《電子技術(shù)應(yīng)用》
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MFSK雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
宋永坤1,蔣留兵2,車 俐2
1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2.桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院,廣西 桂林541004
摘要: 根據(jù)車載雷達(dá)的研究現(xiàn)狀和存在的問題,研究了一種基于MFSK(多頻移鍵控)的車載雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。詳細(xì)分析了系統(tǒng)的目標(biāo)測(cè)量原理,并介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和FPGA算法實(shí)現(xiàn)流程,其中算法結(jié)合了全相位FFT和改進(jìn)的CA-CFAR(單元平均恒虛警)算法,保證了系統(tǒng)的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)有較高的測(cè)量精度,可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的無模糊測(cè)量,并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞: MFSK 車載雷達(dá) FPGA 全相位FFT
中圖分類號(hào): TN957.51
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180777
中文引用格式: 宋永坤,蔣留兵,車?yán)? MFSK雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(8):69-72,77.
英文引用格式: Song Yongkun,Jiang Liubing,Che Li. Design and implementation of MFSK radar system[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(8):69-72,77.
Design and implementation of MFSK radar system
Song Yongkun1,Jiang Liubing2,Che Li2
1.School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China; 2.School of Computer Science and Information Security, Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China
Abstract: According to the research status and existing problems of automotive radar, an automotive radar system implementation scheme based on MFSK(multi frequency shift keying) waveform is studied in this paper. The target measurement principle of the system is analyzed in detail, the hardware structure of the system and the implementation process of the FPGA algorithm are introduced too. The algorithm combines all phase FFT and improved CA-CFAR(cell-averaging constant false alarm) algorithm to ensure the measurement accuracy of the system. The experimental results show that the system has high measurement precision, it can achieve the non fuzzy target measurement, and the system runs stably.
Key words : MFSK;automotive radar;FPGA;all phase FFT

0 引言

    近年來自動(dòng)駕駛已經(jīng)成為各大汽車廠商和科技公司爭(zhēng)相研究的領(lǐng)域,而毫米波防撞雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛的重要部分也越來越得到人們的重視。毫米波雷達(dá)在惡劣自然環(huán)境的良好測(cè)量能力使其在避免交通事故的發(fā)生、保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著使用需求的增多,車載雷達(dá)的研究取得了很大的進(jìn)展,很多方法體制被提了出來。但是傳統(tǒng)的很多方法存在一定的缺陷,如:線性調(diào)頻波(LFM)體制無法解決多目標(biāo)測(cè)量時(shí)存在的虛假目標(biāo)問題;頻移鍵控(FSK)體制無法測(cè)量靜止目標(biāo)和具有相同徑向速度的目標(biāo)[1-3];文獻(xiàn)[4]研究了一種變周期鋸齒波的測(cè)量方法并提出了目標(biāo)匹配算法,但是采用最小耦合距離差的匹配方法可能導(dǎo)致多普勒頻移大的目標(biāo)丟失和虛假目標(biāo)的產(chǎn)生;文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)波束控制的相控陣?yán)走_(dá),提高了系統(tǒng)的測(cè)量范圍和精度,但復(fù)雜的硬件系統(tǒng)和高昂的成本使其應(yīng)用受限。

    針對(duì)上述問題,本文研究了一種基于MFSK的車載雷達(dá)系統(tǒng)FPGA實(shí)現(xiàn)方法,該方法結(jié)合全相位FFT算法,提高了相位估計(jì)精度;采用改進(jìn)的CA-CFAR算法提高了系統(tǒng)檢測(cè)效率。本文給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案以及具體的FPGA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖,并對(duì)重要模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。測(cè)試結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)體制的缺點(diǎn),有較高的測(cè)量精度和反應(yīng)速度。

1 系統(tǒng)算法原理

    MFSK信號(hào)是LFM和FSK兩種信號(hào)組合而成的,其具體形式如圖1所示。由圖可知,該信號(hào)是由A、B兩個(gè)線性頻率信號(hào)交替步進(jìn)得到的,兩個(gè)信號(hào)的頻率差為fshift,步進(jìn)的頻率為fstep,發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)之間的差頻是fB,調(diào)制信號(hào)帶寬是BSW,TCPI代表調(diào)制周期。

