FMCW雷达信号处理系统设计方案研究.doc
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1、FMCW雷达信号处理系统设计方案研究调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)雷达是调频体制和连续波雷达融合的成果,具有时宽带宽积大、受环境影响小、测量精度高等特点,被广泛应用于区域警戒、无人驾驶、物位测量等领域。随着国内厂商技术水平的提高,国产24GHz FMCW雷达射频前端已经掌握了平面微带制造技术,生产的雷达传感器体积较小,感应灵敏,集成化程度高,达到了国际先进水平。但是,如何设计FMCW雷达信号处理系统,以充分发挥射频前端潜力,嵌入复杂算法,提高测量性能,拓宽应用场景能成为了一个关键问题,具有非常重要的研究价值。 1 FMCW雷达结
2、构 典型的FMCW雷达结构如图1所示,主要分为射频前端和信号处理系统两部分。核心处理器控制DAC生成调制信号,驱动射频前端VCO产生等幅的调频连续波信号。该信号经定向耦合器后一部分作为本振信号进入混频器;另一部分进入环形器通过发射天线形成发射信号。发射信号被目标反射后经接收天线形成回波信号。回波信号经环形器与混频器中与本振信号进行混频,形成差频信号。差频信号经过信号调理和A/D转换,将信号输入到核心处理器,通过信号处理算法,提取出需要的信息,最后通过通讯单元将结果显示或传输。 2 FMCW雷?_信号处理系统设计方案 FMCW雷达信号处理系统的设计,主要应达到三个目的:(1)充分挖掘射频前端的潜
3、能,有效采集雷达差频信号。(2)能够实现较为复杂的算法,满足在线实验的需要。(3)具有小型化、模块化特点,方便大规模生产和移植。根据处理芯片的不同,信号处理系统设计方案一般分为:以MCU为核心的系统、以DSP为核心的系统、以FPGA为核心的系统、以DSP+FPGA为核心的系统和以MCU+DSP为核心的系统。 2.1 以MCU为核心的系统 早期的FMCW雷达一般以MCU为核心。该方案结构简单,可控制的外围设备丰富,可实现的功能全面。但是难以进行较为复杂的数字信号处理。文献1介绍了经典的以MCU为核心的雷达信号处理系统。该系统以MCS-51为核心,通过DAC生成三角波调制信号,驱动雷达射频前端,产
4、生差频信号。差频信号经过程控滤波器和自动增益放大电路进行信号调理,最后通过外置的ADC进行信号采集。在信号处理方面,利用过零检测的方法将差频信号转化为方波信号,然后用检波电路进行频率估计,最后计算测量结果并进行显示。 以MCU为核心的信号处理系统有以下优点:(1)结构简单,设计成本低;(2)能够实现小型化和模块化,进而嵌入到大型系统中。但同时也存在着以下问题:(1)MCU的工作频率低,当差频信号频率较高时存在一定时延;(2)信号采集几乎消耗了全部芯片资源,难以嵌入频率估计算法,测距精度低。 2.2 以DSP为核心的系统 目前市场中的FMCW雷达一般采用DSP作为核心芯片。文献2介绍了经典的以D
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