車(chē)載雷達收發(fā)調頻體制及芯片方案

作為雷達軟硬件設計的基礎，收發(fā)調頻體制的選擇對測距、測速、測向的范圍、分辨率、精度、模糊度等核心指標起著(zhù)關(guān)鍵作用。目前很少有針對汽車(chē)雷達的系統化介紹。本文將對量產(chǎn)的車(chē)載雷達中最常用的收發(fā)調頻體制手段，做出相關(guān)介紹。

近幾年，基于微波雷達的先進(jìn)駕駛輔助系統的裝車(chē)率快速上升，常見(jiàn)應用包括前向的碰撞預警FCW、自適應巡航ACC、自動(dòng)跟車(chē)SG，以及后向的盲區探測BSD、變道輔助LCA、側向探測CTA等。

盡管各個(gè)應用的側重點(diǎn)不同，但總體上車(chē)載雷達主要通過(guò)測量目標的距離、相對速度、角度、大小、個(gè)數等參數為駕駛者提供及時(shí)可靠的預警信息?？焖侔l(fā)展的市場(chǎng)要求汽車(chē)雷達擁有更遠的測量距離，更寬的探測角度、更高的測距測速測向精度，更短的探測時(shí)間，更多的探測目標數量，以及更可靠的探測率。

以上要求需要在系統層面作統一提升，包括天線(xiàn)、射頻、基帶硬件設計、發(fā)射頻率、掃頻帶寬、波形調制、基帶算法等。作為雷達軟硬件設計的基礎，收發(fā)調頻體制的選擇對測距、測速、測向的范圍、分辨率、精度、模糊度等核心指標起著(zhù)關(guān)鍵作用。市面上介紹類(lèi)似雷達調頻體制的文章層出不窮，但很少有針對汽車(chē)雷達的系統化介紹。本文對量產(chǎn)的車(chē)載雷達中最常用的收發(fā)調頻體制手段，作一簡(jiǎn)單介紹：

1. 可變斜率連續波雷達(CVS)

該體制波形是由線(xiàn)性調頻連續波(LFMCW)發(fā)展而來(lái)。與LFMCW相比，其可以解決測量多目標時(shí)產(chǎn)生的虛假目標問(wèn)題。

LFMCW波形如下，通過(guò)上升沿及下降沿的一組差拍頻率求得單個(gè)目標的距離和速度，但在多目標情況下，N個(gè)實(shí)際目標產(chǎn)生的差拍頻率有N2種組合，最終造成N2-N個(gè)虛假目標。

CVS波形有多種，以下圖為例。發(fā)射機在TCPI內發(fā)射三段具有相同調頻帶寬、不同調頻斜率的信號，持續時(shí)間分別為2T1，2T2和2T3。

在對回波信號進(jìn)行數據處理時(shí)，分別對三段信號使用與LFMCW相同的算法，最終會(huì )得到三組各N2個(gè)距離-速度值。對于真實(shí)目標，其在三次運算中得到的距離-速度值都應該是相同的，對于虛假目標，其距離-速度值會(huì )隨著(zhù)調頻周期的變化而變化。因此，只要從三組結果中找到重合的N個(gè)距離-速度值，就可以得到真實(shí)目標的距離與速度。與LFMCW相比，該波形可以去除虛假目標，同時(shí)數據處理的運算量也隨之提高，從而對硬件能力提出了更高要求。

2. 多頻移鍵控雷達(MFSK)

這是一種針對汽車(chē)應用而專(zhuān)門(mén)設計的波形，該波形由線(xiàn)性調制頻率連續波(LFMCW)和頻移鍵控波(FSK)結合產(chǎn)生。如下圖所示，發(fā)射波形包含兩個(gè)線(xiàn)性調制，互相交錯的階梯上升信號，序列1用作參考信號，序列2 與序列1之間的發(fā)射頻率差為fshift。接收信號經(jīng)過(guò)下混頻得到基帶信號，并在每個(gè)頻率階梯上被采樣。

