車載微波雷達調頻體制及芯片方案簡介
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盡管各個應用的側重點不同，但總體上車載雷達主要通過測量目標的距離、相對速度、角度、大小、個數(shù)等參數(shù)為駕駛者提供及時可靠的預警信息?？焖侔l(fā)展的市場要求汽車雷達擁有更遠的測量距離，更寬的探測角度、更高的測距測速測向精度，更短的探測時間，更多的探測目標數(shù)量，以及更可靠的探測率。
以上要求需要在系統(tǒng)層面作統(tǒng)一提升，包括天線、射頻、基帶硬件設計、發(fā)射頻率、掃頻帶寬、波形調制、基帶算法等。作為雷達軟硬件設計的基礎，收發(fā)調頻體制的選擇對測距、測速、測向的范圍、分辨率、精度、模糊度等核心指標起著關鍵作用。市面上介紹類似雷達調頻體制的文章層出不窮，但很少有針對汽車雷達的系統(tǒng)化介紹。本文對量產的車載雷達中最常用的收發(fā)調頻體制手段，作一簡單介紹：
1. 可變斜率連續(xù)波雷達(CVS)。該體制波形是由線性調頻連續(xù)波(LFMCW)發(fā)展而來。與LFMCW相比，其可以解決測量多目標時產生的虛假目標問題。
LFMCW波形如下，通過上升沿及下降沿的一組差拍頻率求得單個目標的距離和速度，但在多目標情況下，N個實際目標產生的差拍頻率有N2種組合，最終造成N2-N個虛假目標。
CVS波形有多種，以下圖為例。發(fā)射機在TCPI內發(fā)射三段具有相同調頻帶寬、不同調頻斜率的信號，持續(xù)時間分別為2T1，2T2和2T3。
在對回波信號進行數(shù)據處理時，分別對三段信號使用與LFMCW相同的算法，最終會得到三組各N2個距離-速度值。對于真實目標，其在三次運算中得到的距離-速度值都應該是相同的，對于虛假目標，其距離-速度值會隨著調頻周期的變化而變化。因此，只要從三組結果中找到重合的N個距離-速度值，就可以得到真實目標的距離與速度。與LFMCW相比，該波形可以去除虛假目標，同時數(shù)據處理的運算量也隨之提高，從而對硬件能力提出了更高要求。
2. 多頻移鍵控雷達(MFSK)。這是一種針對汽車應用而專門設計的波形，該波形由線性調制頻率連續(xù)波(LFMCW)和頻移鍵控波(FSK)結合產生。如下圖所示，發(fā)射波形包含兩個線性調制，互相交錯的階梯上升信號，序列1用作參考信號，序列2與序列1之間的發(fā)射頻率差為fshift。接收信號經過下混頻得到基帶信號，并在每個頻率階梯上被采樣。
基帶信號序列1和2都會經過相同的FFT和CFAR處理，在單檢測目標的情況下，一個具有特定速度與距離的目標將會在兩個序列FFT處理結果的同一頻率處被檢測到。與LFMCW類似，差頻fB中同時包含了距離與速度信息，但在同一頻率處兩個信號的相位差也同樣包含了距離和速度信息。因此fB和(符號1)在一個測量周期內需要同時被用到來解析距離和速度，如下式：
上面兩式聯(lián)立就可求得距離和速度，在這種情況下，虛假目標可以完全被避免。與LFMCW相比，由于MFSK在計算距離與速度時引入了相位差信息，在系統(tǒng)設計只能達到較低信噪比的情況下，其精度會有下降。
3. 快斜波序列雷達。發(fā)射機在時間TCPI內連續(xù)發(fā)射N個斜率很大的鋸齒波，每個鋸齒波持續(xù)時長為T。因為每個鋸齒波斜率很大，持續(xù)時間很短，因此差拍頻率fB主要由雷達信號的傳輸時間也即fτ的變化而決定。在這種情況下多普勒頻移fd可以被近似忽略，即fB=fd+fτ≈ fτ。
在信號處理中，對每個鋸齒波內的采樣點序列做FFT(一維FFT)之后檢測到的差拍頻率fB即可直接用來預估距離。而對于相對速度的測量，需要整個TCPI內發(fā)射的所有鋸齒波共同參與來反映回波信號的包絡變化。 對所有鋸齒波的一維FFT結果在另一個維度上再做一次FFT(二維FFT)即可求出多普勒頻移fd進而求出相對速度，相對速度可以進一步校正一維FFT對距離的計算結果。
