FMCW雷達測距系統(tǒng)的中頻信號處理電路設(shè)計

戚昊琛,張 鑒,高偉清，鮑嘉明

(1．合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009；2.北方工業(yè)大學信息工程學院，北京 100144)

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FMCW雷達測距系統(tǒng)的中頻信號處理電路設(shè)計

戚昊琛1,張 鑒1,高偉清1，鮑嘉明2

(1．合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009；2.北方工業(yè)大學信息工程學院，北京 100144)

中頻信號處理電路是雷達測距系統(tǒng)的核心硬件。在計算得到濾波及放大電路的關(guān)鍵參數(shù)后，基于雙運放MC33078，設(shè)計實現(xiàn)了包含高通和低通2個單元的濾波電路；利用可調(diào)增益放大器AD603和靜電計級運算放大器OPA128等設(shè)計實現(xiàn)了可調(diào)增益放大器、峰值檢波電路和AD/DA轉(zhuǎn)換電路。對所設(shè)計的關(guān)鍵電路進行了模擬驗證，并通過對靜態(tài)目標的測距實驗，驗證了中頻信號處理電路對雷達測距的適用性和測試值相對于計算值的準確性。

FMCW雷達；測距系統(tǒng)；中頻信號處理；電路設(shè)計

0 引言

基于調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)的雷達系統(tǒng)具有全天候性、靈敏度和探測精度的優(yōu)勢，近年來已成為測距系統(tǒng)的優(yōu)選方案[1]。該測距系統(tǒng)的核心是中頻信號處理電路，其作用是對雷達混頻器輸出的中頻信號進行放大、匹配濾波等處理，消除干擾雜波信號，實現(xiàn)幅值統(tǒng)一，為信號的DSP軟件處理做好準備[2]。本文以24 GHz FMCW雷達為前端，設(shè)計中頻信號處理電路。以汽車防撞測距應用為例，系統(tǒng)的作用距離為1～100 m，測速范圍為0～220 km/h。

1 原理及參數(shù)計算

1.1 濾波電路參數(shù)

由FMCW毫米波雷達測距原理分析可知，中頻信號的頻率可表示為

(1)

式中：ΔF為調(diào)制帶寬；fd為中頻信號頻率；fVtune為三角波調(diào)制頻率；c為光速；R為相對距離；v為相對速度，根據(jù)測距測速要求設(shè)調(diào)制頻率為150 Hz(遠距離檢測)與750 Hz(近距離檢測)2種[3]；ΔF設(shè)為200 MHz；f0設(shè)為24 GHz。

由上述公式計算可得，在系統(tǒng)測距測速范圍內(nèi)，中頻信號頻率范圍為0～100 kHz。

低通濾波器用于濾除高頻雜波，因此，設(shè)其截止頻率為100 kHz；而高通濾波器主要用于濾除以調(diào)制信號為主的低頻雜波，其截止頻率應設(shè)為調(diào)制頻率的10倍[3-4]，設(shè)為1.5 kHz和7.5 kHz。

1.2 放大電路參數(shù)

根據(jù)信號的幅值特性進行分析計算可得放大電路所需參數(shù)。

上下掃頻段中頻信號幅值可表示為

S=Kcos{2π[(f0+B/2)(t-τ(t))±μ(t-τ(t))2/2]+φ0}

其中，

(2)

式中：B為調(diào)制信號帶寬；K為信號傳輸損耗因子；μ為調(diào)制信號斜率，為40 MHz/V；φ0為發(fā)射信號的初始相位；t為時間變量。

由上述公式計算可得，在系統(tǒng)測距測速范圍內(nèi)，中頻信號的幅值范圍為50～300 mV，且信號幅值與障礙物的相對距離成反比。遠距離時幅值微小，易被大幅值信號淹沒，而近距離時幅值大，易造成飽和失真。AGC環(huán)路組成的自動增益放大器，可根據(jù)輸入信號幅值的大小自動調(diào)整增益，使得信號幅值統(tǒng)一，符合A/D轉(zhuǎn)換芯片的要求。系統(tǒng)采用的ADC芯片模擬輸入電壓中心為2.4 V，差分輸入，上下擺動在0.55 V內(nèi)。根據(jù)中頻信號的幅值范圍，將低通濾波的增益設(shè)為6 dB，則AGC的增益范圍設(shè)置為10～30 dB時，即可滿足放大要求。

