Automotive-Radarsensoren

Bild 1: Interferenz-Szenarien. (Bild: Rohde & Schwarz)

Automotive-Radarsensoren class="caption-text">Bild 1: Interferenz-Szenarien. Rohde & Schwarz

Die verschiedenen Hersteller von Automotive-Radarsensoren verwenden unterschiedliche Wellenformen, Timings, Bandbreiten, Antennendiagramme und Signalverarbeitungsverfahren. Dies ist im Hinblick auf die Störfestigkeit von Vorteil, kann aber dazu führen, dass die Radare auf unterschiedliche Weise auf Störeinstrahlungen reagieren. In Automotive-Radarsensoren werden hauptsächlich zwei Arten von Wellenformen eingesetzt. Radare zur Totwinkelüberwachung verwenden häufig Mehrfach-Frequenzumtastung (Multiple Frequency Shift Keying, MFSK) und arbeiten vorwiegend im 24-GHz-Band. Radare im 77- oder 79-GHz-Band nutzen in der Regel lineare, frequenzmodulierte Dauerstrichsignale (Linear Frequency-Modulated Continuous-Wave Signal, LFMCW) oder Chirp-Sequenz-(CS-)Signale, eine spezielle Form der LFMCW-Signale.

ECK-DATEN

Jedes Jahr werden 72 Millionen neue Fahrzeuge mit drei oder mehr Radarsensoren zugelassen. Somit könnten bald 200 Millionen weitere Radarsensoren im Straßenverkehr unterwegs sein. Diese Sensoren müssen mit wechselseitigen Interferenzen zurechtkommen und eine Vielfalt an Signalen sowie Maßnahmen zur Interferenzabschwächung bieten. Das soll Fehldetektionen sowie Blindheit verhindern, falls mehrere Radare in einer HF-Umgebung im gleichen Teil des Frequenzbands arbeiten.

Die Vorteile von CS- gegenüber LFMCW-Signalen liegen in der Auflösung von Mehrdeutigkeiten und dadurch höheren Aktualisierungsraten. Hier reicht ein einziges kohärentes Verarbeitungsintervall aus, um alle Zielobjekte im Überwachungsbereich zu messen und aufzulösen. Bei LFMCW werden mindestens drei verschiedene Chirp-Signale benötigt. Andererseits führt die CS-Wellenform zu einer höheren Verarbeitungskomplexität, da mehrere FFTs notwendig sind. Zudem steigt die Empfängerbandbreite durch Verwendung höherer Chirp-Raten entsprechend den erwarteten Frequenzverschiebungen an. Dadurch werden Maßnahmen zur Interferenzunterdrückung und -abschwächung notwendig.

Seit der Verabschiedung des ETSI EN 301 091-2-V2.1.1-Standards aus dem Jahr 2017 müssen Radarsensoren wie nachfolgend beschrieben auf Störsignale getestet werden. ETSI legt keine bestimmten zu testenden Wellenformen fest („Der Störsignalsender muss in der Lage sein, Dauerstrichsignale bestimmter Frequenzen auszusenden“). Es werden aber die äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) und die Frequenzen angegeben.

Messtechnik für Automotive-Radarsensoren

Um Interferenzunterdrückungsverfahren zu verifizieren und die Störfestigkeit eines Radarsensors prüfen zu können, verwendet Rohde & Schwarz einen Laboraufbau, der die Erzeugung beliebiger HF-Signale ermöglicht. Bild 2 zeigt typische Radar-Störsignale, die mit der Pulse-Sequencer-Software von Rohde & Schwarz generiert wurden. Die Signale werden im Basisband erzeugt und in das E-Band (60 bis 90 GHz) gemischt. Da die meisten Automotive-Radare nur frequenzmodulierte Signale verwenden, lassen sich diese alternativ auch mit einem Vektorsignalgenerator und einem Frequenzvervielfacher erzeugen. Das hat den Vorteil, dass der Testaufbau relativ einfach bleibt und eine hohe Signalbandbreite bietet. Denn der Frequenzvervielfacher skaliert auch die Signalbandbreite. Beide Lösungen entsprechen den Anforderungen des ETSI-Tests, sofern mit einem Mischer-Konzept auch die Frequenzen der Remote-Band-Signale abgedeckt werden können.

Automotive-Radarsensoren

Bild 2: Radarsignal und Radar-Störsignal werden mithilfe der Pulse-Sequencer-Software, dem Vektorsignalgenerator SMW200A und dem Frequenzvervielfacher SMZ90 generiert. Rohde & Schwarz

Dieser Messaufbau lässt sich mit dem Vektorsignalgenerator SMW200A und dem Frequenzvervielfacher SMZ90 realisieren. Eine E-Band-Hornantenne wird an den Ausgang des Frequenzvervielfachers angeschlossen, um das E-Band-Signal über die Luftschnittstelle auszusenden.

Testaufbau mit komplexen Wellenformen

Soll der Radarsensor mit komplexeren Wellenformen getestet werden, etwa mit CDMA- oder OFDM-Amplitudenmodulation, ist ein anderer Aufbau erforderlich. Hierzu wird ein E-Band-Upconverter sowie ein Zweikanal-Signalgenerator benötigt. Dabei wird ein HF-Signal in den Lokaloszillator-(LO-)Eingang des Upconverters und ein zweites moduliertes Signal in den Zwischenfrequenz-(ZF-)Eingang eingespeist. Das LO-Signal wird multipliziert und mit dem ZF-Signal gemischt. Auf diese Weise lassen sich Radare gegen beliebig komplexe Wellenformen testen.