這種波形及后續(xù)處理算法對距離和相對速度的求解更直接、準確，同時二維FFT可以進一步提高信號的信噪比從而為后續(xù)的檢測算法打下良好的基礎。同時，很短的單鋸齒波持續(xù)時間需要更快速的發(fā)射調制控制電路，更高的基帶采樣率，二維FFT算法也需要更強的處理器運算能力，這些對硬件提出了更高的要求。
由上面三種常用的調頻體制可以看出，不同的體制在測距、測速性能方面各有優(yōu)劣，對硬件的能力要求也有所不同。雷達系統(tǒng)設計者需要在一開始仔細衡量選定體制及相應的軟硬件架構，才能在后期達到預期的系統(tǒng)性能。
ADI推出的雷達調制鎖相環(huán)芯片ADF4158/4159芯片可支車載雷達絕大部分主流的調頻體制，包括上述的CVS、MFSK、FRCS，以及常規(guī)的LFMCW、FSK、CW、Parabolic等。其帶寬、周期、調頻步數(shù)、步頻數(shù)、調頻斜率及波形、FSK、delay等參數(shù)都可以方便的配置，結合收發(fā)MMIC芯片ADF5901和ADF5904，設計者可以在同一套硬件架構上設計和驗證多種調頻體制和基帶算法。更重要的是，想比用處理器或DAC來控制調頻的方案，基于ADF415x的方案可實現(xiàn)更復雜波型、更簡便的控制、更快速的掃頻(快至幾十uS的斜波序列)，更精準的頻率控制，以滿足后端高精度信號處理要求。
ADF5901和ADF5904是ADI針對24GHz車載雷達推出的MMIC芯片，其功能及指標均按車載24GHz雷達設計。ADF5904更是實現(xiàn)了業(yè)界最優(yōu)的信號探測靈敏度，有廠商基于它實現(xiàn)了額定發(fā)射功率下300米以上的車載探測距離，第一次使基于24GHz的ACC自適應巡航或FCW+ACC雙模雷達成為可能。
相對于距離和速度，目標方位角度主要根據回波信號到達不同天線的時間差引起的相位差來測算。接收天線個數(shù)越多，角度測量的分辨率越高，但接收天線個數(shù)的增加使電路板面積增大。隨著MIMO技術在汽車雷達中的應用，利用不同發(fā)射天線之間的關系可以模擬更多的接收天線通道，同時又不會造成電路板面積的顯著增加，這就要求MMIC芯片必須具有多發(fā)多收的能力。ADF5901和ADF5904支持2發(fā)4收通道，2個發(fā)射通道既可以連接2個不同F(xiàn)OV的發(fā)射天線實現(xiàn)雙模覆蓋，也可以連接2個相同的發(fā)射天線實現(xiàn)MIMO功能，即等同于1發(fā)8收的效果。隨著數(shù)字空間濾波技術的發(fā)展，數(shù)字波束成型(DBF)技術可以將角度測量的精度進一步提高。同樣的，DBF需要更多的數(shù)據運算，需要更強的硬件能力來支撐。
ADI針對本應用推出的BF70x系列DSP擁有最高400MHz主頻和1MB的內部SRAM，并支持外擴DDR2存儲器。針對FFT運算，BF70x的兩個增強型乘加器可各自在單周期內完成一次32bit或兩次16bit的乘加計算。大量經過優(yōu)化的數(shù)學運算函數(shù)及蝶形算子等數(shù)據可在出廠前固化在內置的ROM中，節(jié)省了大量寶貴的內部指令和數(shù)據空間。這些特性可以幫助用戶在更短的運算時間內實現(xiàn)更加復雜的雷達算法。
ADF5901-ADF5904-ADF415x-BF70x，構成了一套硬件性能優(yōu)異、軟件可擴展的24GHz車載雷達方案，滿足以上討論的主流調頻體制及基帶算法對雷達硬件架構和數(shù)據處理能力的要求。
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