王斯盾

摘 要：信號(hào)處理系統(tǒng)是FMCW雷達(dá)的核心組成部分，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展與演進(jìn)，F(xiàn)MCW雷達(dá)形成了以MCU、DSP、FPGA、DSP+FPGA和MCU+DSP為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)。文章介紹了典型的FMCW雷達(dá)結(jié)構(gòu)，分析了每種信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)與不足，為FMCW雷達(dá)的選型與設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：FMCW雷達(dá)；信號(hào)處理系統(tǒng)；設(shè)計(jì)方案

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0108-02

調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave， FMCW）雷達(dá)是調(diào)頻體制和連續(xù)波雷達(dá)融合的成果，具有時(shí)寬帶寬積大、受環(huán)境影響小、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域警戒、無(wú)人駕駛、物位測(cè)量等領(lǐng)域。隨著國(guó)內(nèi)廠商技術(shù)水平的提高，國(guó)產(chǎn)24GHz FMCW雷達(dá)射頻前端已經(jīng)掌握了平面微帶制造技術(shù)，生產(chǎn)的雷達(dá)傳感器體積較小，感應(yīng)靈敏，集成化程度高，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。但是，如何設(shè)計(jì)FMCW雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)，以充分發(fā)揮射頻前端潛力，嵌入復(fù)雜算法，提高測(cè)量性能，拓寬應(yīng)用場(chǎng)景能成為了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。

1 FMCW雷達(dá)結(jié)構(gòu)

典型的FMCW雷達(dá)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為射頻前端和信號(hào)處理系統(tǒng)兩部分。核心處理器控制DAC生成調(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)射頻前端VCO產(chǎn)生等幅的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)定向耦合器后一部分作為本振信號(hào)進(jìn)入混頻器；另一部分進(jìn)入環(huán)形器通過(guò)發(fā)射天線形成發(fā)射信號(hào)。發(fā)射信號(hào)被目標(biāo)反射后經(jīng)接收天線形成回波信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)環(huán)形器與混頻器中與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，形成差頻信號(hào)。差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，將信號(hào)輸入到核心處理器，通過(guò)信號(hào)處理算法，提取出需要的信息，最后通過(guò)通訊單元將結(jié)果顯示或傳輸。

2 FMCW雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

FMCW雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)達(dá)到三個(gè)目的：（1）充分挖掘射頻前端的潛能，有效采集雷達(dá)差頻信號(hào)。（2）能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的算法，滿足在線實(shí)驗(yàn)的需要。（3）具有小型化、模塊化特點(diǎn)，方便大規(guī)模生產(chǎn)和移植。根據(jù)處理芯片的不同，信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案一般分為：以MCU為核心的系統(tǒng)、以DSP為核心的系統(tǒng)、以FPGA為核心的系統(tǒng)、以DSP+FPGA為核心的系統(tǒng)和以MCU+DSP為核心的系統(tǒng)。

2.1 以MCU為核心的系統(tǒng)

早期的FMCW雷達(dá)一般以MCU為核心。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可控制的外圍設(shè)備豐富，可實(shí)現(xiàn)的功能全面。但是難以進(jìn)行較為復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理。文獻(xiàn)[1]介紹了經(jīng)典的以MCU為核心的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MCS-51為核心，通過(guò)DAC生成三角波調(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)雷達(dá)射頻前端，產(chǎn)生差頻信號(hào)。差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)程控濾波器和自動(dòng)增益放大電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，最后通過(guò)外置的ADC進(jìn)行信號(hào)采集。在信號(hào)處理方面，利用過(guò)零檢測(cè)的方法將差頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，然后用檢波電路進(jìn)行頻率估計(jì)，最后計(jì)算測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行顯示。

以MCU為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)成本低；（2）能夠?qū)崿F(xiàn)小型化和模塊化，進(jìn)而嵌入到大型系統(tǒng)中。但同時(shí)也存在著以下問(wèn)題：（1）MCU的工作頻率低，當(dāng)差頻信號(hào)頻率較高時(shí)存在一定時(shí)延；（2）信號(hào)采集幾乎消耗了全部芯片資源，難以嵌入頻率估計(jì)算法，測(cè)距精度低。

2.2 以DSP為核心的系統(tǒng)

目前市場(chǎng)中的FMCW雷達(dá)一般采用DSP作為核心芯片。文獻(xiàn)[2]介紹了經(jīng)典的以DSP為核心的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用通用型DSP TMS320F28335，分為四個(gè)主要模塊：調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊、差頻信號(hào)采集模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊和外圍控制模塊。調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊采用外置的DAC，通過(guò)直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）生成高精度的調(diào)制信號(hào)；差頻信號(hào)采集模塊包括信號(hào)信號(hào)調(diào)理電路和ADC，實(shí)現(xiàn)差頻信號(hào)的濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。信號(hào)處理方面，首先對(duì)差頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)了FIR數(shù)字濾波，然后采用加窗快速傅立葉線性調(diào)頻聯(lián)合算法計(jì)算差頻信號(hào)頻率。測(cè)距精度遠(yuǎn)高于過(guò)零檢測(cè)法。

