基于軟件無線電的調頻連續波雷達實現

唐晗呈 楊濤

（電子科技大學 四川省成都市 611731）

為了克服開發傳統體制雷達的種種限制，開發多功能、高性能、小尺寸以及低成本應用的雷達，軟件無線電[1][2]的設計方法被引入到雷達系統設計中。在這樣的雷達系統中，諸如波形產生、濾波、上下變頻等信號處理過程均由可高度定制化的軟件來實現[3][4]。這使得軟件無線電雷達擁有很多優勢，例如實現多功能雷達、復用硬件的能力、信號處理算法的快速實現、更快的開發周期以及相對低的成本。調頻連續波（FMCW）雷達是一種使用連續波信號，能以較低的峰值功率實現遠距離高精度探測，同脈沖體制雷達相比，FMCW 雷達對中頻采樣率要求較低，能使用更高分辨率的模數轉換器實現較大的動態范圍。本文擬采用基于ZYNQ 和AD9361 的軟件無線電平臺，實現并驗證一個FMCW 雷達的原型系統。

1 調頻連續波雷達概述

1.1 測距原理

FMCW 雷達是使用頻率調制來實現距離測量的一種連續波雷達，通過多普勒分析則能測量目標的徑向速度。本文只關注使用線性調頻信號的FMCW 雷達，線性調頻信號在時域中表示為下式：

式中Atx表示發送信號的幅度，f0表示初始頻率，T 表示一個發送脈沖的周期，B 表示調頻信號的帶寬。當雷達發射信號后，經過目標物體的反射再被雷達接收到的回波信號相當于發送信號經過了相應延時與幅度衰減后的副本。

接收信號強度一般非常微弱，需要經過射頻低噪放的預放大，再與發射端參考信號進行混頻，得到包含目標距離信息的中頻信號。對于線性調頻信號來說，時延與回波信號的頻移成線性對應關系，而中頻信號的頻率為參考信號和接收信號頻率之差，因此通過分析中頻信號的頻譜可以得到目標的距離信息。具體來說，假設目標距離為D，中頻信號頻率為fIF，則有如下關系式：

FMCW 雷達能分辨出兩個目標相對距離的最小值即距離分辨率可由下式表示：

而最大不模糊距離即最遠探測距離可由下式表示：

當然，雷達系統實際上的最遠探測距離更多取決于發射功率和系統的信噪比。

1.2 測速原理

如果目標相對于雷達有徑向速度，則中頻信號將會受到多普勒頻移效應的影響，但是進一步的計算表明在單個線性調頻脈沖的情況下，速度引起的多普勒頻移和距離引起的差頻二者深度耦合共同合成了中頻頻率，從而無法區分。本文使用快速調頻脈沖序列信號，這是由N 個上述線性調頻信號首尾相連組成的調頻序列串，單個脈沖持續時間內進行的處理稱之為快時間維，以脈沖計數n 為基準則稱之為慢時間維。如果在快時間維對中頻信號進行頻譜分析則可得到距離差頻fR，在慢時間維處理則可得到速度多普勒頻移fd：

一般情況下fR遠小于fd，因此可直接對中頻序列進行二維FFT處理同時得到目標的速度和距離信息，處理過程如圖1所示。調頻序列二維FFT 的方法具有多目標同步處理能力，且運算速度快，在實際中廣泛采用這種方法[5]。

在一般情況下，fR將遠遠小于調頻信號的射頻帶寬B，因此可以用一個較低的采樣率對中頻信號進行采樣，這樣就能使用具有更高位數的數據轉換器從而為雷達提供更大的動態范圍，這也是FMCW 雷達能實現低成本的重要原因。

2 設計實現

2.1 軟件無線電平臺架構

軟件無線電系統一般由通用射頻前端模塊、數字信號處理模塊以及上位機可定制軟件模塊組成，如圖2所示。射頻前端部分由發射和接收天線、濾波器、低噪放、射頻功放和混頻器等模擬部件組成，數字信號處理模塊一般由FPGA 數字邏輯或者DSP 處理器實現。來自數字基帶的信號首先經過數據轉換器變換到模擬域，再通過I/Q 調制解調將頻譜搬移到射頻中心頻率處，最后通過通用射頻前端模塊完成無線電信號的發射和接收。

在采用軟件無線電體系的FMCW 雷達中，中頻信號可以在基帶數字域中通過對發送參考信號和接收信號進行共軛復數乘法來得到，這種方法意味著需要直接完成零中頻信號的采樣，因此射頻信號的帶寬受限于數據轉換器的采樣率，但好處是省去了復雜的射頻前端設計，有利于雷達原型系統的快速實現。

