24GHz雷達系統(tǒng)超低功耗解決方案解析

24 GHz硅基毫米波雷達技術正在實現(xiàn)新一代現(xiàn)實世界，越來越多地用于汽車、無人機、泛工業(yè)和消費類應用等大眾市場應用的非接觸式智能傳感器。ADI的新型24 GHz雷達產(chǎn)品提供出色的性能和高集成度，是小尺寸、低成本且易用的超低功耗解決方案，適用于物理檢測、跟蹤、安全控制和防撞警告系統(tǒng)等應用。

隨著新型射頻雷達傳感器應用的出現(xiàn)，許多希望快速完成雷達傳感器解決方案評估、設計和制造的公司面臨一系列新的開發(fā)挑戰(zhàn)。ADI的24 GHz雷達系統(tǒng)級原型解決方案（稱為DemoRAD）（圖1），可以在整個系統(tǒng)參考設計中實現(xiàn)硬件和軟件應用開發(fā)。

圖1. 24 GHz DemoRAD平臺解決方案

24 GHz DemoRAD系統(tǒng)是一款新穎的微波雷達評估平臺，提供開箱即用的軟件示例，可在數(shù)分鐘內(nèi)輕松啟動雷達傳感器。DemoRAD可對雷達傳感器產(chǎn)品進行快速原型制作，從而測量目標/對象存在、運動、角位置、速度以及傳感器范圍等實時信息。

該系統(tǒng)硬件解決方案包括射頻天線和一條完整的射頻到基帶信號鏈（ADF5904（接收）、ADF5901（發(fā)射），ADF4159 （PLL），ADAR7251 （AFE）），其中還包括ADI的ADSP-BF707 DSP（數(shù)字信號處理器），可通過易用的圖形用戶界面和雷達算法軟件快速連接筆記本電腦/PC（圖2）。

圖2. DemoRAD射頻到基帶信號鏈和簡化框圖

Blackfin? DSP庫中提供雷達FFT和控制固件。用戶只需幾分鐘就可將該平臺系統(tǒng)插入加載了軟件的計算機。使用軟件圖形用戶界面 （GUI） 提供全面的24 GHz雷達IC軟件支持，在DSP雷達支持功能庫中，通過一些額外功能可利用原始數(shù)據(jù)，并使用為雷達傳感器設計的專用MATLAB? 工具（比如2D/3D 雷達FFT、CFAR和分類算法）在PC上進行后處理。

FMCW雷達系統(tǒng)基礎知識

圖3所示為雷達發(fā)射時產(chǎn)生的調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW） 雷達波斜坡，以及用于定義雷達傳感器設計信息的一組重要雷達公式。

圖3. FMCW雷達概念

距離分辨率取決于發(fā)射載波掃描帶寬——發(fā)射掃描帶寬越高，雷達傳感器的距離速度越高。

速度分辨率取決于停留時間和載波頻率——載波頻率越高或停留時間越長，速度分辨率越高。

角分辨率取決于載波頻率——載波頻率越高，角分辨率越好。

圖4描述了對ADSP-BF707中捕獲的數(shù)據(jù)的后處理。

圖4. FMCW數(shù)字后處理信號鏈

DemoRAD系統(tǒng)信號鏈包括DSP中的一些基本算法，實施用于DSP FFT、波束成形和CFAR。基本目標檢測和目標分類在主機PC上運行。DemoRAD主要用于采集時域和頻域中的雷達信號。DemoRAD不包括高級目標檢測或?qū)ο蠓诸愃惴?。這是應用級開發(fā)工作的一個例子，通常由終端系統(tǒng)開發(fā)人員執(zhí)行，他們非常了解雷達傳感器的工作環(huán)境以及所需的對象檢測類型。

圖5所示為Blackfin ADSP-BF70x的部分優(yōu)化2D FFT，具有集成窗口功能，有助于避免飽和，實現(xiàn)更高的SNR，并優(yōu)化內(nèi)存布局，從而實現(xiàn)更高的帶寬和更高效的數(shù)據(jù)處理。DemoRAD提供不同的操作模式。

圖5. 使用二維傅里葉變換的距離和多普勒頻率

FMCW雷達模式

在FMCW模式下，可以測量到靜止目標的距離。目標的下變頻接收信號的頻率與到該目標的距離成比例。在GUI中，可以進行FFT處理以確定頻率。使用距離-時間顯示選項可以查看移動目標，同時顯示屏存儲多個FMCW掃描。

距離多普勒模式

在距離多普勒模式下，可以分析到目標的距離以及速度。距離多普勒模式是最強大的操作模式之一，因為它能夠通過評估二維傅里葉變換同時處理多個發(fā)射斜坡。距離多普勒處理數(shù)據(jù)顯示在距離多普勒圖中。距離多普勒非常強大，因為它允許分離具有不同速度的目標，即使這些目標的距離都相同亦是如此。這對于不同方向上多個快速移動的目標非常有用——例如，解決汽車朝相反方向移動或超車期間的復雜交通情況。

數(shù)字波束成形 （DBF） 模式

在DBF模式下，顯示到目標的距離以及與該目標所成的角度。來自四個接收通道的接收信號用于估計目標的角度。顯示屏顯示xy平面中各目標的空間分布。在DBF模式下，系統(tǒng)配置與FMCW模式下的相同，但對IF下變頻信號的處理不同。在計算距離之后，通過評估四個接收通道之間的相位差來計算目標的角度信息。

在DBF模式下，需要進行雷達前端系統(tǒng)校準，以消除接收通道之間不必要的確定性相位差。每個DemoRAD系統(tǒng)都具備工廠校準數(shù)據(jù)，在運行GUI時加載。隨后會先校正采樣的IF信號，再評估傳感器的測量數(shù)據(jù)。

DemoRAD平臺的MIMO操作原理是：使用ADF5901上兩個可用的發(fā)射輸出并放置相應的天線。這樣會產(chǎn)生七個接收通道來提高傳感器的角分辨率——例如四個實際接收通道和四個虛擬接收通道，在一個通道上重疊。DemoRAD中使用的波形利用ADF4159 PLL的快速斜坡特性，其中上升線性調(diào)頻脈沖為280μs，下降線性調(diào)頻脈沖為4，總共為284μs。ADAR7251 AFE ADC以1 MSPS運行的情況下，采集256個采樣或在上升沿中進行數(shù)據(jù)采樣。

DemoRAD使用FMCW雷達監(jiān)測最遠至200 米且分辨率約為75 cm的對象范圍和速度。根據(jù)天線陣列設計，水平 （FOV） 方位角約為120°，俯仰角約為15°。通過組合數(shù)字波束成形 （DBF） 中的天線，DemoRAD使用DBF來計算FOV中的角度信息。