以DSP為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）工作頻率高，運(yùn)算速度快，實(shí)時(shí)性良好；（2）數(shù)字信號(hào)處理能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的差頻信號(hào)頻率估計(jì)算法。但同時(shí)也存在著信號(hào)采集與信號(hào)處理共用DSP芯片，不能夠最大程度發(fā)揮其性能，高速信號(hào)采集能力弱的缺點(diǎn)。

2.3 以FPGA為核心的系統(tǒng)

以FPGA為核心的系統(tǒng)同樣也是一種主流的方法。文獻(xiàn)[3]介紹了經(jīng)典的以FPGA為核心的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用XCS1500，利用其超強(qiáng)的時(shí)序控制能力，實(shí)現(xiàn)了利用調(diào)制信號(hào)對(duì)VCO的校正；利用其豐富外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了濾波電路和VGA放大電路，對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)處理方面，F(xiàn)PGA的邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)，但是難以實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算，所以僅調(diào)用快速傅里葉變換（FFT）運(yùn)算核，從頻譜分析的角度計(jì)算差頻信號(hào)頻率。

以FPGA為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）FPGA是通過(guò)硬件的方式實(shí)現(xiàn)各功能模塊，內(nèi)部各個(gè)模塊并行運(yùn)行，執(zhí)行效率高；（2）外設(shè)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，既能夠在線驗(yàn)證算法，又能夠提取中頻信號(hào)數(shù)據(jù)離線分析。但同時(shí)也存在著浮點(diǎn)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理的問(wèn)題。系統(tǒng)需要在NiOS Ⅱ軟核完成算法中的浮點(diǎn)運(yùn)算，而NiOS Ⅱ軟核占用的資源非常大，實(shí)際應(yīng)用中一般選擇外加DSP進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。

2.4 以FPGA+DSP為核心的系統(tǒng)

針對(duì)FPGA浮點(diǎn)運(yùn)算能力弱的問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了以DSP+FPGA為核心的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)。以FPGA為信號(hào)采集與系統(tǒng)控制核心，完成其他外圍設(shè)備的控制，控制調(diào)制三角波的生成，控制ADC對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣并將采樣數(shù)據(jù)在內(nèi)部緩存；以DSP為信號(hào)處理核心，與FPGA進(jìn)行通信，讀取FPGA中緩存的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，提取距離信息。這種功能分配方式意在充分發(fā)揮DSP和FPGA各自優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高系統(tǒng)工作效率。endprint

以DSP+FPGA為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）將信號(hào)采集與信號(hào)處理分開(kāi)，能夠充分利用DSP與FPGA的特點(diǎn)；（2）處理能力強(qiáng)，能夠在信號(hào)采集核心中實(shí)現(xiàn)VCO非線性校正，溫度補(bǔ)償，程控濾波等功能。在信號(hào)處理核心中實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算量大的算法。但是該系統(tǒng)方案電路較復(fù)雜，價(jià)格較高昂，體積最為龐大，喪失了FMCW雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，所以一般只用于實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.5 以MCU+DSP為核心的系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)廠商華儒科技、佰譽(yù)達(dá)科技以及德國(guó)英飛凌（Infineon）公司生產(chǎn)的FMCW雷達(dá)都采用了MCU+DSP雙核心的結(jié)構(gòu)。與DSP+FPGA為核心的系統(tǒng)類(lèi)似，MCU+DSP為核心的系統(tǒng)同樣是將信號(hào)采集核心與信號(hào)處理核心分開(kāi)。MCU簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和豐富的外設(shè)可以在本系統(tǒng)中完全替代FPGA。該方案在簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，可以滿足復(fù)雜算法需要。經(jīng)過(guò)作者實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，華儒科技和佰譽(yù)達(dá)科技的量產(chǎn)單片型24GHz雷達(dá)在30m內(nèi)的測(cè)距精度可以達(dá)到±100mm。

3 結(jié)束語(yǔ)

FMCW雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)采用的構(gòu)架方案直接決定了信號(hào)采集的效率與信號(hào)處理的能力，一直以來(lái)是FMCW雷達(dá)產(chǎn)品化的研究重點(diǎn)。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)架方案，分析了各種方案的優(yōu)勢(shì)與不足，為國(guó)產(chǎn)FMCW雷達(dá)選型和設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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