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

隨著無(wú)線技術(shù)更多地嵌入諸如車載雷達(dá)和機(jī)器對(duì)機(jī)器通信等“關(guān)鍵任務(wù)”應(yīng)用中，新的測(cè)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(dòng)系統(tǒng)測(cè)試方法便是“硬件在環(huán)(HIL) 測(cè)試”，該測(cè)試方法屬于“實(shí)時(shí)”測(cè)試類。今天，小編就將帶你透過(guò)美國(guó)國(guó)家儀器大咖工程師David A. Hall的視角了解HIL測(cè)試及其在自動(dòng)駕駛測(cè)試中的發(fā)展趨勢(shì)。

HIL測(cè)試所采用的原理，即認(rèn)為測(cè)試工程師可以創(chuàng)建出測(cè)試系統(tǒng)，以仿真現(xiàn)實(shí)世界中典型存在實(shí)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(dá)等關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的日益普及，使得HIL測(cè)試成為無(wú)線應(yīng)用越來(lái)越常用的測(cè)試方法。

HIL測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)

HIL測(cè)試的理念最初是作為測(cè)試航空航天和汽車工業(yè)復(fù)雜控制系統(tǒng)的機(jī)制而被提出來(lái)的。在典型的應(yīng)用中，工程師可以通過(guò)利用HIL測(cè)試系統(tǒng)模擬電氣信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)的行為來(lái)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元(ECU)。在本應(yīng)用中，該測(cè)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(cè)試系統(tǒng)方塊圖

近年來(lái)，RF技術(shù)用作關(guān)鍵傳感和通信技術(shù)的趨勢(shì)使得很多RF系統(tǒng)工程師開始使用相似的測(cè)試方法。在典型的RF HIL測(cè)試系統(tǒng)中，相對(duì)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(hào)產(chǎn)生器和分析器。事實(shí)上，這些應(yīng)用中所使用的HIL測(cè)試系統(tǒng)在架構(gòu)上常常跟軟件無(wú)線電(SDR) 類似。不過(guò)，很多嵌入式處理元件仍保持相同。RF HIL系統(tǒng)的常見(jiàn)應(yīng)用包括信道仿真、信道測(cè)量、實(shí)時(shí)GNSS模擬、雷達(dá)目標(biāo)生成和認(rèn)知測(cè)試。

最令人振奮的實(shí)時(shí)測(cè)試應(yīng)用是車載雷達(dá)測(cè)試——既包括其作為單獨(dú)產(chǎn)品，又包括其作為更復(fù)雜高級(jí)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(dá)(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(jī)、超聲波和LIDAR 技術(shù)來(lái)感測(cè)周圍環(huán)境。ADAS設(shè)計(jì)的復(fù)雜度覆蓋了從較為簡(jiǎn)單的盲點(diǎn)偵測(cè)報(bào)警指示器到全自動(dòng)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(duì)較久遠(yuǎn)了(事實(shí)上，首款車載雷達(dá)原型可追溯至1950年代末)，但傳感器尺寸和成本的改進(jìn)以及信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)讓自動(dòng)駕駛系統(tǒng)變得更為可行。

HIL測(cè)試用于車載雷達(dá)應(yīng)用

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

為了測(cè)試物理和功能特性，雷達(dá)測(cè)試中越來(lái)越多地使用既可以配置為測(cè)量?jī)x器，又可以配置為雷達(dá)目標(biāo)生成器的測(cè)試設(shè)備。在本例中，測(cè)試系統(tǒng)利用其實(shí)時(shí)信號(hào)處理元件從根本上讓雷達(dá)傳感器相信其看到的一個(gè)物體或目標(biāo)，而實(shí)際上只不過(guò)是一臺(tái)測(cè)試設(shè)備。這個(gè)過(guò)程，被稱為“目標(biāo)仿真”或“目標(biāo)生成”，是使用信號(hào)處理來(lái)重建物體反彈雷達(dá)刺激的電磁響應(yīng)。

圖2所示為雷達(dá)目標(biāo)生成的兩種方法。第一種方法被稱為“被動(dòng)式目標(biāo)生成”法，即使用一根延遲線模擬雷達(dá)刺激的來(lái)回傳播時(shí)間。第二種方法被稱為“主動(dòng)式目標(biāo)模擬”法，即使用HIL 測(cè)試系統(tǒng)以數(shù)字方式重建雷達(dá)系統(tǒng)的環(huán)境。在典型的主動(dòng)式目標(biāo)模擬器中，由寬帶向量信號(hào)分析器接收來(lái)自雷達(dá)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(hào)產(chǎn)生器將這一數(shù)字創(chuàng)建的雷達(dá)環(huán)境生成信號(hào)，反饋回雷達(dá)傳感器。