Auswirkungen von Interferenzen auf die Radar-Leistungsfähigkeit

Zur Untersuchung der Auswirkungen von Störsignalen auf einen Radarsensor wurde im folgenden Messbeispiel ein 77-GHz-Sensor verwendet. Da ZF- und FFT-Rohdaten verfügbar sind, kann der Tester die Auswirkungen von Störsignalen auf das FFT-Spektrum sofort feststellen. Je nach der Störsignalleistung, die herunter gemischt wird und in die Empfängerbandbreite fällt, ist ein Ansteigen des Grundrauschens zu erwarten. Der getestete Radarsensor nutzt selbst ein LFMCW-Signal mit einer Signalbandbreite von 200 MHz.

Automotive-Radarsensoren

Bild 3: Der Rauschpegel eines 77-GHz-Automotive-Radar-Spektrums steigt stark an, wenn ein störendes Signal vorhanden ist. Rohde & Schwarz

Mithilfe der Pulse-Sequencer-Software wurden verschiedene Stör-Wellenformen generiert und gegen den Radarsensor gerichtet. In Bild 3 ist erkennbar, dass der Rauschlevel des FFT-Spektrums deutlich ansteigt und Ziele, welche vorher deutlich erkennbar waren, überdeckt werden.

 

Thema auf der nächsten Seite: Test der Auswirkungen von Interferenzen auf die Ziellisten.

 

 

 

Test der Auswirkungen von Interferenzen auf die Ziellisten

Entwickler und Hersteller von Radaren haben üblicherweise eigene Schnittstellen, über die sie auf die ZF-Daten und das FFT-Spektrum zugreifen können. Diese Schnittstellen basieren auf einer Hochgeschwindigkeits-Datenverbindung, da viele Rohdaten übertragen werden müssen. Eine CAN-Schnittstelle ist für derartige Datendurchsätze nicht ausgelegt, weshalb man nicht auf die ZF- und spektralen Daten zugreifen kann.

Benutzer oder Integratoren, die den Radarsensor testen möchten, haben in der Regel keinen Zugriff auf die ZF- oder spektralen Daten. Der Radarsensor stellt sich für ihre Tests als Blackbox dar. Sie müssen die über den CAN-Bus bereitgestellten Daten nutzen und können für ihre Störprüfungen „Ziellisten“ oder „Objektlisten“ nutzen. Der Störfestigkeitstest wird in diesem Fall etwas anders durchgeführt. Für den Störfestigkeitstest erzeugen sie mit einem Radar-Echo-Generator ein Referenzziel. Dabei sendet der Radar-Echo-Generator ein exakt definiertes Radarechosignal mit vorgegebener Entfernung, Dopplerverschiebung und Radarquerschnitt an den zu testenden Radarsensor.

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Bild 4: Der Automotive-Radar-Echo-Generator AREG100A und eine geschirmte Absorberkammer. Rohde & Schwarz

Der Radarsensor meldet dieses simulierte Radarechosignal in der gemessenen Entfernung und mit dem gemessenen Radarquerschnitt (RCS) über die CAN-Bus-Schnittstelle. Der RCS wird nun solange abgesenkt, bis der Radarsensor kein Ziel mehr detektiert. In einer abgeschirmten HF-Umgebung (zum Beispiel Absorberkammer) ergibt sich nun aus dem eingestellten RCS des Radar-Echo-Generators die Detektionsschwelle Pdr (Referenz-Detektionsschwelle) des Radarsensors. Nun wird ein zusätzliches Störsignal erzeugt, welches das Grundrauschen des Prüflings erhöht. Um die Detektionsschwelle in der gestörten Umgebung zu ermitteln, wird der Radarquerschnitt des Radar-Echo-Generators solange erhöht, bis der Radarsensor das Ziel erneut detektiert. Diese Detektionsschwelle wird Pdi genannt. Die Differenz zwischen der Detektionsschwelle Pdi im Störungsfall und dem Referenzpegel Pdr entspricht der Verringerung der Sensitivität in Dezibel in diesem konkreten Szenario.

Der Automotive-Radar-Echo-Generator AREG100A von Rohde & Schwarz ist in der Lage, Radarechosignale mit exakter Entfernung und hoher Dynamik zu erzeugen. Er kann in eine kompakte ATS1000-Absorberkammer integriert werden, um die Störfestigkeit von Automotive-Radarsensoren mithilfe zusätzlicher analoger Signalgeneratoren oder Vektorsignalgeneratoren vollautomatisch zu testen. Als Signalgeneratoren kommen je nach Anforderungen zum Beispiel Geräte aus den R&S-Familien SMA oder SMW infrage.

Automotive-Radarsensoren

Tabelle: Störsignal für 76 - 77 GHz Sensoren ETSI EN 301 091-2 V2.1.1 (2017)

Fazit

Aufgrund der schnell wachsenden Zahl der Automotive-Radarsensoren im Straßenverkehr wird das dafür vorgesehene Spektrum in den 24-, 77- und 79-GHz-Bändern von verschiedenen Sensor- und Signaltypen gleichzeitig verwendet. Als sicherheitsrelevante Komponenten müssen die Radarsensoren wechselseitige Interferenzen erkennen und vermeiden. Das kann zum Beispiel durch eine Variation der Sendesignale geschehen, um auch in einem dicht belegten Spektrum Radarechosignale detektieren, messen, auflösen und klassifizieren zu können. Wie die Messung des kommerziellen 77 GHz Radarsensors in Bild 3 zeigt, steigt der Rauschpegel eines 77-GHz-Automotive-Spektrums stark an, wenn ein Störsignal vorhanden ist. Es stehen Testlösungen zur Verfügung, mit deren Hilfe Entwickler und Integratoren die ordnungsgemäße Funktion ihrer Radare gemäß der Spezifikation auch in anspruchsvollen HF-Umgebungen sicherstellen können.

Dr. Steffen Heuel

Technology Manager bei Rohde & Schwarz München

(jj)

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