24 GHz FMCW車載測距雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計*

陳天琪，楊 浩，戴志偉

（1.中國科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100029；2.中國科學(xué)院微電子研究所 健康電子研發(fā)中心，北京 100029；3.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 101400）

24 GHz FMCW車載測距雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計*

陳天琪1，2，3，楊 浩1，2，戴志偉1，2

（1.中國科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100029；2.中國科學(xué)院微電子研究所 健康電子研發(fā)中心，北京 100029；3.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 101400）

為了研制汽車防撞系統(tǒng)，設(shè)計了一款24 GHz FMCW雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括雷達(dá)射頻模塊、中頻信號處理模塊和數(shù)字基帶處理模塊。雷達(dá)射頻模塊采用基于異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管NE3514研制的雷達(dá)射頻模塊傳感器實現(xiàn)；中頻信號處理模塊由高通濾波器、可變增益放大器、低通濾波器構(gòu)成。采用TLV2374運算放大器設(shè)計實現(xiàn)高通濾波器，TLV2374運算放大器與數(shù)字電位器MCP42100設(shè)計實現(xiàn)可變增益放大器，AD8532運算放大器設(shè)計實現(xiàn)低通濾波器；數(shù)字基帶處理模塊采用STM32F407微處理器完成數(shù)據(jù)采集與信號特征提取以及系統(tǒng)控制。該車載測距雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)90 m的距離測量。

24 GHz；調(diào)頻連續(xù)波；車載雷達(dá)；測距

0 引言

隨著社會的發(fā)展，汽車成為人們出行交通工具的首選。出行人口眾多的復(fù)雜交通狀況導(dǎo)致我國車輛碰撞類交通事故頻發(fā)。車輛碰撞類交通事故已經(jīng)成為我國交通安全治理的難題。此難題同樣困擾著國際上主要發(fā)達(dá)國家，為了解決此難題，國際各主要國家投入大量人力、物力對汽車防撞系統(tǒng)進(jìn)行研制，而車載測距雷達(dá)的研制無疑是汽車防撞系統(tǒng)研制的核心。微波測距相比于超聲波、激光和攝像等測距方式，不易受天氣因素影響，抗干擾性能強(qiáng)，已成為車載測距雷達(dá)研制的首選[1]。美國、英國、德國、日本和瑞典先后研制出測量距離大于100 m的車載防撞雷達(dá)，已經(jīng)投入實用化[2]。我國車載測距雷達(dá)的研究起步稍晚，目前國內(nèi)市場上實用防撞雷達(dá)系統(tǒng)還較少見，各大研究機(jī)構(gòu)都在開展車載雷達(dá)系統(tǒng)的研究[3-7]，因而進(jìn)行車載測距雷達(dá)系統(tǒng)研制的意義重大。工業(yè)和信息化部于 2012年發(fā)布了《24 GHz頻段短距離車載雷達(dá)設(shè)備使用頻率的通知》，明確規(guī)定了24 GHz車載雷達(dá)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。本文基于異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管NE3514研制車載雷達(dá)射頻電路模塊，設(shè)計并實現(xiàn)車載測距雷達(dá)系統(tǒng)。

1 測距原理

調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)的工作原理：雷達(dá)發(fā)射微波信號，微波信號被探測物反射，回波信號被原雷達(dá)接收機(jī)接收，比較接收時刻的雷達(dá)接收信號與發(fā)射信號之間的頻差，能夠獲得探測物的距離信息。

雷達(dá)與目標(biāo)物無相對速度的情況下，雷達(dá)發(fā)射信號與接收信號的時間頻率關(guān)系如圖1所示。

圖1 目標(biāo)相對雷達(dá)靜止時FMCW雷達(dá)發(fā)射波形和接收波形時間與頻率關(guān)系圖

其中，波形ft表示發(fā)射信號的時間與頻率的關(guān)系，波形fr表示接收信號的時間與頻率的關(guān)系。由圖可知，接收信號相對發(fā)射信號在時間上延遲Δt，如果用R表示雷達(dá)相對目標(biāo)的距離，c表示光速，則：

由三角形的相似性可知：

式中，Δf是同一時刻發(fā)射信號與接收信號的頻差，B為射頻電路VCO的調(diào)制帶寬。將式(1)帶入式(2)可以求解得到目標(biāo)距離：

當(dāng)雷達(dá)與探測目標(biāo)存在相對速度時，雷達(dá)波形的時間與頻率關(guān)系如圖2所示。

由于探測目標(biāo)與回波信號之間存在相對速度，產(chǎn)生多普勒頻移，表現(xiàn)在同一時刻接收信號和發(fā)射信號的頻差相對于探測目標(biāo)與雷達(dá)靜止時接收信號和發(fā)射信號的頻差有所升高或者降低。在調(diào)制三角波上升半周期內(nèi)，中頻信號可以表示為：

