Couverture ElectroniqueS n°127

À mesure que les radars automobiles se généraliseront, le spectre radio, déjà très encombré, va prendre l'aspect d'un champ de bataille électronique en environnement urbain. Les radars vont être confrontés à des attaques par brouillage, intentionnelles ou non, ce qui impose aux concepteurs de mettre en place des techniques de contre-brouillage, similaires à celles appliquées dans le cadre de la guerre électronique. L es radars automobiles sont à même de subir des attaques par déni ou tromperie. Le brouillage par déni aveugle le radar de la victime. La méthode consiste à réduire le rapport signal sur bruit, ce qui diminue la probabilité de détection d'une cible. Le brouillage par tromperie fait croire au radar qu'il y a des cibles lorsqu'il n'y en a pas. Le radar perd alors sa capacité de suivre des cibles réelles, ce qui affecte gravement le comportement du véhicule concerné. Ces attaques par brouillage sont induites par les interférences mutuelles entre radars embarqués, ou par une action délibérée, comme l'application d'une onde continue puissante en direction du radar visé à l'aide d'un matériel très peu coûteux. Si les techniques actuelles de protection contre le brouillage sont aujourd'hui appropriées, il sera indispensable, du fait de la prolifération des capteurs radar, de mettre en place d'autres techniques résilientes utilisées seules ou combinées avec des approches d'évite-ment. Ces techniques résilientes font appel à du traitement de signal dans les domaines temporel et fréquentiel, ou à des formes d'ondes radar complexes. SEFA TANIS (ANALOG DEVICES) Sefa Tanis est ingénieur concepteur de systèmes RF chez Analog Devices. Il est spécialisé dans le développement d'algorithmes de prédistorsion numérique pour les petits émetteurs-récepteurs cellulaires, la recherche en matière de techniques de traitement du signal pour les radars automobiles et l'évaluation de modules RF SiP pour les infrastructures sans fil. Les formes d'ondes radar La forme d'onde du radar est l'un des paramètres critiques pour déterminer la performance du capteur en présence de brouilleurs. Les capteurs radar automobiles actuels, fonctionnant dans la bande 77 GHz, utilisent essentiellement des formes d'ondes de type FMCW, c'est-àdire des ondes continues modulées en fréquence. Dans un radar FMCW, un signal d'onde continue est balayé de manière linéaire en fréquence dans une bande RF. Ce typ e d e signal est nommé chirp (Compressed High Intensity Radar Pulse). La figure 1 représente un exemple de séquence de chirp FMCW. La différence de fréquence (fB, fréquence de battement) est proportionnelle à la distance R de la cible et se détermine selon la relation suivante : Les impacts du brouillage Les brouillages s e produisent dans un environnement radio dense, lorsque les capteurs du radar FM CW fonctionnent dans une portion identique de la bande de fréquence. La figure 2 représente un exemple de brouillage classique pour une automobile en approche. - Le brouillage par déni Un puissant signal de brouillage arbitraire de type FMCW, appliqué à la bande pas-sante du récepteur, augmente le niveau de bruit du radar attaqué. Ce brouillage par déni peut provoquer le masquage de petites cibles (petites surfaces équivalentes radar, SER) du fait du mauvais rapport signal sur bruit. Il est aussi possible de réaliser délibérément ce type d'attaque en focalisant un puissant signal d'onde continue sur le radar FMCW visé. L'impact obtenu sur le capteur radar est similaire aux cas de brouillage FMCW. En a) brouillage FMCW par déni, en b) brouillage FMCW par tromperie. - Le brouillage par tromperie Si le balayage du signal de brouillage est synchronisé avec celui du radar attaqué, mais retardé, il est possible de générer de fausses cibles à une distance fixe. Ces techniques sont courantes avec les brouilleurs utilisés dans la guerre électronique. Sortie 1,8 V La technique de traitement du signal dans le domaine temps-fréquence consiste à transférer le signal dans un autre domaine, où il est plus facile d'éliminer le brouillage par rapport au domaine FFT. Brouillage FMCW typique de séquences de chirps se recoupant, avec le signal de battement IF résultant, dans le domaine STFT. À gauche, le domaine STFT, à droite le