應用指南| 采用MS2760A超便攜頻譜儀測試汽車毫米波雷達發(fā)表時間:2025-02-06 17:40 應用指南| 采用MS2760A超便攜頻譜儀測試汽車毫米波雷達前言 調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)信號是雷達應用中用于目標檢測的調(diào)制波形的常見形式。最常見的現(xiàn)代應用是汽車雷達,其中FMCW啁啾信號幾乎可以在每個方向上傳輸,用于自適應巡航控制、盲點監(jiān)測、倒車警告和防撞等功能(圖1)。本應用指南將回顧FMCW信號基礎知識,討論測量挑戰(zhàn)/解決方案,并展示Spectrum Master MS2760A超便攜式頻譜分析儀如何進行基本的FMCW雷達測試。 MS2760A超便攜式頻譜分析儀 產(chǎn)品鏈接:http://www.ogim.org/h-pd-237.html? 圖1 雷達傳感器正被用于現(xiàn)代汽車中的各種不同檢測應用 FMCW啁啾特性 典型的線性FMCW信號是頻率隨時間線性增加的簡單正弦波(或CW)信號。信號從最低頻率到最高頻率的時間間隔稱為啁啾(Chirp)。這可以表示為振幅隨時間的變化,如圖2所示,或者更常見的是頻率隨時間的改變,如圖3所示。 圖2 FMCW信號表示為振幅隨時間的變化 圖3 FMCW信號表示為頻率隨時間的變化 FMCW信號的頻率與時間的關(guān)系圖告訴我們啁啾信號的幾個重要特征,包括:啁啾的頻率帶寬、啁啾時間和啁啾頻率的斜率(見圖4)。這些因素在調(diào)整FMCW雷達的性能方面很重要。例如,傳感器提供的距離分辨率與啁啾的帶寬成正比(公式1): 公式1:距離分辨率 圖4 FMCW啁啾信號特征 帶寬越寬,可以檢測到的分辨率就越高。然而,分辨率必須與雷達的最大距離相平衡,該距離與啁啾的斜率(或頻率增加的速率)成正比,如公式2所示 公式2:最大距離 因此,對于固定的啁啾時間,更寬的帶寬將提高距離分辨率,但也會增加斜率,從而減小最大距離,反之亦然。在汽車雷達應用中,不同的啁啾可用于不同類型的傳感器。例如,像自適應巡航控制這樣的應用可能需要長距離能力來識別車流量較小場景中的車輛,但不需要那么精細的分辨率。然而,放碰撞則需要對短距離內(nèi)的快速變化做出更快的反應,因此分辨率將更為重要。 啁啾幀 了解啁啾的順序也很重要。連續(xù)的啁啾被稱為一幀。啁啾幀可以由10秒或數(shù)百個啁啾信號組成,具體取決于應用。這些啁啾可以是均勻的,也可以是混合的,有些啁啾具有更寬的帶寬和更陡峭的斜率,而另一些啁啾具有窄的帶寬和平緩的斜率。幀特性可以被規(guī)劃以提高射頻性能,同時使芯片更節(jié)能。一幀中的多個啁啾也為傳感器提供了可用于計算速度的多普勒信息。通過增加啁啾幀時間來提高速度分辨率(公式3)。幀的長度(或幀時間,Tf)將影響雷達可以檢測到的速度分辨率。較長的幀(由更多的啁啾組成)將具有更精細的速度分辨率。 公式3:速度分辨率與幀長的函數(shù)關(guān)系 幀中的啁啾可以緊接著傳輸,也可以在每個啁啾之間有一些空閑時間。在每一幀之后,通常都有一個“關(guān)閉時間”來分離幀突發(fā),并提高芯片的功率和性能。圖5以框架圖顯示了所有這些特征。 圖5 啁啾幀特征示意圖 測量FMCW信號的難點 在現(xiàn)實世界中,測試和測量這些不同的啁啾射頻特性可能很困難。造成這一困難的幾個因素是:
表1:各地區(qū)汽車雷達頻率分配示例 基礎頻譜分析儀 大多數(shù)頻譜分析儀的速度不足以在一次掃描中捕獲啁啾。典型的頻譜分析儀將按順序采樣和處理,這會在儀器沒有測量信號的地方留下盲點。當像FMCW啁啾信號在頻域中隨時間快速移動時,分析儀很可能會在盲點期間錯過信號中的運動(見圖6)。這將導致分析儀要么不顯示信號,要么只顯示信號的一部分,在錯過頻率變化的地方會出現(xiàn)信號丟失(見圖7)。 圖6 頻譜分析儀按順序采樣和處理,可能會錯過信號隨時間的變化 圖7頻譜分析儀測量FMCW信號中的丟失示例(振幅與頻率) 實時頻譜分析儀 實時頻譜分析儀(RTSA)是一種更可行的解決方案,因為它們在后臺進行處理的同時連續(xù)采樣,基本上消除了測量中的盲點。這使得它不太可能錯過啁啾信號的變化,但真正的實時頻譜分析測量受限于儀器的分析帶寬,通常在數(shù)十或數(shù)百兆赫茲。