FMCW雷達信號處理系統(tǒng)設計方案研究

王斯盾

摘 要：信號處理系統(tǒng)是FMCW雷達的核心組成部分，經(jīng)過不斷的發(fā)展與演進，F(xiàn)MCW雷達形成了以MCU、DSP、FPGA、DSP+FPGA和MCU+DSP為核心的信號處理系統(tǒng)。文章介紹了典型的FMCW雷達結(jié)構(gòu)，分析了每種信號處理系統(tǒng)設計方案的優(yōu)點與不足，為FMCW雷達的選型與設計打下堅實基礎。

關(guān)鍵詞：FMCW雷達；信號處理系統(tǒng)；設計方案

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0108-02

調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave， FMCW）雷達是調(diào)頻體制和連續(xù)波雷達融合的成果，具有時寬帶寬積大、受環(huán)境影響小、測量精度高等特點，被廣泛應用于區(qū)域警戒、無人駕駛、物位測量等領域。隨著國內(nèi)廠商技術(shù)水平的提高，國產(chǎn)24GHz FMCW雷達射頻前端已經(jīng)掌握了平面微帶制造技術(shù)，生產(chǎn)的雷達傳感器體積較小，感應靈敏，集成化程度高，達到了國際先進水平。但是，如何設計FMCW雷達信號處理系統(tǒng)，以充分發(fā)揮射頻前端潛力，嵌入復雜算法，提高測量性能，拓寬應用場景能成為了一個關(guān)鍵問題，具有非常重要的研究價值。

1 FMCW雷達結(jié)構(gòu)

典型的FMCW雷達結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為射頻前端和信號處理系統(tǒng)兩部分。核心處理器控制DAC生成調(diào)制信號，驅(qū)動射頻前端VCO產(chǎn)生等幅的調(diào)頻連續(xù)波信號。該信號經(jīng)定向耦合器后一部分作為本振信號進入混頻器；另一部分進入環(huán)形器通過發(fā)射天線形成發(fā)射信號。發(fā)射信號被目標反射后經(jīng)接收天線形成回波信號?；夭ㄐ盘柦?jīng)環(huán)形器與混頻器中與本振信號進行混頻，形成差頻信號。差頻信號經(jīng)過信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，將信號輸入到核心處理器，通過信號處理算法，提取出需要的信息，最后通過通訊單元將結(jié)果顯示或傳輸。

2 FMCW雷達信號處理系統(tǒng)設計方案

FMCW雷達信號處理系統(tǒng)的設計，主要應達到三個目的：（1）充分挖掘射頻前端的潛能，有效采集雷達差頻信號。（2）能夠?qū)崿F(xiàn)較為復雜的算法，滿足在線實驗的需要。（3）具有小型化、模塊化特點，方便大規(guī)模生產(chǎn)和移植。根據(jù)處理芯片的不同，信號處理系統(tǒng)設計方案一般分為：以MCU為核心的系統(tǒng)、以DSP為核心的系統(tǒng)、以FPGA為核心的系統(tǒng)、以DSP+FPGA為核心的系統(tǒng)和以MCU+DSP為核心的系統(tǒng)。

2.1 以MCU為核心的系統(tǒng)

早期的FMCW雷達一般以MCU為核心。該方案結(jié)構(gòu)簡單，可控制的外圍設備豐富，可實現(xiàn)的功能全面。但是難以進行較為復雜的數(shù)字信號處理。文獻[1]介紹了經(jīng)典的以MCU為核心的雷達信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MCS-51為核心，通過DAC生成三角波調(diào)制信號，驅(qū)動雷達射頻前端，產(chǎn)生差頻信號。差頻信號經(jīng)過程控濾波器和自動增益放大電路進行信號調(diào)理，最后通過外置的ADC進行信號采集。在信號處理方面，利用過零檢測的方法將差頻信號轉(zhuǎn)化為方波信號，然后用檢波電路進行頻率估計，最后計算測量結(jié)果并進行顯示。

以MCU為核心的信號處理系統(tǒng)有以下優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，設計成本低；（2）能夠?qū)崿F(xiàn)小型化和模塊化，進而嵌入到大型系統(tǒng)中。但同時也存在著以下問題：（1）MCU的工作頻率低，當差頻信號頻率較高時存在一定時延；（2）信號采集幾乎消耗了全部芯片資源，難以嵌入頻率估計算法，測距精度低。

2.2 以DSP為核心的系統(tǒng)

目前市場中的FMCW雷達一般采用DSP作為核心芯片。文獻[2]介紹了經(jīng)典的以DSP為核心的雷達信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用通用型DSP TMS320F28335，分為四個主要模塊：調(diào)制信號產(chǎn)生模塊、差頻信號采集模塊、數(shù)字信號處理模塊和外圍控制模塊。調(diào)制信號產(chǎn)生模塊采用外置的DAC，通過直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）生成高精度的調(diào)制信號；差頻信號采集模塊包括信號信號調(diào)理電路和ADC，實現(xiàn)差頻信號的濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。信號處理方面，首先對差頻信號實現(xiàn)了FIR數(shù)字濾波，然后采用加窗快速傅立葉線性調(diào)頻聯(lián)合算法計算差頻信號頻率。測距精度遠高于過零檢測法。

