circuits design and implementation for 77ghz automotive active millimeter-wave anti-collision radar...
DESCRIPTION
The purpose of the millimeter-wave anti-collision radar for vehicles is reducing the accident rate with a higher accuracy of range and velocimetry accuracy. This paper introduced an electric circuit design for signal processing board used in the 77GHz triangle wave frequency modulation radar system, with the processing procedure of secondary radar echo signal amplification, low-noise filtering and high-precision A/D converter and FPGA operation. This paper also introduced the design and simulation for parts of the circuits. The results illustrates that, the design has the advantages of small size, low power consumption, low cost, and has a certain degree of flexibility and scalability. The design reaches the specifications of the vehicle active anti-collision radar.TRANSCRIPT
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Scientific Journal of Control Engineering February 2013, Volume 3 Issue 1, PP.32-39
Circuits Design and Implementation for 77GHz
Automotive Active Millimeter-Wave Anti-collision
Radar Signal Processing Unit Liyu Tian
#, Zhen Wu, Yanli Li, Chen Zheng
Beijing Institute of Technology, School of Information and Electronics, Beijing 100081, China #Email: [email protected]
Abstract
The purpose of the millimeter-wave anti-collision radar for vehicles is reducing the accident rate with a higher accuracy of range
and velocimetry accuracy. This paper introduced an electric circuit design for signal processing board used in the 77GHz triangle
wave frequency modulation radar system, with the processing procedure of secondary radar echo signal amplification, low-noise
filtering and high-precision A/D converter and FPGA operation. This paper also introduced the design and simulation for parts of
the circuits. The results illustrates that, the design has the advantages of small size, low power consumption, low cost, and has a
certain degree of flexibility and scalability. The design reaches the specifications of the vehicle active anti-collision radar.
Keywords: Triangular Wave FMCW; Automobile Active Anti-Collision Radar; Secondary Amplification and Filtering; High-
Precision A/D Conversion
77GHz 汽车主动毫米波防撞雷达信号处理板的设
计与实现 田黎育，武振，李艳丽，郑晨
北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081
摘 要：汽车主动毫米波防撞雷达以高精度目标测距和测速为目标，以提高行车安全系数和减少事故发生率为设计宗旨，
以信号处理平台为核心。本文采用 ADC+FPGA 模式设计了一种用于 77GHz 三角波调频连续波的汽车主动防撞雷达信号
