姜 興，劉 濤

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

近年來，隨著我國高速公路網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，惡性的交通事故有著愈演愈烈的趨勢(shì)，為減輕事故發(fā)生時(shí)對(duì)人所造成的傷害，已采用行駛安全帶、安全氣囊等保護(hù)措施，但這些技術(shù)均為被動(dòng)防護(hù)，不能從根本上解決碰撞問題?！爸鲃?dòng)汽車毫米波防碰撞雷達(dá)系統(tǒng)”成為近年來國際上研究與開發(fā)的熱點(diǎn)，主動(dòng)汽車防碰撞是以雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。防撞雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的前方，當(dāng)有危險(xiǎn)目標(biāo)（如行駛前方停止或慢行的車輛）出現(xiàn)，雷達(dá)系統(tǒng)提前向司機(jī)發(fā)出報(bào)警，使司機(jī)及時(shí)作出反應(yīng)，同時(shí)，雷達(dá)向汽車控制系統(tǒng)輸出信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)情況進(jìn)行自動(dòng)剎車或減速。由于毫米波具有帶寬大、分辨率高、天線部件尺寸小及能適應(yīng)惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)具有重量輕、體積小和全天候等特點(diǎn)，并已有產(chǎn)品開始投入市場(chǎng)，前景十分好。為提高我國車輛的道路行車安全，滿足汽車電子設(shè)備對(duì)無線電頻譜資源的需求，推動(dòng)無線電新技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)我國無線電頻率劃分規(guī)定及頻譜資源使用情況，工業(yè)和信息化部2012年11月19日正式發(fā)布了《工業(yè)和信息化部關(guān)于發(fā)布24 GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率的通知》[1]。為了充分利用汽車帶來方便的同時(shí)，盡可能地避免車禍的發(fā)生，在我國研究和推廣汽車防撞裝置顯得日益重要和迫切。本文基于德國Innosent公司推出的K-波段VCO雷達(dá)收發(fā)器IVS-179，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該雷達(dá)及雷達(dá)后端中頻信號(hào)處理電路。

1 FMCW雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速原理

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)系統(tǒng)通過天線向前方發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻毫米波，并接收目標(biāo)的反射信號(hào)。發(fā)射波的頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。一般使用三角波信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。天線接收到的反射波與發(fā)射波的形狀相同，只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲，發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在某一時(shí)刻的頻率差即為混頻輸出的中頻信號(hào)頻率，且目標(biāo)距離與前端輸出的中頻頻率成正比。如果反射信號(hào)來自一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則反射信號(hào)中包括一個(gè)由目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒頻移。根據(jù)多普勒原理就可以計(jì)算出目標(biāo)距離和目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

該雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。工作時(shí)由K-波段VCO雷達(dá)收發(fā)器VCO發(fā)出經(jīng)三角調(diào)制、頻率隨時(shí)間變化的調(diào)頻連續(xù)波，一部分經(jīng)90°功分器分為同相/正交兩路進(jìn)入混頻器，一部分經(jīng)微帶陣列發(fā)射天線向外輻射。目標(biāo)回波信號(hào)被微帶陣列接收天線接收，經(jīng)射頻前置放大器放大后進(jìn)入混頻器，與同相/正交兩路發(fā)射波混頻，經(jīng)過低通濾波，產(chǎn)生幅度相同、相位相差90°的兩路中頻差頻信號(hào)，得到帶有目標(biāo)信息的輸出信號(hào)I和Q。I為同相信號(hào)，Q為正交信號(hào)。I、Q兩路信號(hào)中均攜帶有探測(cè)目標(biāo)的距離、速度和方向的信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在本設(shè)計(jì)中從K-波段 VCO雷達(dá)收發(fā)器輸出的I、Q信號(hào)具有相同的后續(xù)處理電路，即先通過高通濾波器濾除調(diào)制的三角波信號(hào)，再通過運(yùn)算放大器放大信號(hào)到合適的幅度，輸送到后端信號(hào)處理模塊上[2-3]。

3 濾波電路設(shè)計(jì)

由于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的回波信號(hào)幅度很小，以小轎車為例，當(dāng)距離大于 100 m時(shí)，經(jīng)雷達(dá)收發(fā)器RF-前置放大后的輸出信號(hào)幅度約為 10 mV～20 mV，因此，該輸出信號(hào)在輸入信號(hào)處理模塊進(jìn)行采樣前必須再次經(jīng)過放大以提高幅度。但由于輸出信號(hào)被三角波調(diào)制，必須首先通過濾波器將該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，再進(jìn)行放大。由于多反饋有源濾波器具有低成本、易實(shí)現(xiàn)、Q值高及增益高等特點(diǎn)，有源濾波器相比簡(jiǎn)單的LC濾波器具有更小的體積和更小的衰減，在本設(shè)計(jì)中采用多反饋有源高通濾波器。多反饋濾波器[4]原理圖如圖2所示。二階高通濾波器的一般性的傳遞函數(shù)可以寫為：

