前言
调频连续波（FMCW）信号是雷达应用中用于目标检测的调制波形的常见形式。最常见的现代应用是汽车雷达，其中FMCW啁啾信号几乎可以在每个方向上传输，用于自适应巡航控制、盲点监测、倒车警告和防撞等功能（图1）。本应用指南将回顾FMCW信号基础知识，讨论测量挑战/解决方案，并展示Spectrum Master MS2760A超便携式频谱分析仪如何进行基本的FMCW雷达测试。
图1 雷达传感器正被用于现代汽车中的各种不同检测应用
FMCW啁啾特性
典型的线性FMCW信号是频率随时间线性增加的简单正弦波（或CW）信号。信号从最低频率到最高频率的时间间隔称为啁啾(Chirp)。这可以表示为振幅随时间的变化，如图2所示，或者更常见的是频率随时间的改变，如图3所示。
图2 FMCW信号表示为振幅随时间的变化
图3 FMCW信号表示为频率随时间的变化
FMCW信号的频率与时间的关系图告诉我们啁啾信号的几个重要特征，包括：啁啾的频率带宽、啁啾时间和啁啾频率的斜率（见图4）。这些因素在调整FMCW雷达的性能方面很重要。例如，传感器提供的距离分辨率与啁啾的带宽成正比（公式1）：
公式1：距离分辨率
图4 FMCW啁啾信号特征
带宽越宽，可以检测到的分辨率就越高。然而，分辨率必须与雷达的最大距离相平衡，该距离与啁啾的斜率（或频率增加的速率）成正比，如公式2所示
公式2：最大距离
因此，对于固定的啁啾时间，更宽的带宽将提高距离分辨率，但也会增加斜率，从而减小最大距离，反之亦然。在汽车雷达应用中，不同的啁啾可用于不同类型的传感器。例如，像自适应巡航控制这样的应用可能需要长距离能力来识别车流量较小场景中的车辆，但不需要那么精细的分辨率。然而，放碰撞则需要对短距离内的快速变化做出更快的反应，因此分辨率将更为重要。
啁啾帧
了解啁啾的顺序也很重要。连续的啁啾被称为一帧。啁啾帧可以由10秒或数百个啁啾信号组成，具体取决于应用。这些啁啾可以是均匀的，也可以是混合的，有些啁啾具有更宽的带宽和更陡峭的斜率，而另一些啁啾具有窄的带宽和平缓的斜率。帧特性可以被规划以提高射频性能，同时使芯片更节能。一帧中的多个啁啾也为传感器提供了可用于计算速度的多普勒信息。通过增加啁啾帧时间来提高速度分辨率（公式3）。帧的长度（或帧时间，Tf）将影响雷达可以检测到的速度分辨率。较长的帧（由更多的啁啾组成）将具有更精细的速度分辨率。
公式3：速度分辨率与帧长的函数关系
帧中的啁啾可以紧接着传输，也可以在每个啁啾之间有一些空闲时间。在每一帧之后，通常都有一个“关闭时间”来分离帧突发，并提高芯片的功率和性能。图5以框架图显示了所有这些特征。
图5 啁啾帧特征示意图
测量FMCW信号的难点
在现实世界中，测试和测量这些不同的啁啾射频特性可能很困难。造成这一困难的几个因素是：
- 啁啾的频率变化非常快
- 调制带宽可以非常宽（高达10 GHz！）
- 射频频率已经很高（见表1），新的研究继续将其推高
| 地区（监管机构） | 汽车雷达频段 |
| Europe (ETSI) | 76-81 GHz |
| USA (FCC) | 46.7-47-9 GHz, 76-81 GHz |
| Japan (MPT) | 60-61 GHz, 76-81 GHz |
表1：各地区汽车雷达频率分配示例
基础频谱分析仪
大多数频谱分析仪的速度不足以在一次扫描中捕获啁啾。典型的频谱分析仪将按顺序采样和处理，这会在仪器没有测量信号的地方留下盲点。当像FMCW啁啾信号在频域中随时间快速移动时，分析仪很可能会在盲点期间错过信号中的运动（见图6）。这将导致分析仪要么不显示信号，要么只显示信号的一部分，在错过频率变化的地方会出现信号丢失（见图7）。
图6 频谱分析仪按顺序采样和处理，可能会错过信号随时间的变化
图7频谱分析仪测量FMCW信号中的丢失示例（振幅与频率）
实时频谱分析仪