domaine IF (fréquence intermédiaire) avec le mélange du signal radar (en bleu) et du signal de brouillage (en orange). Une ligne horizontale indique une cible, et les lignes verticales en forme de V marquent la présence d'un signal de brouillage. Un radar automobile d'un type similaire, en approche, jouera le rôle d'un brouilleur involontaire. Cependant, la probabilité d'un alignement temporel entre le radar attaqué et le radar brouilleur sera très t faible. Un délai du brouilleur inférieur au délai maximum compatible avec le radar victime pourrait donner l'apparence d'une cible réelle. À titre d'exemple, une portée maximale de 200 m nécessite un alignement du balayage à moins de 1,3 µs. Pour autant, une telle attaque par tromperie peut être faite intentionnellement en montant sur le châssis de l'automobile en approche un équipement sophistiqué similaire à ceux utilisés pour la guerre électronique. Plus généralement, ce type de brouillage consiste à retransmettre le signal du radar attaqué en effectuant un changement systématique de retard et de fréquence. Le procédé sera, au choix, non cohérent, auquel cas le brouilleur est appelé transpondeur, ou cohérent, et dans ce cas il s'agit d'un répéteur. Le répéteur reçoit, modifie et retransmet un ou plusieurs signaux de brouillage, alors que le transpondeur transmet un signal prédéterminé en cas de détection par le brouilleur du signal d'une victime visée. Une attaque sophistiquée utilisant un répéteur nécessite une mémoire RF numérique (DRFM). Ce type de mémoire peut intervenir dans des attaques conçues pour falsifier la distance et l'effet Doppler. Dans ce cas, la distance des fausses cibles et les propriétés de l'effet Doppler sont maintenues pour tromper le radar victime. L'approche de base : l'évitement Les techniques de base pour limiter le brouillage radar s'appuient essentiellement sur l'évitement. L'objectif consiste à minorer la probabilité d'un recoupement en termes d'espace, de temps et de fréquence : -Domaine spatial : l'utilisation d'un faisceau étroit à balayage électronique permet de diminuer le risque de brouillage. Un radar de régulation de distance (ACC) à longue portée possède un champ de vision nominal de ± 8°. Néanmoins, un puissant brouilleur restera souvent efficace grâce aux lobes latéraux de l'antenne. - Domaine temporel : la génération aléatoire des paramètres de pente du chirp FMCW évite les brouillages périodiques. - Domaine spectral : la génération aléatoire des fréquences de début et de fin du chirp FMCW réduit la probabilité d'un recoupement et d'un brouillage. La partie supérieure de la figure représente le signal d'un brouilleur puissant, la partie inférieure la STFT après traitement. Les procédés de base des générations aléatoires évitent une synchronisation accidentelle avec d'autres radars, mais perdent en efficacité dans les environnements radio encombrés. Le nombre croissant de capteurs radar va nécessiter des techniques de résilience plus sophistiquées pour empêcher le brouillage. L'approche stratégique : la détection et la réparation Un autre procédé d'évitement est possible : corriger la forme d'onde reçue à l'aide d'algorithmes de traitement du signal. Les techniques appliquées aux domaines temps-fréquence sont souvent efficaces contre les attaques par déni. Dans le scénario de brouillage FMCW par une automobile en approche, le brouilleur parcourt toutes les fréquences pendant une durée très courte. Ce signal à variation très rapide dans le temps se distingue lui-même par un niveau de bruit élevé dans le domaine normal de la transformation de Fourier rapide (FFT). La technique de traitement du signal dans le domaine temps-fréquence consiste à transférer le signal dans un autre domaine, où il sera plus facile d'éliminer le brouillage par rapport au domaine FFT ( voir figure 3 ). Pour les signaux variables dans le temps, une transformation de Fourier à court terme (STFT) apporte davantage d'informations qu'une transformée de Fourier rapide. Il est envisageable de recourir à des techniques à base de STFT pour la suppression du brouillage en bande étroite. Pour l'essentiel, le traitement par transformée de Fourier à court terme déplace une fenêtre le long du signal et calcule la transformée de Fourier rapide de la zone