基帶信號序列1和2都會(huì )經(jīng)過(guò)相同的FFT和CFAR處理，在單檢測目標的情況下，一個(gè)具有特定速度與距離的目標將會(huì )在兩個(gè)序列FFT處理結果的同一頻率處被檢測到。與LFMCW類(lèi)似，差頻fB中同時(shí)包含了距離與速度信息，但在同一頻率處兩個(gè)信號的相位差也同樣包含了距離和速度信息。因此fB和 (符號1)在一個(gè)測量周期內需要同時(shí)被用到來(lái)解析距離和速度。

在這種情況下，虛假目標可以完全被避免。與LFMCW相比，由于MFSK在計算距離與速度時(shí)引入了相位差信息，在系統設計只能達到較低信噪比的情況下，其精度會(huì )有下降。

3. 快斜波序列雷達

發(fā)射機在時(shí)間TCPI內連續發(fā)射N(xiāo)個(gè)斜率很大的鋸齒波，每個(gè)鋸齒波持續時(shí)長(cháng)為T(mén)。因為每個(gè)鋸齒波斜率很大，持續時(shí)間很短，因此差拍頻率fB主要由雷達信號的傳輸時(shí)間也即fτ的變化而決定。在這種情況下多普勒頻移fd可以被近似忽略，即fB=fd+fτ≈ fτ。

在信號處理中，對每個(gè)鋸齒波內的采樣點(diǎn)序列做FFT(一維FFT)之后檢測到的差拍頻率fB即可直接用來(lái)預估距離。而對于相對速度的測量，需要整個(gè) TCPI內發(fā)射的所有鋸齒波共同參與來(lái)反映回波信號的包絡(luò )變化。 對所有鋸齒波的一維FFT結果在另一個(gè)維度上再做一次FFT(二維FFT)即可求出多普勒頻移fd進(jìn)而求出相對速度，相對速度可以進(jìn)一步校正一維FFT對距離的計算結果。

這種波形及后續處理算法對距離和相對速度的求解更直接、準確，同時(shí)二維FFT可以進(jìn)一步提高信號的信噪比從而為后續的檢測算法打下良好的基礎。同時(shí)，很短的單鋸齒波持續時(shí)間需要更快速的發(fā)射調制控制電路，更高的基帶采樣率，二維FFT算法也需要更強的處理器運算能力，這些對硬件提出了更高的要求。

由上面三種常用的調頻體制可以看出，不同的體制在測距、測速性能方面各有優(yōu)劣，對硬件的能力要求也有所不同。雷達系統設計者需要在一開(kāi)始仔細衡量選定體制及相應的軟硬件架構，才能在后期達到預期的系統性能。

ADI推出的雷達調制鎖相環(huán)芯片ADF4158/4159芯片可支車(chē)載雷達絕大部分主流的調頻體制，包括上述的CVS、MFSK、FRCS，以及常規的 LFMCW、FSK、CW、Parabolic等。其帶寬、周期、調頻步數、步頻數、調頻斜率及波形、FSK、delay等參數都可以方便的配置，結合收發(fā)MMIC芯片ADF5901 和ADF5904，設計者可以在同一套硬件架構上設計和驗證多種調頻體制和基帶算法。更重要的是，想比用處理器或DAC 來(lái)控制調頻的方案，基于A(yíng)DF415x的方案可實(shí)現更復雜波型、更簡(jiǎn)便的控制、更快速的掃頻(快至幾十uS的斜波序列)，更精準的頻率控制，以滿(mǎn)足后端高精度信號處理要求。

ADF5901和ADF5904是ADI針對24GHz車(chē)載雷達推出的MMIC芯片，其功能及指標均按車(chē)載 24GHz雷達設計。ADF5904更是實(shí)現了業(yè)界最優(yōu)的信號探測靈敏度，有廠(chǎng)商基于它實(shí)現了額定發(fā)射功率下300米以上的車(chē)載探測距離，第一次使基于 24GHz的ACC自適應巡航或 FCW+ACC雙模雷達成為可能。