24GHz車載防撞雷達(dá)及中頻信號處理電路設(shè)計*

姜 興，劉 濤

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

近年來，隨著我國高速公路網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，惡性的交通事故有著愈演愈烈的趨勢，為減輕事故發(fā)生時對人所造成的傷害，已采用行駛安全帶、安全氣囊等保護措施，但這些技術(shù)均為被動防護，不能從根本上解決碰撞問題?！爸鲃悠嚭撩撞ǚ琅鲎怖走_(dá)系統(tǒng)”成為近年來國際上研究與開發(fā)的熱點，主動汽車防碰撞是以雷達(dá)測距、測速為基礎(chǔ)的實時監(jiān)測系統(tǒng)。防撞雷達(dá)系統(tǒng)實時監(jiān)測車輛的前方，當(dāng)有危險目標(biāo)（如行駛前方停止或慢行的車輛）出現(xiàn)，雷達(dá)系統(tǒng)提前向司機發(fā)出報警，使司機及時作出反應(yīng)，同時，雷達(dá)向汽車控制系統(tǒng)輸出信號，系統(tǒng)根據(jù)情況進(jìn)行自動剎車或減速。由于毫米波具有帶寬大、分辨率高、天線部件尺寸小及能適應(yīng)惡劣環(huán)境的優(yōu)點，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)具有重量輕、體積小和全天候等特點，并已有產(chǎn)品開始投入市場，前景十分好。為提高我國車輛的道路行車安全，滿足汽車電子設(shè)備對無線電頻譜資源的需求，推動無線電新技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)我國無線電頻率劃分規(guī)定及頻譜資源使用情況，工業(yè)和信息化部2012年11月19日正式發(fā)布了《工業(yè)和信息化部關(guān)于發(fā)布24 GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率的通知》[1]。為了充分利用汽車帶來方便的同時，盡可能地避免車禍的發(fā)生，在我國研究和推廣汽車防撞裝置顯得日益重要和迫切。本文基于德國Innosent公司推出的K-波段VCO雷達(dá)收發(fā)器IVS-179，設(shè)計并實現(xiàn)了該雷達(dá)及雷達(dá)后端中頻信號處理電路。

1 FMCW雷達(dá)測距、測速原理

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)系統(tǒng)通過天線向前方發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻毫米波，并接收目標(biāo)的反射信號。發(fā)射波的頻率隨時間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。一般使用三角波信號作為調(diào)制信號。天線接收到的反射波與發(fā)射波的形狀相同，只是在時間上有一個延遲，發(fā)射信號與反射信號在某一時刻的頻率差即為混頻輸出的中頻信號頻率，且目標(biāo)距離與前端輸出的中頻頻率成正比。如果反射信號來自一個相對運動的目標(biāo)，則反射信號中包括一個由目標(biāo)的相對運動所引起的多普勒頻移。根據(jù)多普勒原理就可以計算出目標(biāo)距離和目標(biāo)相對運動速度。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

該雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。工作時由K-波段VCO雷達(dá)收發(fā)器VCO發(fā)出經(jīng)三角調(diào)制、頻率隨時間變化的調(diào)頻連續(xù)波，一部分經(jīng)90°功分器分為同相/正交兩路進(jìn)入混頻器，一部分經(jīng)微帶陣列發(fā)射天線向外輻射。目標(biāo)回波信號被微帶陣列接收天線接收，經(jīng)射頻前置放大器放大后進(jìn)入混頻器，與同相/正交兩路發(fā)射波混頻，經(jīng)過低通濾波，產(chǎn)生幅度相同、相位相差90°的兩路中頻差頻信號，得到帶有目標(biāo)信息的輸出信號I和Q。I為同相信號，Q為正交信號。I、Q兩路信號中均攜帶有探測目標(biāo)的距離、速度和方向的信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在本設(shè)計中從K-波段 VCO雷達(dá)收發(fā)器輸出的I、Q信號具有相同的后續(xù)處理電路，即先通過高通濾波器濾除調(diào)制的三角波信號，再通過運算放大器放大信號到合適的幅度，輸送到后端信號處理模塊上[2-3]。

