24GHz汽车毫米波雷达实验报告

24GHz 汽车毫米波雷达实验报告
是德科技 射频应用工程师 王创业
1. 前言
汽车毫米波雷达越来越多的被应用在汽车上面，主要作为近距离和远距 离探测，起到防撞、辅助变道、盲点检测等作用。随着器件工艺和微波技术 的发展，毫米波雷达产品越来越小。俗话说：“麻雀虽小，五脏俱全”，同 样汽车毫米波雷达作为典型的雷达产品，也包含收发天线、发射部分、接收 部分、DSP 部分。典型原理框图如图 1 所示。汽车毫米波雷达的性能指标主 要体现在测速精度、定位精度、距离分辨率、多目标识别等方面，要实现这 些性能和功能，首先要做好整体系统的设计和仿真，其次对于各功能部分的 性能指标要严格把控测试，最后要在实际现场环境完成测试考核。
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在 tm 时刻内线性频率变化的线性调频信号，发射出去碰到前面物体会 产生回波，在某时刻发射信号和回波信号差拍后得到频率 fb，通过上图可以 看出，fb 与 Sawtooth 的斜率、调制带宽∆F、回波信号的延迟有关。回波信 号的延迟时间：
2������ t = ������ R 是雷达与目标间的距离，C 是光速。
VSA_89600B_Sink
V1 {VSA_89600B_Sink@Data Flow Models} Disabled: OPEN
VSATitle=Simulation output
ESG4438C Downloader
S11 {SignalDownloader_E4438C@Agilent Instruments Subnetwork Models} Disabled: OPEN
为了得到目标与雷达间的距离，必须求出发射信号与回波信号差拍频率 fb，利用零差信号检测技术可以得到该频率。实现原理是发射调频信号与回 波信号混频，对混频后的信号做 FFT 变换就可以得到差拍频率 fb。
对于线性调频信号来讲，差拍频率与调频信号的线性有关，所以很容易 求出雷达与目标间的距离：
R
=
������������������ 2∆������
R=
������������������ 8∆������
(������������+
−
������������−)
������ V = − 4f (������������+ + ������������−)
是德科技 SystemVue 加仪表可以产生各种雷达信号，具体实现框图如下 图所示。
RADAR: Tx Waveform Generation
������������1
������������1是上升过程的差拍频率，���2������∆���������������是线性频率调制的线性度。
所以由上面公式可知，目标的距离受速度的影响会产生误差。 为了解决 锯齿波调制信号带来的距离误差的问题，可以采用两边对称的三角波作调制 信号。原理如下图所示。
HWAvailable=YES PrimAddress=192.168.1.101
AutoScale=YES
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RF_Signal_Sink {Sink@Data Flow Models} StartStopOption=Time
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1. Sawtooth 调制信号产生 信号幅度：1V 调制信号周期：100us 最低频率：10 KHz 最高频率：500 KHz
2.实验目的
在汽车毫米波雷达系统研制过程中，经常会碰到各式各样的问题，譬如 系统波形的选择和设计、系统链路的设计、信号处理算法的选择、微波电路 的设计调试、天线的设计。主要的问题主要体现在系统方案、处理算法模拟、 微波电路指标调试及对系统性能的影响上。典型的例子，在 FMCW 雷达系统， 雷达探测距离分辨率不仅与信号的调制带宽有关，还与 FMCW 调制的线性度 有关。
������������
由公式可知，线性调频雷达的距离分辨率与时间的分辨率成正比，与调 频带宽成反比。
������∆T ������ ∆������0 = 2 = 2∆F
上式中的∆������0是理想的距离分辨率，∆T是时间分辨率，∆F是发射信号的 带宽。所以带宽决定了雷达的距离分辨率。为了得到高的分辨率，要用到大 的带宽。如 400Mhz 的带宽时间分辨率为 2.5ns，距离分辨率为 0.37m。距离 分辨率可表示为：
RADAR LFM
Disabled: OPEN Pulsewidth=90e-6s [PulseWidth]
PRI=100e-6s [PRI] PRI_Combination=1 [[1]] Bandwidth=50e+6Hz [BandWidth]
FM_Offset=0 [f0] SampleRate=150e+6Hz [BB_SamplingRate]
利用是德科技平台化解决方案，即软件+硬件+工程师，可以很容易的 实现雷达系统设计仿真、处理算法验证、微波电路设计测试、天线设计测试。 基于以上的问题，该实验主要实现以下三个目的：
1) 软件硬件结合，SystemVue+仪表实现各类信号的产生； 2) 系统设计仿真、算法验证 3) VCO 线性调制度分析 4) 场景信号录制回放和信号分析
Freq
Phase Q
QUAD OUT
Mod
I Amp
OUT
