24GHz硅基毫米波雷達(dá)技術(shù)解決方案

24 GHz硅基毫米波雷達(dá)技術(shù)正在實(shí)現(xiàn)新一代真實(shí)世界的無接觸智能傳感器，這些傳感器越來越多地用于大眾市場(chǎng)應(yīng)用，如汽車、無人機(jī)/無人機(jī)、廣泛的工業(yè)和消費(fèi)電子。這些雷達(dá)傳感器提供實(shí)時(shí)信息，例如物體的存在、運(yùn)動(dòng)、角位置、速度以及距離傳感器幾厘米到幾百米的范圍。直到最近，毫米波頻率的雷達(dá)傳感器都是使用分立式解決方案實(shí)現(xiàn)的，這些解決方案尺寸大、復(fù)雜且構(gòu)建成本高，這限制了廣泛的工業(yè)市場(chǎng)采用。ADI公司的新型24 GHz雷達(dá)產(chǎn)品提供高性能和高集成度，可實(shí)現(xiàn)最低功耗、小尺寸、低成本和易用性，適用于物體檢測(cè)、跟蹤、安全控制和防撞警告系統(tǒng)等應(yīng)用。

雷達(dá)傳感器開發(fā)挑戰(zhàn)：通過 24 GHz 雷達(dá)系統(tǒng)解決方案解決

隨著射頻雷達(dá)新傳感器應(yīng)用的出現(xiàn)，許多希望快速評(píng)估、設(shè)計(jì)和制造雷達(dá)傳感器解決方案的公司面臨著一系列新的開發(fā)挑戰(zhàn)。

ADI公司認(rèn)識(shí)到有意將RF雷達(dá)開發(fā)為傳感技術(shù)的公司所面臨的挑戰(zhàn)，最近推出了一款名為Demorad的24 GHz雷達(dá)系統(tǒng)級(jí)原型解決方案（圖1），該解決方案可在完整的系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用開發(fā)硬件和軟件。24 GHz雷達(dá)Demorad系統(tǒng)是一種新穎的微波雷達(dá)評(píng)估平臺(tái)，具有開箱即用的軟件示例，可在幾分鐘內(nèi)輕松啟動(dòng)雷達(dá)傳感器。Demorad 支持雷達(dá)傳感器產(chǎn)品的快速產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)，這些產(chǎn)品可以測(cè)量實(shí)時(shí)信息，例如目標(biāo)/物體的存在、運(yùn)動(dòng)、角位置、速度和傳感器的距離。

該系統(tǒng)硬件解決方案包括RF天線和完整的RF至基帶信號(hào)鏈ADF5904（接收）、ADF5901（發(fā)射）、ADF4159（PLL）、ADAR7251（AFE），包括ADI公司的ADSP-BF707 DSP，可通過易于使用的圖形用戶界面和雷達(dá)算法軟件快速連接到筆記本電腦/PC（圖2）。 雷達(dá)FFT和控制固件可在Blackfin DSP庫(kù)中找到。在幾分鐘內(nèi)，用戶可以將平臺(tái)系統(tǒng)插入裝有軟件的計(jì)算機(jī)。使用軟件GUI和DSP雷達(dá)支持功能庫(kù)為24 GHz雷達(dá)IC提供全面的軟件支持，并增加了使用用于雷達(dá)傳感器軟件設(shè)計(jì)的MATLAB工具（如2D/3D雷達(dá)FFT、CFAR和分類算法）在PC上寫入原始數(shù)據(jù)以進(jìn)行后處理的功能。

圖2.Demorad射頻到基帶信號(hào)鏈和簡(jiǎn)化框圖。

有關(guān) Demorad 的更多信息，請(qǐng)參閱此產(chǎn)品亮點(diǎn)：Demorad：24 GHz 雷達(dá)傳感器平臺(tái)。

FMCW 雷達(dá)基礎(chǔ)知識(shí)

如圖3所示，用于雷達(dá)發(fā)射的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)斜坡或線性調(diào)頻產(chǎn)生，以及一組用于定義雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)信息的重要雷達(dá)方程。

圖3.FMCW 雷達(dá)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(dá)傳感器的距離速度就越高。速度分辨率取決于停留時(shí)間和載波頻率——載波頻率或停留時(shí)間越高，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ADSP-BF707中捕獲數(shù)據(jù)的后處理。

