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1、1 24GHz 汽车毫米波雷达实验报告 是德科技 射频应用工程师 王创业 1. 前前言言 汽车毫米波雷达越来越多的被应用在汽车上面，主要作为近距离和远距 离探测，起到防撞、辅助变道、盲点检测等作用。随着器件工艺和微波技术 的发展，毫米波雷达产品越来越小。俗话说：“麻雀虽小，五脏俱全”，同 样汽车毫米波雷达作为典型的雷达产品，也包含收发天线、发射部分、接收 部分、DSP 部分。典型原理框图如图 1 所示。汽车毫米波雷达的性能指标主 要体现在测速精度、定位精度、距离分辨率、多目标识别等方面，要实现这 些性能和功能，首先要做好整体系统的设计和仿真，其次对于各功能部分的 性能指标要严格把控测试，最后要
2、在实际现场环境完成测试考核。 汽车毫米波雷达体制上面主要有线性调频连续波 FMCW 体制雷达、频移 键控 FSK 体制雷达、步进调频连续 SFCW 体制雷达。不同体制雷达在产品实 现复杂程度和应用上都是有区别的。FMCW 体制雷达可以同时探测到运动目 标和静止目标，但是不可以同时探测多个运动目标。电路需要比较大的带宽。 2 FSK 体制雷达，可以同时探测并且正确区分开来多个运动目标，但是不可以 正确测量静止目标。电路带宽比窄，系统响应捕获比较慢，成本比 FMCW 体 制要低很多。SFCW 体制雷达，可以同时探测多个静止和运动的目标，并且 将各个目标正确区分开来。SFCW 体制雷达具有更为复杂的
3、调制波形，信号 处理也更为复杂，产品实现成本高。 2.实验目的实验目的 在汽车毫米波雷达系统研制过程中，经常会碰到各式各样的问题，譬如 系统波形的选择和设计、系统链路的设计、信号处理算法的选择、微波电路 的设计调试、天线的设计。主要的问题主要体现在系统方案、处理算法模拟、 微波电路指标调试及对系统性能的影响上。典型的例子，在 FMCW 雷达系统， 雷达探测距离分辨率不仅与信号的调制带宽有关，还与 FMCW 调制的线性度 有关。 利用是德科技平台化解决方案，即软件+硬件+工程师，可以很容易的 实现雷达系统设计仿真、处理算法验证、微波电路设计测试、天线设计测试。 基于以上的问题，该实验主要实现以下
4、三个目的： 1) 软件硬件结合，SystemVue+仪表实现各类信号的产生； 2) 系统设计仿真、算法验证 3) VCO 线性调制度分析 4) 场景信号录制回放和信号分析 3.实验要求实验要求 该实验采用 FMCW 雷达体制，结合 SystemVue 软件和仪表实现以下功 能： 1) 汽车雷达信号产生 a. 24GHz 标准雷达信号产生：Triangle 调制信号、Sawtooth 调 制信号 3 b. FMCW 雷达信号的回波和杂散信号产生 c. 三个组合三角波调制波形产生 2) 汽车雷达信号分析，结全 89601B VSA 软件实现对 24GHz FMCW 雷达模块 VCO 进行线性度分析
5、 3) SystemVue 系统仿真和算法实现 4) 场景信号录制回放和信号分析 a. 不同 RCS 静止单目标回波信号的实现和录制 b. 运动单目标回波信号的实现和录制 c. 利用不同回波信号验证 DSP 处理算法 4.实验内容实验内容 4.1 汽车雷达信号产生汽车雷达信号产生 在固定周期内，发射信号的频率随着调制信号连续变化就形成 FMCW 信 号，如下图所示。通过发射信号与回波信号混频即可得到差拍信号。 = 2 /下面论述 Triangle 信号 Sawtooth 信号的原理和区别 对于静止目标 4 在 tm 时刻内线性频率变化的线性调频信号，发射出去碰到前面物体会 产生回波，在某时刻发
6、射信号和回波信号差拍后得到频率 fb，通过上图可以 看出，fb 与 Sawtooth 的斜率、调制带宽F、回波信号的延迟有关。回波信 号的延迟时间： t = 2 R 是雷达与目标间的距离，C 是光速。 为了得到目标与雷达间的距离，必须求出发射信号与回波信号差拍频率 fb，利用零差信号检测技术可以得到该频率。实现原理是发射调频信号与回 波信号混频，对混频后的信号做 FFT 变换就可以得到差拍频率 fb。 对于线性调频信号来讲，差拍频率与调频信号的线性有关，所以很容易 求出雷达与目标间的距离： R = 2 由公式可知，线性调频雷达的距离分辨率与时间的分辨率成正比，与调 频带宽成反比。 0= T 2
7、 = 2F 上式中的0是理想的距离分辨率，T是时间分辨率，F是发射信号的 带宽。所以带宽决定了雷达的距离分辨率。为了得到高的分辨率，要用到大 的带宽。如 400Mhz 的带宽时间分辨率为 2.5ns，距离分辨率为 0.37m。距离 分辨率可表示为： R = 2 是接收机的频率分辨率，取决于 FFT 的点数和采样频率。 对于运动目标 5 对于运动目标来讲，差拍频率不仅与距离有关，还与目标的速度有关。 锯齿波调制的 FMCW 信号，运动目标的差拍频率为： = 2 + 2vf 2vf 为多谱勒频率，v 为目标的速度，f 为雷达发射频率。 对于锯齿波调制来讲，在上升过程中差拍的频率与距离和速度有关 R
