馬玉貞，陳夠喜，崔成林，徐藝偉

（1.中北大學(xué) 計算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原030051；2.成均館大學(xué) 情報通信學(xué)院，韓國 水原440746）

0 引 言

由于普通毫米波雷達(dá)頻帶有限，F(xiàn)MCW 信號形式單一，隨著駕駛輔助系統(tǒng)（advanced driver assistance systems，ADAS）的普及，在多雷達(dá)同時工作的場合，雷達(dá)信號相互干擾概率增大，無法高分辨率地觀測目標(biāo)物體的速度和距離，使雷達(dá)系統(tǒng)虛警率提高，靈敏度降低，影響ADAS系統(tǒng)的安全性。從而，雷達(dá)間相互干擾近年來成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題［1－4］，針對新體制雷達(dá)的干擾問題，多在信號處理階段采用匹配接收和相干處理等抗干擾技術(shù)，同時提出多種傅里葉變換算法來抑制干擾。上述消除干擾的方法使得硬件實現(xiàn)變得困難，并降低了信號處理模塊的處理速度，使得系統(tǒng)探測目標(biāo)的實時性減弱。

在分析文獻(xiàn) ［5－7］的基礎(chǔ)上，利用DDS芯片AD9958和ARM 微控制器Arduino DUE［8］提出一種任意波形設(shè)計方法，此信號波形可根據(jù)需求由軟件設(shè)計產(chǎn)生，區(qū)別于傳統(tǒng)FMCW 信號，可降低虛警率。利用24GHz防撞雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測試，該信號可降低信號間干擾程度，相位噪聲低，開發(fā)周期短，提高了防撞雷達(dá)系統(tǒng)的安全性。

1 設(shè)計原理

1.1 FMCW 基本原理

FMCW 雷達(dá)通過天線向外發(fā)射一系列調(diào)頻連續(xù)毫米波，并接收目標(biāo)的反射信號，然后通過混頻、濾波等處理得到中頻信號，根據(jù)多普勒頻移原理對中頻信號進(jìn)行分析，計算出目標(biāo)物體的距離和速度，F(xiàn)MCW 一般采用三角波調(diào)制信號。FMCW 測速測距原理如圖1所示。根據(jù)多普勒原理，可以算出目標(biāo)與雷達(dá)的相對速度和距離

式中：c——光速，fD——多普勒頻移量；fu——三角形上升沿差頻；f0——調(diào)頻初始頻率；T——信號周期；B——信號帶寬?；夭ㄐ盘柵c發(fā)射信號通過混頻器后得到的是時域中頻信號，進(jìn)行快速傅里葉變換 （fast Fourier transform，F(xiàn)FT）計算得到頻率值，將其帶入式 （1）、式 （2）計算出目標(biāo)相對距離和速度。

圖1 FMCW 基本原理

1.2 任意波形設(shè)計原理

FMCW 毫米波測速測距基本原理被廣泛應(yīng)用于汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)中，具有構(gòu)造簡單，帶寬較大，發(fā)射功率低等優(yōu)點。在雷達(dá)信號源設(shè)計中，越來越多的采用數(shù)字技術(shù)設(shè)計信號源，其中DDS 芯片在數(shù)字信號源設(shè)計占據(jù)重要地位［9－11］。但由于雷達(dá)系統(tǒng)的普及以及FMCW 信號帶寬有限，雷達(dá)傳感器間相互干擾程度加重，造成系統(tǒng)誤判，虛警率增大。為提高信號抗干擾性能，采用DDS芯片AD9958和ARM 微處理器Arduino DUE，提出一種任意波形設(shè)計方法。該設(shè)計利用AD9958線性調(diào)頻特性，由Arduino DUE微控制器設(shè)置控制字，控制字經(jīng)由簡單的SPI通信總線，存入SPI緩存器中，然后置低I／O＿UPDATE 信號線，控制字由I／O緩存器寫入各寄存器中。P2引腳負(fù)責(zé)DDS線性掃頻模式開啟和結(jié)束，在ARM 微控制器的程序設(shè)計中改變AD9958中P2的變化頻率，使其動態(tài)控制AD9958線性掃頻模式的上升和下降時間，從而控制DDS信號形式，輸出任意波形。圖2為抗干擾任意波形的一種形式，后續(xù)將該信號輸入24 GHz雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)測試。

