FMCW雷達信號處理系統設計方案研究

王斯盾

摘 要：信號處理系統是FMCW雷達的核心組成部分，經過不斷的發展與演進，FMCW雷達形成了以MCU、DSP、FPGA、DSP+FPGA和MCU+DSP為核心的信號處理系統。文章介紹了典型的FMCW雷達結構，分析了每種信號處理系統設計方案的優點與不足，為FMCW雷達的選型與設計打下堅實基礎。

關鍵詞：FMCW雷達；信號處理系統；設計方案

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0108-02

調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave， FMCW）雷達是調頻體制和連續波雷達融合的成果，具有時寬帶寬積大、受環境影響小、測量精度高等特點，被廣泛應用于區域警戒、無人駕駛、物位測量等領域。隨著國內廠商技術水平的提高，國產24GHz FMCW雷達射頻前端已經掌握了平面微帶制造技術，生產的雷達傳感器體積較小，感應靈敏，集成化程度高，達到了國際先進水平。但是，如何設計FMCW雷達信號處理系統，以充分發揮射頻前端潛力，嵌入復雜算法，提高測量性能，拓寬應用場景能成為了一個關鍵問題，具有非常重要的研究價值。

1 FMCW雷達結構

典型的FMCW雷達結構如圖1所示，主要分為射頻前端和信號處理系統兩部分。核心處理器控制DAC生成調制信號，驅動射頻前端VCO產生等幅的調頻連續波信號。該信號經定向耦合器后一部分作為本振信號進入混頻器；另一部分進入環形器通過發射天線形成發射信號。發射信號被目標反射后經接收天線形成回波信號。回波信號經環形器與混頻器中與本振信號進行混頻，形成差頻信號。差頻信號經過信號調理和A/D轉換，將信號輸入到核心處理器，通過信號處理算法，提取出需要的信息，最后通過通訊單元將結果顯示或傳輸。

2 FMCW雷達信號處理系統設計方案

FMCW雷達信號處理系統的設計，主要應達到三個目的：（1）充分挖掘射頻前端的潛能，有效采集雷達差頻信號。（2）能夠實現較為復雜的算法，滿足在線實驗的需要。（3）具有小型化、模塊化特點，方便大規模生產和移植。根據處理芯片的不同，信號處理系統設計方案一般分為：以MCU為核心的系統、以DSP為核心的系統、以FPGA為核心的系統、以DSP+FPGA為核心的系統和以MCU+DSP為核心的系統。

2.1 以MCU為核心的系統

早期的FMCW雷達一般以MCU為核心。該方案結構簡單，可控制的外圍設備豐富，可實現的功能全面。但是難以進行較為復雜的數字信號處理。文獻[1]介紹了經典的以MCU為核心的雷達信號處理系統。該系統以MCS-51為核心，通過DAC生成三角波調制信號，驅動雷達射頻前端，產生差頻信號。差頻信號經過程控濾波器和自動增益放大電路進行信號調理，最后通過外置的ADC進行信號采集。在信號處理方面，利用過零檢測的方法將差頻信號轉化為方波信號，然后用檢波電路進行頻率估計，最后計算測量結果并進行顯示。

以MCU為核心的信號處理系統有以下優點：（1）結構簡單，設計成本低；（2）能夠實現小型化和模塊化，進而嵌入到大型系統中。但同時也存在著以下問題：（1）MCU的工作頻率低，當差頻信號頻率較高時存在一定時延；（2）信號采集幾乎消耗了全部芯片資源，難以嵌入頻率估計算法，測距精度低。

2.2 以DSP為核心的系統

目前市場中的FMCW雷達一般采用DSP作為核心芯片。文獻[2]介紹了經典的以DSP為核心的雷達信號處理系統。該系統采用通用型DSP TMS320F28335，分為四個主要模塊：調制信號產生模塊、差頻信號采集模塊、數字信號處理模塊和外圍控制模塊。調制信號產生模塊采用外置的DAC，通過直接數字合成技術（DDS）生成高精度的調制信號；差頻信號采集模塊包括信號信號調理電路和ADC，實現差頻信號的濾波、放大、模數轉換等功能。信號處理方面，首先對差頻信號實現了FIR數字濾波，然后采用加窗快速傅立葉線性調頻聯合算法計算差頻信號頻率。測距精度遠高于過零檢測法。

