摘  要： 在介紹超寬帶（UWB）技術理論的基礎上，給出了基于UWB的汽車防撞雷達系統(tǒng)的設計思路和方法。該系統(tǒng)用以保障汽車駕駛?cè)藛T的行車安全。
關鍵詞： 超寬帶（UWB）  FPGA  DSP  汽車防撞

　　隨著汽車工業(yè)和社會的發(fā)展，越來越多的汽車進入普通家庭。盡管公路條件不斷改進，仍然避免不了公路上汽車擁擠的狀況，再加上車速逐漸提高，汽車撞車事故日益嚴重。特別是在高速公路上駕駛汽車速度較高，再加上路況、夜間及雨雪等惡劣天氣的影響以及長時間駕駛后駕駛員的疲勞增加等因素，常常在駕駛員發(fā)現(xiàn)前方有情況時，反應時間已經(jīng)不夠。所以，迫切需要研制一種汽車防撞裝置，以保證在能見度低及駕駛員長時間駕駛時的行車安全。汽車防撞系統(tǒng)是一種可向司機預先發(fā)出視聽告警信號的探測裝置，它安裝在汽車上，能探測企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物;能向司機及乘員提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險的信號，促使司機采取應急措施來應付特殊險情，避免損失。
　　近十幾年來，美國、日本和歐洲等多家著名汽車公司投入巨額資金，先后研制成功了24GHz、60GHz、76.5GHz 3種頻率的單脈沖和調(diào)頻連續(xù)波2種體制的汽車防撞雷達系統(tǒng)。事實上，除雷達外，諸如超聲波、紅外激光以及視頻等技術均可考慮用于汽車防撞。但經(jīng)綜合考慮，雷達技術最為適合。本文介紹的是基于超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術研制的汽車防撞雷達系統(tǒng)。
1  超寬帶
　　超寬帶又稱脈沖無線電(Impulse Radio，IR），被認為是未來5年內(nèi)電信熱門技術之一，它的技術層面已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認可。事實上人們對UWB的研究是非常早的，從20世紀60年代就開始了，但其應用一直僅限于軍事、災害救援搜索雷達定位及測距等方面。1989年首次提出使用“超寬帶”這一術語。
　　UWB信號具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、發(fā)射系統(tǒng)比現(xiàn)有的傳統(tǒng)無線電技術功耗低得多，尤其是具有對其他無線系統(tǒng)的低干擾特性，并且有很強的抗干擾能力和高精度的距離分辨力。2002年2月14日，UWB無線技術用于民用通信首次獲得了美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的批準，因此引起世界各國的廣泛關注。FCC規(guī)定[1]，在3.1G～10.6GHz之間的7.5GHz寬度頻率都作為UWB通信設備所使用。但出于對現(xiàn)存無線系統(tǒng)影響的考慮，UWB的發(fā)射功率被限制在1mW/MHz以下。
按照FCC規(guī)定，UWB脈沖信號定義如下：
　　

　　式中的fH，fL分別為對功率較峰值功率下降10dB時對應的高端頻率和低端頻率，而不是通常所定義的3dB帶寬，fC為中心頻率。
　　傳統(tǒng)的UWB系統(tǒng)使用一種被稱為“單周期(monocycle)脈沖”的脈沖。在計算機仿真中采用高斯脈沖來近似代替，其數(shù)學表達式為：

