Substrato IC - Radar automobilistico e spettro radio affollato: un potenziale campo di battaglia elettronico urbano

Con la crescente popolarità dei radar automobilistici, lo spettro di radiofrequenza affollato nell'ambiente urbano diventerà un "campo di battaglia elettronico". I radar affronteranno attacchi combinati con interferenze involontarie o intenzionali, e i progettisti devono implementare tecniche anti-jamming come nella guerra elettronica (EW). I radar automobilistici sono solitamente soggetti a negazioni o interferenze ingannevoli. Un blocco di negazione acceca il radar del veicolo della vittima. Questa tecnica ridurrà il rapporto segnale-rumore, con conseguente diminuzione della probabilità di rilevamento del bersaglio. D'altra parte, interferenze ingannevoli faranno credere al radar del veicolo vittima che c'è un falso bersaglio. Il radar del veicolo vittima perde la capacità di tracciare obiettivi reali, quindi il comportamento del veicolo vittima è seriamente influenzato. Queste interferenze possono derivare dall'interferenza reciproca tra radar auto, o dall'uso di hardware a basso costo per dirigere semplicemente forti segnali a onda continua (CW) ai radar del veicolo vittima e attacchi deliberati.

Sebbene l'attuale tecnologia di prevenzione delle interferenze possa essere sufficiente per affrontare la situazione attuale, con la proliferazione dei sensori radar, le automobili dovranno utilizzare tipi flessibili di tecnologia di attenuazione, o tali tecnologie in combinazione con metodi di prevenzione delle interferenze. Le tecniche flessibili includono l'elaborazione del segnale di dominio di frequenza temporale o complesse forme d'onda radar.

Radar FMCW inceppatoLa forma d'onda radar è uno dei parametri chiave del sistema per giudicare le prestazioni del sensore in presenza di interferenze. I radar automobilistici odierni nella banda di frequenza 77 GHz utilizzano principalmente forme d'onda FMCW. Nel radar FMCW, il segnale CW spazia linearmente o cinguetta sulla frequenza della banda di radiofrequenza. La figura 1 mostra una sequenza di cingoli FMCW (CS). La differenza di frequenza (fB, frequenza beat) del segnale eco è proporzionale alla distanza R dal bersaglio, che può essere determinata dalla seguente relazione:

Tra questi, fsweep è il cambiamento di frequenza, e Tchirp è il tempo di sweep di frequenza.

In un ambiente a radiofrequenza denso, l'interferenza si verifica quando il sensore radar FMCW funziona nella stessa parte della banda di frequenza. Un tipico esempio di interferenza dell'automobile in arrivo è mostrato nella Figura 2a.Incendio rifiutato (b) e inceppamento ingannevole (c) del radar FMCW nello scenario di guida (a)Interferenza di rigettoQualsiasi segnale di disturbo forte di tipo FMCW che cade nella larghezza di banda del ricevitore aumenterà il rumore del radar vittima. Tale interferenza di rifiuto può causare la scomparsa di piccoli bersagli (ad esempio, piccola sezione trasversale radar (RCS)) a causa di SNR scarso. L'interferenza di rifiuto può essere fatta deliberatamente, semplicemente sparando un forte segnale CW sul radar FMCW del veicolo vittima.

Interferenza ingannevole Se la scansione del segnale di disturbo è sincronizzata ma ritardata insieme al radar della vittima, allora il suo effetto sarà quello di produrre falsi bersagli ingannevoli a una distanza fissa (Figura 2c). Questa tecnica è molto comune negli jammer di guerra elettronica. Simili radar dell'automobile in arrivo diventeranno disturbatori involontari. Tuttavia, la probabilità di allineamento temporale tra il radar della vittima e il radar di disturbo sarà molto piccola. Un offset di ritardo dell'emittente di disturbo che è inferiore al ritardo massimo del radar della vittima può sembrare un obiettivo reale. Ad esempio, la distanza massima di 200 m richiede che l'errore di allineamento della scansione sia inferiore a 1,3 microsecondi. Tuttavia, installando complesse apparecchiature elettroniche simili alla guerra su una piattaforma automobilistica in arrivo, tali attacchi ingannevoli possono essere eseguiti deliberatamente.

Più in generale, l'inceppamento ingannevole si basa sulla ritrasmissione del segnale radar della vittima, ma il suo ritardo e frequenza sono sistematicamente modificati. Questo può essere incoerente (l'emittente di disturbo in questo caso è chiamata transponder) o coerente (l'emittente di disturbo in questo caso è chiamata ripetitore). Il ripetitore riceve, cambia e ritrasmette uno o più segnali di disturbo, mentre il transponder trasmette un segnale predeterminato quando l'emittente di disturbo rileva il segnale radar vittima bersaglio.

Gli attacchi complessi basati su ripetitori di solito richiedono memoria digitale a radiofrequenza (DRFM). DRFM può eseguire attacchi coordinati di ritardo di raggio e trascinamento Doppler gate. Pertanto, manterrà la falsa gamma di bersagli e le caratteristiche Doppler per ingannare il radar della vittima.