实时频谱分析仪（RTSA）是一种更可行的解决方案，因为它们在后台进行处理的同时连续采样，基本上消除了测量中的盲点。这使得它不太可能错过啁啾信号的变化，但真正的实时频谱分析测量受限于仪器的分析带宽，通常在数十或数百兆赫兹。自动雷达FMCW啁啾信号的宽度可以从10 MHz到10 GHz不等。如果要求分析仪的跨度大于最大实时带宽，则必须采集多个样本并将其“缝合”在一起。然而，这些样本是按顺序采集的，因此测量将再次出现盲点。除了带宽限制外，大多数具有较宽分析带宽的频谱分析仪在频率范围内通常不会高于43 GHz，这使得它们无法应对通常高于70 GHz的大多数FMCW技术。
示波器采样
监测FMCW啁啾信号的一种常见技术是示波器和频谱分析仪的组合（图8），其中示波器足够快可以捕获啁啾的所有时间和频率特性。示波器能够捕获信号的基本正弦波，可用于分解并产生图2-5所示的所有啁啾和帧特性。
图8示波器+频谱分析仪的组合
虽然这是技术上最完整的解决方案，但它也是迄今为止最昂贵的，因为它需要购买两台仪器以及连接它们和分析结果所需的所有软件许可证。此外，该解决方案提供的测量类型往往超出所需，特别是在仅需要基本功能测试的生产或外场环境中。最后，这种解决方案也很笨重，这可能使其难以在暗室内或外场测试中使用。
使用Spectrum Master MS2760A测试FMCW信号
安立Spectrum Master MS2760A超便携式频谱分析仪是测量FMCW信号的强大解决方案。它属于上一节中的“基本频谱分析仪”类别，但与其他分析仪相比，它有几个明显的优势。
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尺寸和频率
首先是它的尺寸。Spectrum Master MS2760A是唯一一款可连续覆盖9 kHz至170 GHz频率的口袋大小的频谱分析仪。这使得它很容易带到外场进行测试或暗室内测试，并且很容易集成到产线系统中。这一尺寸和频率组合是通过使用安立公司的专利非线性传输线（NLTL）技术实现的。NLTL “shockline”接收机在非常高的频率下产生谐波，使分析仪能够一直采样到170 GHz。这意味着不需要笨重的混频器来对信号进行下变频，从而使外形尺寸尽可能小。此外，大部分信号处理已被推送到PC上进行，因此不需要额外的主板硬件。这意味着Spectrum Master MS2760A可以很容易地集成到暗室测试和/或从实验室中取出进行各种现场测试。
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生产力
如前所述，包括汽车雷达在内的毫米波测试可能非常困难。独立的毫米波频谱分析仪（即不包含谐波混频器的频谱分析仪）极其复杂且昂贵。因此，实验室经常被迫分时共享设备。这会降低测试效率，从而减缓开发速度并延长上市时间。Spectrum Master MS2760A的实惠价格使公司能够为更多的工程师配备毫米波频谱分析仪，使他们能够并行工作而不是顺序工作，从而降低了项目延误和不切实际的资本支出的风险。
图9 MS2760A将毫米波测量能力交给更多的工程师/技术人员，以推动更快的产品开发
此外，对于可以连续运行几天的暗室测试，Spectrum Master MS2760A可以提供恒定的覆盖范围，而不会占用不必要的资本支出。在设备有限的情况下，很难证明长期垄断一台极其昂贵的设备是合理的。Spectrum Master MS2760A是监测信号功率或频率变化的完美替代品。工作温度为0至50˚C，内置温度校准系数，在某些条件下，它甚至可以与DUT一起放置在暗室中。
应对测量挑战
如前所述，基本频谱分析仪难以测量FMCW啁啾信号的快速变化特性。Spectrum Master MS2760A通过几个特定功能克服了这些挑战。
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最小捕获时间
克服测量盲点的关键是让分析仪在开始处理之前有时间看到信号中的所有变化。MS2760A是一款快速傅里叶变换(FFT)分析仪，这意味着它一次捕获20 MHz的数据，然后用傅里叶变换处理这些数据。如果保证每20 MHz的捕获都能看到完整的啁啾信号，那么就不会有盲点。这可以通过在执行快速傅里叶变换之前设置接收机的最小捕获时间来管理。由于帧周期和关闭时间，将捕获时间设置为等于啁啾时间通常不够好。啁啾之间的空闲时间和帧之间的关闭时间会导致信号的停止工作。如果快速傅里叶变换在关闭时间内下降，它将在FMCW包络中显示一个间隙。如果没有空闲或关闭时间，最小捕获时间可以等于啁啾时间，但是，如果有关闭时间，则必须增加捕获时间以捕获所有空闲和/或关闭时间（见图10）。