圖4.FMCW 數(shù)字后處理信號(hào)鏈。

Demorad 雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)鏈包括 DSP 中的一些基本算法，這些算法用于 DSP FFT、波束成形和 CFAR?；灸繕?biāo)檢測(cè)和目標(biāo)分類在主機(jī) PC 上運(yùn)行。Demorad主要用于收集時(shí)域和頻域中的雷達(dá)信號(hào)。Demorad不包括高級(jí)目標(biāo)檢測(cè)或?qū)ο蠓诸愃惴ā＿@是應(yīng)用級(jí)開發(fā)工作的一個(gè)示例，通常由終端系統(tǒng)開發(fā)人員執(zhí)行，他們非常了解雷達(dá)傳感器將要工作的環(huán)境以及所需的對(duì)象檢測(cè)類型。

圖5所示是Blackfin ADSP-BF70x的一些優(yōu)化的2D FFT，具有集成窗口功能，有助于避免飽和，實(shí)現(xiàn)更高的SNR，并優(yōu)化存儲(chǔ)器布局以實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更高效的數(shù)據(jù)處理。德莫拉德提供不同的操作模式。

圖5.使用 2D 傅里葉變換的范圍和多普勒頻率。

FMCW 雷達(dá)模式

在FMCW模式下，可以測(cè)量到靜止目標(biāo)的距離。目標(biāo)的下變頻接收信號(hào)的頻率與到目標(biāo)的距離成正比。在GUI中，可以進(jìn)行FFT處理以確定頻率。使用距離時(shí)間顯示選項(xiàng)可以查看移動(dòng)目標(biāo)，而顯示存儲(chǔ)多個(gè)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(biāo)的距離以及速度。距離多普勒模式是最強(qiáng)大的工作模式之一，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^評(píng)估二維傅里葉變換同時(shí)處理多個(gè)發(fā)射斜坡或線性調(diào)頻。距離多普勒處理后的數(shù)據(jù)顯示在距離多普勒?qǐng)D中。距離多普勒的強(qiáng)大之處在于它允許分離具有不同速度的目標(biāo)，即使它們位于相同的距離。這對(duì)于不同方向的多個(gè)快速移動(dòng)目標(biāo)非常有用，例如，解決汽車向相反方向移動(dòng)或在超車操作期間的復(fù)雜交通場(chǎng)景。

數(shù)字波束成形 （DBF） 模式

在DBF模式下，將顯示到目標(biāo)的距離和角度。來自四個(gè)接收通道的接收信號(hào)用于估計(jì)目標(biāo)的角度。顯示屏顯示目標(biāo)在 xy 平面中的空間分布。在DBF模式下，系統(tǒng)的配置與FMCW模式相同，但對(duì)IF下變頻信號(hào)的處理不同。計(jì)算范圍后，通過評(píng)估四個(gè)接收通道之間的相位差來計(jì)算目標(biāo)的角度信息。在DBF模式下，需要雷達(dá)前端系統(tǒng)校準(zhǔn)，以消除接收通道之間不必要的確定性相位變化。每個(gè) Demorad 系統(tǒng)都帶有運(yùn)行 GUI 時(shí)加載的出廠校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。然后對(duì)采樣的IF信號(hào)進(jìn)行校正，然后再評(píng)估傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。

Demorad平臺(tái)通過使用ADF5901上提供的兩個(gè)發(fā)射輸出和適當(dāng)?shù)?a target="_blank">天線布局來利用MIMO操作。這會(huì)產(chǎn)生七個(gè)接收通道，以提高傳感器的角度分辨率，例如四個(gè)真實(shí)接收通道和四個(gè)虛擬接收通道，在一個(gè)通道上重疊。Demorad中使用的波形利用了ADF4159 PLL的快速斜坡特性，上行線性調(diào)頻為280 μs，下線性調(diào)頻為4個(gè)接收，總斜坡周期為284 μs。使用以1 MSPS運(yùn)行的ADAR7251 AFE ADC在上升斜坡中采集256個(gè)樣本或數(shù)據(jù)采樣。

Demorad使用FMCW雷達(dá)以約75厘米的分辨率探測(cè)最遠(yuǎn)200米外物體的范圍和速度。根據(jù)天線陣列設(shè)計(jì)，視場(chǎng)（FOV）方位角約為120°，仰角約為15°。通過組合數(shù)字波束成形（DBF）中使用的天線，Demorad使用DBF來計(jì)算FOV中的角度信息。

審核編輯：郭婷