汽車防撞雷達(dá)中頻信號處理系統(tǒng)的優(yōu)化措施

張利杰

摘 要：汽車防撞雷達(dá)主要是通過微電腦對超聲波信號進(jìn)行控制及處理并經(jīng)由傳感器對信號進(jìn)行發(fā)射及接收來計(jì)算汽車與被測物之間的距離，以此來判斷是否存在危險(xiǎn)并進(jìn)行預(yù)警。其中中頻信號處理系統(tǒng)是決定汽車防撞雷達(dá)報(bào)警功能的核心部分，影響防撞雷達(dá)的實(shí)用效果。為了使中頻信號處理系統(tǒng)可以在實(shí)際中起到更好的應(yīng)用效果，本文就針對其系統(tǒng)中存在的不足進(jìn)行分析，根據(jù)這些問題存在的因素提出了在實(shí)際中可以采用的優(yōu)化措施來提高中頻信號處理裝置的性能，使其可以更好的應(yīng)用于汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：防撞雷達(dá)；中頻信號處理；MAX11043；FPGA；優(yōu)化方案

汽車防撞雷達(dá)可以在汽車行駛的過程中通過信號的接收及處理來測量出其與障礙物之間的距離，并且還可以對汽車與障礙物之間的相對速度進(jìn)行計(jì)算，而中頻信號處理系統(tǒng)則是處理雷達(dá)輸出及接收信號的主要裝置，中頻信號處理系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)決定了其對回波信號處理的準(zhǔn)確度。目前在汽車防撞雷達(dá)發(fā)展的過程中對中頻信號處理系統(tǒng)優(yōu)化的措施也在不斷的完善及改變，以下就是對其系統(tǒng)優(yōu)化的深入研究。

一、中頻信號處理系統(tǒng)優(yōu)化簡述

1、傳統(tǒng)的中頻信號處理系統(tǒng)的特點(diǎn)

中頻信號處理系統(tǒng)作為撞雷達(dá)系統(tǒng)的核心組成部分，對其進(jìn)行優(yōu)化可以為人們的出行安全提供一份保障。目前在防撞雷達(dá)中應(yīng)用的中頻信號處理裝置其具有體積大、結(jié)構(gòu)繁瑣、匹配復(fù)雜、功耗高等問題，主要是由于其多模塊PCB板級電路使其整體性能較差，而這也導(dǎo)致了中頻信號處理系統(tǒng)在應(yīng)用中無法良好的實(shí)現(xiàn)集成式數(shù)據(jù)處理。

2、中頻信號處理系統(tǒng)的優(yōu)化概述

針對上述中頻信號處理系統(tǒng)中存在的不足，結(jié)合防撞雷達(dá)實(shí)際的使用要求及對信號處理系統(tǒng)模塊的分析，可以采用對其驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及對可編程端口進(jìn)行控制的方式來將中頻信號處理系統(tǒng)中各個(gè)范元進(jìn)行集成化處理，使其可以形成芯片系統(tǒng)，從而減小中頻信號處理裝置體積、提高其性能、減少能耗，從而達(dá)到優(yōu)化目的。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以采用對中頻信號處理裝置進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性及效果，保證優(yōu)化措施應(yīng)用的合理性。

二、中頻信號處理系統(tǒng)優(yōu)化方

案目前，國內(nèi)對汽車防撞雷達(dá)尚未制定統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，參照國外少數(shù)調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)產(chǎn)品的參數(shù)，可制定汽車防撞雷達(dá)的基本工作參數(shù)：工作頻率24GHz；距離范圍0-120m；速度范圍1-180km/h。該中頻信號幅值小、干擾多、信噪比低且為模擬信號，無法輸入后端數(shù)據(jù)處理設(shè)備。因此需采用中頻信號調(diào)理電路進(jìn)行處理。首先由調(diào)制信號發(fā)生器輸出三角調(diào)制波，使FMCW雷達(dá)輸出中頻信號；信號先由高通濾波器濾除疊加的低頻調(diào)制信號；再由可變增益信號放大器放大，提高幅值；再用低通濾波器濾除外界高頻雜波；使用ADC將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號輸入后端數(shù)字處理器進(jìn)行處理；而數(shù)字處理器輸出的反饋信號，需用DAC來轉(zhuǎn)換，以輸入各控制端進(jìn)行控制。