圖2、被動(dòng)式雷達(dá)目標(biāo)生成器與主動(dòng)式雷達(dá)目標(biāo)生成器

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

奧迪使用HIL測(cè)試助力駕駛測(cè)試

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

奧迪團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，安全和可靠性是新一代自動(dòng)駕駛汽車的重點(diǎn)。因此，奧迪采用HIL測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬ADAS系統(tǒng)環(huán)境。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室模擬典型的駕駛測(cè)試，奧迪實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)過(guò)程中提早改進(jìn)嵌入式軟件可靠性，甚至能夠發(fā)現(xiàn)原本要等到實(shí)際駕駛測(cè)試才會(huì)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(hào)收發(fā)器(VST) ，配有專為79GHz雷達(dá)頻帶設(shè)計(jì)的上轉(zhuǎn)換器和下轉(zhuǎn)換器。在本場(chǎng)景中，VST起到了軟件無(wú)線電的功能，且使用LabVIEW可編程FPGA能夠?yàn)榉抡胬走_(dá)目標(biāo)執(zhí)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理例行程序。奧迪股份公司雷達(dá)組件負(fù)責(zé)人Neils Koch博士表示“PXI VST實(shí)現(xiàn)了寬帶和低時(shí)延軟件的結(jié)合，使得我們可以在雷達(dá)模塊中發(fā)現(xiàn)原本無(wú)法檢測(cè)到關(guān)鍵故障”。

圖3、奧迪主動(dòng)式目標(biāo)仿真系統(tǒng)方塊圖

ADAS趨勢(shì)

展望未來(lái)，結(jié)合多重傳感技術(shù)，利用每個(gè)技術(shù)的比較優(yōu)勢(shì)是ADAS設(shè)計(jì)的大勢(shì)所趨。例如，在測(cè)量物體距離(甚至是在夜間或多霧條件下)方面，雷達(dá)通常都是最精確的技術(shù)。然而，基于攝像頭的圖像識(shí)別在確定物體的準(zhǔn)確位置方面則更為精準(zhǔn)。通過(guò)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(cè)周圍環(huán)境的能力(如圖4所示)。

圖4、自動(dòng)駕駛汽車集成多重傳感技術(shù)

傳感器融合，加上對(duì)將諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于對(duì)象檢測(cè)的依賴性的提升，將長(zhǎng)期持續(xù)提升嵌入式軟件測(cè)試的重要性。未來(lái)，工程師將更多地將雷達(dá)測(cè)試與高度同步且極其靈活的HIL測(cè)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(cè)試的其它應(yīng)用

雖然雷達(dá)目標(biāo)仿真是一項(xiàng)短期來(lái)看很可能影響消費(fèi)者的HIL應(yīng)用，但這卻只是RF HIL測(cè)試新興應(yīng)用的一個(gè)方面。例如，在國(guó)防工業(yè)，工程師采用相似的測(cè)試策略模擬先進(jìn)電子環(huán)境。此外，在無(wú)線產(chǎn)業(yè)，工程師也將相似的HIL技術(shù)用于越來(lái)越復(fù)雜的實(shí)時(shí)信道測(cè)量。

如今的RF HIL測(cè)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(jí)軟件無(wú)線電技術(shù)在架構(gòu)上驚人地相似。與雷達(dá)目標(biāo)仿真相似，實(shí)時(shí)對(duì)刺激信號(hào)進(jìn)行解譯和反應(yīng)必須具備寬帶RF前端和密集型信號(hào)處理元件。因此，諸如諾基亞、英特爾和三星等公司實(shí)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(cè)試應(yīng)用其實(shí)是相同的技術(shù)。

結(jié)論

諸如自動(dòng)駕駛汽車等日益復(fù)雜的系統(tǒng)正快速改寫測(cè)試和測(cè)量設(shè)備供應(yīng)商設(shè)計(jì)儀器所必須遵循的規(guī)則。過(guò)去，儀器只是報(bào)告信號(hào)模擬特性的機(jī)制。如今，儀器還被用來(lái)報(bào)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(lái)越復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)，以報(bào)告從最簡(jiǎn)單的RF組件到全自動(dòng)駕駛汽車特性的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于測(cè)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(guò)軟件區(qū)分產(chǎn)品的能力將最終定義行業(yè)內(nèi)誰(shuí)輸誰(shuí)贏。