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    對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行下變頻處理得到中頻信號(hào),然后分別對(duì)A、B頻率對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)做FFT變換和理論推導(dǎo),得到目標(biāo)的距離R和速度v存在以下關(guān)系:

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    由上述距離速度求解公式可知,中頻信號(hào)的頻率和相位差是一一對(duì)應(yīng)的,即使在多目標(biāo)情況下也滿足這個(gè)條件,不會(huì)存在信息的混疊。因此,本方法對(duì)應(yīng)的匹配復(fù)雜度較低,也不會(huì)導(dǎo)致虛假目標(biāo)的出現(xiàn),克服了傳統(tǒng)LFM體制由于上下掃頻匹配而帶來的虛假目標(biāo)問題。同時(shí),MFSK信號(hào)與FSK信號(hào)相比信號(hào)的跨度范圍更寬,測(cè)量有相同徑向速度的多個(gè)目標(biāo)時(shí),會(huì)因?yàn)榫嚯x的不同而被MFSK信號(hào)不同的步進(jìn)階層反射,進(jìn)而得到不同的中頻回波信號(hào),克服了FSK由于調(diào)制頻率覆蓋范圍窄在此方面的缺陷[6]

    由于本系統(tǒng)的距離速度求解需要用到相位信息,而相位極易受到外界噪聲的污染,對(duì)系統(tǒng)信噪比要求較高,這也成了阻礙MFSK體制應(yīng)用的重要因素。為了解決這一問題,本文將傳統(tǒng)的FFT變換改為使用全相位FFT,首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,然后再做FFT[7-8]。將MFSK系統(tǒng)回波中頻信號(hào)代入全相位FFT算法公式,可得全相位FFT頻譜與傳統(tǒng)FFT頻譜之間的關(guān)系如下:

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式中,Xap(k)代表全相位FFT后的頻譜,As為中頻信號(hào)的幅度,X(k)是FFT后的頻譜。由二者的關(guān)系式可知,與傳統(tǒng)FFT相比,全相位FFT后數(shù)據(jù)的主譜線和旁瓣的功率值由于平方關(guān)系而差距變大,主譜更加突出,降低了系統(tǒng)的虛警率,提高了檢測(cè)效率。同時(shí),由公式可知經(jīng)過全相位FFT后的數(shù)據(jù)具有相位不變性的特點(diǎn),相位值始終是4πf0R/C,不受頻譜搬移的影響,進(jìn)而保證了相位估計(jì)的精度。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    MFSK車載雷達(dá)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由電源模塊、雷達(dá)傳感器、信號(hào)處理板和數(shù)據(jù)顯示上位機(jī)4部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中電源模塊主要為雷達(dá)傳感器和信號(hào)處理板提供合適的電壓和電流;雷達(dá)傳感器包括鎖相環(huán)電路、射頻電路和陣列天線,主要負(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制、發(fā)射、接收和解調(diào)等;信號(hào)處理板包含數(shù)據(jù)采集模塊、FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)以及串口模塊,主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、處理和傳輸;數(shù)據(jù)顯示上位機(jī)主要是用于顯示系統(tǒng)最終的測(cè)量結(jié)果,實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的距離速度信息。

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    由于MFSK調(diào)制信號(hào)對(duì)線性度要求比較高,傳統(tǒng)的DAC來產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)不能滿足系統(tǒng)需求,因此本系統(tǒng)采用控制鎖相環(huán)電路產(chǎn)生MFSK信號(hào)的方法。其中鎖相環(huán)電路使用的是ADF4158芯片方案,該芯片不僅可以調(diào)制信號(hào),而且還具有波形產(chǎn)生能力,是一款6.1 GHz小數(shù)N分頻頻率合成器,有較高的頻率分辨率,是經(jīng)過汽車應(yīng)用認(rèn)證的鎖相環(huán)芯片,可以保證信號(hào)的調(diào)制精度。

