射頻硬件在環(huán)技術(shù)推動嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展

隨著無線技術(shù)更多地嵌入諸如車載雷達和機器對機器通信等“關(guān)鍵任務(wù)”應(yīng)用中，新的測試方法也相應(yīng)出現(xiàn)，以確保系統(tǒng)的可靠性。其中一種RF驅(qū)動系統(tǒng)測試方法便是“硬件在環(huán)(HIL) 測試”，該測試方法屬于“實時”測試類。今天，小編就將帶你透過美國國家儀器大咖工程師David A. Hall的視角了解HIL測試及其在自動駕駛測試中的發(fā)展趨勢。

HIL測試所采用的原理，即認為測試工程師可以創(chuàng)建出測試系統(tǒng)，以仿真現(xiàn)實世界中典型存在實體系統(tǒng)，這并非是新的理念。然而，RF技術(shù)在諸如車載雷達等關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的日益普及，使得HIL測試成為無線應(yīng)用越來越常用的測試方法。

HIL測試系統(tǒng)的架構(gòu)

HIL測試的理念最初是作為測試航空航天和汽車工業(yè)復(fù)雜控制系統(tǒng)的機制而被提出來的。在典型的應(yīng)用中，工程師可以通過利用HIL測試系統(tǒng)模擬電氣信號和發(fā)動機的行為來測試發(fā)動機的電子控制單元(ECU)。在本應(yīng)用中，該測試系統(tǒng)結(jié)合了輸入和輸出(常被稱為“I/O”)用模擬和數(shù)字模擬接口，以及確定性處理元件，以有效仿真系統(tǒng)(如圖1所示)。

圖1、典型HIL 測試系統(tǒng)方塊圖

近年來，RF技術(shù)用作關(guān)鍵傳感和通信技術(shù)的趨勢使得很多RF系統(tǒng)工程師開始使用相似的測試方法。在典型的RF HIL測試系統(tǒng)中，相對低速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 被替換成了向量信號產(chǎn)生器和分析器。事實上，這些應(yīng)用中所使用的HIL測試系統(tǒng)在架構(gòu)上常常跟軟件無線電(SDR) 類似。不過，很多嵌入式處理元件仍保持相同。RF HIL系統(tǒng)的常見應(yīng)用包括信道仿真、信道測量、實時GNSS模擬、雷達目標(biāo)生成和認知測試。

最令人振奮的實時測試應(yīng)用是車載雷達測試——既包括其作為單獨產(chǎn)品，又包括其作為更復(fù)雜高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS) 組成的情況。現(xiàn)代ADAS技術(shù)結(jié)合了雷達(傳統(tǒng)上是在24GHz 波段，現(xiàn)在日益朝77和79GHz波段發(fā)展)、攝像機、超聲波和LIDAR 技術(shù)來感測周圍環(huán)境。ADAS設(shè)計的復(fù)雜度覆蓋了從較為簡單的盲點偵測報警指示器到全自動駕駛系統(tǒng)。雖然今天的很多關(guān)鍵汽車傳感技術(shù)年代都相對較久遠了(事實上，首款車載雷達原型可追溯至1950年代末)，但傳感器尺寸和成本的改進以及信號處理技術(shù)的進步已經(jīng)讓自動駕駛系統(tǒng)變得更為可行。

HIL測試用于車載雷達應(yīng)用

雷達傳感器測試需要工程師驗證裝置的電磁特性和功能特性。例如，典型的RF 測量可能包括輸出功率和脈沖線性(通過解調(diào)FMCW輸出進行測量)。同樣重要的還有包括測距精度、距離分辨率以及在受干擾情況下檢測物體的能力等功能特性。

為了測試物理和功能特性，雷達測試中越來越多地使用既可以配置為測量儀器，又可以配置為雷達目標(biāo)生成器的測試設(shè)備。在本例中，測試系統(tǒng)利用其實時信號處理元件從根本上讓雷達傳感器相信其看到的一個物體或目標(biāo)，而實際上只不過是一臺測試設(shè)備。這個過程，被稱為“目標(biāo)仿真”或“目標(biāo)生成”，是使用信號處理來重建物體反彈雷達刺激的電磁響應(yīng)。

圖2所示為雷達目標(biāo)生成的兩種方法。第一種方法被稱為“被動式目標(biāo)生成”法，即使用一根延遲線模擬雷達刺激的來回傳播時間。第二種方法被稱為“主動式目標(biāo)模擬”法，即使用HIL 測試系統(tǒng)以數(shù)字方式重建雷達系統(tǒng)的環(huán)境。在典型的主動式目標(biāo)模擬器中，由寬帶向量信號分析器接收來自雷達傳感器的刺激。儀器上載有的嵌入式處理器向模擬距離和都卜勒位移施加延遲作用，以模擬速度。最后，由向量信號產(chǎn)生器將這一數(shù)字創(chuàng)建的雷達環(huán)境生成信號，反饋回雷達傳感器。

