王 碩，殷樹娟，李翔宇

（1.北京信息科技大學理學院,北京100192；2.清華大學微電子學研究所，北京100084）

1 引言

雷達是利用電磁波探測目標的電子裝備,是集中了現(xiàn)代電子科學技術(shù)先進成果的高科技系統(tǒng)。雷達發(fā)射電磁波照射目標并接收回波，由此來發(fā)現(xiàn)目標并測定目標的位置、運動方向和速度等特性。在雷達最初面世之時，因其成本和體積等諸多限制，幾乎都是用于軍事用途，例如艦載雷達、機載雷達、用于火炮鎖定的相控雷達陣列等。經(jīng)過長期發(fā)展，隨著對雷達研究的深入和硬件水平的進步，一些低成本的小型雷達也實現(xiàn)了民用化。尤其是近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們在賦予物品電子信息靈魂的同時，也更加注重智能設備給安全出行帶來的提升。例如當下最熱門的自動駕駛技術(shù)，作為一整套復雜的電子設備和軟件相互配合的產(chǎn)物，其技術(shù)核心即是基于雷達防撞系統(tǒng)之上的。

FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave），即調(diào)頻連續(xù)波雷達，因其具有輻射功率小、測距精度高、設備簡單、易于實現(xiàn)固態(tài)化設計等優(yōu)點[1-3]，無論是在軍用領域還是在民用領域都有廣泛的應用。故此，針對行業(yè)內(nèi)的面向民用化的趨勢，以汽車防撞雷達為背景，采用24GHz小型雷達模塊，設計一種基于FMCW雷達的中頻處理電路，并使其發(fā)揮出設計簡單、易于實現(xiàn)、低成本、性能良好等優(yōu)勢。

2 原理與中頻參數(shù)設計

2.1 FMCW測距原理

FMCW雷達的工作原理是用回波信號和發(fā)射信號的一部分進行相干混頻，得到包含目標距離和速度信息的差頻信號，然后對差頻信號進行處理和檢測以得到目標的速度和距離。通常情況下，F(xiàn)MCW的調(diào)制方式有鋸齒波和三角波兩種。鋸齒波調(diào)制可以獲得目標的距離信息，三角波調(diào)制可以獲得目標的距離和速度信息，但鋸齒波調(diào)制為單掃頻信號，在信號產(chǎn)生上相對簡單，在信號處理的研究和實現(xiàn)上也更容易，因而成本低廉，故此本設計采用鋸齒波調(diào)頻來實現(xiàn)FMCW的測距功能。鋸齒波調(diào)頻雷達的測距原理如圖1所示。

圖1 鋸齒波調(diào)制FMCW靜止目標回波

其中fM為調(diào)制信號帶寬，TM為調(diào)制周期，tp為時延，fb為差頻，由此可得距離運算公式：

2.2 濾波參數(shù)設計

根據(jù)鋸齒波調(diào)制FMCW雷達檢測靜止目標的測距公式(1)，可推導出中頻信號的頻率公式如下：

通過上述公式，可以看出中頻信號的頻率主要與調(diào)制信號帶寬、調(diào)制周期及目標放置位置有關(guān)。雷達前端收發(fā)機采用Rfbeam公司的24GHz低成本雷達K-LC2，該模塊集成了射頻的收發(fā)及混頻等功能，可以在鋸齒波或三角波的調(diào)制方式下發(fā)射連續(xù)波。電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)該型號雷達收發(fā)機參數(shù)手冊，該類型雷達收發(fā)機調(diào)制帶寬為800MHz。信號的調(diào)制周期與雷達的應用距離有關(guān)，探測目標越近，則所需調(diào)制信號頻率越高。在探測遠距離目標（30~100m）時通常采用100~200Hz的調(diào)制頻率；探測近距離目標（10~20m）時采用500~1kHz的調(diào)制頻率[4-7]。

圖2 雷達收發(fā)機電路結(jié)構(gòu)

此類型雷達收發(fā)器的作用距離與檢測目標相關(guān)，根據(jù)防撞雷達的技術(shù)需要，本設計首要檢測目標為人。該類型雷達以人為檢測目標時距離要求控制在10m以內(nèi)。因此采用近距離探測的調(diào)制信號，以1kHz的鋸齒波為調(diào)制信號，預警目標為大于等于人的物體，探測距離為0.4～10m。

由上述公式(2)可以計算得到，在該場景下的中頻信號的大致范圍為2~66kHz。

依據(jù)回波信號的頻率范圍，我們可以設計中頻處理部分濾波器的主要參數(shù)。高通濾波器的主要作用是抑制鋸齒波調(diào)制信號的泄露，將高通的截止設置5kHz，為調(diào)制信號頻率的5倍，可以有效消除調(diào)制信號的泄露，同時衰減近距離目標回波的信號的幅度，避免溢出——近距離目標因為信號衰減少，回波能量通常較強。低通濾波器截止頻率采用70kHz，略高于頻率范圍上限，以保證目標距離較遠、信號較弱時，有用信號盡量不被衰減，同時濾除系統(tǒng)中混有的高頻干擾。

2.3 放大參數(shù)設計

對大參數(shù)進行設計，首先需要確定回波能量的大小，然后根據(jù)回波能量大小及AD的選擇確定放大倍數(shù)。雷達信號回波的能量大小可以由雷達方程中的幾個關(guān)鍵參數(shù)來決定。雷達方程為：

上式中,Pr就是回波的功率大小，Pt是發(fā)射功率，G是天線增益，Ae為天線孔徑，σ是被測目標的雷達橫截面積，R是被測目標的距離。其中發(fā)射功率、天線增益、天線孔徑參數(shù)都是根據(jù)雷達收發(fā)機的參數(shù)唯一確定的。據(jù)此，回波功率大小Pr只與目標的距離和雷達橫截面積有關(guān)。根據(jù)這兩個參數(shù)的正反比關(guān)系可以確定最大的回波功率和最小的回波功率。

