鐘　鵬，郝國(guó)法

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢　430081)

0　引言

FMCW雷達(dá)是一種通過(guò)對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制來(lái)獲取距離與速度信息的雷達(dá)體制，跟傳統(tǒng)的脈沖體制雷達(dá)相比，它既有峰值功率低、工作頻率范圍寬及測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。隨著對(duì)FMCW體制雷達(dá)的研究不斷深入，F(xiàn)MCW雷達(dá)在工業(yè)控制、汽車防撞及液位監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從而對(duì)FMCW雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度及集成度提出了更高的要求。

文中介紹了一種基于MAX11043的FMCW雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)。MAX11043的主要作用是產(chǎn)生三角波信號(hào)與差頻信號(hào)處理，其內(nèi)部集成了4通道、16位同時(shí)采樣ADC和8/12位兩級(jí)DAC，且?guī)в锌删幊淘鲆娣糯笃骱蛿?shù)字濾波器，從而使整個(gè)系統(tǒng)在穩(wěn)定性、精度及集成度等方面得到保證。

1　FMCW雷達(dá)測(cè)距原理及系統(tǒng)組成

1．1FMCW雷達(dá)測(cè)距原理

對(duì)于FMCW雷達(dá)測(cè)距，其工作原理是利用某種方式對(duì)連續(xù)波載頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并發(fā)射，將目標(biāo)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波及放大，得到含有目標(biāo)信息的差頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理即可獲得目標(biāo)的距離[1]。在與測(cè)距相關(guān)的應(yīng)用中，F(xiàn)MCW雷達(dá)一般采用調(diào)制方式簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)的三角波線性調(diào)頻，當(dāng)探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離時(shí)，其測(cè)距可參考如下公式[2-3]：

式中：R為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離；c0為光速；T為調(diào)制三角波的周期；Δf為振蕩器發(fā)射頻率的范圍，即調(diào)頻帶寬；fdiff_up為調(diào)制信號(hào)在升坡階段產(chǎn)生的差頻；fdiff_down為調(diào)制信號(hào)在降坡階段產(chǎn)生的差頻。

所以，在實(shí)際的應(yīng)用中，只要分別確定調(diào)制信號(hào)在升坡和降坡階段所產(chǎn)生的差頻，就可以利用上式計(jì)算出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離。

1．2系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX11043和K-波段帶VCO(壓控振蕩器)的雷達(dá)收發(fā)器IVS-167組成。系統(tǒng)工作時(shí)，由MAX11043輸出三角波并通過(guò)收發(fā)器IVS-167輸出射頻波段的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射所產(chǎn)生的回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻，進(jìn)而得到頻率較低的差頻信號(hào)。將該差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后送入MAX11043，經(jīng)AD采樣所得到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口送給FPGA進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)，最后得到距離信息。為了減少信號(hào)處理的時(shí)間，獲得更高的實(shí)時(shí)性，整個(gè)系統(tǒng)由FPGA控制。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1MAX11043簡(jiǎn)介[4]

MAX11043是一種4路差分或單端輸入、16位AD同時(shí)采樣芯片，每路都包含PGA(可編程增益放大器)和可編程數(shù)字濾波器模塊。每個(gè)通道的濾波器由7級(jí)2階濾波器單元構(gòu)成，每個(gè)2階濾波器均可設(shè)置為低通、高通或帶通，最高可構(gòu)成14階濾波器。

每通道的ADC最高采樣轉(zhuǎn)換率可達(dá)800 ksps，MAX11043與設(shè)備之間可通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信，速率可達(dá)40 MHz，且SPI接口支持1 600 ksps的輸出速率，即對(duì)于4路、每通道400 ksps或2路、每通道800 ksps．

MAX11043包含2路8位粗調(diào)DAC，用于設(shè)置第二級(jí)12位精細(xì)DAC的高端和低端參考基準(zhǔn)，該DAC通常用于VCO的電壓控制。

2．2雷達(dá)收發(fā)器IVS-167

IVS-167模塊主要由三部分組成：信號(hào)源部分、混頻輸出部分及信號(hào)收發(fā)部分，如圖2所示。

(1)信號(hào)源部分：包括VCO和供電源，VCO發(fā)射信號(hào)的頻率是通過(guò)對(duì)三角波信號(hào)幅值的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。三角波信號(hào)的幅值在0.5～8 V的范圍內(nèi)，調(diào)制輸入的最大頻率不超過(guò)150 kHz.當(dāng)探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)(30～150 m)時(shí)采用100～200 Hz的調(diào)制頻率，探測(cè)近距離目標(biāo)(10～20 m)時(shí)采用500 Hz～1 kHz的調(diào)制頻率。

