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AFE für Radar-Systeme

Entwicklung kostengünstiger Radar-Systeme

16. Mai 2012, 14:48 Uhr | Von Uwe Bröckelmann

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Mehrere Sende- und Empfangsantennen pro Fahrzeug

Die Anforderungen an ein Radar-System erfordern aber nicht nur, dass die Entfernung und Geschwindigkeit eines Objektes erkannt wird, sondern auch eine Klassifizierung des Objekts auf der Fahrbahn, um eine angemessene Reaktion zu berechnen. Da sich Radar-Wellen geradlinig ausbreiten und der Einfallswinkel auf eine Oberfläche dem Reflexionswinkel gleicht, würden bei der Verwendung von nur einer Antenne viele der Radar-Signale an der Empfangsantenne vorbei geleitet werden und die räumliche Auflösung des Zieles wäre gering. Zudem soll ein Fahrzeug nicht nur in einem sehr engen Trichter nach vorne schauen, sondern gerade im Nahbereich ein breites Blickfeld haben. Auch waren früher Radar-Systeme entweder nur für den Fern- oder den Nahbereich ausgelegt, heute müssen sie vielfältige Funktionen gleichzeitig abdecken. Dazu werden mehrere Sende- und Empfangsantennen in ein Fahrzeug eingebaut, die parallel zueinander arbeiten. Dabei werden je nach Systemanforderungen unterschiedliche Zahlenverhältnisse von Sende- zu Empfangsantennen eingesetzt. Die empfangenen Radar-Signale müssen je nach Laufzeit aufbereitet und unterschiedlich verstärkt werden, was bisher eine Vielfalt von Einzelkomponenten bedingte.

Der AD8283 von ADI erlaubt die Aufbereitung von bis zu sechs Empfangssignalen in einem einzigen 10 mm × 10 mm großen Gehäuse. Durch die hohe Integration des AD8283 benötigt er etwa 50 bis 80 Prozent weniger Platz als eine diskrete Implementierung. Das macht es leichter, Radar-Systeme im Fahrzeug zu platzieren, z.B. hinter der Stoßstange oder im Spiegelgehäuse. Der Baustein verringert im Vergleich zu einem diskreten Aufbau auch den Unterschied zwischen den Empfangskanälen durch Abstimmung der einzelnen Kanäle untereinander von ±0,5 dB in der Verstärkung und ±5° in der Phasenlage (innerhalb eines Bereichs von –40 bis 105 °C). Dies macht sich auch nach langer Betriebszeit und bei Temperaturschwankungen positiv bemerkbar. In den AD8283 integriert ist ein 12-bit-A/D-Wandler mit einer maximalen Datenrate von 80 MS/s, der zur Digitalisierung der einzelnen Radar-Signale dient. Der Wandler ist ausreichend schnell, um auch sechs Radar-Signale, die z.B. auf 10 MHz heruntergemischt wurden, ohne Informationsverlust nacheinander über den Eingangs-Multiplexer auszulesen. Dabei bleibt der Multiplexer für einen Taktzyklus an einem Eingang stehen, leitet die Daten an den A/D-Wandler weiter und springt dann automatisch zum nächsten Eingangskanal. Zusätzlich enthält jeder Pfad zur Aufbereitung der eintreffenden Signale rauscharme Vorverstärker (Low-Noise Amplifier; LNA), einen programmierbaren Verstärker und Tiefpassfilter dritter Ordnung (1 – 12 MHz) zur Bandbreitenbegrenzung. Die Verstärkung des AD8283 kann per serieller Schnittstelle (SPI) in 6-dB-Schritten zwischen 16 und 34 dB für jeden Kanal zur individuellen Anpassung der Verstärkung an die Empfangssignalstärke eingestellt werden. Dies erlaubt es, ein möglichst gutes Signal-Rausch-Verhältnis einzuhalten, unabhängig davon, wie weit das reflektierende Objekt entfernt ist, und verhindert ein Übersteuern des Eingangspfades, falls ein Signal von einem nahen Objekt auf eine zu große Verstärkung treffen würde. Auch der Filter lässt sich über die serielle Schnittstelle programmieren und erlaubt somit eine einfache Anpassung an die Einsatzart. Das neue Analoge Front-End (AFE) besitzt eine umschaltbare Eingangsimpedanz von 200 Ω oder 200 kΩ zur Anpassung an die Ausgangsstufe des verwendeten MMICs und nimmt 170 mW pro Kanal auf.

Das aufbereitete Signal kann dann – wie in Bild 1 eingetragen – zur weiteren Verarbeitung an einen DSP wie den Blackfin BF531 weitergegeben werden. Der DSP hat auch die Aufgabe, die Qualität des empfangenen Signals zu optimieren, indem er Vorgaben für die Filter und Verstärkungseinstellungen des AD8283 kontinuierlich überwacht und anpasst. Er liest auch den externen Temperatursensor, der sich auf der Baugruppe befindet, aus, um so temperaturabhängige Einflussgrößen weitgehend zu kompensieren. Abschließend werden die aufbereiteten Signale über eine entsprechende Schnittstelle dem betreffenden Steuergerät des Fahrzeuges zur Verfügung gestellt, das dann entsprechende Aktionen einleitet.