2 濾波電路設(shè)計

2.1 高通濾波電路

系統(tǒng)采用雙運放MC33078來實現(xiàn)高通濾波器。截止頻率設(shè)定為1.5 kHz和7.5 kHz，無放大增益，采用有源濾波，設(shè)計電路圖如圖1所示。

圖1 1.5 kHz/7.5 kHz高通濾波電路圖

利用Multisim進行相應電路的仿真，其中波特圖示儀XBP1連接經(jīng)過1.5 kHz濾波后的信號，波特圖示儀XBP2連接經(jīng)過7.5 kHz濾波后的信號，高通濾波電路仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 1.5 kHz/7.5 kHz高通濾波電路仿真圖

由仿真圖得到的幅頻特性曲線可見，信號頻率在低于1.5 kHz和7.5 kHz時被吸收，只有高于設(shè)定頻率的信號才被通過，仿真結(jié)果表明，該高通濾波電路是符合設(shè)計要求的。

2.2 低通濾波電路

按上述要求，低通濾波器截止頻率為100 kHz，增益為6 dB，所設(shè)計的電路如圖3所示。

圖3 100 kHz低通濾波電路圖

圖4為利用Multisim進行低通濾波電路仿真所得的仿真圖。

圖4 100 kHz低通濾波電路仿真圖

由圖4得到的幅頻特性曲線可見，信號頻率在高于100 kHz時被吸收，只有低于設(shè)定頻率的信號才被通過，仿真結(jié)果表明該低通濾波電路符合設(shè)計要求。

3 可調(diào)增益放大器

AD603通過對引腳5和7不同的連接方式來決定其可控增益范圍。芯片的增益為40 VG+20 dB，其中，VG為壓控端電壓，系統(tǒng)要求增益范圍為10～30 dB，則根據(jù)芯片手冊的電阻曲線，選擇在引腳5與引腳7間接電阻R1=2.49 kΩ，使其最大增益約為41 dB[4-5]。設(shè)計的可調(diào)增益放大電路如圖5所示。

圖5 利用AD603設(shè)計的可調(diào)增益放大電路

AD603腳1和腳2的電壓差由DSP控制，DSP控制信號通過DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號后調(diào)節(jié)AD603的輸出增益。

4 峰值檢波電路

本文利用Difet靜電計級運算放大器OPA128來設(shè)計的峰值檢測電路如圖6所示。

圖6 峰值檢波電路圖

利用Multisim模擬，得到了該峰值檢波電路的仿真結(jié)果，如圖7所示。

圖7 峰值檢波電路仿真圖

由圖7可見，信號通過峰值檢波，成功地輸出了波形的峰值，表明該電路可良好地檢測波形的幅值，符合設(shè)計要求。但峰值檢波得到的幅值量為模擬量，需通過A/D轉(zhuǎn)換再進行計算。

5 A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路

本模塊的A/D轉(zhuǎn)換電路選用ADI的AD6644，它是一款性能優(yōu)良的14-bit、65MSPS單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含保持電路和基

準源，采用三級子區(qū)式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[6]。

在以AD6644為中心的A/D轉(zhuǎn)換電路中，要注意以下幾點：首先，其要求高質(zhì)量低相位噪聲的差分采樣時鐘信號來進行采樣編碼，本文使用低抖動ECL/PECL時鐘，通過低偏壓差分器件MC100LVEL16將其差分信號通過電容器交流耦合來編碼信號；其次，其模擬輸入為差分輸入形式，本文利用差分功率放大器AD8138來設(shè)計由單端輸入到差分輸出的電路，作為AD6644的差分模擬輸入端，并選用直流耦合來有效濾除偶次諧波分量、共模干擾信號等；再次，本測距系統(tǒng)涉及的多個供電電源為12 V，由于將模擬和數(shù)字電源分開并單獨設(shè)計以避免模數(shù)之間的干擾的必然性，將AD6644中所有電源管腳都就近對地接10 nF去耦電容，以濾除電源與地之間的寬頻雜波，在靠近電源處接入10～100 nF陶瓷電容，以濾除高頻噪聲，同時接入10 μF鉭電容，濾除低頻噪聲，另外，模擬地與數(shù)字地之間通過磁珠連接，進一步抑制干擾噪聲。