以DSP為核心的信號處理系統有以下優點：（1）工作頻率高，運算速度快，實時性良好；（2）數字信號處理能力強，能夠實現較為復雜的差頻信號頻率估計算法。但同時也存在著信號采集與信號處理共用DSP芯片，不能夠最大程度發揮其性能，高速信號采集能力弱的缺點。

2.3 以FPGA為核心的系統

以FPGA為核心的系統同樣也是一種主流的方法。文獻[3]介紹了經典的以FPGA為核心的雷達信號處理系統。該系統采用XCS1500，利用其超強的時序控制能力，實現了利用調制信號對VCO的校正；利用其豐富外設，實現了濾波電路和VGA放大電路，對差頻信號進行調理。信號處理方面，FPGA的邏輯運算能力強，但是難以實現浮點運算，所以僅調用快速傅里葉變換（FFT）運算核，從頻譜分析的角度計算差頻信號頻率。

以FPGA為核心的信號處理系統有以下優點：（1）FPGA是通過硬件的方式實現各功能模塊，內部各個模塊并行運行，執行效率高；（2）外設驅動能力強，既能夠在線驗證算法，又能夠提取中頻信號數據離線分析。但同時也存在著浮點運算實現非常復雜，難以實現復雜數字信號處理的問題。系統需要在NiOS Ⅱ軟核完成算法中的浮點運算，而NiOS Ⅱ軟核占用的資源非常大，實際應用中一般選擇外加DSP進行浮點運算。

2.4 以FPGA+DSP為核心的系統

針對FPGA浮點運算能力弱的問題，文獻[4]設計了以DSP+FPGA為核心的雷達信號處理系統。以FPGA為信號采集與系統控制核心，完成其他外圍設備的控制，控制調制三角波的生成，控制ADC對中頻信號進行采樣并將采樣數據在內部緩存；以DSP為信號處理核心，與FPGA進行通信，讀取FPGA中緩存的數據并進行數字信號處理，提取距離信息。這種功能分配方式意在充分發揮DSP和FPGA各自優勢，能夠有效提高系統工作效率。endprint

以DSP+FPGA為核心的信號處理系統有以下優點：（1）將信號采集與信號處理分開，能夠充分利用DSP與FPGA的特點；（2）處理能力強，能夠在信號采集核心中實現VCO非線性校正，溫度補償，程控濾波等功能。在信號處理核心中實現浮點運算量大的算法。但是該系統方案電路較復雜，價格較高昂，體積最為龐大，喪失了FMCW雷達結構簡單的優點，所以一般只用于實驗環境。

2.5 以MCU+DSP為核心的系統

國內廠商華儒科技、佰譽達科技以及德國英飛凌（Infineon）公司生產的FMCW雷達都采用了MCU+DSP雙核心的結構。與DSP+FPGA為核心的系統類似，MCU+DSP為核心的系統同樣是將信號采集核心與信號處理核心分開。MCU簡單的結構和豐富的外設可以在本系統中完全替代FPGA。該方案在簡化了系統結構的同時具有較強的運算能力，可以滿足復雜算法需要。經過作者實測實驗，華儒科技和佰譽達科技的量產單片型24GHz雷達在30m內的測距精度可以達到±100mm。

3 結束語

FMCW雷達信號處理系統采用的構架方案直接決定了信號采集的效率與信號處理的能力，一直以來是FMCW雷達產品化的研究重點。本文總結了國內外先進雷達的系統構架方案，分析了各種方案的優勢與不足，為國產FMCW雷達選型和設計打下基礎。

參考文獻：

[1]樊昌元，丁義元.高精度測距雷達研究[J].電子測量與儀器學報，2000，14（2）：52-56.

[2]黃文奎.毫米波汽車防撞雷達的設計與實現[D].中國科學院上海微系統與信息技術研究所，2006.

[3]Kong， Ki Bok， Jeong， Woo Ram， Park， Seong Ook. Design and initial measurements of K band FMCW rain radar with high resolution[J]. Microwave & Optical Technology Letters，2016，58（4）：817-822.

[4]陳林軍，涂亞慶，劉鵬，等.基于DSP+FPGA的LFMCW雷達測距信號處理系統設計[J].傳感器與微系統，2015，34（12）：94-96.

[5]李強，薛偉.FMCW雷達液位測量系統設計[J].科技創新與應用，2017（03）：54-55.endprint