ainsi isolée. Le signal est filtré dans le domaine fréquentiel pour éliminer les composantes du brouilleur, puis retransféré dans le domaine temporel. La figure 4 représente un scénario de brouillage FMCW typique de séquences de chirps se recoupant, avec le signal de battement IF résultant, dans le domaine STFT. Sur cette figure, les tracés de droite représentent le domaine IF (fréquence intermédiaire) résultant du mélange du signal radar (en bleu) et du signal de brouillage (en orange). Une ligne horizontale indique une cible, et les lignes verticales en forme de V marquent la présence d'un signal de brouillage. Un brouillage FMCW de direction opposée ou similaire ainsi qu'un chirp lent apparenté à une onde continue ont un impact identique sur le signal IF. Pour tous ces scénarios de brouillage, le signal IF en forme de V à évolution rapide relève le niveau de bruit dans le domaine FFT normal, comme le montre la figure 3. Il serait possible d'appliquer un masquage basé sur l'amplitude pour éliminer le signal de brouillage dans le domaine STFT. Ceci suppose évidemment que le circuit d'interface et la quantification du radar victime bénéficient d'une dynamique suffisante pour traiter linéairement et simultanément le puissant signal de brouillage et la petite cible concernée ( voir la figure 5 ). Deux radars identiques (l'un étant monté sur une autre automobile) avec décalage en fréquence et retard de l'un par rapport à l'autre produisent une fausse cible sur le radar victime. Écho radar obtenu en l'absence de codage de phase. Le signal de brouillage apparaît lui-même comme une fausse cible. La partie supérieure de la figure 5 représente le signal d'un brouilleur puissant, la partie inférieure la STFT après traitement. En présence du brouilleur, de nombreuses cibles réelles sont invisibles, comme le montre la vue du dessus. Le brouillage en forme de V du tracé inférieur a fait l'objet d'un traitement par masque et les cibles à faible rapport signal sur bruit devraient dans ce cas être perceptibles en retransférant le signal dans le domaine temporel. La technique de suppression du brouillage basée par STFT est applicable aux scénarios d'attaque par déni pour contrer les brouilleurs puissants. Pour les attaques par tromperie, une STFT ne permet pas de déterminer à elle seule si le signal de retour est vrai ou faux. Sortie 1,8 V Une signature RF cryptée La technique la plus élémentaire pour réduire l'impact d'un brouillage par tromperie résultant d'attaques par un répéteur consiste à utiliser des formes d'ondes radar à faible probabilité d'interception (LPI). L'objectif d'un radar LPI est d'échapper à la détection en dispersant l'énergie rayonnée sur un large spectre de fréquences, en général par balayage pseudo-aléatoire, modulation ou séquences de sauts. Les formes d'ondes FMCW sont de type LPI. Si un codage de phase ou un cryptage est introduit dans le chirp de fréquences, il est possible de réduire un peu plus la probabilité d'une interception du signal radar d'une automobile par une mémoire DRFM. Une signature RF cryptée spécifique à chaque capteur radar permettrait ainsi d'authentifier le signal retour. La figure 6 représente une situation où deux radars identiques (l'un des deux étant monté sur une autre automobile), avec décalage en fréquence et retard de l'un par rapport à l'autre, produisent une fausse cible sur le radar victime. Le radar de brouillage est rtie aligné 3,2 V temporellement (même pente de fluctuation et faible décalage) avec le radar victime. Les radars FMCW à codage de phase offrent une forte résistance au brouillage dans cette situation. L'application de codes orthogonaux permettrait également d'utiliser un radar MIMO en autorisant de multiples formes d'ondes d'émission simultanées. Les exigences de codage sont les suivantes : -Longueur du code : l'objectif est d'atteindre des niveaux de lobes secondaires minimum par le biais de courtes séquences. Une longueur de séquence PRN (bruit pseudo-aléatoire) de 1 024 pro10 100 duit un PSLL ( Peak Side Lobe Level ) d'en- viron 30 dB (10.log(1024)). Courant de Il sortie est possible (mA) d'optimiser les codes d'émission et la pondération des filtres de réception pour améliorer le PSLL, mais au détriment du rapport signal sur bruit. - Bonnes