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摘 要：信号处理系统是FMCW雷达的核心组成部分,经过不断的发展与演进,FMCW雷达形成了以MCU、DSP、FPGA、DSP+FPGA和MCU+DSP为核心的信号处理系统.文章介绍了典型的FMCW雷达结构,分析了每种信号处理系统设计方案的优点与不足,为FMCW雷达的选型与设计打下坚实基础.
关键词：FMCW雷达；信号处理系统；设计方案
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2017）34-0108-02
调频连续波（Frequency Modulated Continuous We, 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雷達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DSP为核心的雷达信号处理系统.该系统采用通用型DSP TMS320F28335,分为四个主要模块：调制信号产生模块、差频信号采集模块、数字信号处理模块和控制模块.调制信号产生模块采用外置的DAC,通过直接数字合成技术（DDS）生成高精度的调制信号；差频信号采集模块包括信号信号调理电路和ADC,实现差频信号的滤波、放大、模数转换等功能.信号处理方面,首先对差频信号实现了FIR数字滤波,然后采用加窗快速傅立叶线性调频联合算法计算差频信号频率.测距精度远高于过零检测法.
以DSP为核心的信号处理系统有以下优点：（1）工作频率高,运算速度快,实时性良好；（2）数字信号处理能力强,能够实现较为复杂的差频信号频率估计算法.但同时也存在着信号采集与信号处理共用DSP芯片,不能够最大程度发挥其性能,高速信号采集能力弱的缺点.
2.3 以FPGA为核心的系统
以FPGA为核心的系统同样也是一种主流的方法.文献[3]介绍了经典的以FPGA为核心的雷达信号处理系统.该系统采用XCS1500,利用其超强的时序控制能力,实现了利用调制信号对VCO的校正；利用其丰富外设,实现了滤波电路和VGA放大电路,对差频信号进行调理.信号处理方面,FPGA的逻辑运算能力强,但是难以实现浮点运算,所以仅调用快速傅里叶变换（FFT）运算核,从频谱分析的角度计算差频信号频率.
以FPGA为核心的信号处理系统有以下优点：（1）FPGA是通过硬件的方式实现各功能模块,内部各个模块并行运行,执行效率高；（2）外设驱动能力强,既能够在线验证算法,又能够提取中频信号数据离线分析.但同时也存在着浮点运算实现非常复杂,难以实现复杂数字信号处理的问题.系统需要在NiOS Ⅱ软核完成算法中的浮点运算,而NiOS Ⅱ软核占用的资源非常大,实际应用中一般选择外加DSP进行浮点运算.
2.4 以FPGA+DSP为核心的系统
针对FPGA浮点运算能力弱的问题,文献[4]设计了以DSP+FPGA为核心的雷达信号处理系统.以FPGA为信号采集与系统控制核心,完成其他设备的控制,控制调制三角波的生成,控制ADC对中频信号进行采样并将采样数据在内部缓存；以DSP为信号处理核心,与FPGA进行通信,读取FPGA中缓存的数据并进行数字信号处理,提取距离信息.这种功能分配方式意在充分发挥DSP和FPGA各自优势,能够有效提高系统工作效率.
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