在調(diào)制三角波下降半周期內(nèi)，中頻信號可以表示為：

其中 Δf為探測物與雷達(dá)相對靜止時的中頻頻率，fd為多普勒頻移，由式(4)與式(5)可以求得多普勒頻移：

圖2 目標(biāo)相對雷達(dá)運動時FMCW雷達(dá)發(fā)射波形與接收波形時間與頻率關(guān)系圖

探測目標(biāo)的相對速度可以根據(jù)多普勒頻移公式求得：

其中，λ為發(fā)射電磁波的波長，當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)相向運動，v的符號為正；當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)背向運動，v的符號為負(fù)。

2 車載測距雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

車載雷達(dá)系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖3所示，系統(tǒng)包括3個電路模塊，分別是雷達(dá)射頻模塊、中頻信號處理模塊和數(shù)字基帶處理模塊。雷達(dá)模塊用于雷達(dá)射頻信號收發(fā)；中頻信號處理模塊用于中頻信號放大與濾波；數(shù)字基帶處理模塊用于中頻信號的采集與分析，同時完成系統(tǒng)控制。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖

2.2 雷達(dá)射頻模塊

如圖4所示，雷達(dá)射頻模塊為108個陣元構(gòu)成的非對稱窄波束遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器，該傳感器模塊包含1個射頻低噪聲放大器(RF LNA)，I、Q兩通道一共4個中頻電路預(yù)放大器(IF preamplifiers)、2個混頻器和 1個壓控振蕩器(VCO)。其中VCO的輸出信號頻率由FM input端口直接控制。在本文中，由DAC產(chǎn)生的三角波被放大與直流電平調(diào)整，控制VCO產(chǎn)生受控頻率信號通過發(fā)射天線陣列發(fā)射，發(fā)射信號被探測車輛反射，反射信號為接收天線所接收，接收信號通過 RF LNA放大，并與當(dāng)前時刻VCO產(chǎn)生信號相混頻得到中頻信號，中頻信號經(jīng)過IF preamplifiers放大后輸入中頻信號處理模塊進(jìn)行處理。

圖4 雷達(dá)模塊電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 中頻信號處理模塊設(shè)計

中頻信號處理模塊電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。該模塊主要包括3個部分：高通濾波器、可變增益放大器和低通濾波器。由于射頻電路模塊各端口無法完全隔離，由射頻模塊I、Q兩路中頻輸出接口輸出的中頻信號中存在泄露的三角波信號，為此需要高通濾波器將中頻信號中泄露的三角波濾除。高通濾波器采用TLV2374運算放大器構(gòu)成多路反饋二階濾波電路實現(xiàn)，濾波電路低頻3 dB截止頻率為30 kHz。可變增益放大電路主要使用TLV2374運算放大器實現(xiàn)反向放大電路，通過MCP42100數(shù)字電位器對普通電阻替代達(dá)到增益控制的目的，可變增益放大器的放大倍數(shù)范圍為1～500倍。低通濾波器的主要作用是濾除輸入信號自身攜帶的高頻噪聲與中頻信號處理模塊產(chǎn)生的高頻噪聲，同時使輸入信號帶限，為后級ADC采樣做準(zhǔn)備。低通濾波器采用AD8532運算放大器構(gòu)成無線增益多路反饋二階濾波電路來實現(xiàn)，濾波電路的3 dB截止頻率為103 kHz。中頻信號處理模塊的最大放大倍數(shù)為5 000倍(74 dB)。