处理机，对雷达天线回波信号进行二次放大、低噪滤波和高精度 A/D 转换，并将转换后的信号送入 FPGA 进行相关信号
处理。本文还对雷达信号处理板主要部分的电路设计及仿真进行了详细阐述。仿真与实测表明，本信号处理板具有体积
小、功耗低、成本低等特点，且具有一定的灵活性和可扩展性，能够实现实际目标的测距和测速，达到了汽车主动防碰
撞雷达的设计指标。
关键词：三角波调频连续波；汽车主动防撞雷达；二次放大与滤波；高精度模数变换
引言
近年来，随着高速公路的发展，汽车行驶速度的不断提高，恶性交通事故频频发生，其中绝大多数道路
交通事故是由人为因素造成的，无法通过规范驾驶员行为加以有效克服。因此，开发研究汽车防碰撞报警系
统，就成了解决高速公路交通安全问题的根本途径[1]。汽车主动防碰撞控制系统等主动安全驾驶辅助装置，
可明显减少司机的负担和判断错误，对于提高交通安全，降低恶性交通事故发生率、减少生命财产损失将起
到重要作用[2]。在汽车测距和测速的应用中，常用的技术主要有激光方式、超声波方式、红外方式和毫米波
雷达方式[3]。其中，激光方式、超声波方式、红外方式存在不同程度的缺陷，而毫米波雷达工作波长介于 1mm～
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10mm 之间，与其它的探测方式相比，主要有探测性能稳定、环境适应性良好、尺寸小、价格低等特点[4]。
因此，毫米波雷达方式成为汽车主动防撞雷达系统的最佳选择。国内对基于雷达的汽车主动防碰撞技术研究
和报道大多是线性调频连续波(LFMCW)体制，调制信号为周期性三角波[5]。
本设计采用三角波调频连续毫米波雷达机制，对雷达天线回波信号进行二次放大、低噪滤波和高精度
A/D 转换，并将转换后的信号送入 FPGA 进行相关信号处理，大大提高了汽车防撞防车道偏离的准确度，降
低了防撞系统的虚警率，提高了驾驶时辅助的主动安全性，且具有一定的灵活性和可扩展性。
1 系统结构及工作原理
整个系统主要由以下三部分构成：
（1） 射频模块。射频模块主要负责雷达毫米波的发射、接收、混频等。
（2） 信号处理系统。信号处理系统接收由射频模块发送过来的经混频之后的中频信号，首先进行模拟
信号处理，包括放大和滤波等；然后经 A/D 转换后送入 FPGA 中进行一系列的数字信号处理，并将处理结果
送给显示告警模块；同时，信号处理系统会产生调制三角波，用来控制射频模块的雷达毫米波发送。
（3） 显示告警模块。显示告警模块则实现处理结果的显示和告警。
整个系统的信号处理流程框图如图 1 所示，信号处理系统的电路结构框图如图 2 所示。
图 2 信号处理系统电路结构框图
图 1 汽车主动防撞雷达系统信号处理流程
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图 3 为射频模块与信号处理系统连接之后的图片，图片上方为射频模块，下方为信号处理板卡，二者通
过六组电缆相连。
图 3 系统连接图
2 主要电路的设计
本节主要对 FPGA 电路、运放电路、滤波电路和采样电路等四部分进行详细介绍。
2.1 FPGA 外围电路
FPGA 选择 Altera 公司的 Cyclone Ⅲ系列 FPGA EP3C25，该芯片具有高性能、低功耗和低成本的特点。
具体来讲，有以下特点：
·逻辑单元：包含 24,624 个逻辑单元；
·内部 RAM：包括 66 个 M9K 存储模块，共 608,256 比特的 RAM 空间；
·乘法器：乘法器的位数为 18×18，共有 66 个乘法器；
·时钟资源：包括 4 个独立的 PLL，可提供 20 个全局时钟网络；
·I/O 资源：共有 215 个用户 I/O 管脚；
·芯片集成了 Nios 内核，用来实现复杂的数字信号处理算法。
FPGA 的外围电路结构框图如图 4 所示：
图 4 FPGA 外围电路
4 路 ADC 分别接收 4 路由外部送入的经放大滤波之后的中频信号，经模数转换之后送入 FPGA 中进行处
理，FPGA 可通过 JTAG 进行在线调试，也可通过 FLASH 进行离线配置，同时，FPGA 外部连接 2 路 DAC，
用来对射频模块输出调频控制信号。FPGA 对外采用 RS232 接口，一方面可以与上位机通信，利用上位机观
察数据处理结果，一方面可将处理结果传送给告警模块，实现喇叭告警和指示灯指示。
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2.2 运放电路
运放电路主要指的是电路设计中应用到运算放大器芯片的电路，主要包括放大器和衰减器。本节主要介
绍这两类电路的设计与仿真。另外，本系统中的滤波器设计也用到了运放芯片，将在 2.3 节单独介绍。
(1) 两级放大电路
该系统的放大电路采用两级放大，这是因为如果采用一级放大倍数过大的话，电路容易产生自激现象，
而如果改用两级放大，每一级放大的倍数不会太大，就可以有效避免电路自激现象。两级放大电路的结构相
似，两级运放之间采用一个 0.1μF 的电容进行耦合。电路如图 5 所示：
图 5 两级放大电路原理图
如此设计放大电路有一个好处，就是可以根据天线回波信号的实际大小不断修正两级放大器的放大倍
数，只须更换不同阻值的反馈电阻就可以了，调整起来比较方便。
对两级放大电路利用 Multisim10.0 软件进行瞬态仿真，仿真结果如图 6 所示：
图 6 两级放大电路 Multisim 仿真图
(2) 衰减器电路
衰减电路是专门对应 DAC 的输出而设计的，根据本系统第一版信号处理板连接射频天线测试的结果发
现，直接通过 DAC 输出三角波至射频模块的 VCO 时，射频板的扫频带宽难以精确控制。这是由于 DAC 的