3 FPGA硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)

    根據(jù)MFSK體制測(cè)量原理,設(shè)計(jì)FPGA總體實(shí)現(xiàn)功能框圖,如圖3所示。其中鎖相環(huán)控制模塊主要是通過SPI信號(hào)控制鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生MFSK調(diào)制信號(hào);數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、拆分以及存儲(chǔ)控制;框圖中的CFAR模塊使用的是改進(jìn)的CA-CFAR算法,該模塊模塊不僅可以起到去噪的作用,還可以有效地提高頻譜峰值檢測(cè)效率;其中的頻率容差匹配模塊是考慮到計(jì)算誤差,這里設(shè)計(jì)了頻率匹配容差函數(shù):|fAk-fBk|≤2/TCPI,其中TCPI為MFSK信號(hào)調(diào)制周期,匹配成功即得到目標(biāo)的峰值位置和相應(yīng)的頻率值。本系統(tǒng)使用CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)算法來進(jìn)行反正切運(yùn)算求相位,并進(jìn)行了數(shù)據(jù)補(bǔ)償,提高了計(jì)算精度。聯(lián)立通過CORDIC模塊得到的相位差和頻率容差匹配后得到的中頻頻率就可以計(jì)算出目標(biāo)的距離和速度值。

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3.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊框圖如圖4所示,首先數(shù)據(jù)采集模塊產(chǎn)生200 kHz的采樣時(shí)鐘控制ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣,然后接收采樣數(shù)據(jù)。由于MFSK調(diào)制信號(hào)的特殊性,A、B頻率對(duì)應(yīng)的回波需要分開處理,因此RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制模塊根據(jù)鎖相環(huán)返回的同步信號(hào)將A、B頻率對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別存進(jìn)RAM的不同位置。對(duì)于RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制模塊,設(shè)計(jì)思路是根據(jù)同步信號(hào)對(duì)回波數(shù)據(jù)拆分,以一個(gè)對(duì)應(yīng)的調(diào)制周期為一單元。將每個(gè)單元的2 048點(diǎn)數(shù)據(jù)分配到每個(gè)步進(jìn)組,得到每組的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù),對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù),然后根據(jù)數(shù)據(jù)的位置,將它們分別交替地放在RAM的不同地址單元。采用流水線操作,保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率。

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3.3 全相位FFT模塊設(shè)計(jì)

    全相位FFT模塊包括全相位數(shù)據(jù)預(yù)處理和FFT變換兩部分,其對(duì)應(yīng)功能框圖如圖5所示。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗,本模塊使用的是漢寧窗,預(yù)先將窗函數(shù)數(shù)據(jù)存入ROM中,通過依次讀取RAM中的中頻數(shù)據(jù)和ROM中的窗函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗運(yùn)算,然后將加窗后的數(shù)據(jù)寫入RAM。下一步全相位數(shù)據(jù)預(yù)處理控制模塊根據(jù)全相位FFT算法的處理流程從RAM的相應(yīng)地址讀取數(shù)據(jù)并相加,本系統(tǒng)中取RAM第1位數(shù)據(jù)和第513位數(shù)據(jù)相加,第2位和第514位數(shù)據(jù)相加,依次類推,最后將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)再存入RAM,由此就完成了全相位FFT的數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)于FFT變換,需要用FFT控制模塊從RAM中讀取數(shù)據(jù),并控制FFT IP核進(jìn)行相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的FFT變換。

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3.4 改進(jìn)CA-CFAR模塊設(shè)計(jì)