(2)混頻輸出部分：由VCO產(chǎn)生的三角波調(diào)制信號(hào)，一路經(jīng)收發(fā)器發(fā)射出去，另一路又分流成兩路分別進(jìn)入I、Q所在通道的混頻器中。收發(fā)器接收到的回波信號(hào)也經(jīng)混頻器分別與實(shí)時(shí)分流的兩路信號(hào)進(jìn)行混頻，最終得到含有目標(biāo)距離和速度信息的I、Q兩路輸出信號(hào)。

(3)信號(hào)收發(fā)部分：發(fā)送和接收天線合一，既為信號(hào)發(fā)射路徑也為目標(biāo)回波接收路徑。

圖2　IVS-167模塊結(jié)構(gòu)圖

2．3產(chǎn)生三角波調(diào)制信號(hào)

MAX11043具有1個(gè)12位精細(xì)DAC，通過(guò)前級(jí)8位雙抽頭粗調(diào)DAC來(lái)設(shè)置其高端和低端基準(zhǔn)，精細(xì)DAC具備1個(gè)2倍增益輸出緩沖器。使用粗調(diào)DAC設(shè)置基準(zhǔn)時(shí)，將REFDACH和REFDACL端子分別用1 μF的電容進(jìn)行旁路。為了使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，將采用經(jīng)內(nèi)部參考電壓+2.5 V一分為二的+1.25 V電壓作為前級(jí)粗調(diào)DAC的電壓基準(zhǔn)，DAC結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　DAC結(jié)構(gòu)框圖

精細(xì)DAC寄存器(Fine DAC Register)包含當(dāng)前輸出的值，對(duì)該寄存器進(jìn)行寫操作可以改變其輸出值。DACSTEP寄存器專門用于存儲(chǔ)DAC的步進(jìn)值，輸入引腳UP/DWN用于設(shè)置DAC步進(jìn)方向。三角波調(diào)制信號(hào)的頻率可以通過(guò)設(shè)置DACSTEP寄存器的值以及輸入引腳UP/DWN的邏輯電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于MAX11043內(nèi)部DAC電氣特性的限制，通過(guò)設(shè)置粗調(diào)DACH/DACL、DACSTEP寄存器和UP/DWN引腳的邏輯電平所產(chǎn)生的三角波信號(hào)最大幅值為+2.5 V，而IVS-167模塊的調(diào)制信號(hào)輸入端電壓變化范圍為0.5～8 V，為滿足測(cè)距要求，需要將DAC輸出的三角波信號(hào)進(jìn)行處理，其原理如圖4所示。在R6上并聯(lián)C2，其作用是使電路A形成低通濾波，能夠讓輸出的三角波信號(hào)更加平滑。電路B完成功率放大。

圖4　三角波信號(hào)處理原理圖

2．4差頻信號(hào)預(yù)處理

IVS-167模塊輸出的差頻信號(hào)幅值較低，容易受到周圍環(huán)境的干擾，并且隨著目標(biāo)距離的增加，雷達(dá)接收到的回波信號(hào)會(huì)減弱。為了使MAX11043所采集的數(shù)據(jù)更加精確穩(wěn)定，有必要在信號(hào)采集之前對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理[5-6]。IVS-167模塊輸出的差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗匹配之后進(jìn)入二階高通濾波器，濾除調(diào)制信號(hào)及其他噪聲和干擾，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。信號(hào)處理如圖5所示，電路中運(yùn)算放大器采用MC33079，該有源器件具有低噪聲、低失調(diào)電壓和高增益帶寬積等多種特性。

圖5　差頻信號(hào)處理原理圖

2．5信號(hào)采集與數(shù)字信號(hào)處理

MAX11043的每路通道都有一組由PGA和通用濾波器組成的模塊，設(shè)置配置寄存器CONFIG_Register中的PDPGA位為1可對(duì)此模塊進(jìn)行旁路。經(jīng)過(guò)ADC之后所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)入Sinc 5濾波器和抽取器可以抑制一定范圍的頻譜分量及有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取。7級(jí)2階可編程數(shù)字濾波器能夠有效隔離一些高頻噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響，最后從SPI接口讀取結(jié)果，其信號(hào)路徑如圖6所示。

圖6　MAX11043內(nèi)部信號(hào)路徑

2．5．1增益調(diào)整與低通濾波

根據(jù)奈奎斯特采樣定理[7]，為了保證采樣信號(hào)能夠重新構(gòu)建，采樣頻率必須滿足公式fS>2fB，否則高頻信號(hào)會(huì)混疊在信號(hào)帶內(nèi)，使信號(hào)帶內(nèi)的噪聲增加而無(wú)法重構(gòu)信號(hào)，其中fS為ADC采樣頻率，fB為待采樣信號(hào)帶寬?？梢酝ㄟ^(guò)配置寄存器使可編程增益放大與濾波模塊(PGA AND FILTER)構(gòu)成一個(gè)抗混疊低通濾波器，截止頻率為fS/2，從而使高于該截止頻率的噪聲信號(hào)被濾除，可以有效減少在信號(hào)帶內(nèi)高頻噪聲，設(shè)置模式表1所示。