基于先進(jìn)車載系統(tǒng)的功能需求，本文中基于多功能可編程集成芯片MAX11043來滿足優(yōu)化需求。該芯片為四通道單端或差分輸入，芯片的4個(gè)通道單獨(dú)設(shè)有濾波器單元與可編程增益放大器（PGA），可實(shí)現(xiàn)高通濾波功能與信號放大功能；芯片內(nèi)設(shè)有7級2階可編程濾波器，可實(shí)現(xiàn)低通濾波功能；芯片包含16位同步采樣ADC，可取代ADC；芯片集成了12位DAC，可實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號發(fā)生器和模擬控制端口的控制功能。

三、功能仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1、調(diào)制波生成時(shí)序分析

芯片實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號發(fā)生器功能時(shí)，調(diào)制波發(fā)生功能端口時(shí)序：CLK為芯片工作時(shí)鐘；端口UP/DWN為DAC步方向選擇，置高電平則DAC正向步進(jìn)，置低電平則DAC反向步進(jìn)；端口DACSTEP為DAC步進(jìn)控制，置高電平時(shí)，DAC在時(shí)鐘上升沿步進(jìn)一次，低電平時(shí)，DAC處于保持狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)調(diào)制信號發(fā)生器的程序流程為：設(shè)UP/DWN為高電平，DACSTEP為低電平，等待調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊；調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊，設(shè)置相應(yīng)指令以更改芯片DAC相關(guān)寄存器數(shù)據(jù)，包括寫入DAC初值為0及寫入DAC步長為1；驅(qū)動(dòng)調(diào)用完成，準(zhǔn)備輸出波形，設(shè)DACSTEP為高電平，保持一個(gè)芯片時(shí)鐘，則DAC輸出正向步進(jìn)一次，設(shè)置時(shí)間間隔重復(fù)步進(jìn)，可得上升波形；當(dāng)DAC步進(jìn)至最大值，即到達(dá)三角波上頂點(diǎn)，設(shè)步進(jìn)方向取反，繼續(xù)步進(jìn)，則波形下降；當(dāng)波形到達(dá)下谷點(diǎn)時(shí)，再次改變步進(jìn)方向使波形上升。重復(fù)以上步驟即可得到連續(xù)三角波調(diào)制信號。

2、外圍電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

依據(jù)優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)中使用的多功能芯片同時(shí)連接雷達(dá)前端與開發(fā)板，F(xiàn)PGA同時(shí)完成進(jìn)程控制和數(shù)據(jù)處理功能。芯片通過串行接口與FPGA連接，F(xiàn)PGA通過片選端口控制芯片訪問，通過端口OSCIN為芯片提供時(shí)鐘；雷達(dá)前端同向信號（IF1）與正交信號（IF2）分別通過芯片通道一、通道二輸入；AOUT端口輸出三角調(diào)制波經(jīng)整流后連接至雷達(dá)VCO端口；未使用端口通過電容后接地處理。具體的功能實(shí)現(xiàn)均以可編程控制芯片的形式完成，可見，采用MAX11043作為系統(tǒng)主要處理單元，傳統(tǒng)的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)得到了大幅簡化，實(shí)現(xiàn)了基于可編程集成芯片信號處理系統(tǒng)的優(yōu)化。

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述優(yōu)化方案，對外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，制成PCB板。將驅(qū)動(dòng)程序和調(diào)制信號發(fā)生器功能程序編譯并下載至FPGA配置器件中，用示波器觀察芯片AOUT端口輸出的三角波。調(diào)用的驅(qū)動(dòng)程序可良好地完成MAX11043與FPGA間的通信，輸出的三角波與設(shè)定參數(shù)要求一致，證明了驅(qū)動(dòng)程序的正確性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。基于驅(qū)動(dòng)程序的正確設(shè)計(jì)，以三角波調(diào)制信號輸出的驗(yàn)證為例，證明了優(yōu)化后的中頻信號處理系統(tǒng)已正常運(yùn)行。

結(jié)語：以上針對中頻信號處理系統(tǒng)存在的一些影響其使用效果的問題及缺陷，提出了一種基于多功能可編程集成芯片MAX11043的優(yōu)化方案。設(shè)計(jì)了FPGA環(huán)境下的芯片驅(qū)動(dòng)模塊且通過了驅(qū)動(dòng)仿真驗(yàn)證，調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊后，以調(diào)制信號發(fā)生器的功能設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為例，證實(shí)了驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)的正確性和優(yōu)化方案實(shí)施的可行性。

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