在最遠探測距離處，以雷達檢測行人為目標的雷達橫截面積為1m2，得到回波功率為：

而在最近探測的距離處，以雷達波的照射面積作為目標的橫截面積，得到回波功率為：

根據(jù)此結(jié)果，可以得知如果將混頻輸出信號直接接入AD的輸入端，由于回波能量過小很容易被雜波淹沒掉，而且微弱的中頻信號容易被外界干擾源及系統(tǒng)內(nèi)部噪聲所影響，因此需要對雷達輸出的中頻信號進行放大等預處理。在系統(tǒng)的測距范圍內(nèi)，中頻信號的功率大小為-82.43dBm～-35.37dBm，差值為47dBm左右，在選擇ADC時要求在動態(tài)范圍內(nèi)上限和下限各留有6dBm的余量，因此最小的SNDR為59dBm。AD的位數(shù)可計算為：

根據(jù)這一結(jié)果，采集系統(tǒng)的AD有效位數(shù)應當大于9.56。因此ADC選擇為12位的AD9226芯片，最大采樣率為65MSPS。將其按圖3配置使ADC的電壓輸入范圍為1～3V。并在輸入端匹配一個信號衰減電路使ADC的輸入范圍拓展到0～5V。

圖3 ADC配置圖

由于設計應用距離范圍小于10m，為降低設計成本，無需采用AGC動態(tài)增益調(diào)整設計，只需在輸入電壓幅值不超過5V的前提下，盡可能放大有用信號即可。經(jīng)計算，當放大增益為60dB時即可滿足設計要求。

3 電路設計

3.1 中頻電路設計

根據(jù)前文的參數(shù)計算結(jié)果及降低成本的設計需要，中頻電路采用簡單的設計結(jié)構(gòu)，即用一個帶有60dB左右增益的高通加低通的有源濾波器，采取級聯(lián)的方式組合，電路設計圖如圖4所示。負載阻抗為1kΩ 左右，通帶為 2～70kHz。

圖4 中頻電路設計

3.2 調(diào)制信號產(chǎn)生電路設計

FMCW雷達需要用調(diào)制信號來周期性地改變發(fā)射頻率以達到測距的目的[8]。因此需要設計一個匹配雷達收發(fā)機的調(diào)制信號產(chǎn)生電路。K-LC2的VCO輸入范圍是-0.5～2V，而FPGA可以提供的輸出電平為0～3.3V，因此設計一個信號調(diào)整電路，如圖5所示。

圖5 信號調(diào)整電路

該電路由放大器組成，將0.72～2.88V的DAC輸出對應調(diào)整為2～-0.5V的VCO輸入，同時通過一個電壓跟隨器引出DAC輸出，可以用作VCO的非線性修正。通過收發(fā)機控制部分發(fā)送鋸齒波的數(shù)字化波形數(shù)據(jù)，將經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換成VCO電壓即可。波形產(chǎn)生結(jié)果如圖6所示。

圖6 調(diào)制信號波形

4 信號采集及測試

4.1 FPGA采集部分設計

為驗證設計方案的性能和正確性，采用FPGA開發(fā)板來實現(xiàn)波形產(chǎn)生及信號的采集與發(fā)送部分，與前端中頻電路一起組成一個完整的收發(fā)系統(tǒng)。其工作流程和結(jié)構(gòu)如圖7所示。采用ALXIN黑金開發(fā)板，是一款基于Xilinx公司Sparten-6系列的FPGA。FPGA產(chǎn)生DAC的輸入數(shù)字序列，最終產(chǎn)生發(fā)射波形?；夭ú杉糠质谴罱ㄒ粋€數(shù)據(jù)通路，將ADC采樣到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC。

圖7 FPGA部分工作流程和結(jié)構(gòu)

FPGA的工作流程為：第一步，初始化各個模塊；第二步，啟動時鐘和使能控制信號，同時啟動發(fā)射和采集模塊；第三步，當數(shù)據(jù)存入緩存后，使能串口發(fā)送模塊，并在采樣時鐘上升沿到來時，每采集一個數(shù)據(jù)的同時發(fā)送模塊從緩存中讀出一個數(shù)據(jù)，以保證吞吐速率一致。

4.2 系統(tǒng)測試

將發(fā)射波形接入雷達收發(fā)機的VCO輸入端，并給雷達模塊供電。將雷達模塊I路引腳接入中頻電路板輸入端，將中頻電路輸出接入ADC,在目標40cm處放置目標硬紙板,并啟動FPGA采集回路。在PC端啟動串口調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 PC串口接收數(shù)據(jù)

將串口接收到的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)送入PC中，用Origin 9軟件處理后，取兩個周期做快速傅里葉變換得到雷達回波的頻譜圖，如圖9所示?？梢钥闯瞿芰糠植甲罴械念l率點即是雷達的差頻頻率，根據(jù)差頻和距離換算公式(1)即可得到目標的距離R。

圖9 PC處理后的差頻頻譜

另外取有效距離中其余不同距離的幾個點再進行測試。最終測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

對FMCW雷達的測距原理進行分析，根據(jù)實際應用背景，介紹了中頻電路關(guān)鍵參數(shù)的設計方法，實現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡單的低成本中頻電路。在驗證部分，使用FPGA采集信號并用PC進行信號處理，得到了目標的距離信息，結(jié)果表明此中頻電路設計正確，測距精度良好，對行業(yè)相關(guān)設計有一定的參考意義。