表1　PGA AND FILTER寄存器設(shè)置

2．5．2信號(hào)采樣與SINC 5濾波

MAX11043具有4個(gè)差分輸入通道，每路通道都有一個(gè)四階Σ-Δ型ADC調(diào)制器，當(dāng)信號(hào)通過(guò)單端輸入時(shí)，將對(duì)應(yīng)通道的N輸入端用一個(gè)10 μF電容旁路到AGND(模擬地)即可。當(dāng)4路ADC同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)，Σ-Δ調(diào)制器最大采樣速率能到達(dá)9.6 Msps．

Sinc 5濾波器主要用于去除Σ-Δ調(diào)制器輸出數(shù)據(jù)中的高頻噪聲，同時(shí)會(huì)將調(diào)制器的數(shù)據(jù)速率衰減12倍，Sinc 5濾波器的頻率響應(yīng)如圖7所示。

圖7　速率為9.6 Msps時(shí)，Sinc 5濾波器的頻率特性

2．5．3數(shù)字濾波器設(shè)置

可編程數(shù)字濾波器是由7個(gè)2階濾波器單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成的，每個(gè)2階濾波器單元可獨(dú)立進(jìn)行配置，最高可配置成14階濾波器。單個(gè)2階濾波器單元結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　單個(gè)2階可編程濾波器結(jié)構(gòu)

A2、A3與B2在-4～+4之間進(jìn)行取值，且以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式進(jìn)行存放。用戶可根據(jù)需求將濾波器系數(shù)存放至flash里面，對(duì)濾波器進(jìn)行配置時(shí)，只需將系數(shù)從flash移至C-RAM(Coefficient Ram)，或者在上電的條件下，直接將系數(shù)通過(guò)寫操作存入C-RAM即可。

2．6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要使用FPGA來(lái)控制，F(xiàn)PGA通過(guò)SPI接口與MAX11043進(jìn)行通信，包括MAX11043內(nèi)部ADC與DAC寄存器的設(shè)置。從SPI讀取的數(shù)據(jù)存入SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)，便于FFT數(shù)字信號(hào)處理，最后將處理的結(jié)果予以顯示。系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。

圖9系統(tǒng)軟件流程圖

3　FMCW雷達(dá)測(cè)距精度簡(jiǎn)析

雷達(dá)測(cè)距分辨率公式[8]為

式中：c為光速；B為雷達(dá)的掃頻帶寬。

可以看出雷達(dá)的掃頻帶寬決定了系統(tǒng)的距離分辨率。此外，雷達(dá)測(cè)距精度還與掃頻信號(hào)的線性度及回波差頻信號(hào)中的噪聲強(qiáng)度相關(guān)，特別是回波差頻信號(hào)中的噪聲信號(hào)，它會(huì)直接影響數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中對(duì)差頻信號(hào)頻率的提取，進(jìn)而影響測(cè)距精度。對(duì)于FMCW雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)精度的提高，可以通過(guò)配置數(shù)字濾波器的系數(shù)來(lái)減小數(shù)字信號(hào)的帶寬或增加FFT的采樣點(diǎn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4　結(jié)束語(yǔ)

FMCW雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)主要采用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX11043、雷達(dá)收發(fā)器IVS-167及FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)處理的核心是MAX11043，它具備高集成度、低功耗以及通信方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。FMCW雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)在液位探測(cè)、報(bào)警設(shè)備及交通監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]SKOLNIK M I．雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論．左群聲，徐國(guó)良，譯．北京：電子工業(yè)出版社，2010．

[2]丁鷺飛，耿富錄．雷達(dá)原理．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002．

[3]SKOLNIK M I．雷達(dá)手冊(cè)．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

[4]MAXIM Integrated Products．MAX11043 datasheet [EB/OL]．[2013-03-12]．http：//china．maximintegrated．com/datasheet/index．mvp/id/5694．

[5]汪紅，張杰，張大彪．調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)信號(hào)調(diào)理電路．儀表技術(shù)與傳感器，2012(1)：105-107．

[6]岳文豹，楊錄，張艷花．FMCW雷達(dá)近程測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)．電子技術(shù)應(yīng)用，2012(4)：73-79．

[7]PROAKIS J G，MANOLAKIS D G．?dāng)?shù)字信號(hào)處理．方艷梅，劉永清，譯．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

[8]胡廣書．?dāng)?shù)字信號(hào)處理-理論、算法與實(shí)現(xiàn)．北京：清華大學(xué)出版社，1998．