以DSP為核心的信號處理系統(tǒng)有以下優(yōu)點：（1）工作頻率高，運算速度快，實時性良好；（2）數(shù)字信號處理能力強，能夠?qū)崿F(xiàn)較為復雜的差頻信號頻率估計算法。但同時也存在著信號采集與信號處理共用DSP芯片，不能夠最大程度發(fā)揮其性能，高速信號采集能力弱的缺點。

2.3 以FPGA為核心的系統(tǒng)

以FPGA為核心的系統(tǒng)同樣也是一種主流的方法。文獻[3]介紹了經(jīng)典的以FPGA為核心的雷達信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用XCS1500，利用其超強的時序控制能力，實現(xiàn)了利用調(diào)制信號對VCO的校正；利用其豐富外設，實現(xiàn)了濾波電路和VGA放大電路，對差頻信號進行調(diào)理。信號處理方面，F(xiàn)PGA的邏輯運算能力強，但是難以實現(xiàn)浮點運算，所以僅調(diào)用快速傅里葉變換（FFT）運算核，從頻譜分析的角度計算差頻信號頻率。

以FPGA為核心的信號處理系統(tǒng)有以下優(yōu)點：（1）FPGA是通過硬件的方式實現(xiàn)各功能模塊，內(nèi)部各個模塊并行運行，執(zhí)行效率高；（2）外設驅(qū)動能力強，既能夠在線驗證算法，又能夠提取中頻信號數(shù)據(jù)離線分析。但同時也存在著浮點運算實現(xiàn)非常復雜，難以實現(xiàn)復雜數(shù)字信號處理的問題。系統(tǒng)需要在NiOS Ⅱ軟核完成算法中的浮點運算，而NiOS Ⅱ軟核占用的資源非常大，實際應用中一般選擇外加DSP進行浮點運算。

2.4 以FPGA+DSP為核心的系統(tǒng)

針對FPGA浮點運算能力弱的問題，文獻[4]設計了以DSP+FPGA為核心的雷達信號處理系統(tǒng)。以FPGA為信號采集與系統(tǒng)控制核心，完成其他外圍設備的控制，控制調(diào)制三角波的生成，控制ADC對中頻信號進行采樣并將采樣數(shù)據(jù)在內(nèi)部緩存；以DSP為信號處理核心，與FPGA進行通信，讀取FPGA中緩存的數(shù)據(jù)并進行數(shù)字信號處理，提取距離信息。這種功能分配方式意在充分發(fā)揮DSP和FPGA各自優(yōu)勢，能夠有效提高系統(tǒng)工作效率。endprint

以DSP+FPGA為核心的信號處理系統(tǒng)有以下優(yōu)點：（1）將信號采集與信號處理分開，能夠充分利用DSP與FPGA的特點；（2）處理能力強，能夠在信號采集核心中實現(xiàn)VCO非線性校正，溫度補償，程控濾波等功能。在信號處理核心中實現(xiàn)浮點運算量大的算法。但是該系統(tǒng)方案電路較復雜，價格較高昂，體積最為龐大，喪失了FMCW雷達結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，所以一般只用于實驗環(huán)境。

2.5 以MCU+DSP為核心的系統(tǒng)

國內(nèi)廠商華儒科技、佰譽達科技以及德國英飛凌（Infineon）公司生產(chǎn)的FMCW雷達都采用了MCU+DSP雙核心的結(jié)構(gòu)。與DSP+FPGA為核心的系統(tǒng)類似，MCU+DSP為核心的系統(tǒng)同樣是將信號采集核心與信號處理核心分開。MCU簡單的結(jié)構(gòu)和豐富的外設可以在本系統(tǒng)中完全替代FPGA。該方案在簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時具有較強的運算能力，可以滿足復雜算法需要。經(jīng)過作者實測實驗，華儒科技和佰譽達科技的量產(chǎn)單片型24GHz雷達在30m內(nèi)的測距精度可以達到±100mm。

3 結(jié)束語

FMCW雷達信號處理系統(tǒng)采用的構(gòu)架方案直接決定了信號采集的效率與信號處理的能力，一直以來是FMCW雷達產(chǎn)品化的研究重點。本文總結(jié)了國內(nèi)外先進雷達的系統(tǒng)構(gòu)架方案，分析了各種方案的優(yōu)勢與不足，為國產(chǎn)FMCW雷達選型和設計打下基礎。

參考文獻：

[1]樊昌元，丁義元.高精度測距雷達研究[J].電子測量與儀器學報，2000，14（2）：52-56.

[2]黃文奎.毫米波汽車防撞雷達的設計與實現(xiàn)[D].中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，2006.

[3]Kong， Ki Bok， Jeong， Woo Ram， Park， Seong Ook. Design and initial measurements of K band FMCW rain radar with high resolution[J]. Microwave & Optical Technology Letters，2016，58（4）：817-822.

[4]陳林軍，涂亞慶，劉鵬，等.基于DSP+FPGA的LFMCW雷達測距信號處理系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（12）：94-96.

[5]李強，薛偉.FMCW雷達液位測量系統(tǒng)設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（03）：54-55.endprint