2.2 雷達系統實現方案

圖1：二維FFT

圖2：軟件無線電一般架構

圖3：雷達信號處理框圖

射頻前端采用ADI 公司的寬帶射頻收發芯片AD9361，該器件集成了射頻前端、I/Q 調制解調、數據轉換器等模塊，完成從射頻信號和基帶數據之間互相轉換的過程，AD9361 能在70MHz 到6GHz 頻率范圍內提供最大56MHz 的模擬帶寬以及61.44MSps 采樣率，內部集成兩路獨立的收發通道，值得注意的是這些通道的本地振蕩器共用同一個參考時鐘，這使得通道之間具備相干性。基帶數據將通過LVDS 數字接口傳輸到Xilinx 的Zynq 系列SoC 芯片，這款芯片上集成了ARM 硬核和FPGA 邏輯資源，二者通過內部高速總線互聯，能靈活實現各種算法[6]。本文使用基于Zynq7020 的Zedboard 開發板作為基帶處理母板，基于AD9361 的FMCOMMS3開發板作為射頻前端子板，二者通過FMC 接口連接實現高速數據傳輸。

由于AD9361 能夠提供高達56MHz 的模擬帶寬，并且Zynq 具有大量FPGA 邏輯資源能夠進行高速數據處理，因此雷達系統中所有信號處理都將在軟件無線電平臺上通過FPGA 邏輯資源和上位機軟件完成。

圖4：外場測試場景

圖5：距離多普勒成像

在本文中數字信號處理模塊承擔了波形生成、高速信號處理和與上位機的數據傳輸，如圖3所示。數字基帶的調頻連續波信號由FPGA 可編程邏輯實現，首先實現了數字控制振蕩器（NCO），由于系統時鐘頻率較高，且需要輸出正交復數信號，因此NCO 是基于最簡單有效的查找表實現的，再通過計數器實現的斜坡發生器來控制NCO 頻率控制字端口從而實現線性調頻基帶信號發生器。

射頻前端模塊接收到發送信號經過目標反射形成的回波，而回波是發送信號的經過時延、多普勒頻移和幅度衰減后的副本。在經過低噪放、I/Q 解調和模擬數字轉換后回波變換到基帶數字域。基帶回波信號與發送線性調頻信號的復共軛復乘實現混頻，也可稱之為調頻脈沖的解斜。由于基帶處理的都是復數信號，因此經過復乘后的中頻信號不包括多余的轉換產物，能夠直接用于后續距離估計等處理。但是61.44MSps 采樣率產生的數據吞吐量還是太大，不能夠直接通過以太網傳輸到上位機做后續處理。因此，復乘后的中頻信號首先通過一級五階CIC 抽取濾波器，再經過一級FIR 抽取濾波器，采樣率總共降低100 倍。包括復乘和抽取濾波等高速信號處理模塊都是由FPGA 數字邏輯實現。最后經過降采樣后的中頻信號數據流通過千兆以太網模塊傳輸到上位機以供后續處理。

上位機的信號處理軟件首先消除收發天線的之間泄露信號的影響，然后通過二維FFT 成像處理得到距離-多普勒圖像。泄露信號會在對應于收發天線距離的位置處產生一個強烈的峰值，通過設計FIR 濾波器將其零點置于該峰值處從而消除泄露影響。接下來將數據按照每列為一個調頻脈沖的長度重新排列成二維矩陣的數據形式，對該數據矩陣進行2 維FFT 計算，最終生成距離-多普勒圖像。

3 實測結果

為了驗證整個系統的有效性，在室外進行了實際測試，實驗均是在ISM 頻段功率允許范圍內進行的。雷達被放置在一個繁忙道路邊，實驗目標是探測到道路上的行駛汽車目標，實驗場景如圖4所示。雷達中心頻率設置為5.8GHz，調頻帶寬為56MHz，調頻序列脈沖頻率為2kHz。為了減少AD9361 芯片內部串擾帶來的影響，并增加探測距離，在發射端口和天線之間連接了一個外部功率放大器，收發天線使用了一對工作頻率為5.8GHz 的小型平板定向天線。

圖5 是上位機對實測數據的距離多普勒成像結果，來自行駛汽車的雷達回波在經過上位機二維FFT 處理后能夠在對應的距離速度處清晰成像。從圖中可以看出在100 米范圍內有四輛速度不同汽車正通過，同時也能看出在速度為零處有大量的峰值，這是由路邊靜止車輛和道路周邊大量建筑物的反射造成的。

4 結論

本文的實測展示了該系統對運動目標的有效探測能力。基于軟件無線電的高度靈活性，可以在不更改硬件的情況下快速部署新的信號處理算法，因此對于算法以及原型機開發驗證來說軟件無線電是一個很好的選擇。然而由于采樣率的限制，調頻帶寬無法進一步增大，因此雷達的距離分辨率受到限制，雷達發射信號的本地泄露限制了動態范圍，影響了遠處微弱目標的探測。這些問題和實現軟件無線電雷達的實時信號處理能力是作者的下一步研究目標。