自動雷達FMCW啁啾信號的寬度可以從10 MHz到10 GHz不等。如果要求分析儀的跨度大于最大實時帶寬,則必須采集多個樣本并將其“縫合”在一起。然而,這些樣本是按順序采集的,因此測量將再次出現(xiàn)盲點。除了帶寬限制外,大多數(shù)具有較寬分析帶寬的頻譜分析儀在頻率范圍內(nèi)通常不會高于43 GHz,這使得它們無法應對通常高于70 GHz的大多數(shù)FMCW技術(shù)。 示波器采樣 監(jiān)測FMCW啁啾信號的一種常見技術(shù)是示波器和頻譜分析儀的組合(圖8),其中示波器足夠快可以捕獲啁啾的所有時間和頻率特性。示波器能夠捕獲信號的基本正弦波,可用于分解并產(chǎn)生圖2-5所示的所有啁啾和幀特性。 圖8示波器+頻譜分析儀的組合 雖然這是技術(shù)上最完整的解決方案,但它也是迄今為止最昂貴的,因為它需要購買兩臺儀器以及連接它們和分析結(jié)果所需的所有軟件許可證。此外,該解決方案提供的測量類型往往超出所需,特別是在僅需要基本功能測試的生產(chǎn)或外場環(huán)境中。最后,這種解決方案也很笨重,這可能使其難以在暗室內(nèi)或外場測試中使用。 使用Spectrum Master MS2760A測試FMCW信號 安立Spectrum Master MS2760A超便攜式頻譜分析儀是測量FMCW信號的強大解決方案。它屬于上一節(jié)中的“基本頻譜分析儀”類別,但與其他分析儀相比,它有幾個明顯的優(yōu)勢。
首先是它的尺寸。Spectrum Master MS2760A是唯一一款可連續(xù)覆蓋9 kHz至170 GHz頻率的口袋大小的頻譜分析儀。這使得它很容易帶到外場進行測試或暗室內(nèi)測試,并且很容易集成到產(chǎn)線系統(tǒng)中。這一尺寸和頻率組合是通過使用安立公司的專利非線性傳輸線(NLTL)技術(shù)實現(xiàn)的。NLTL “shockline”接收機在非常高的頻率下產(chǎn)生諧波,使分析儀能夠一直采樣到170 GHz。這意味著不需要笨重的混頻器來對信號進行下變頻,從而使外形尺寸盡可能小。此外,大部分信號處理已被推送到PC上進行,因此不需要額外的主板硬件。這意味著Spectrum Master MS2760A可以很容易地集成到暗室測試和/或從實驗室中取出進行各種現(xiàn)場測試。
如前所述,包括汽車雷達在內(nèi)的毫米波測試可能非常困難。獨立的毫米波頻譜分析儀(即不包含諧波混頻器的頻譜分析儀)極其復雜且昂貴。因此,實驗室經(jīng)常被迫分時共享設備。這會降低測試效率,從而減緩開發(fā)速度并延長上市時間。Spectrum Master MS2760A的實惠價格使公司能夠為更多的工程師配備毫米波頻譜分析儀,使他們能夠并行工作而不是順序工作,從而降低了項目延誤和不切實際的資本支出的風險。 圖9 MS2760A將毫米波測量能力交給更多的工程師/技術(shù)人員,以推動更快的產(chǎn)品開發(fā) 此外,對于可以連續(xù)運行幾天的暗室測試,Spectrum Master MS2760A可以提供恒定的覆蓋范圍,而不會占用不必要的資本支出。在設備有限的情況下,很難證明長期壟斷一臺極其昂貴的設備是合理的。Spectrum Master MS2760A是監(jiān)測信號功率或頻率變化的完美替代品。工作溫度為0至50?C,內(nèi)置溫度校準系數(shù),在某些條件下,它甚至可以與DUT一起放置在暗室中。 應對測量挑戰(zhàn) 如前所述,基本頻譜分析儀難以測量FMCW啁啾信號的快速變化特性。Spectrum Master MS2760A通過幾個特定功能克服了這些挑戰(zhàn)。
克服測量盲點的關(guān)鍵是讓分析儀在開始處理之前有時間看到信號中的所有變化。MS2760A是一款快速傅里葉變換(FFT)分析儀,這意味著它一次捕獲20 MHz的數(shù)據(jù),然后用傅里葉變換處理這些數(shù)據(jù)。如果保證每20 MHz的捕獲都能看到完整的啁啾信號,那么就不會有盲點。這可以通過在執(zhí)行快速傅里葉變換之前設置接收機的最小捕獲時間來管理。由于幀周期和關(guān)閉時間,將捕獲時間設置為等于啁啾時間通常不夠好。啁啾之間的空閑時間和幀之間的關(guān)閉時間會導致信號的停止工作。如果快速傅里葉變換在關(guān)閉時間內(nèi)下降,它將在FMCW包絡中顯示一個間隙。如果沒有空閑或關(guān)閉時間,最小捕獲時間可以等于啁啾時間,但是,如果有關(guān)閉時間,則必須增加捕獲時間以捕獲所有空閑和/或關(guān)閉時間(見圖10)。 圖10 最短捕獲時間必須捕獲所有停機時間 使用MS2760A,可以通過在控制軟件的SWEEP菜單中設置MIN CAPTURE TIME來實現(xiàn)上述設置。將捕獲時間設置為更長的時間可能很吸引人,但最好將其設置得盡可能低,因為更長的捕獲時間等于更長的掃描時間(即更長的測試時間)。