其中，A0為通帶增益。為了簡(jiǎn)化電路的計(jì)算，并減小電容C1、C2、C3間的容差以盡可能降低濾波器在通頻帶內(nèi)增益的變化，取C1、C2和C3有相同的電容量（C1=C2=C3=C）。圖2所示電路的傳遞函數(shù)為：

圖2 多反饋高通濾波器原理圖

將式（2）與式（1）進(jìn)行比較計(jì)算，得到單位增益的Butterworth濾波器近似計(jì)算公式：

其中，f0為設(shè)計(jì) Butterworth濾波器的截止頻率，R、C為根據(jù)設(shè)計(jì)所選擇的電阻阻值和電容容值。為了使得電路供電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在本設(shè)計(jì)中采用單電源供電[5]，設(shè)計(jì)的截止頻率為1 kHz。單位增益的Butterworth濾波器如圖3所示。采用ADS2009軟件進(jìn)行時(shí)域交流仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 單位增益的Butterworth濾波器

圖4 該濾波器頻率響應(yīng)

由圖4可以看出，在截止頻率為1 kHz時(shí)衰減為3.2 dB，在 100 Hz時(shí)衰減為 40 dB，200 Hz時(shí)衰減為 28 dB。這表明該濾波器能很好地滿足設(shè)計(jì)所需要求。

4 AGC放大電路設(shè)計(jì)

由于輸出信號(hào)幅度很小并且隨距離的不同其幅度和頻率也不同，將其送入后端信號(hào)處理ADC模塊前需要將其幅度進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯笠詽M足后端處理的要求。而用于信號(hào)處理的FPGA模塊輸入端口有限幅功能，經(jīng)測(cè)試其最大輸入電壓幅度為2.5 V。將10 mV電壓放大至2.5 V增益約為+48 dB，當(dāng)距離為15 m左右時(shí)，經(jīng)雷達(dá)收發(fā)器RF-前置放大后的輸出信號(hào)幅度約為500 mV～600 mV。若通過固定增益放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大以滿足遠(yuǎn)距離需要，則距離較近時(shí)的信號(hào)會(huì)被限幅，從而會(huì)產(chǎn)生諧波分量，將對(duì)計(jì)算結(jié)果造成干擾，影響系統(tǒng)測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度。由于自動(dòng)增益控制（AGC）可以隨輸入信號(hào)的幅度大小來改變其增益大小，從而可以使得輸出信號(hào)幅度穩(wěn)定在某一電平值，因此，在本設(shè)計(jì)中引入AGC放大電路。由于AGC對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)的增益不完全相同，因此會(huì)造成增益譜不平坦，即有增益起伏。本設(shè)計(jì)選用的AD603[3]是美國ADI公司推出的一款寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控 VGA芯片，其內(nèi)部含有負(fù)反饋，可以較好地控制增益起伏。所設(shè)計(jì)單電源供電AGC放大電路原理圖如下圖5所示。由參考文獻(xiàn)[6]可知，AD603的 1管腳（GPOS）和 2管腳（GNEG）間的電壓控制著其增益，單片AD603的增益最大可達(dá)+40 dB。為了使增益達(dá)到+60 dB，本設(shè)計(jì)中采用兩片小信號(hào)放大器AD603順序級(jí)聯(lián)模式，有利于控制精度和信噪比的提高，在工作時(shí)當(dāng)?shù)谝患?jí)的增益用盡后才啟用第二級(jí)的增益。設(shè)計(jì)采用將VOUT與FDBK短路即為寬頻帶模式（90 MHz寬頻帶），此時(shí)增益計(jì)算公式為 40 Vg+10，可知當(dāng) V12（單片 AD603 1、2 管腳間電壓）在-500 mV～500 mV之間時(shí)，AD603的增益設(shè)置為-10 dB～+30 dB，即兩片級(jí)聯(lián)AD603的2管腳（GNEG）之間有1 V的壓降。參考文獻(xiàn)[7]采用單片機(jī)或者FPGA產(chǎn)生該控制電壓使得系統(tǒng)變得復(fù)雜，系統(tǒng)成本增加，在這里通過選取適當(dāng)?shù)姆謮弘娮?R4、R5、R6，使得 1、2級(jí)間控制腳 GNEG 間的電壓差為1 V，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。由增益計(jì)算公式可得兩片AD603級(jí)聯(lián)其增益最大可達(dá)到+60 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。由Q2和R10組成一個(gè)檢波器，用于檢測(cè)輸出信號(hào)的幅度變化；Q1形成一個(gè)電流源，提供基準(zhǔn)電流。流進(jìn)電容C13的電流為兩個(gè)三極管Q1、Q2的集電極電流之差，該電流大小隨U2輸出信號(hào)的幅度大小的變化而變化，并在C13上產(chǎn)生電壓，形成自動(dòng)增益控制電壓VAGC，使得加在放大器 U1、U2的 1管腳（GPOS）的自動(dòng)增益控制電壓VAGC隨輸出信號(hào)的幅度變化而變化，從而使得增益控制輸入端電壓變化達(dá)到自動(dòng)調(diào)整放大器增益的目的。

