車載微波雷達(dá)調(diào)頻體制及芯片方案簡(jiǎn)介
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盡管各個(gè)應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)不同，但總體上車載雷達(dá)主要通過(guò)測(cè)量目標(biāo)的距離、相對(duì)速度、角度、大小、個(gè)數(shù)等參數(shù)為駕駛者提供及時(shí)可靠的預(yù)警信息?？焖侔l(fā)展的市場(chǎng)要求汽車雷達(dá)擁有更遠(yuǎn)的測(cè)量距離，更寬的探測(cè)角度、更高的測(cè)距測(cè)速測(cè)向精度，更短的探測(cè)時(shí)間，更多的探測(cè)目標(biāo)數(shù)量，以及更可靠的探測(cè)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(shè)計(jì)、發(fā)射頻率、掃頻帶寬、波形調(diào)制、基帶算法等。作為雷達(dá)軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，收發(fā)調(diào)頻體制的選擇對(duì)測(cè)距、測(cè)速、測(cè)向的范圍、分辨率、精度、模糊度等核心指標(biāo)起著關(guān)鍵作用。市面上介紹類似雷達(dá)調(diào)頻體制的文章層出不窮，但很少有針對(duì)汽車?yán)走_(dá)的系統(tǒng)化介紹。本文對(duì)量產(chǎn)的車載雷達(dá)中最常用的收發(fā)調(diào)頻體制手段，作一簡(jiǎn)單介紹：
1. 可變斜率連續(xù)波雷達(dá)(CVS)。該體制波形是由線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)發(fā)展而來(lái)。與LFMCW相比，其可以解決測(cè)量多目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的虛假目標(biāo)問(wèn)題。
LFMCW波形如下，通過(guò)上升沿及下降沿的一組差拍頻率求得單個(gè)目標(biāo)的距離和速度，但在多目標(biāo)情況下，N個(gè)實(shí)際目標(biāo)產(chǎn)生的差拍頻率有N2種組合，最終造成N2-N個(gè)虛假目標(biāo)。
CVS波形有多種，以下圖為例。發(fā)射機(jī)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(hào)，持續(xù)時(shí)間分別為2T1，2T2和2T3。
在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，分別對(duì)三段信號(hào)使用與LFMCW相同的算法，最終會(huì)得到三組各N2個(gè)距離-速度值。對(duì)于真實(shí)目標(biāo)，其在三次運(yùn)算中得到的距離-速度值都應(yīng)該是相同的，對(duì)于虛假目標(biāo)，其距離-速度值會(huì)隨著調(diào)頻周期的變化而變化。因此，只要從三組結(jié)果中找到重合的N個(gè)距離-速度值，就可以得到真實(shí)目標(biāo)的距離與速度。與LFMCW相比，該波形可以去除虛假目標(biāo)，同時(shí)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算量也隨之提高，從而對(duì)硬件能力提出了更高要求。
2. 多頻移鍵控雷達(dá)(MFSK)。這是一種針對(duì)汽車應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)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(jié)合產(chǎn)生。如下圖所示，發(fā)射波形包含兩個(gè)線性調(diào)制，互相交錯(cuò)的階梯上升信號(hào)，序列1用作參考信號(hào)，序列2與序列1之間的發(fā)射頻率差為fshift。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)下混頻得到基帶信號(hào)，并在每個(gè)頻率階梯上被采樣。
基帶信號(hào)序列1和2都會(huì)經(jīng)過(guò)相同的FFT和CFAR處理，在單檢測(cè)目標(biāo)的情況下，一個(gè)具有特定速度與距離的目標(biāo)將會(huì)在兩個(gè)序列FFT處理結(jié)果的同一頻率處被檢測(cè)到。與LFMCW類似，差頻fB中同時(shí)包含了距離與速度信息，但在同一頻率處兩個(gè)信號(hào)的相位差也同樣包含了距離和速度信息。因此fB和(符號(hào)1)在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)需要同時(shí)被用到來(lái)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(biāo)可以完全被避免。與LFMCW相比，由于MFSK在計(jì)算距離與速度時(shí)引入了相位差信息，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)只能達(dá)到較低信噪比的情況下，其精度會(huì)有下降。
