車載微波雷達調(diào)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(diào)制、基帶算法等。作為雷達軟硬件設計的基礎，收發(fā)調(diào)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(diào)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(chǎn)的車載雷達中最常用的收發(fā)調(diào)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(diào)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)發(fā)射三段具有相同調(diào)頻帶寬、不同調(diào)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(jù)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(diào)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(jù)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(diào)制頻率連續(xù)波(LFMCW)和頻移鍵控波(FSK)結合產(chǎn)生。如下圖所示，發(fā)射波形包含兩個線性調(diào)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(jīng)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)頻步數(shù)、步頻數(shù)、調(diào)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(diào)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(diào)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(jù)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(jù)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(nèi)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(nèi)完成一次32bit或兩次16bit的乘加計算。大量經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)學運算函數(shù)及蝶形算子等數(shù)據(jù)可在出廠前固化在內(nèi)置的ROM中，節(jié)省了大量寶貴的內(nèi)部指令和數(shù)據(jù)空間。這些特性可以幫助用戶在更短的運算時間內(nèi)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(diào)頻體制及基帶算法對雷達硬件架構和數(shù)據(jù)處理能力的要求。
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