M1 {Modulator@Data Flow Models} InputType=I/Q
FCarrier=4e9Hz
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LFM_Q_Signal StartStopOption=Time
RF_Signal Mode=TimeGate
Start=0s SegmentTime=1e-3s
∆R
=
������������������ 2∆������
∆������������
∆������������是接收机的频率分辨率，取决于 FFT 的点数和采样频率。
对于运动目标
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对于运动目标来讲，差拍频率不仅与距离有关，还与目标的速度有关。 锯齿波调制的 FMCW 信号，运动目标的差拍频率为：
RADAR_FSK
R1 {RADAR_FSK@RADAR Models} Disabled: OPEN Type=FSk PRI=1e-4s
FHSequence=(1x3) [1e+6,2e+6,3e+6]Hz TimeIntervals=(1x3) [10e-6,10e-6,10e-…s
SampleRate=10e6Hz
汽车毫米波雷达体制上面主要有线性调频连续波 FMCW 体制雷达、频移 键控 FSK 体制雷达、步进调频连续 SFCW 体制雷达。不同体制雷达在产品实 现复杂程度和应用上都是有区别的。FMCW 体制雷达可以同时探测到运动目 标和静止目标，但是不可以同时探测多个运动目标。电路需要比较大的带宽。
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FSK 体制雷达，可以同时探测并且正确区分开来多个运动目标，但是不可以 正确测量静止目标。电路带宽比窄，系统响应捕获比较慢，成本比 FMCW 体 制要低很多。SFCW 体制雷达，可以同时探测多个静止和运动的目标，并且 将各个目标正确区分开来。SFCW 体制雷达具有更为复杂的调制波形，信号 处理也更为复杂，产品实现成本高。
3.实验要求
该实验采用 FMCW 雷达体制，结合 SystemVue 软件和仪表实现以下功 能：
1) 汽车雷达信号产生 a. 24GHz 标准雷达信号产生：Triangle 调制信号、Sawtooth 调 制信号
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b. FMCW 雷达信号的回波和杂散信号产生 c. 三个组合三角波调制波形产生 2) 汽车雷达信号分析，结全 89601B VSA 软件实现对 24GHz FMCW 雷达模块 VCO 进行线性度分析 3) SystemVue 系统仿真和算法实现 4) 场景信号录制回放和信号分析 a. 不同 RCS 静止单目标回波信号的实现和录制 b. 运动单目标回波信号的实现和录制 c. 利用不同回波信号验证 DSP 处理算法
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fre q _ o u t_
RADAR_CW
wa v e fo rm _ o ut_
Waveform_Freq StartStopOption=Time
R2 {RADAR_CW@RADAR Models} Waveform_type=Sawtooth Amplitude=1V Period=100e-6s [PRI] LowerFreq=10e3Hz DeltaFreq=500e3Hz
SampleRate=150e+6Hz [BB_SamplingRate]
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Waveform_Signal StartStopOption=Time
O1 {Oscillator@Data Flow Models} Frequency=4e9Hz Power=10dBm
T
S2 SampleRate=150e+6Hz [BB_SamplingRate]
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2. Triangle 调制信号产生 信号幅度：1V 调制信号周期：100us 最低频率：10 KHz 最高频率：500 KHz
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Radar Target Emulator
RADAR
LFM
Pulsewidth=18e-6s [PulseWidth] PRI=20e-6s [PRI]
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如果是运动目标，接收到的信号信息包含了多谱勒频率和回波信号的延 迟时间 t。根据多谱勒原理，如果雷达和目标是在靠近，则回波信号的频率 是变大的，这样差拍后的频率变小。在上升过程：
∆������4������ 2������������ ������������+(������������������������������������������������, ������������������������������������������) = − ������������������ + ������ 同样下降过程中，发射线性调制频率变小，对应下降过程差拍频率为：