    由于在實(shí)際的應(yīng)用中,傳統(tǒng)的CA-CFAR算法有一定的局限性[9-11],因此本文采用改進(jìn)的CA-CFAR算法,在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上增加了左右邊緣單元和修正門限判決。當(dāng)目標(biāo)的距離比較遠(yuǎn)或是比較近時(shí),其目標(biāo)頻譜在整個(gè)頻譜的最左邊或是最右邊,由于頻譜邊緣沒有足夠的參考單元而無法使用決策門限對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。所以本文設(shè)計(jì)的方法在左右兩端各增加一個(gè)參考單元的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)為輸入信號(hào)的噪聲功率譜密度的平均值(PSD),這樣就解決了CA-CFAR算法無法檢測(cè)邊緣目標(biāo)的問題。對(duì)于傳統(tǒng)的CA-CFAR算法在進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)容易把噪聲當(dāng)做目標(biāo),為了避免這種情況,在最后的決策處理過程中添加了修正門限判斷,即整個(gè)恒虛警過程需要進(jìn)行兩次判斷。這樣,即使測(cè)試目標(biāo)的功率譜密度比傳統(tǒng)CA-CFAR的決策門限值高,其還需要與修正門限值進(jìn)行比較,再做最終判斷。其中修正門限值與距離單元有關(guān),隨著距離變遠(yuǎn),對(duì)應(yīng)功率譜密度越小,修正門限值越小,增加了一步修正門限的判斷,大大降低了體統(tǒng)的虛警率。改進(jìn)CA-CFAR模塊的數(shù)據(jù)流框圖如圖6所示,首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行雜波功率提取,然后再將數(shù)據(jù)輸入移位寄存器,根據(jù)本模塊參考單元和保護(hù)單元的個(gè)數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)延遲。同時(shí)將雜波功率輸入CFAR數(shù)據(jù)處理部分,用于添加邊緣單元,輸入修正門限用于進(jìn)行最后的目標(biāo)檢測(cè)判斷。

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4 系統(tǒng)測(cè)試

    對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行室外測(cè)試,測(cè)量系統(tǒng)前方汽車的距離和運(yùn)動(dòng)速度,通過觀察PC上的數(shù)據(jù)顯示上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù),與實(shí)際的汽車的距離和速度進(jìn)行比較,進(jìn)而驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量性能。

    首先,設(shè)置3個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo),使用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。為了更直觀地看到A、B路對(duì)應(yīng)信號(hào)頻率的匹配和相位差求解的過程,使用FPGA系統(tǒng)采集某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB處理,得到圖7結(jié)果,分別是A、B頻率對(duì)應(yīng)的回波進(jìn)行處理得到的頻率幅度譜,信號(hào)峰值處的頻率F和相位值P也計(jì)算了出來。由圖可知,同一目標(biāo)對(duì)應(yīng)的A、B路回波信號(hào)頻率幾乎相同,相位值不同,此時(shí)只需將求得的相位值相減,再聯(lián)合配對(duì)得到的目標(biāo)頻率值就可以計(jì)算出目標(biāo)的距離和速度。將數(shù)據(jù)顯示上位機(jī)的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。由對(duì)比結(jié)果知,本系統(tǒng)測(cè)量精度較高,反映了實(shí)時(shí)的目標(biāo)信息。

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    通過大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn),得到本系統(tǒng)測(cè)量的距離相對(duì)均方根誤差穩(wěn)定在3%,速度相對(duì)均方根誤差在4.5%左右,測(cè)量精度較高。同時(shí),系統(tǒng)極少出現(xiàn)虛假目標(biāo),并且不丟失目標(biāo),反應(yīng)速度迅速,滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于FPGA的MFSK體制車載雷達(dá)系統(tǒng),本系統(tǒng)采用MFSK波形作為調(diào)制信號(hào),克服了傳統(tǒng)波形體制的一些缺陷。同時(shí)使用了全相位FFT算法和改進(jìn)的CA-CFAR算法提高了相位估計(jì)精度和系統(tǒng)虛警檢測(cè)效率。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試證明,本系統(tǒng)具有良好的測(cè)量精度,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目標(biāo)的無模糊測(cè)量,系統(tǒng)響應(yīng)速度較快,可以提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的目標(biāo)信息。當(dāng)然,本系統(tǒng)的測(cè)試都是在實(shí)驗(yàn)條件下完成的,環(huán)境干擾較少,而真實(shí)的路況信息更加多樣化,雜波較多,所以為了適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境,本系統(tǒng)還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

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作者信息:

宋永坤1,蔣留兵2,車  俐2

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004;

2.桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院,廣西 桂林541004)

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