用于主動(dòng)安全應(yīng)用的FMCW雷達(dá)設(shè)計(jì)

下面顯示了一個(gè)獨(dú)特的工具鏈，用于對完整的 77 GHz FMCW 雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，包括波形生成、天線表征、信道干擾和噪聲，以及用于確定距離和速度的數(shù)字信號處理 （DSP） 算法。對噪聲、非線性和頻率相關(guān)性等射頻損傷的仿真和建模使我們能夠測試使用數(shù)據(jù)表參數(shù)描述的“現(xiàn)成”組件的行為，并提供有關(guān)特定組件配置和相關(guān)成本可實(shí)現(xiàn)的性能的信息。

調(diào)頻連續(xù)波形 （FMCW） 雷達(dá)正變得越來越流行，尤其是在自適應(yīng)巡航控制 （ACC） 等汽車應(yīng)用中。FMCW系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)發(fā)送高頻、大帶寬的啁啾信號。發(fā)射的信號擊中目標(biāo)并以時(shí)間延遲和取決于目標(biāo)距離和相對速度的頻移反射回接收器。

通過混合發(fā)射和接收信號，時(shí)間延遲對應(yīng)于產(chǎn)生拍頻的頻率差。這允許對目標(biāo)距離進(jìn)行非常準(zhǔn)確和可靠的估計(jì)［1］。通常，多個(gè)天線用于空間處理和波束成形，以使檢測更可靠或具有定向系統(tǒng)，如圖 1 所示。

圖 1： FMCW 雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

在 FMCW 雷達(dá)的設(shè)計(jì)、建模和仿真中，設(shè)計(jì)人員必須考慮的不僅僅是標(biāo)稱行為。在使用雷達(dá)方程確定基本設(shè)計(jì)參數(shù)后，設(shè)計(jì)人員必須分析射頻前端引入的缺陷的影響。在超大帶寬上運(yùn)行的組件之間的非線性、噪聲、頻率選擇性和失配會(huì)降低可檢測信號的實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍。

通過對射頻前端進(jìn)行精確建模，設(shè)計(jì)人員可以在硬件架構(gòu)和數(shù)字信號處理算法之間進(jìn)行復(fù)雜性權(quán)衡。此外，他們可以評估是否可以重用以前的實(shí)現(xiàn)來重新定位雷達(dá)以增強(qiáng)規(guī)格，或者是否可以直接將現(xiàn)成的組件用于前端實(shí)現(xiàn)。

FMCW波形的測定

在設(shè)計(jì)新雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，我們必須解決的第一個(gè)問題是確定三角啁啾波形的參數(shù)，以便在指定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需的分辨率。我們考慮一種用于自動(dòng)巡航控制的汽車遠(yuǎn)程雷達(dá)，它通常占據(jù) 77 GHz 左右的頻段［2， 3］。

如圖 2 所示，接收信號是發(fā)射信號的衰減和時(shí)間延遲副本，其中延遲 Δt 與目標(biāo)的距離有關(guān)。因?yàn)樾盘柨偸窃谝粋€(gè)頻帶上掃過，所以在掃描過程中的任何時(shí)刻，發(fā)射信號和接收信號之間的頻率差fb（通常稱為拍頻）是恒定的。因?yàn)閽呙枋蔷€性的，所以可以從拍頻推導(dǎo)出時(shí)間延遲，然后從時(shí)間延遲推導(dǎo)出目標(biāo)的距離。

圖 2：發(fā)送和接收信號的波形。

使用MATLAB和相控陣系統(tǒng)工具箱功能，我們可以根據(jù)用戶指定的距離分辨率和最大速度輕松確定工作在 77 GHz 的雷達(dá)的基本波形參數(shù)，例如掃描帶寬和斜率、最大拍頻和采樣頻率，如如圖 3 所示。