圖8為按照上述原則與步驟設(shè)計的AD6644外圍電路圖。

D/A轉(zhuǎn)換電路主要用于轉(zhuǎn)換DSP輸出的增益控制信號等。本文選用8位雙緩沖D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，其性價比高、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易。

因DAC0832的轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動電流輸出，而AD603

圖8 利用AD6644設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換電路

等需要電壓控制信號，因此必須外接轉(zhuǎn)換電路。圖9所示為利用DAC0832設(shè)計的一種用兩級運算放大器組成的模擬電壓輸出電路，設(shè)參考電壓VREF為+5 V，從一級運放輸出的為單極性模擬電壓，電壓值為0～-5 V；從二級運放輸出的為雙極性模擬電壓，即在VOUT得到的輸出電壓為±5 V。

圖中

(3)

計算可得，當DSP控制DAC0832的D0～D7為0～255時，其輸出電壓VOUT在-5～+5 V之間變化，符合控制要求。

6 實驗結(jié)果

雷達傳感器的調(diào)制信號采用三角波形式，帶寬為200 MHz，調(diào)制頻率為150 Hz。限于實驗條件及后續(xù)DSP信號處理模塊的完善程度，通過對靜止目標檢測，來驗證該中頻信號處理電路的準確性與實用性。經(jīng)該電路處理后，檢測了不同距離的靜止目標，利用數(shù)字信號處理后得到的頻譜圖形如圖10所示，其中橫坐標為頻率，縱坐標為信號幅值。

圖9 DAC0832雙極性輸出D/A轉(zhuǎn)換電路

(a)距22 m的靜止目標輸出信號頻譜圖

(b)距40 m的靜止目標輸出信號頻譜圖圖10 經(jīng)中頻調(diào)理電路處理的信號頻譜圖

如圖所示，距離22 m的靜止目標在頻譜圖上得到的頻率值為17.93 kHz，而根據(jù)式(1)得到的理論值為17.6 kHz；距離40 m時的靜止目標在頻譜圖上得到的頻率值為31.86 kHz，理論值為32 kHz，在誤差范圍之內(nèi)，符合設(shè)計要求。

7 結(jié)論

中頻信號處理電路是FMCW雷達測距系統(tǒng)的關(guān)鍵與核心。

本文基于對雷達傳感器工作原理的分析，得到中頻信號處理電路的關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)計并實現(xiàn)了包括濾波、放大、峰值檢波和AD/DA轉(zhuǎn)換的完整的中頻信號處理電路。通過對關(guān)鍵電路的仿真和整體系統(tǒng)的實驗測試，驗證了該電路對于雷達防撞測距系統(tǒng)的適用性。該電路的設(shè)計與實現(xiàn)，可為24 GHz FMCW雷達的測距應用提供核心的硬件解決方案。

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Design of IF Signal Processing Circuit for FMCW Radar Ranging System

QI Hao-chen1,ZHANG Jian1,GAO Wei-qing1,BAO Jia-ming2

(1.School of Electronics Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.School of Information Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)

Intermediate frequency (IF) signal processing module is the core of radar range system.After the key parameters of filter and amplification were calculated,the filter circuit including high-pass filter and low-pass filter was designed and realized based on double op-amp MC33078.Then based on adjustable gain amplifier AD603 and operational amplifier OPA128,the adjustable gain amplifier,peak detection circuit,and AD/DA switching circuit were designed and realized.The simulation and validation of key circuits were performed.Further more,the applicability and veracity of whole circuit module was confirmed by static target ranging experiment.

FMCW radar；ranging system;IF signal process;circuit design

國家自然科學基金資助項目(11374084，61307056)；合肥工業(yè)大學科學研究發(fā)展基金資助項目(J2014HGXJ0091，J2014HGXJ0082)

2014-10-20 收修改稿日期：2015-03-01

TN952

A

1002-1841(2015)08-0029-04

戚昊琛(1981—)工程師，碩士，主要研究方向為傳感器設(shè)計與應用。E-mail：ammyqi@hfut.edu.cn

張鑒(1977—)副教授，博士，主要從事MEMS與傳感系統(tǒng)設(shè)計研究。E-mail：zhangjian@hfut.edu.cn