3. 快斜波序列雷達(dá)。發(fā)射機(jī)在時(shí)間TCPI內(nèi)連續(xù)發(fā)射N個(gè)斜率很大的鋸齒波，每個(gè)鋸齒波持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為T。因?yàn)槊總€(gè)鋸齒波斜率很大，持續(xù)時(shí)間很短，因此差拍頻率fB主要由雷達(dá)信號(hào)的傳輸時(shí)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(hào)處理中，對(duì)每個(gè)鋸齒波內(nèi)的采樣點(diǎn)序列做FFT(一維FFT)之后檢測(cè)到的差拍頻率fB即可直接用來(lái)預(yù)估距離。而對(duì)于相對(duì)速度的測(cè)量，需要整個(gè)TCPI內(nèi)發(fā)射的所有鋸齒波共同參與來(lái)反映回波信號(hào)的包絡(luò)變化。 對(duì)所有鋸齒波的一維FFT結(jié)果在另一個(gè)維度上再做一次FFT(二維FFT)即可求出多普勒頻移fd進(jìn)而求出相對(duì)速度，相對(duì)速度可以進(jìn)一步校正一維FFT對(duì)距離的計(jì)算結(jié)果。
這種波形及后續(xù)處理算法對(duì)距離和相對(duì)速度的求解更直接、準(zhǔn)確，同時(shí)二維FFT可以進(jìn)一步提高信號(hào)的信噪比從而為后續(xù)的檢測(cè)算法打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，很短的單鋸齒波持續(xù)時(shí)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(qiáng)的處理器運(yùn)算能力，這些對(duì)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(cè)距、測(cè)速性能方面各有優(yōu)劣，對(duì)硬件的能力要求也有所不同。雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要在一開(kāi)始仔細(xì)衡量選定體制及相應(yīng)的軟硬件架構(gòu)，才能在后期達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)性能。
ADI推出的雷達(dá)調(diào)制鎖相環(huán)芯片ADF4158/4159芯片可支車載雷達(dá)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(jié)合收發(fā)MMIC芯片ADF5901和ADF5904，設(shè)計(jì)者可以在同一套硬件架構(gòu)上設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(lái)控制調(diào)頻的方案，基于ADF415x的方案可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜波型、更簡(jiǎn)便的控制、更快速的掃頻(快至幾十uS的斜波序列)，更精準(zhǔn)的頻率控制，以滿足后端高精度信號(hào)處理要求。
ADF5901和ADF5904是ADI針對(duì)24GHz車載雷達(dá)推出的MMIC芯片，其功能及指標(biāo)均按車載24GHz雷達(dá)設(shè)計(jì)。ADF5904更是實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最優(yōu)的信號(hào)探測(cè)靈敏度，有廠商基于它實(shí)現(xiàn)了額定發(fā)射功率下300米以上的車載探測(cè)距離，第一次使基于24GHz的ACC自適應(yīng)巡航或FCW+ACC雙模雷達(dá)成為可能。
相對(duì)于距離和速度，目標(biāo)方位角度主要根據(jù)回波信號(hào)到達(dá)不同天線的時(shí)間差引起的相位差來(lái)測(cè)算。接收天線個(gè)數(shù)越多，角度測(cè)量的分辨率越高，但接收天線個(gè)數(shù)的增加使電路板面積增大。隨著MIMO技術(shù)在汽車?yán)走_(dá)中的應(yīng)用，利用不同發(fā)射天線之間的關(guān)系可以模擬更多的接收天線通道，同時(shí)又不會(huì)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(gè)發(fā)射通道既可以連接2個(gè)不同F(xiàn)OV的發(fā)射天線實(shí)現(xiàn)雙模覆蓋，也可以連接2個(gè)相同的發(fā)射天線實(shí)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(shù)的發(fā)展，數(shù)字波束成型(DBF)技術(shù)可以將角度測(cè)量的精度進(jìn)一步提高。同樣的，DBF需要更多的數(shù)據(jù)運(yùn)算，需要更強(qiáng)的硬件能力來(lái)支撐。
ADI針對(duì)本應(yīng)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(kuò)DDR2存儲(chǔ)器。針對(duì)FFT運(yùn)算，BF70x的兩個(gè)增強(qiáng)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(jì)算。大量經(jīng)過(guò)優(yōu)化的數(shù)學(xué)運(yùn)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(yùn)算時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的雷達(dá)算法。
ADF5901-ADF5904-ADF415x-BF70x，構(gòu)成了一套硬件性能優(yōu)異、軟件可擴(kuò)展的24GHz車載雷達(dá)方案，滿足以上討論的主流調(diào)頻體制及基帶算法對(duì)雷達(dá)硬件架構(gòu)和數(shù)據(jù)處理能力的要求。
評(píng)論