《FMCW雷达信号处理系统设计方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《FMCW雷达信号处理系统设计方案（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、FMCW雷达信号处理系统设计方案 关键词：FMCW雷达；信号处理系统；设计方案调频连续波（FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW）雷达是调频体制和连续波雷达融合的成果，具有时宽带宽积大、受环境影响小、测量精度高等特点，被广泛应用于区域警戒、无人驾驶、物位测量等领域。随着国内厂商技术水平的提高，国产24GHzFMCW雷达射频前端已经掌握了平面微带制造技术，生产的雷达传感器体积较小，感应灵敏，集成化程度高，达到了国际先进水平。但是，如何设计FMCW雷达信号处理系统，以充分发挥射频前端潜力，嵌入复杂算法，提高测量性能，拓宽应用场景能成为了一个关键问题，具有非常重要
2、的研究价值。1FMCW雷达结构典型的FMCW雷达结构如图1所示，主要分为射频前端和信号处理系统两部分。核心处理器控制DAC生成调制信号，驱动射频前端VCO产生等幅的调频连续波信号。该信号经定向耦合器后一部分作为本振信号进入混频器；另一部分进入环形器通过发射天线形成发射信号。发射信号被目标反射后经接收天线形成回波信号。回波信号经环形器与混频器中与本振信号进行混频，形成差频信号。差频信号经过信号调理和A/D转换，将信号输入到核心处理器，通过信号处理算法，提取出需要的信息，最后通过通讯单元将结果显示或传输。2FMCW雷达信号处理系统设计方案FMCW雷达信号处理系统的设计，主要应达到三个目的：（1）充
3、分挖掘射频前端的潜能，有效采集雷达差频信号。（2）能够实现较为复杂的算法，满足在线实验的需要。（3）具有小型化、模块化特点，方便大规模生产和移植。根据处理芯片的不同，信号处理系统设计方案一般分为：以MCU为核心的系统、以DSP为核心的系统、以FPGA为核心的系统、以DSP+FPGA为核心的系统和以MCU+DSP为核心的系统。2.1以MCU为核心的系统早期的FMCW雷达一般以MCU为核心。该方案结构简单，可控制的外围设备丰富，可实现的功能全面。但是难以进行较为复杂的数字信号处理。文献1介绍了经典的以MCU为核心的雷达信号处理系统。该系统以MCS-51为核心，通过DAC生成三角波调制信号，驱动雷达
4、射频前端，产生差频信号。差频信号经过程控滤波器和自动增益放大电路进行信号调理，最后通过外置的ADC进行信号采集。在信号处理方面，利用过零检测的方法将差频信号转化为方波信号，然后用检波电路进行频率估计，最后计算测量结果并进行显示。以MCU为核心的信号处理系统有以下优点：（1）结构简单，设计成本低；（2）能够实现小型化和模块化，进而嵌入到大型系统中。但同时也存在着以下问题：（1）MCU的工作频率低，当差频信号频率较高时存在一定时延；（2）信号采集几乎消耗了全部芯片资源，难以嵌入频率估计算法，测距精度低。2.2以DSP为核心的系统目前市场中的FMCW雷达一般采用DSP作为核心芯片。文献2介绍了经典的
5、以DSP为核心的雷达信号处理系统。该系统采用通用型DSPTMS320F28335，分为四个主要模块：调制信号产生模块、差频信号采集模块、数字信号处理模块和外围控制模块。调制信号产生模块采用外置的DAC，通过直接数字合成技术（DDS）生成高精度的调制信号；差频信号采集模块包括信号信号调理电路和ADC，实现差频信号的滤波、放大、模数转换等功能。信号处理方面，首先对差频信号实现了FIR数字滤波，然后采用加窗快速傅立叶线性调频联合算法计算差频信号频率。测距精度远高于过零检测法。以DSP为核心的信号处理系统有以下优点：（1）工作频率高，运算速度快，实时性良好；（2）数字信号处理能力强，能够实现较为复杂的