則重復周期為T的脈沖表達式為：
　　

　　式（4）的信號表達式類似脈沖雷達的信號形式，這里脈沖寬度是ns量級，比傳統(tǒng)脈沖雷達脈沖窄許多。所以進行測量定位可以獲得很高的距離分辨率。
2  系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
　　基于超寬帶技術的汽車防撞系統(tǒng)是全新的探測技術，它通過發(fā)射GHz量級超寬帶信號探測目標，用雷達原理測距測速，通過檢測目標的回波來判斷目標的存在。汽車雷達防撞系統(tǒng)的主要設計思想是考慮到交通事故往往發(fā)生在路況復雜、能見度差、駕駛員疲勞的情況下，所以其主要的設計目的是及早發(fā)現(xiàn)前方有潛在危險的目標，提供一個多媒體報警顯示平臺，及時提醒駕駛員做出相應的處理動作。該防撞雷達的主要技術參數(shù)如下：
　　(1)全天候型警示雷達系統(tǒng)，在霧、雪、夜等各種惡劣的氣象環(huán)境和復雜的路況條件下均可正常工作。
　　(2)脈沖形式：UWB脈沖。
　　(3)發(fā)射機輸出功率：5mW。
　　(4)天線水平波束寬度：6°。
　　(5)作用距離：200m。
　　(6)更新速率：40次/秒。
　　根據(jù)UWB汽車防撞雷達系統(tǒng)的總體設計要求，系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2所示。整個系統(tǒng)包括4個部分：UWB脈沖產(chǎn)生、發(fā)射及接收、信號處理和數(shù)碼顯示報警。系統(tǒng)中采用Xilinx公司的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA與TI公司的DSP芯片相結合，主要功能均由用戶通過軟件編程實現(xiàn)，從而使系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、結構靈活、可靠性高以及具有較好的可擴展性等優(yōu)點。

　　系統(tǒng)工作時，發(fā)射端發(fā)射UWB脈沖，接收端接收到的雷達回波模擬信號經(jīng)AD公司的AD9042變換為原始雷達數(shù)字信號。FPGA中通過可編程電路產(chǎn)生地址和控制信號，從而將數(shù)字信號送入雙口RAM的指定地址，以便DSP進行讀取。DSP根據(jù)公式算出前方目標的速度和距離，通過數(shù)碼管實時顯示出來。同時系統(tǒng)還會根據(jù)不同的危險程度發(fā)出不同的聲光報警。信號處理程序代碼存放在外部閃存中，當信號處理機脫機運行時，主程序代碼能夠在系統(tǒng)加電后自動裝載到DSP片內(nèi)的RAM中運行。
2.1 UWB脈沖產(chǎn)生模塊
　　在研究初期，由于器件和工藝的缺乏，主要利用微波器件（如傳輸線）等效開關，以得到短持續(xù)時間的信號，再經(jīng)過脈沖成形網(wǎng)絡整形成滿足要求的波形和電壓的脈沖。目前，UWB極窄脈沖的產(chǎn)生方法主要通過雪崩三極管、隧道二極管或階躍恢復二極管實現(xiàn)。
　　本系統(tǒng)中UWB脈沖的產(chǎn)生，采用雪崩三極管的雪崩效應方案，同時采用雪崩三極管級聯(lián)結構來產(chǎn)生極窄脈沖。三極管采用NPN型晶體管，當集電極電壓很高時，收集結空間電荷區(qū)內(nèi)的電場強度比放大低壓運用時大得多。進入收集結的載流子被強電場加速，從而獲得很大的能量，它們與晶格碰撞時產(chǎn)生了新的電子—空穴對，新產(chǎn)生的電子、空穴分別被強電場加速而重復上述過程，于是流過收集結的電流便“雪崩”式地迅速增長。UWB脈沖產(chǎn)生原理圖如圖3所示，它是經(jīng)典馬克斯脈沖產(chǎn)生器的變型[3]。該脈沖發(fā)生器可以提供脈沖寬度小于2ns、幅度可調(diào)的極窄UWB脈沖。在這種發(fā)生器中，每個雪崩晶體管都有自己的存儲電容，這些電容在雪崩晶體管導通時相互串聯(lián)，使發(fā)生器總的等效放電電容大大減小。
 

　　在常規(guī)的直接串聯(lián)電路中，任一管子的損壞都會導致整個電路失效。但在這種級聯(lián)電路中，即使有1個或幾個管子損壞開路（除第一級外），整個電路仍可以正常運行，只是輸出脈沖幅度相應減小。因而可以根據(jù)這一特性，增減級聯(lián)晶體管數(shù)目來調(diào)節(jié)脈沖幅度，達到系統(tǒng)標準要求。
　　如圖3所示， 在沒有加入觸發(fā)脈沖時，電源電壓VCC分別向電容C2～C5進行充電使得所有晶體管處于臨界雪崩狀態(tài)。當觸發(fā)脈沖Vi輸入時，雙極性晶體管Q1首先被擊穿，C2～C5迅速放電，導致雙極性晶體管Q2～Q5也被擊穿。由于雪崩過程極為迅速，因此這種依次雪崩的過程還是相當快的，從宏觀上可以把它看作是同時觸發(fā)的。于是，在負載上就可以得到一個上升時間非常短的UWB脈沖。