圖 3：確定 FMCW 啁啾波形的參數(shù)。

對射頻組件、噪聲和非線性進(jìn)行建模

一旦確定了啁啾參數(shù)，我們就可以繼續(xù)對雷達(dá)系統(tǒng)的收發(fā)器進(jìn)行建模。

雷達(dá)系統(tǒng)的前端包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線。這些模型在工具箱中提供。我們將這些模型參數(shù)化為所需的值，例如相位噪聲和熱噪聲。或者，我們可以使用Simulink中提供的 RF 組件對發(fā)射器和接收器進(jìn)行建模，使用SimRF對組件級噪聲、非線性和頻率選擇的影響進(jìn)行建模。圖 4 顯示了我們?nèi)绾问褂?SimRF 模塊對射頻前端進(jìn)行建模。該庫提供了一個(gè)電路包絡(luò)求解器，用于快速仿真射頻系統(tǒng)和組件，例如放大器、混頻器和 S 參數(shù)模塊。

圖 4：使用 SimRF 電路包絡(luò)模塊在 Simulink 中建模的射頻元件。

我們可以詳細(xì)描述收發(fā)器的架構(gòu)，并為每個(gè)前端元件使用數(shù)據(jù)表參數(shù)。以直接轉(zhuǎn)換 I/Q 混頻器為例，我們對其進(jìn)行建模，如圖 5 所示。該元件解調(diào)接收到的信號，并將其與原始傳輸?shù)牟ㄐ蜗喑恕?/p>

圖 5： I/Q 直接轉(zhuǎn)換混頻器的結(jié)構(gòu)。

I中使用的兩個(gè)乘法器的參數(shù)/Q 混合器已直接在塊上設(shè)置或使用工作區(qū)變量。

使用這種配置，可以很容易地嘗試不同的設(shè)置并通過使用不同的數(shù)據(jù)表參數(shù)來模擬現(xiàn)成的組件來探索設(shè)計(jì)空間。

完整的系統(tǒng)模擬

在雷達(dá)系統(tǒng)的所有組件都正確參數(shù)化后，我們可以進(jìn)行完整的桌面模擬，以測試系統(tǒng)在不同的測試條件下是否能正常工作。

運(yùn)行此仿真時(shí)，該模型不僅提供了相對速度和物體距離的估計(jì)值，而且還可視化了發(fā)射和接收信號的頻譜，如圖 6 所示。

圖 6：發(fā)射和接收信號的頻譜。

在理想條件（無噪聲和失真）下運(yùn)行的第一個(gè)模擬表明，可以正確檢測所有使用中的目標(biāo)的速度和位置。該仿真驗(yàn)證了測試環(huán)境和 DSP 算法。對于添加了收發(fā)器非線性和噪聲的后續(xù)仿真，雷達(dá)會(huì)偏離理想行為，并且在距離較遠(yuǎn)時(shí)無法檢測到汽車。

在增加混頻器的隔離度和功率放大器的增益后，雷達(dá)系統(tǒng)擴(kuò)大了探測范圍，仿真再次正確估計(jì)了目標(biāo)速度和范圍。

有必要仔細(xì)權(quán)衡不同級的增益，以避免接收器工作在飽和狀態(tài)。該模型允許我們使用一組不同的參數(shù)進(jìn)行模擬。它還幫助我們?yōu)槔走_(dá)實(shí)施選擇合適的組件并驗(yàn)證它們對雷達(dá)性能的影響。

結(jié)論

本文介紹了使用基于 MATLAB 的工具鏈對用于汽車主動(dòng)安全應(yīng)用的完整 FMCW 雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。建議的工作流程使我們能夠在完整的系統(tǒng)級模型中模擬射頻組件，包括數(shù)字信號處理算法。這種方法減少了雷達(dá)開發(fā)所需的時(shí)間和系統(tǒng)測試的復(fù)雜性，從而降低了開發(fā)周期的成本。

作者：John Zhao，Marco Roggero，Giorgia Zucchelli

審核編輯：郭婷