和分析要求。

　　圖3顯示了VSS工作空間示例，它演示了ACC雷達(dá)的體系結(jié)構(gòu)，調(diào)制方案，信道建模和測量配置。該工作空間包括一個帶有信號發(fā)生器，射頻發(fā)射器，天線，雜波，射頻接收器，運動目標(biāo)檢測(MTD)，恒虛警率(CFAR)處理器和用于仿真目的的信號檢測器的脈沖多普勒(PD，pulse-Doppler)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計。

　　圖3中所示的是用VSS軟件創(chuàng)建的脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計。

　　線性調(diào)頻信號電平設(shè)置為0 dBm，PRF為2 kHz，占空比為25%。目標(biāo)模型由多普勒頻率偏移和目標(biāo)距離來定義。到達(dá)角度(THETA / PHI)在數(shù)據(jù)文件中指定并隨時間變化。生成多普勒頻率和信道延遲來描述具有不同速度和距離的目標(biāo)返回信號，同時可以包含雷達(dá)雜波模型，并且可以形成功率譜。在這個例子中，雜波幅度分布被設(shè)置為瑞利(Rayleigh)分布形式，并且雜波功率譜由威布爾(Weibull)概率分布形式。

　　圖4顯示了一個包含振蕩器，混頻器，放大器和濾波器的射頻發(fā)射機。其增益，帶寬和載波頻率是根據(jù)RF設(shè)計團隊提供的系統(tǒng)要求或者實際的硬件性能指定的。同樣，射頻接收器包括振蕩器，混頻器，放大器和濾波器。增益，帶寬和載頻是根據(jù)系統(tǒng)要求確定的。

　　圖4.這個RF發(fā)射器模塊基于一個包含濾波，放大和變頻的子電路。

　　隨著收發(fā)器前端設(shè)計細(xì)節(jié)的出現(xiàn)，可以與電路仿真器Microwave Office進行聯(lián)合仿真。如稍后將討論的，收發(fā)器電子設(shè)備和波束形成天線陣列之間的交互可以經(jīng)由電路，系統(tǒng)和EM協(xié)同仿真來分析。

　　MTD用于更有效地檢測運動物體。 MTD基于PD雷達(dá)的高性能信號處理算法。一組多普勒濾波器或FFT運算符涵蓋所有可能的預(yù)期目標(biāo)多普勒頻移，MTD的輸出用于CFAR處理。在這個特定的例子中提供了對檢測率和CFAR的測量。

　　雷達(dá)信號波形必須在接收機輸入的時域進行測量。由于目標(biāo)返回信號經(jīng)常被雜波，干擾和噪聲所阻擋，所以在時域中的檢測是不可能的，并且MTD被用于在頻域中執(zhí)行多普勒和范圍檢測。在MTD模型中，數(shù)據(jù)被分組以針對相應(yīng)的目標(biāo)距離和多普勒頻率。之后，使用CFAR處理器根據(jù)所需的檢測概率和虛警(圖5)來設(shè)置判定門限閾值。

　　圖5.定義發(fā)射和接收天線，信道和目標(biāo)與雷達(dá)的掃描距離(包括地面雜波的建模)的子電路。

　　這個相對簡單的設(shè)計可以用作不同PD應(yīng)用的模板。雷達(dá)信號是PRF，功率和脈沖寬度(占空比)的函數(shù)。這些參數(shù)可以針對不同情況進行修改。在仿真中，雷達(dá)信號也可以通過數(shù)據(jù)文件讀取器以任何定義的信號來取代，其中記錄的或其他定制數(shù)據(jù)可以容易地使用。 VSS提供了模擬和建模功能，以改進雷達(dá)體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)越來越精確的信道模型(包括多徑衰落和地面雜波)，并為收發(fā)信機鏈路預(yù)算和詳細(xì)的天線輻射模式要求制定性能規(guī)范。

　　圖6中的曲線顯示了幾個仿真結(jié)果，包括發(fā)射和接收的啁啾波形，天線輻射方向圖，以及包括相對速度和距離在內(nèi)的多個系統(tǒng)的測量結(jié)果。在這個模擬中，到目標(biāo)的距離被掃描，以反映接近并通過靜止雷達(dá)的車輛，導(dǎo)致多普勒頻率將符號從負(fù)向反轉(zhuǎn)為正向(紅色曲線)，并經(jīng)過雷達(dá)產(chǎn)生相對距離為零的目標(biāo)。在ACC的汽車?yán)走_(dá)中，速度和距離信息將被用于警告駕駛員或者采取糾正措施(例如施加制動)。

　　圖6.顯示在系統(tǒng)度量圖中的仿真結(jié)果。