3 濾波電路設(shè)計

由于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的回波信號幅度很小，以小轎車為例，當(dāng)距離大于 100 m時，經(jīng)雷達(dá)收發(fā)器RF-前置放大后的輸出信號幅度約為 10 mV～20 mV，因此，該輸出信號在輸入信號處理模塊進(jìn)行采樣前必須再次經(jīng)過放大以提高幅度。但由于輸出信號被三角波調(diào)制，必須首先通過濾波器將該信號進(jìn)行解調(diào)，再進(jìn)行放大。由于多反饋有源濾波器具有低成本、易實現(xiàn)、Q值高及增益高等特點，有源濾波器相比簡單的LC濾波器具有更小的體積和更小的衰減，在本設(shè)計中采用多反饋有源高通濾波器。多反饋濾波器[4]原理圖如圖2所示。二階高通濾波器的一般性的傳遞函數(shù)可以寫為：

其中，A0為通帶增益。為了簡化電路的計算，并減小電容C1、C2、C3間的容差以盡可能降低濾波器在通頻帶內(nèi)增益的變化，取C1、C2和C3有相同的電容量（C1=C2=C3=C）。圖2所示電路的傳遞函數(shù)為：

圖2 多反饋高通濾波器原理圖

將式（2）與式（1）進(jìn)行比較計算，得到單位增益的Butterworth濾波器近似計算公式：

其中，f0為設(shè)計 Butterworth濾波器的截止頻率，R、C為根據(jù)設(shè)計所選擇的電阻阻值和電容容值。為了使得電路供電結(jié)構(gòu)簡單，在本設(shè)計中采用單電源供電[5]，設(shè)計的截止頻率為1 kHz。單位增益的Butterworth濾波器如圖3所示。采用ADS2009軟件進(jìn)行時域交流仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 單位增益的Butterworth濾波器

圖4 該濾波器頻率響應(yīng)

由圖4可以看出，在截止頻率為1 kHz時衰減為3.2 dB，在 100 Hz時衰減為 40 dB，200 Hz時衰減為 28 dB。這表明該濾波器能很好地滿足設(shè)計所需要求。

4 AGC放大電路設(shè)計

由于輸出信號幅度很小并且隨距離的不同其幅度和頻率也不同，將其送入后端信號處理ADC模塊前需要將其幅度進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯笠詽M足后端處理的要求。而用于信號處理的FPGA模塊輸入端口有限幅功能，經(jīng)測試其最大輸入電壓幅度為2.5 V。將10 mV電壓放大至2.5 V增益約為+48 dB，當(dāng)距離為15 m左右時，經(jīng)雷達(dá)收發(fā)器RF-前置放大后的輸出信號幅度約為500 mV～600 mV。若通過固定增益放大器對信號進(jìn)行放大以滿足遠(yuǎn)距離需要，則距離較近時的信號會被限幅，從而會產(chǎn)生諧波分量，將對計算結(jié)果造成干擾，影響系統(tǒng)測量的精度和準(zhǔn)確度。由于自動增益控制（AGC）可以隨輸入信號的幅度大小來改變其增益大小，從而可以使得輸出信號幅度穩(wěn)定在某一電平值，因此，在本設(shè)計中引入AGC放大電路。由于AGC對不同頻率的輸入信號的增益不完全相同，因此會造成增益譜不平坦，即有增益起伏。本設(shè)計選用的AD603[3]是美國ADI公司推出的一款寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控 VGA芯片，其內(nèi)部含有負(fù)反饋，可以較好地控制增益起伏。所設(shè)計單電源供電AGC放大電路原理圖如下圖5所示。由參考文獻(xiàn)[6]可知，AD603的 1管腳（GPOS）和 2管腳（GNEG）間的電壓控制著其增益，單片AD603的增益最大可達(dá)+40 dB。為了使增益達(dá)到+60 dB，本設(shè)計中采用兩片小信號放大器AD603順序級聯(lián)模式，有利于控制精度和信噪比的提高，在工作時當(dāng)?shù)谝患壍脑鲆嬗帽M后才啟用第二級的增益。設(shè)計采用將VOUT與FDBK短路即為寬頻帶模式（90 MHz寬頻帶），此時增益計算公式為 40 Vg+10，可知當(dāng) V12（單片 AD603 1、2 管腳間電壓）在-500 mV～500 mV之間時，AD603的增益設(shè)置為-10 dB～+30 dB，即兩片級聯(lián)AD603的2管腳（GNEG）之間有1 V的壓降。參考文獻(xiàn)[7]采用單片機或者FPGA產(chǎn)生該控制電壓使得系統(tǒng)變得復(fù)雜，系統(tǒng)成本增加，在這里通過選取適當(dāng)?shù)姆謮弘娮?R4、R5、R6，使得 1、2級間控制腳 GNEG 間的電壓差為1 V，該電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。由增益計算公式可得兩片AD603級聯(lián)其增益最大可達(dá)到+60 dB，滿足設(shè)計要求。由Q2和R10組成一個檢波器，用于檢測輸出信號的幅度變化；Q1形成一個電流源，提供基準(zhǔn)電流。流進(jìn)電容C13的電流為兩個三極管Q1、Q2的集電極電流之差，該電流大小隨U2輸出信號的幅度大小的變化而變化，并在C13上產(chǎn)生電壓，形成自動增益控制電壓VAGC，使得加在放大器 U1、U2的 1管腳（GPOS）的自動增益控制電壓VAGC隨輸出信號的幅度變化而變化，從而使得增益控制輸入端電壓變化達(dá)到自動調(diào)整放大器增益的目的。