5 測(cè)試結(jié)果

在通過軟件仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行后，制作了電路的相應(yīng)實(shí)物，并將各部分級(jí)聯(lián)通過調(diào)試構(gòu)成了該雷達(dá)防撞及中頻信號(hào)處理電路系統(tǒng)。通過實(shí)際測(cè)試，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室目標(biāo)靜止距離該雷達(dá)系統(tǒng)15 m時(shí)，使用該雷達(dá)系統(tǒng)所接收到的經(jīng)雷達(dá)收發(fā)器RF-前置放大后的被三角波調(diào)制的輸出信號(hào)波形如圖6所示，通過后端信號(hào)處理電路經(jīng)過濾波及AGC放大后的信號(hào)波形如圖7所示。由圖6及圖7對(duì)比可見，該系統(tǒng)很好地濾除了不需要的、對(duì)后端信號(hào)處理造成干擾的調(diào)制三角波信號(hào)，抑制了雜散信號(hào)，并放大含有目標(biāo)距離信息的有用中頻信號(hào)到峰峰值2.5 V，為后端信號(hào)處理模塊提供了穩(wěn)定的輸入信號(hào)，達(dá)到了設(shè)計(jì)所需的要求，且運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。在公路上對(duì)行駛目標(biāo)小汽車進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)量最遠(yuǎn)距離能達(dá)到110 m，110 m時(shí)的時(shí)域波形如圖8所示。雖然從圖中可見雜波干擾比較嚴(yán)重，但該信號(hào)滿足信號(hào)處理的要求，通過信號(hào)處理模塊進(jìn)行相應(yīng)處理后，在顯示終端上顯示的目標(biāo)距離和速度如圖9所示。從圖中可得，距離為113.6 m，速度為3.9 m/s，在誤差范圍內(nèi)結(jié)果是準(zhǔn)確的。該系統(tǒng)能用于汽車的前向防撞，能有效地提高行車的安全性。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于汽車防撞的車載雷達(dá)及其中頻信號(hào)處理電路。選用K-波段VCO雷達(dá)收發(fā)器體積小，安裝方便，性能優(yōu)良；采用0 dB有源多反饋高通濾波器具有體積小，對(duì)通帶信號(hào)衰減小等優(yōu)點(diǎn)，有利于準(zhǔn)確地提取出帶有目標(biāo)信息的有用信號(hào)；引入自動(dòng)增益控制電路提高輸出電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高信噪比，為下一步信號(hào)處理模塊提供高質(zhì)量的輸入信號(hào)，使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確；有效地提高了系統(tǒng)整體性能。對(duì)所設(shè)計(jì)的雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，對(duì)目標(biāo)小汽車的探測(cè)距離能夠達(dá)到110 m以上，取得了良好的效果。

圖6 雷達(dá)接收信號(hào)波形

圖7 濾波后、AGC放大后的信號(hào)波形

圖8 110 m時(shí)濾波后、AGC放大后的信號(hào)波形

圖9 顯示終端目標(biāo)距離和速度

[1]工業(yè)和信息化部發(fā)布24 GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率規(guī)劃[EB/OL].http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n12843926/n13917012/15038134.html，2012-11-29.

[2]岳文豹，楊錄，張艷花.FMCW雷達(dá)近程測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（4）：73-79.

[3]侯麗娟，李建玲.幾種 AGC電路在雷達(dá)中的應(yīng)用[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2002，31（9）：18-22.

[4]MANCINI R.Op amps for everyone[Z].Texas Instruments Incorporated，2001.

[5]CARTER B.A Single-supply op-amp circuit collection[Z].Texas Instruments Incorporated，2000.

[6]AD603英文產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè) [EB/OL].http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD603.pdf.

[7]陳永剛，劉立國.AD603及其在AGC電路中的應(yīng)用[J].電子世界，2002（4）：39-40.