Tecnologia di attenuazione delle interferenze Le tecniche di attenuazione delle interferenze radar di base si basano principalmente su metodi per evitare interferenze. L'obiettivo è ridurre la possibilità di sovrapposizione di spazio, tempo e frequenza, ad esempio:

* Spazio: l'uso di un fascio di scansione elettronico più stretto può ridurre il rischio di interferenze. Il campo visivo tipico del radar ACC (Long-Range Car Cruise Control) è di ± 8 gradi. Tuttavia, forti segnali interferenti possono ancora causare interferenze efficaci attraverso i lobi laterali dell'antenna.

* Tempo: i parametri della pendenza del cingolo FMCW sono generati casualmente per evitare interferenze periodiche.

* Spettro: genera casualmente frequenze di avvio e arresto del cinguettio FMCW per ridurre la probabilità di sovrapposizione e interferenza.

Il metodo di base della randomizzazione eviterà la sincronizzazione accidentale con altri radar, ma potrebbe non essere così utile in ambienti RF densi. Sempre più sensori radar richiedono una tecnologia più complessa e flessibile per mitigare le interferenze.

Rilevare e riparare Un altro modo per evitare interferenze è quello di utilizzare algoritmi di elaborazione del segnale per riparare la forma d'onda ricevuta. La tecnologia di dominio a frequenza temporale può gestire efficacemente gli attacchi di blocco di tipo denial. Nella scena dell'automobile in arrivo (Figura 2), l'emittente di disturbo esegue la scansione di tutti i contenitori di frequenza per un tempo molto breve. Questo segnale veloce, variabile nel tempo, appare come un pavimento di rumore rialzato nel dominio FFT convenzionale. La tecnologia di elaborazione del segnale del dominio della frequenza temporale trasferisce il segnale ad un altro dominio. Rispetto al dominio FFT, è più facile filtrare le interferenze in questo dominio.

Per i segnali variabili nel tempo, la trasformazione Fourier a breve tempo (STFT) può fornire più informazioni rispetto al normale FFT. La tecnologia basata su STFT può essere utilizzata per eliminare le interferenze a banda stretta (vedere Figura 3). STFT fondamentalmente sposta una finestra attraverso il segnale e ottiene il FFT dell'intervallo finestra. Il segnale viene filtrato nel dominio di frequenza per rimuovere i componenti di interferenza e quindi convertito nel dominio di tempo. La figura 4 mostra una tipica situazione di interferenza FMCW con sequenze di cinguettio a radiofrequenza sovrapposte e il segnale IF beat risultante nel dominio STFT. Il dominio IF è mostrato sulla destra, che è il risultato finale della miscelazione dei segnali radar (blu) e interferenza (arancione). La linea orizzontale indica l'obiettivo e la linea verticale a forma di V indica la presenza di segnali di interferenza. L'interferenza FMCW nella stessa direzione o opposta, o anche il cinguettio lento simile a CW, ha effetti simili sul segnale IF. In tutte queste situazioni di interferenza, il segnale IF a forma di V in rapido movimento aumenterà il rumore nel normale dominio FFT.

Il mascheramento basato sull'ampiezza può essere utilizzato per filtrare i segnali interferenti nel dominio STFT. Naturalmente, la premessa è che il front-end e la parte di quantizzazione del radar vittima hanno una gamma dinamica sufficiente per elaborare simultaneamente linearmente il segnale di interferenza più forte e il segnale target più piccolo previsto. La figura 5a mostra un forte segnale di interferenza e la figura 5b mostra il STFT elaborato. In caso di forti interferenze, come mostrato nella Figura 5a, non sono visibili bersagli reali multipli. Nella figura 5b, il segnale di interferenza a forma di V è eliminato; una volta trasferito al dominio temporale, il target SNR basso è ora identificabile. Nella situazione di interferenza di tipo rifiuto, la tecnologia di attenuazione delle interferenze basata su STFT può essere utilizzata per affrontare forti interferenze. Per gli attacchi di blocco ingannevoli, STFT da solo non può verificare se il segnale di ritorno è vero o falso.

Frequenza radio cifrataLa contromisura di base per ridurre l'impatto degli attacchi di disturbo ingannevoli dei ripetitori consiste nell'utilizzare forme d'onda radar a bassa probabilità di intercettazione (LPI). Lo scopo del radar LPI è quello di diffondere l'energia irradiata su un ampio spettro di frequenza per evitare il rilevamento, solitamente utilizzando scansione quasi casuale, modulazione o sequenza di salto di frequenza. FMCW è una forma d'onda LPI. Se la codifica di fase o la crittografia viene introdotta nel cirp di frequenza, può ulteriormente ridurre la probabilità che DRFM intercetti i segnali radar automobilistici. Le caratteristiche uniche di radiofrequenza criptata di ogni sensore radar possono verificare l'autenticità del segnale restituito.

Due degli stessi radar (installati su auto diverse) hanno offset di frequenza e ritardi tra di loro, creando un falso bersaglio nel radar delle vittime. Il radar di disturbo e il radar delle vittime sono allineati nel tempo (stessa pendenza del cinguettio e offset più breve). In questo caso, il radar FMCW codificato in fase può fornire elevate capacità anti-inceppamento. L'uso di codici ortogonali rende possibili anche le operazioni radar MIMO, supportando così la trasmissione simultanea di forme d'onda multiple.