2.2 DSP信號處理模塊
　　DSP是數(shù)據(jù)處理模塊的核心，設計中采用TMS320VC5402芯片。該芯片是TI公司C54X系列定點DSP芯片中的一種，它采用增強型哈佛（Harvard）結構，片內(nèi)共有8條總線（1條程序內(nèi)存總線、3條數(shù)據(jù)內(nèi)存總線和4條地址總線）、CPU、片內(nèi)存儲器和片上外設等硬件，加上專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使該芯片具有低功耗、并行等優(yōu)點，可以滿足眾多領域的實時處理要求。
　　DSP連接了2個CY7C1041V33 256K×16位SRAM和1個SST39VF400A 256K×16位Flash，以及外圍的時鐘電路、復位電路等組成一個DSP最小系統(tǒng)。其中2個CY7C1041V33 256K×16位SRAM按照數(shù)據(jù)位擴展方式連接(擴展為256K×32位)。DSP工作在微處理模式下，程序放在外部閃存中，啟動后調(diào)入片內(nèi)高速運行。片內(nèi)ROM用于存放運算所需要的一些參數(shù)，片內(nèi)RAM用做運算過程的工作空間，存放中間數(shù)據(jù)。算法設計中，充分利用了DSP并行運算的優(yōu)點，加快了采集數(shù)據(jù)進行處理的運算速度。并且，系統(tǒng)設計時盡量滿足采樣數(shù)據(jù)處理時間小于每批采用數(shù)據(jù)的采樣總時間，以此來保障數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實時性。
2.3 FPGA內(nèi)部邏輯設計
　　系統(tǒng)中FPGA接收DSP送來的控制指令，并對其譯碼。利用該模塊實現(xiàn)DSP對分系統(tǒng)(如：A/D控制，包括開關控制、采樣頻率設置）、同步發(fā)送和接收系統(tǒng)以及產(chǎn)生地址將A/D變換后的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM等的協(xié)調(diào)工作。所設計的FPGA內(nèi)部邏輯框圖如圖4所示。

　　晶振提供40MHz的時鐘，以此作為FPGA的工作時鐘，分頻和調(diào)整后則作為A/D的采樣時鐘。在FPGA內(nèi)部，當觸發(fā)信號到來后，打開計數(shù)器開始計數(shù)，并將計數(shù)結果作為地址送入外部雙口RAM，計滿所要求的數(shù)據(jù)后，關閉A/D轉(zhuǎn)換器，計數(shù)器停止計數(shù)。隨后，F(xiàn)PGA發(fā)送中斷信號給DSP，DSP即進入數(shù)據(jù)處理程序。由于一個雷達信號脈沖重復周期內(nèi)雷達回波信號的有效時間只是其中的很少部分，因此在該段時間對信號進行采樣后，系統(tǒng)處在雷達休止期間，進行FPGA和DSP間的數(shù)據(jù)傳輸以及進一步處理。系統(tǒng)選用Xinlix公司Virtex系列的FPGA、ISE設計平臺和Verilog-HDL硬件描述語言編程進行設計。
3  結束語
　　因UWB技術自身具有眾多優(yōu)勢，因此有著廣闊的應用前景。采用UWB技術研制的汽車防撞雷達系統(tǒng)增強了汽車防撞能力，有效地保障了人們生命和財產(chǎn)的安全。本文討論的基于UWB的汽車防撞雷達系統(tǒng)不僅成本低、體積小、可靠性高，而且硬件設計中將FPGA和DSP相結合，所以該系統(tǒng)可以方便地進行改進和升級，從而提高了系統(tǒng)的集成度。
參考文獻
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2   張雄偉，陳亮，徐光輝.DSP芯片的原理與開發(fā)應用（第三版）.北京：電子工業(yè)出版社，2003
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4   Mankowski J，Kristiansen M.A Review Short Pulse Generator Technology.IEEE Transaction on Plasma Science，2000