圖5 中頻信號處理模塊電路結(jié)構(gòu)圖

2.4 數(shù)字基帶處理模塊設(shè)計

數(shù)字基帶處理模塊主要完成數(shù)字信號特征信息的提取與電路系統(tǒng)整體控制，如圖6所示。

圖6 數(shù)字基帶處理模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字基帶處理模塊主要由 STM32F407微處理器與外圍模塊電路構(gòu)成。本文中MCU首先通過DMA1+DAC的模式產(chǎn)生三角波，三角波通過放大與直流電平調(diào)整，作為調(diào)制信號直接接入雷達(dá)射頻模塊的VCO控制輸入口 FM input進(jìn)行信號調(diào)制；DMA1的半傳輸中斷和傳輸完成中斷作為ADC采樣開始的標(biāo)志，ADC1與ADC2分別對I、Q兩路信號進(jìn)行采集。為保證ADC對信號以固定采樣率進(jìn)行采集，采用ADC+DMA2的模式進(jìn)行設(shè)計；MCU通過控制數(shù)字電位器MCP42100的阻值來控制中頻電路模塊的可變增益放大器放大倍數(shù)；信號采集完成后，MCU需要對ADC采集后的信號進(jìn)行數(shù)字信號特征信息提取。在本文中，信號特征信息的提取為信號頻率信息提取，本設(shè)計采用離散傅里葉變換的快速算法(FFT算法)對信號的頻率信息進(jìn)行提取，該算法需要進(jìn)行大量浮點數(shù)運算，而STM32F407微處理器內(nèi)部集成浮點運算器(FPU)，該模塊能夠快速進(jìn)行大量浮點數(shù)運算，計算出最終的測量結(jié)果在OLED屏上實時顯示。

3 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)測試電路如圖7所示。該測試電路包括正反兩面，其中圖7(a)上方為數(shù)字基帶處理模塊，下方為中頻信號處理模塊；圖7(b)上方為雷達(dá)射頻模塊，下方為電源。

圖7 系統(tǒng)測試電路

圖8 54m處目標(biāo)回波信號分析

典型的測試回波信號如圖8所示。該圖展示了54 m處目標(biāo)回波信號與信號的頻譜幅值，從圖8（a）中能夠清晰觀測出回波信號，對圖8（a）中回波信號進(jìn)行離散傅里葉變換分析，得到如圖8（b）所示的回波信號頻譜幅度值，可以分辨出目標(biāo)的距離信息為53 m。

系統(tǒng)測試電路對目標(biāo)物距離測量結(jié)果如表1所示，在12 m～90 m范圍內(nèi)測量誤差不超過10%。

表1 目標(biāo)物距離測量結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了一款24GHz FMCW車載測距雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可滿足雷達(dá)測距基本要求，能夠作為車載防撞雷達(dá)原型機(jī)進(jìn)行車載防撞雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)。

[1]王斌，劉昭度，何瑋，等.車用測距雷達(dá)研究進(jìn)展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(3)：7-9.

[2]王秀春.汽車防撞雷達(dá)的發(fā)展前景[J].江蘇交通，2003 (3)：50-52.

[3]黃文奎.毫米波汽車防撞雷達(dá)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所），2006.

[4]周立.汽車防撞雷達(dá)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[5]鄭銳.毫米波汽車防撞雷達(dá)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010.

[6]王文欽.防撞雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2005.

[7]徐俊.77GHz汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)一些關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)，2015.

The design of a 24 GHz FMCW vehicle ranging radar system

Chen Tianqi1，2，3，Yang Hao1，2，Dai Zhiwei1，2
(1.Beijing Key Laboratory of Radio Frequency IC Technology for Next Generation Communications，Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；2.R&D Center of HealthCare Electronics，Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；3.School of Electronic，Electrical and Communication Engineering，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 101400，China)

In order to develop vehicle collision system,a 24 GHz FMCW vehicle ranging radar system is designed.The system includes radar RF module，intermediate frequency signal processing module and digital baseband processing module.The radar RF sensor based on the hetero junction field effect transistor NE3514 is adopted as the radar RF module.The intermediate frequency signal processing module consists of high pass filter,variable gain amplifier and low pass filter.High pass filter is realized by using operational amplifier TLV2374，variable gain amplifier is designed by operational amplifier TLV2374 and digitalpotentiometer MCP42100，low pass filter is designed by operational amplifier AD8532.Digital baseband processing module completes data acquisition,signal feature extraction and system control.The vehicle ranging radar can achieve 90 m distance measurement.

24 GHz；frequency modulated continuous wave(FMCW)；vehicle radar；distance measurement

TN953

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.009

陳天琪，楊浩，戴志偉.24 GHz FMCW 車載測距雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：37-40.

英文引用格式：Chen Tianqi，Yang Hao，Dai Zhiwei.The design of a 24 GHz FMCW vehicle ranging radar system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：37-40.

2016-07-05)

陳天琪（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：射頻嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

楊浩（1978-），通信作者，男，博士，副研究員，主要研究方向：射頻/微波集成電路設(shè)計、微波模塊設(shè)計和超高頻射頻識別技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：yanghao@ime.ac.cn。

戴志偉（1989-），男，碩士，主要研究方向：射頻集成電路設(shè)計。

中科院國際合作局對外合作重點項目(172511KYSB20130108)；國家自然科學(xué)基金項目（61404166）