當使用最小捕獲功能時,MS2760A提供有關(guān)整體FMCW傳輸?shù)挠杏眯畔ⅲㄩ_始/停止頻率、帶寬、幅度等),但它不提供有關(guān)單個啁啾或啁啾幀的任何信息。如前所述,直接重建啁啾幀圖需要一個極快的接收機,如示波器。通過使用零掃寬功能,仍然可以收集足夠的信息來手動推導出大部分啁啾特性。 零掃寬是一種先進的頻譜分析儀工具,它基本上在單個頻率上歸零,并跟蹤該頻率隨時間變化的幅度。圖11說明了這如何與FMCW啁啾一起工作。上圖顯示了零掃寬基本上是如何取框架圖的水平橫截面的。下圖顯示了頻譜分析儀屏幕上顯示的內(nèi)容。 通過此零掃寬視圖,可以讀取基本信息以再現(xiàn)實時FMCW信號的啁啾圖,例如幀時間、幀周期和每幀的啁啾數(shù)量。 圖11 FMCW雷達信號的零掃寬測量圖示 示例 以下是MS2760A在76至77 GHz的空口環(huán)境下測量1 GHz帶寬FMCW啁啾的示例。軟件根據(jù)儀器的RBW將儀器默認為最快的捕獲時間。在這種情況下,將捕獲時間設置得盡可能低,分析儀在大約350毫秒內(nèi)掃過1.2 GHz的跨度。但是,它無法看到任何信號(圖12)。 圖12以非常低的捕獲時間測量FMCW,看不到信號 從SWEEP菜單中,可以增加MIN CAPTURE TIME以匹配或超過整個幀周期。雖然這將增加掃描時間,但分析儀將能夠看到信號。在這種情況下,幀周期為50ms,因此最小捕獲時間設置為相同。圖13顯示了結(jié)果。 圖13顯示完整的FMCW包絡,捕獲時間等于幀周期 在單次掃描中,分析儀能夠捕獲信號的所有變化,并產(chǎn)生完整的FMCW啁啾包絡。請注意,掃描時間現(xiàn)在已從350毫秒增加到1.15分鐘。減小MIN CAPTURE TIME將提高掃描速度,但如果它太低,將開始出現(xiàn)遺漏,如圖7所示。請注意,這本質(zhì)上是一個“最大保持”包絡;需要啁啾幀的許多周期來捕獲軌跡。然而,與最大保持跟蹤相比,這種方法的一個優(yōu)點是,如果信號丟失,它將在掃描中反映出來。最大保持跟蹤會掩蓋這種影響。 現(xiàn)在假設設置捕獲時間所需的幀周期未知。這就是零掃寬有用的地方。圖14顯示了當分析儀處于零掃寬模式時,這種啁啾是什么樣子的。在這種情況下,顯示了兩個啁啾幀,其間有關(guān)閉時間。通過使用標記,可以很容易地測量幀時間和幀周期。標記1和2之間的時間大約為15ms(幀時間),1和3之間的時間約為50ms,這是幀周期和頻域中MIN CAPTURE TIME所需的值。 圖14零掃寬中觀察到的FMCW啁啾幀 更進一步,放大一幀可以提供更多有價值的信息。請注意,啁啾幀由多個單峰組成。這些峰值中的每一個都代表幀內(nèi)的啁啾。計算峰值(在這種情況下為32)可以得出每幀的啁啾次數(shù),甚至每個啁啾之間的時間(見圖15)。 圖15仔細觀察零跨度中的一幀,顯示幀中的啁啾數(shù)量 只需兩個基本設置,MS2760A就能夠測量這種基本汽車雷達信號的開始/停止頻率、帶寬、振幅、幀時間/周期和每幀的啁啾。一般來說,這足以在實驗室、生產(chǎn)中甚至現(xiàn)場對FMCW發(fā)射機進行基本功能測試。 結(jié)論 FMCW雷達正在許多領(lǐng)域徹底改變目標探測技術(shù),特別是汽車雷達。然而,這種復雜調(diào)制方案的射頻測量可能是復雜、昂貴和耗時的。Spectrum Master MS2760A超便攜手持頻譜分析儀是基本FMCW雷達測試的優(yōu)秀工具,將有用的測量與無與倫比的尺寸和便利性相結(jié)合。 關(guān)于安立 內(nèi)容版權(quán)歸原作者所有,此處僅作分享學習使用,如有侵權(quán),請聯(lián)系本站刪除 |
暫無留言