圖2、被動式雷達目標(biāo)生成器與主動式雷達目標(biāo)生成器

對于給定的應(yīng)用，根據(jù)所模擬的對象類型，可以選擇被動式雷達目標(biāo)模擬或主動式雷達目標(biāo)模擬方法。例如，被動式模擬器在模擬短距離目標(biāo)方面性能更好，而主動式模擬器則可以模擬更為復(fù)雜的駕駛場景，如變道或物體穿過馬路。

奧迪使用HIL測試助力駕駛測試

NI已經(jīng)聯(lián)手多家領(lǐng)先的汽車制造商致力于改進下一代雷達測試技術(shù)。例如，在德國奧迪公司著手開發(fā)全自動駕駛汽車的開拓性研究工作中，NI最近便與其進行了合作。

奧迪團隊認識到，安全和可靠性是新一代自動駕駛汽車的重點。因此，奧迪采用HIL測試在實驗室環(huán)境下模擬ADAS系統(tǒng)環(huán)境。通過在實驗室模擬典型的駕駛測試，奧迪實現(xiàn)了在設(shè)計過程中提早改進嵌入式軟件可靠性，甚至能夠發(fā)現(xiàn)原本要等到實際駕駛測試才會暴露的故障。

圖3所示的奧迪目標(biāo)仿真系統(tǒng)結(jié)合了NI的第二代向量信號收發(fā)器(VST) ，配有專為79GHz雷達頻帶設(shè)計的上轉(zhuǎn)換器和下轉(zhuǎn)換器。在本場景中，VST起到了軟件無線電的功能，且使用LabVIEW可編程FPGA能夠為仿真雷達目標(biāo)執(zhí)行實時信號處理例行程序。奧迪股份公司雷達組件負責(zé)人Neils Koch博士表示“PXI VST實現(xiàn)了寬帶和低時延軟件的結(jié)合，使得我們可以在雷達模塊中發(fā)現(xiàn)原本無法檢測到關(guān)鍵故障”。

圖3、奧迪主動式目標(biāo)仿真系統(tǒng)方塊圖

ADAS趨勢

展望未來，結(jié)合多重傳感技術(shù)，利用每個技術(shù)的比較優(yōu)勢是ADAS設(shè)計的大勢所趨。例如，在測量物體距離(甚至是在夜間或多霧條件下)方面，雷達通常都是最精確的技術(shù)。然而，基于攝像頭的圖像識別在確定物體的準確位置方面則更為精準。通過將多種傳感器的輸入整合入“傳感器融合”架構(gòu)，能夠提升ADAS 感測周圍環(huán)境的能力(如圖4所示)。

圖4、自動駕駛汽車集成多重傳感技術(shù)

傳感器融合，加上對將諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于對象檢測的依賴性的提升，將長期持續(xù)提升嵌入式軟件測試的重要性。未來，工程師將更多地將雷達測試與高度同步且極其靈活的HIL測試系統(tǒng)內(nèi)的其它嵌入式傳感器技術(shù)相結(jié)合。

RF HIL測試的其它應(yīng)用

雖然雷達目標(biāo)仿真是一項短期來看很可能影響消費者的HIL應(yīng)用，但這卻只是RF HIL測試新興應(yīng)用的一個方面。例如，在國防工業(yè)，工程師采用相似的測試策略模擬先進電子環(huán)境。此外，在無線產(chǎn)業(yè)，工程師也將相似的HIL技術(shù)用于越來越復(fù)雜的實時信道測量。

如今的RF HIL測試系統(tǒng)與工程師在5G通信系統(tǒng)原型化方面所使用的高級軟件無線電技術(shù)在架構(gòu)上驚人地相似。與雷達目標(biāo)仿真相似，實時對刺激信號進行解譯和反應(yīng)必須具備寬帶RF前端和密集型信號處理元件。因此，諸如諾基亞、英特爾和三星等公司實現(xiàn)5G系統(tǒng)原型化的諸多相同技術(shù)創(chuàng)新與更廣泛的RF HIL測試應(yīng)用其實是相同的技術(shù)。

結(jié)論

諸如自動駕駛汽車等日益復(fù)雜的系統(tǒng)正快速改寫測試和測量設(shè)備供應(yīng)商設(shè)計儀器所必須遵循的規(guī)則。過去，儀器只是報告信號模擬特性的機制。如今，儀器還被用來報告系統(tǒng)的功能特征。今后，軟件技術(shù)將成為工程師構(gòu)建越來越復(fù)雜的測量系統(tǒng)，以報告從最簡單的RF組件到全自動駕駛汽車特性的關(guān)鍵技術(shù)。對于測試設(shè)備供應(yīng)商而言，軟件仍是關(guān)鍵的投資領(lǐng)域，且通過軟件區(qū)分產(chǎn)品的能力將最終定義行業(yè)內(nèi)誰輸誰贏。