图10 最短捕获时间必须捕获所有停机时间
使用MS2760A，可以通过在控制软件的SWEEP菜单中设置MIN CAPTURE TIME来实现上述设置。将捕获时间设置为更长的时间可能很吸引人，但最好将其设置得尽可能低，因为更长的捕获时间等于更长的扫描时间（即更长的测试时间）。
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零扫宽(Zero span)
当使用最小捕获功能时，MS2760A提供有关整体FMCW传输的有用信息（开始/停止频率、带宽、幅度等），但它不提供有关单个啁啾或啁啾帧的任何信息。如前所述，直接重建啁啾帧图需要一个极快的接收机，如示波器。通过使用零扫宽功能，仍然可以收集足够的信息来手动推导出大部分啁啾特性。
零扫宽是一种先进的频谱分析仪工具，它基本上在单个频率上归零，并跟踪该频率随时间变化的幅度。图11说明了这如何与FMCW啁啾一起工作。上图显示了零扫宽基本上是如何取框架图的水平横截面的。下图显示了频谱分析仪屏幕上显示的内容。
通过此零扫宽视图，可以读取基本信息以再现实时FMCW信号的啁啾图，例如帧时间、帧周期和每帧的啁啾数量。
图11 FMCW雷达信号的零扫宽测量图示
示例
以下是MS2760A在76至77 GHz的空口环境下测量1 GHz带宽FMCW啁啾的示例。软件根据仪器的RBW将仪器默认为最快的捕获时间。在这种情况下，将捕获时间设置得尽可能低，分析仪在大约350毫秒内扫过1.2 GHz的跨度。但是，它无法看到任何信号（图12）。
图12以非常低的捕获时间测量FMCW，看不到信号
从SWEEP菜单中，可以增加MIN CAPTURE TIME以匹配或超过整个帧周期。虽然这将增加扫描时间，但分析仪将能够看到信号。在这种情况下，帧周期为50ms，因此最小捕获时间设置为相同。图13显示了结果。
图13显示完整的FMCW包络，捕获时间等于帧周期
在单次扫描中，分析仪能够捕获信号的所有变化，并产生完整的FMCW啁啾包络。请注意，扫描时间现在已从350毫秒增加到1.15分钟。减小MIN CAPTURE TIME将提高扫描速度，但如果它太低，将开始出现遗漏，如图7所示。请注意，这本质上是一个“最大保持”包络；需要啁啾帧的许多周期来捕获轨迹。然而，与最大保持跟踪相比，这种方法的一个优点是，如果信号丢失，它将在扫描中反映出来。最大保持跟踪会掩盖这种影响。
现在假设设置捕获时间所需的帧周期未知。这就是零扫宽有用的地方。图14显示了当分析仪处于零扫宽模式时，这种啁啾是什么样子的。在这种情况下，显示了两个啁啾帧，其间有关闭时间。通过使用标记，可以很容易地测量帧时间和帧周期。标记1和2之间的时间大约为15ms（帧时间），1和3之间的时间约为50ms，这是帧周期和频域中MIN CAPTURE TIME所需的值。
图14零扫宽中观察到的FMCW啁啾帧
更进一步，放大一帧可以提供更多有价值的信息。请注意，啁啾帧由多个单峰组成。这些峰值中的每一个都代表帧内的啁啾。计算峰值（在这种情况下为32）可以得出每帧的啁啾次数，甚至每个啁啾之间的时间（见图15）。
图15仔细观察零跨度中的一帧，显示帧中的啁啾数量
只需两个基本设置，MS2760A就能够测量这种基本汽车雷达信号的开始/停止频率、带宽、振幅、帧时间/周期和每帧的啁啾。一般来说，这足以在实验室、生产中甚至现场对FMCW发射机进行基本功能测试。
结论
FMCW雷达正在许多领域彻底改变目标探测技术，特别是汽车雷达。然而，这种复杂调制方案的射频测量可能是复杂、昂贵和耗时的。Spectrum Master MS2760A超便携手持频谱分析仪是基本FMCW雷达测试的优秀工具，将有用的测量与无与伦比的尺寸和便利性相结合。