圖2 信號波形

該信號周期為700 ms，帶寬為100 MHz，其中包括4個梯形信號。利用第4個波形的特殊性，在多雷達(dá)傳感器環(huán)境中可明顯區(qū)分該發(fā)射信號，可降低信號互擾程度。進(jìn)行數(shù)字信號處理時，經(jīng)由地雜波濾除［12］操作后雷達(dá)系統(tǒng)可正確識別目標(biāo)，抗干擾性能提高。

2 軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

24GHz防撞雷達(dá)抗干擾任意波形的硬件設(shè)計模塊如圖3 所示，主要由PC 機(jī)、Arduino 微控制器、DDS 芯片AD9958、SPI通信接口等組成。由于動態(tài)改變分頻器值N電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鎖頻效果不理想，此處固定PLL 模塊鎖相環(huán)整數(shù)倍分頻數(shù)值N，設(shè)定為512，采用動態(tài)改變基帶信號頻率的方法，使得雷達(dá)系統(tǒng)輸出FMCW 波形。測試時將AD9958產(chǎn)生信號先經(jīng)過放大器，然后經(jīng)由雷達(dá)發(fā)射機(jī)進(jìn)行射頻發(fā)射。PC機(jī)通過Arduino提供的開發(fā)環(huán)境，為硬件設(shè)置所需的信號參數(shù)，Arduino DUE 通過USB 接口與PC 機(jī)通信，下載程序到微控制器，USB同時為Arduino DUE 提供電源，然后使用SPI通信總線向AD9958 寫入控制字，使其工作在線性調(diào)頻模式，輸出線性調(diào)頻信號。

相位噪聲作為信號源設(shè)計中的主要指標(biāo)，來源較廣，此設(shè)計中他們來自DDS內(nèi)部結(jié)構(gòu)、DDS外部電路、參考信號源、參考時鐘等，其中DDS芯片內(nèi)部影響因素包括累加器相位截斷、ROM 存儲器有限字長、DAC 有限分辨率和內(nèi)部噪聲，此設(shè)計采用25 Mhz晶振作為參考時鐘信號，512次倍頻后相位噪聲將會惡化26.02dB。DDS采用的相位截斷技術(shù)、波形幅度量化及DAC的非理想性特征引起的雜散抑制差是DDS的一大缺點，本設(shè)計采用文獻(xiàn) ［13］的DDS雜散抑制技術(shù)，同時在后續(xù)測試中測試相位噪聲大小。

圖3 AD9958－PLL設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.1.1 直接數(shù)字頻率合成器AD9958

DDS芯片的高集成度、頻率相應(yīng)速度快等特性，使得DDS在信號源設(shè)計方面得到廣泛應(yīng)用［14］。AD9958是美國ADI公司的CMOS型DDS集成電路，采用高級DDS技術(shù)，AD9958由兩個直接數(shù)字頻率合成器內(nèi)核構(gòu)成，其32bit頻率控制字使得該芯片具有很高的頻率分辨率，最小掃頻步進(jìn)為0.12Hz；具有較高的頻率轉(zhuǎn)換速度，最小駐留時間為8ns；簡單的串行口控制；最高時鐘頻率為500 MHz。

AD9958 的SPI通信總線使用簡單、傳輸速度高達(dá)800 MHz，能夠有效提高雷達(dá)調(diào)頻信號的生成速度，相比于傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)更快速、靈敏。串行I／O 端口控制，具有調(diào)相、調(diào)幅功能，可以實現(xiàn)多片AD9958 同步，在MIMO 雷達(dá)的波形設(shè)計中也越來越廣泛。

2.1.2 Arduino DUE與AD9958接口電路設(shè)計

作為本頻率合成器的控制部分，Arduino DUE 基于Atmel公司SAM3X 系列微控制單元ARM Cortex－M3，是首位32位Arduino ARM 核微控制器，SAM3X 支持SPI通信。本設(shè)計將Arduino作為SPI的主設(shè)備，芯片AD9958為從設(shè)備。基本過程為：通過USB接口將上位機(jī)程序下載到Arduino DUE微控制器中，Arduino DUE 通過其SPI通信總線控制AD9958芯片，使其產(chǎn)生任意波形，如單頻信號、調(diào)頻連續(xù)波形信號。Arduino DUE 微控制器輸出電壓為3.3V，AD9958要求輸入電壓為同樣為3.3 V，接口不需要增加額外電路進(jìn)行降壓，圖4為SPI接口電路連接框架。

