24GHz硅基毫米波雷达技术解决方案

24 GHz硅基毫米波雷达技术正在实现新一代真实世界的无接触智能传感器，这些传感器越来越多地用于大众市场应用，如汽车、无人机/无人机、广泛的工业和消费电子。这些雷达传感器提供实时信息，例如物体的存在、运动、角位置、速度以及距离传感器几厘米到几百米的范围。直到最近，毫米波频率的雷达传感器都是使用分立式解决方案实现的，这些解决方案尺寸大、复杂且构建成本高，这限制了广泛的工业市场采用。ADI公司的新型24 GHz雷达产品提供高性能和高集成度，可实现最低功耗、小尺寸、低成本和易用性，适用于物体检测、跟踪、安全控制和防撞警告系统等应用。

雷达传感器开发挑战：通过 24 GHz 雷达系统解决方案解决

随着射频雷达新传感器应用的出现，许多希望快速评估、设计和制造雷达传感器解决方案的公司面临着一系列新的开发挑战。

ADI公司认识到有意将RF雷达开发为传感技术的公司所面临的挑战，最近推出了一款名为Demorad的24 GHz雷达系统级原型解决方案（图1），该解决方案可在完整的系统参考设计上实现应用开发硬件和软件。24 GHz雷达Demorad系统是一种新颖的微波雷达评估平台，具有开箱即用的软件示例，可在几分钟内轻松启动雷达传感器。Demorad 支持雷达传感器产品的快速产品原型设计，这些产品可以测量实时信息，例如目标/物体的存在、运动、角位置、速度和传感器的距离。

该系统硬件解决方案包括RF天线和完整的RF至基带信号链ADF5904（接收）、ADF5901（发射）、ADF4159（PLL）、ADAR7251（AFE），包括ADI公司的ADSP-BF707 DSP，可通过易于使用的图形用户界面和雷达算法软件快速连接到笔记本电脑/PC（图2）。 雷达FFT和控制固件可在Blackfin DSP库中找到。在几分钟内，用户可以将平台系统插入装有软件的计算机。使用软件GUI和DSP雷达支持功能库为24 GHz雷达IC提供全面的软件支持，并增加了使用用于雷达传感器软件设计的MATLAB工具（如2D/3D雷达FFT、CFAR和分类算法）在PC上写入原始数据以进行后处理的功能。

图2.Demorad射频到基带信号链和简化框图。

有关 Demorad 的更多信息，请参阅此产品亮点：Demorad：24 GHz 雷达传感器平台。

FMCW 雷达基础知识

如图3所示，用于雷达发射的调频连续波（FMCW）雷达斜坡或线性调频产生，以及一组用于定义雷达传感器设计信息的重要雷达方程。

图3.FMCW 雷达概念。

距离分辨率取决于发射载波扫描带宽——发射扫描带宽越高，雷达传感器的距离速度就越高。速度分辨率取决于停留时间和载波频率——载波频率或停留时间越高，速度分辨率越高。角分辨率取决于载波频率——载波频率越高，角分辨率越好。

图4描述了ADSP-BF707中捕获数据的后处理。

图4.FMCW 数字后处理信号链。

Demorad 雷达系统信号链包括 DSP 中的一些基本算法，这些算法用于 DSP FFT、波束成形和 CFAR。基本目标检测和目标分类在主机 PC 上运行。Demorad主要用于收集时域和频域中的雷达信号。Demorad不包括高级目标检测或对象分类算法。这是应用级开发工作的一个示例，通常由终端系统开发人员执行，他们非常了解雷达传感器将要工作的环境以及所需的对象检测类型。

图5所示是Blackfin ADSP-BF70x的一些优化的2D FFT，具有集成窗口功能，有助于避免饱和，实现更高的SNR，并优化存储器布局以实现更高的带宽和更高效的数据处理。德莫拉德提供不同的操作模式。

图5.使用 2D 傅里叶变换的范围和多普勒频率。

FMCW 雷达模式

在FMCW模式下，可以测量到静止目标的距离。目标的下变频接收信号的频率与到目标的距离成正比。在GUI中，可以进行FFT处理以确定频率。使用距离时间显示选项可以查看移动目标，而显示存储多个FMCW扫描。

距离多普勒模式

在距离多普勒模式下，可以分析到目标的距离以及速度。距离多普勒模式是最强大的工作模式之一，因为它能够通过评估二维傅里叶变换同时处理多个发射斜坡或线性调频。距离多普勒处理后的数据显示在距离多普勒图中。距离多普勒的强大之处在于它允许分离具有不同速度的目标，即使它们位于相同的距离。这对于不同方向的多个快速移动目标非常有用，例如，解决汽车向相反方向移动或在超车操作期间的复杂交通场景。

数字波束成形 （DBF） 模式

在DBF模式下，将显示到目标的距离和角度。来自四个接收通道的接收信号用于估计目标的角度。显示屏显示目标在 xy 平面中的空间分布。在DBF模式下，系统的配置与FMCW模式相同，但对IF下变频信号的处理不同。计算范围后，通过评估四个接收通道之间的相位差来计算目标的角度信息。在DBF模式下，需要雷达前端系统校准，以消除接收通道之间不必要的确定性相位变化。每个 Demorad 系统都带有运行 GUI 时加载的出厂校准数据。然后对采样的IF信号进行校正，然后再评估传感器的测量数据。

Demorad平台通过使用ADF5901上提供的两个发射输出和适当的天线布局来利用MIMO操作。这会产生七个接收通道，以提高传感器的角度分辨率，例如四个真实接收通道和四个虚拟接收通道，在一个通道上重叠。Demorad中使用的波形利用了ADF4159 PLL的快速斜坡特性，上行线性调频为280 μs，下线性调频为4个接收，总斜坡周期为284 μs。使用以1 MSPS运行的ADAR7251 AFE ADC在上升斜坡中采集256个样本或数据采样。

Demorad使用FMCW雷达以约75厘米的分辨率探测最远200米外物体的范围和速度。根据天线阵列设计，视场（FOV）方位角约为120°，仰角约为15°。通过组合数字波束成形（DBF）中使用的天线，Demorad使用DBF来计算FOV中的角度信息。

审核编辑：郭婷