propriétés de corrélation croisée : les coefficients de corrélation croisée des membres d'un ensemble doivent être nuls pour obtenir une séparation correcte entre les capteurs. - Résistance à l'effet Doppler : Il est pos-sible que les performances des radars à codage de phase soient altérées par le décalage Doppler. Les codes binaires sont incompatibles avec l'effet Doppler. Les codes à plusieurs phases se dégradent moins rapidement que les codes binaires. - Nombre de codes différents disponibles : Il est préférable de disposer d'une famille de grande dimension pour attribuer un code unique à chaque capteur radar. La figure 7 illustre l'écho radar obtenu en l'absence de codage de phase. Le signal de brouillage apparaît lui-même comme une fausse cible. Si la forme d'onde FMCW de l'émetteur utilise un codage de phase avec une séquence PRN, il est possible d'éliminer le signal de brouillage, comme le montre la figure 8. Avec cette méthode, la dynamique est dégradée. Cependant, le processeur chargé du traitement du signal radar pourrait utiliser des formes d'ondes FMCW avec codage de phase pour un certain nombre de chirps afin de repérer une fausse cible, puis revenir au fonctionnement normal. Les tendances futures Dans les environnements encombrés où opèrent les radars automobiles, il est possible de limiter le brouillage grâce à des algorithmes avancés de traitement du signal et des techniques de génération de formes d'ondes complexes. Concernant les attaques par déni, les techniques de traitement du signal à base de transformées de Fourier à court terme (STFT) sont appropriées. Les formes d'ondes FMCW avec codage de phase offrent une couche supplémentaire de résistance aux attaques par tromperie, cohérentes ou non, grâce au gain résultant du traitement et à l'évitement des interceptions. Le tableau effectue la synthèse des techniques de limitation. Les principes de limitation du brouillage pour radars automobiles décrits en détail ici s'appliquent également à d'autres environnements relatifs à ces types de capteurs, notamment la robotique, les péages routiers, les GPS ainsi que les systèmes d'atterrissage ou d'anticollision de drones. Les radars automobiles actuels fonctionnent en mode non coopératif, sans communication mutuelle. Un mode de fonctionnement coopératif nécessiterait bien sûr une harmonisation de toute l'industrie automobile, mais l'arbitrage entre capteurs radar faciliterait la résolution des problèmes d'interférences. Si la forme d'onde FMCW de l'émetteur utilise un codage de phase avec une séquence PRN, il est possible d'éliminer le signal de brouillage. Un concept de radar futur englobant la coopération pourrait consister à fusionner les nœuds de communication et les capteurs radar. Ce futur système, basé sur des formes d'ondes complexes, apporterait la possibilité d'incorporer également des informations dans le signal radar lui-même. Le même matériel pourrait être utilisé simultanément pour le radar et les communications (RadCom). RadCom prend la forme d'un unique système assurant simultanément la communication et les opérations radar. Ses caractéristiques sont : -la compatibilité multi-utilisateurs sans interférences, - le codage du signal radar en OFDM (codage par répartition en fréquences orthogonales), ou à l'aide de codes de communication similaires permettant d'incorporer des informations dans le signal radar, - un dispositif simultané du fait des signaux d'émission radar codés en OFDM. Les solutions d'émetteur-récepteur en ondes milli- Sortie métriques 5G proposées par Analog Devices sont des réponses possibles pour un concept de système RadCom, grâce à leur bande passante supérieure au gigahertz et à leurs capacités de pilo-tage de faisceaux. Ainsi, la plateforme radar Drive360 Cmos 28 nm offre de nombreuses possibilités d'intégration de traitements du Sortie signal 1,8 de V haut niveau. L'incorporation de blocs IP personnalisés permet aux concepteurs de différencier leurs systèmes. Un circuit d'alimentation hautement intégré accompagne la plateforme. Ce système apporte aux OEM et à leurs fournisseurs directs les performances requises pour développer les solutions nécessaires aux applications émergentes de conduite autonome. n

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