圖4 Arduino和AD9958接口連接

2.2 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

使用DDS產(chǎn)生掃頻信號，需要配置各寄存器值，系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，對DDS和控制板進(jìn)行初始化，然后對需配置的寄存器寫入控制字，AD9958初始化后默認(rèn)進(jìn)入單頻模式。為保證最小的非線性失真須確保信號波形有最小的掃頻步進(jìn)或最小的駐留時間，在本設(shè)計中增加一自動計算模塊，根據(jù)輸入波形參數(shù)自動選擇最小掃頻步進(jìn)或者最小駐留時間，并計算出最佳掃頻步進(jìn)及相應(yīng)駐留時間。軟件設(shè)計思想如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計

3 實驗測試

3.1 應(yīng)用測試

所設(shè)計任意波形信號將作為24GHz防撞雷達(dá)的輸入，實驗測試分兩組：AD9958 直接線性調(diào)頻信號和連接24GHz雷達(dá)收發(fā)機(jī)后的射頻發(fā)射信號。測試采用130nm CMOS工藝設(shè)計集成的24GHz雷達(dá)收發(fā)機(jī)［15］，測試環(huán)境所用雷達(dá)模塊如圖6所示。直接線性調(diào)頻信號接入24GHz雷達(dá)收發(fā)機(jī)，設(shè)置頻率范圍為47.167 97MHz～47.363 28MHz，輸出信號經(jīng)過放大器放大，然后調(diào)頻到24.15 GHz～24.25GHz，達(dá)到24GHz雷達(dá)收發(fā)機(jī)的輸入標(biāo)準(zhǔn)，此時系統(tǒng)消耗功率為1.53 W，連接雷達(dá)收發(fā)機(jī)512次倍頻后射頻發(fā)射，此時系統(tǒng)消耗功率為2.376 W，射頻信號范圍為24.15GHz～24.25GHz。此測試環(huán)境在韓國境內(nèi)實現(xiàn)，與國內(nèi)24GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率略有偏差。

圖6 測試硬件外觀

圖7和圖8是利用頻譜分析儀對兩組信號進(jìn)行分析的結(jié)果圖。可以看出，信號輸出范圍嚴(yán)格滿足系統(tǒng)要求，經(jīng)由雷達(dá)收發(fā)機(jī)后信號鎖頻，能夠達(dá)到24GHz防撞雷達(dá)的頻率范圍，同時相位噪聲也滿足要求。兩種測試結(jié)果的相位噪聲見表1。

圖7 直接線性調(diào)頻信號 （左）和相位噪聲 （右）

圖8 雷達(dá)射頻發(fā)射信號 （左）和相位噪聲 （右）

表1 相位噪聲

3.2 性能分析

將設(shè)計的任意波形信號應(yīng)用于24GHz雷達(dá)系統(tǒng)，采集系統(tǒng)信號進(jìn)行分析處理，結(jié)果如圖9所示，與圖2進(jìn)行對比，可見，此信號能滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，較好的達(dá)到設(shè)計要求。在雷達(dá)系統(tǒng)7.5m 處放置一待測物體，對接收的信號進(jìn)行FFT 變換，分析處理結(jié)果。如圖10所示，在多干擾雷達(dá)系統(tǒng)環(huán)境中，應(yīng)用該設(shè)計信號可準(zhǔn)確測出目標(biāo)物體，系統(tǒng)抗干擾性能提高。

圖9 設(shè)計信號的采集波形

圖10 雷達(dá)系統(tǒng)測距頻譜

4 結(jié)束語

基于DDS采用Arduino DUE設(shè)計的任意波形，測試信號頻率步進(jìn)為0.12Hz，駐留時間為24ns。由實驗結(jié)果可以看出，該信號源頻率響應(yīng)時間快、分辨率高、相位噪聲低，通過程序設(shè)計控制產(chǎn)生任意波形，抗干擾性能提高，被應(yīng)用于24GHz防撞雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測試與分析?；贏rduino DUE微控制器使得開發(fā)周期縮短，電路設(shè)計簡潔，為新型雷達(dá)的研制節(jié)約時間成本，在車載防撞雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用中具有廣闊前景。

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