5 測試結(jié)果

在通過軟件仿真驗證了系統(tǒng)的可行后，制作了電路的相應(yīng)實物，并將各部分級聯(lián)通過調(diào)試構(gòu)成了該雷達(dá)防撞及中頻信號處理電路系統(tǒng)。通過實際測試，當(dāng)在實驗室目標(biāo)靜止距離該雷達(dá)系統(tǒng)15 m時，使用該雷達(dá)系統(tǒng)所接收到的經(jīng)雷達(dá)收發(fā)器RF-前置放大后的被三角波調(diào)制的輸出信號波形如圖6所示，通過后端信號處理電路經(jīng)過濾波及AGC放大后的信號波形如圖7所示。由圖6及圖7對比可見，該系統(tǒng)很好地濾除了不需要的、對后端信號處理造成干擾的調(diào)制三角波信號，抑制了雜散信號，并放大含有目標(biāo)距離信息的有用中頻信號到峰峰值2.5 V，為后端信號處理模塊提供了穩(wěn)定的輸入信號，達(dá)到了設(shè)計所需的要求，且運行狀態(tài)穩(wěn)定。在公路上對行駛目標(biāo)小汽車進(jìn)行測試時，測量最遠(yuǎn)距離能達(dá)到110 m，110 m時的時域波形如圖8所示。雖然從圖中可見雜波干擾比較嚴(yán)重，但該信號滿足信號處理的要求，通過信號處理模塊進(jìn)行相應(yīng)處理后，在顯示終端上顯示的目標(biāo)距離和速度如圖9所示。從圖中可得，距離為113.6 m，速度為3.9 m/s，在誤差范圍內(nèi)結(jié)果是準(zhǔn)確的。該系統(tǒng)能用于汽車的前向防撞，能有效地提高行車的安全性。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種用于汽車防撞的車載雷達(dá)及其中頻信號處理電路。選用K-波段VCO雷達(dá)收發(fā)器體積小，安裝方便，性能優(yōu)良；采用0 dB有源多反饋高通濾波器具有體積小，對通帶信號衰減小等優(yōu)點，有利于準(zhǔn)確地提取出帶有目標(biāo)信息的有用信號；引入自動增益控制電路提高輸出電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高信噪比，為下一步信號處理模塊提供高質(zhì)量的輸入信號，使計算結(jié)果更準(zhǔn)確；有效地提高了系統(tǒng)整體性能。對所設(shè)計的雷達(dá)系統(tǒng)實物進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，對目標(biāo)小汽車的探測距離能夠達(dá)到110 m以上，取得了良好的效果。

圖6 雷達(dá)接收信號波形

圖7 濾波后、AGC放大后的信號波形

圖8 110 m時濾波后、AGC放大后的信號波形

圖9 顯示終端目標(biāo)距離和速度

[1]工業(yè)和信息化部發(fā)布24 GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率規(guī)劃[EB/OL].http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n12843926/n13917012/15038134.html，2012-11-29.

[2]岳文豹，楊錄，張艷花.FMCW雷達(dá)近程測距系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（4）：73-79.

[3]侯麗娟，李建玲.幾種 AGC電路在雷達(dá)中的應(yīng)用[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2002，31（9）：18-22.

[4]MANCINI R.Op amps for everyone[Z].Texas Instruments Incorporated，2001.

[5]CARTER B.A Single-supply op-amp circuit collection[Z].Texas Instruments Incorporated，2000.

[6]AD603英文產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊 [EB/OL].http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD603.pdf.

[7]陳永剛，劉立國.AD603及其在AGC電路中的應(yīng)用[J].電子世界，2002（4）：39-40.