6、差频信号频率估计算法。但同时也存在着信号采集与信号处理共用DSP芯片，不能够最大程度发挥其性能，高速信号采集能力弱的缺点。2.3以FPGA为核心的系统以FPGA为核心的系统同样也是一种主流的方法。文献3介绍了经典的以FPGA为核心的雷达信号处理系统。该系统采用XCS1500，利用其超强的时序控制能力，实现了利用调制信号对VCO的校正；利用其丰富外设，实现了滤波电路和VGA放大电路，对差频信号进行调理。信号处理方面，FPGA的逻辑运算能力强，但是难以实现浮点运算，所以仅调用快速傅里叶变换（FFT）运算核，从频谱分析的角度计算差频信号频率。以FPGA为核心的信号处理系统有以下优点：（1）FPGA是
7、通过硬件的方式实现各功能模块，内部各个模块并行运行，执行效率高；（2）外设驱动能力强，既能够在线验证算法，又能够提取中频信号数据离线分析。但同时也存在着浮点运算实现非常复杂，难以实现复杂数字信号处理的问题。系统需要在NiOS软核完成算法中的浮点运算，而NiOS软核占用的资源非常大，实际应用中一般选择外加DSP进行浮点运算。2.4以FPGA+DSP为核心的系统针对FPGA浮点运算能力弱的问题，文献4设计了以DSP+FPGA为核心的雷达信号处理系统。以FPGA为信号采集与系统控制核心，完成其他外围设备的控制，控制调制三角波的生成，控制ADC对中频信号进行采样并将采样数据在内部缓存；以DSP为信号处
8、理核心，与FPGA进行通信，读取FPGA中缓存的数据并进行数字信号处理，提取距离信息。这种功能分配方式意在充分发挥DSP和FPGA各自优势，能够有效提高系统工作效率。以DSP+FPGA为核心的信号处理系统有以下优点：（1）将信号采集与信号处理分开，能够充分利用DSP与FPGA的特点；（2）处理能力强，能够在信号采集核心中实现VCO非线性校正，温度补偿，程控滤波等功能。在信号处理核心中实现浮点运算量大的算法。但是该系统方案电路较复杂，价格较高昂，体积最为庞大，丧失了FMCW雷达结构简单的优点，所以一般只用于实验环境。2.5以MCU+DSP为核心的系统国内厂商华儒科技、佰誉达科技以及德国英飞凌（I
9、nfineon）公司生产的FMCW雷达都采用了MCU+DSP双核心的结构。与DSP+FPGA为核心的系统类似，MCU+DSP为核心的系统同样是将信号采集核心与信号处理核心分开。MCU简单的结构和丰富的外设可以在本系统中完全替代FPGA。该方案在简化了系统结构的同时具有较强的运算能力，可以满足复杂算法需要。经过作者实测实验，华儒科技和佰誉达科技的量产单片型24GHz雷达在30m内的测距精度可以达到100mm。3结束语FMCW雷达信号处理系统采用的构架方案直接决定了信号采集的效率与信号处理的能力，一直以来是FMCW雷达产品化的研究重点。本文总结了国内外先进雷达的系统构架方案，分析了各种方案的优势与
10、不足，为国产FMCW雷达选型和设计打下基础。参考文献：1樊昌元，丁义元.高精度测距雷达研究J.电子测量与仪器学报，2000，14（2）：52-56.2黄文奎.毫米波汽车防撞雷达的设计与实现D.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，2006.3Kong，KiBok，Jeong，WooRam，Park，SeongOok.DesignandinitialmeasurementsofKbandFMCWrainradarwithhighresolutionJ.Microwave&OpticalTechnologyLetters，2016，58（4）：817-822.4陈林军，涂亚庆，刘鹏，等.基于DSP+FPGA的LFMCW雷达测距信号处理系统设计J.传感器与微系统，2015，34（12）：94-96.5李强，薛伟.FMCW雷达液位测量系统设计J.科技创新与应用，2017（03）：54-55.