8、 = 2 1 1是上升过程的差拍频率， 2是线性频率调制的线性度。 所以由上面公式可知，目标的距离受速度的影响会产生误差。 为了解决 锯齿波调制信号带来的距离误差的问题，可以采用两边对称的三角波作调制 信号。原理如下图所示。 = 4 = 4 多谱勒频率：= 2 6 如果是运动目标，接收到的信号信息包含了多谱勒频率和回波信号的延 迟时间 t。根据多谱勒原理，如果雷达和目标是在靠近，则回波信号的频率 是变大的，这样差拍后的频率变小。在上升过程： +(,) = 4 + 2 同样下降过程中，发射线性调制频率变小，对应下降过程差拍频率为： (,own) = 4 + 2 由此可以计算出目标的距离和速率：
9、R = 8 ( + ) V = 4f (+ ) 是德科技 SystemVue 加仪表可以产生各种雷达信号，具体实现框图如下 图所示。 RADAR: Tx Waveform Generation T SampleRate=150e+6Hz BB_SamplingRate S2 Re Im C3 CxToRectData Flow Models 123 StartStopOption=Time LFM_I_Signal 123 StartStopOption=Time LFM_Q_Signal VSA_89600B_S i nk VSATitle=Simulation output Disable
10、d: OPEN V1 VSA_89600B_SinkData Flow Models Spectrum Analyzer SegmentTime=1e-3s Start=0s Mode=TimeGate RF_Signal Mod OUT QUAD OUT Freq Phase Q I Amp FCarrier=4e9Hz InputType=I/Q M1 ModulatorData Flow Models Power=10dBm Frequency=4e9Hz O1 OscillatorData Flow Models ESG4438C Downloader AutoScale=YES Pr
11、imAddress=192.168.1.101 HWAvailable=YES Disabled: OPEN S11 SignalDownloader_E4438CAgilent Instruments Subnetwork Models 123 StartStopOption=Time RF_Signal_Sink SinkData Flow Models SignalDownlo a d e r _ 8 1 1 8 0 Ch2 Ch1 ShowAdvancedParams=NO EventMarkers=NONE ArbOn=YES AmplitudeOutputDC=1.2V Outpu
12、tAmplifier=DC PrimAddress=192.168.1.8 HWAvailable=YES S3 SignalDownloader_81180Agilent Instruments Subnetwork Models 123 StartStopOption=Time Waveform_Signal RADAR LFM SampleRate=150e+6Hz BB_SamplingRate FM_Offset=0 f0 Bandwidth=50e+6Hz BandWidth PRI_Combination=1 1 PRI=100e-6s PRI Pulsewidth=90e-6s
13、 PulseWidth Disabled: OPEN RADAR_FSK SampleRate=10e6Hz TimeIntervals=(1x3) 10e-6,10e-6,10e-s FHSequence=(1x3) 1e+6,2e+6,3e+6Hz PRI=1e-4s Type=FSk Disabled: OPEN R1 RADAR_FSKRADAR Models 123 StartStopOption=Time Waveform_Freq RADAR_CW freq_out _ waveform_ou t _ SampleRate=150e+6Hz BB_SamplingRate Del
14、taFreq=500e3Hz LowerFreq=10e3Hz Period=100e-6s PRI Amplitude=1V Waveform_type=Sawtooth R2 RADAR_CWRADAR Models 7 1. Sawtooth 调制信号产生 信号幅度：1V 调制信号周期：100us 最低频率：10 KHz 最高频率：500 KHz 8 2. Triangle 调制信号产生 信号幅度：1V 调制信号周期：100us 最低频率：10 KHz 最高频率：500 KHz 9 10 3. 组合三角波信号产生 3 个三角波信号，周期分别为 4ms, 8ms, 12ms 同时给出同步信号 调制 Innosent 模块 IVQ-905 录制 IQ 信号 Tx Waveforms Targets Radar Target Emulator ARB Link Measurements RADAR Targe t Jerk=0 Accelerate=0 RADAR_Target_2 RADAR Targe t Jerk=0 Accelerate=0 RADAR_Target_1 Clutter Amplifier Gain=85.19e-9 Gain_Clutter GainUnit=voltage A1 Re Im C3 CxToRectData Flow Mod