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位数为 12 位，精度有限，当需要较小电压幅度的扫频三角波的时候，DAC 的输出难以达到。这就需要在外
部采用硬件电路的方法对 DAC 的输出进行衰减。
衰减电路采用与上述放大电路类似的结构搭建，电路如图 7 所示：
图 7 衰减器电路原理图
图 7 衰减电路中，C1 和 C2 是耦合电容，用来隔离与前级电路的直流相互影响，R6 和 R7 是偏置电阻，
使输出电压偏置在 VDD/2 即 2.5V 处，R4、R3 是耦合电阻，R1 为反馈电阻，R5 为负载电阻。
上述电路的瞬态仿真图像如图 8 所示：
图 8 衰减电路 Multisim 仿真图
经仿真试验发现，电路的衰减倍数与 R3、R6 的关系最大，衰减倍数 Ao≈2R3/R6。
2.3 滤波电路
（1）滤波器带宽的分析与确定
根据理论计算和实际测试，由天线传送给信号处理板的中频信号频率约为 1kHz～200kHz。考虑要留出
一定的余量，可初步确定低通滤波器的带宽为 300kHz。
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采用滤波器辅助设计软件“filter solution”进行滤波器的设计，设计电路图如图 9 所示。
图 9 滤波器电路原理图
下面对上述电路进行交流信号分析：
设置交流扫描的频率范围为 1Hz～10MHz，仿真图像如图 10 所示：
图 10 滤波电路 multisim 仿真图
由图像可知，经 Multisim10.0 仿真，滤波器在-3dB 处对应的频率为 221.4kHz，与设计目标 300kHz 尚有
一定差距，下面就需要对滤波器的参数作进一步优化。
同时，根据实际回波的频率估算，频率最高处约为 200kHz，因此，对于 221kHz 的截止频率，可以认为
是满足设计要求的。
2.4 采样电路
A/D转换芯片采用的型号是AD7980，这是由ADI公司设计生产的一款 16位的逐次逼近型模数转换芯片，
采用单电源 VDD 供电。它内部包含一个低功耗的高速 16 位采样 ADC 和一个通用的串行对外接口，可以实
现每秒 1 兆次的采样。在 CNV 的上升沿，对模拟输入 IN+进行采样，参考点为 IN-，模拟输入的范围为 0～
VREF。参考电压 VREF由外部提供，且独立于供电电压 VDD。其 SPI 可兼容串行接口能够实现多片 ADC 以菊
花链的拓扑结构进行扩展。通过提供不同的 VIO 电压，AD7980 可分别与 1.8V，2.5V，3.3V，5V 等不同的
逻辑电平兼容。该 ADC 芯片的工作温度为-40℃～+125℃，可以胜任一般的环境工作需求。ADC 采样电路如
图 11 所示。
图 11 ADC 电路设计
其中，Vin+、Vin-为经过放大和滤波之后的中频采样信号，ADC 与 FPGA 之间主要有四路通信信号，分
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别为 SDI，SCK，CNV 和 SDO。各自代表的含义如下：
SDI：串行数据输入信号，用于选择 ADC 的接口模式，如菊花链模式(Chain Mode)和片选模式(CS)；
SCK：串行时钟输入信号，控制转换结果的按位移出；
CNV：转换输入信号，控制转换的初始化、接口模式的选择等；
SDO：串行数据输出信号，转换结果的输出，与 SCK 同步。
3 系统测试
3.1 运放、滤波器测试
对设计的放大器和滤波器进行测试，测试源信号采用正弦波，其峰峰值(Vpp)为 10mV，信号频率为 100
kHz。图 12 为用示波器测得的图像：
图 12 运放、滤波器实际测试波形
四个通道代表的信号分别为：
CH1：为源信号；
CH2：一级放大后的信号；
CH3：一级放大滤波后的信号；
CH4：二级放大后的信号。
3.2 靶目标回波信号测试
测试条件：
靶目标：为一块 48cm×36cm 的硬质板，内含一定量的金属。
目标范围：从 2m～12m 内逐步测试。
图 13 为对 8m 处目标的回波信号进行采集之后做 FFT 的图像，左右两边为上扫频和下扫频的 FFT 图像：
图 13 实际回波的 FFT 图像
图 14 为该处目标距离信息的上位机界面显示。
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图 14 目标距离的上位机显示图像
4 结论
本文讨论了一种基于三角波调频连续波汽车主动防撞雷达信号处理机的设计和实现。该处理机基于
Cyclone Ⅲ系列的 FPGA——EP3C25 进行设计，外围配置了放大器、滤波器和高性能 A/D 转换模块等。论文
对主要电路的设计进行了讨论和仿真，并对实际板卡进行了调试。本设计充分利用现场可编程逻辑器件(FPGA)
以及 EDA 等技术，使得该信号处理机先进可靠，且具有一定的灵活性和可扩展性。该信号处理机已经可以
对实际靶目标进行距离和速度的测试，并取得了很好的效果。
REFERENCES
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World Headquarters, 2002
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[10] AD7980 Data Sheet. Analog Devices, Inc. 2007
【作者简介】
田黎育（1975-），男，汉族，讲师，工
学博士，研究方向为雷达信号处理和
SOPC 系统设计，获部级科技进步奖励 1
项，编译著作 2 部，1993 年 9 月至 1997
年 7 月在北京理工大学应用物理系学
习，获理学学士学位，1997年 9月至 2003
年 3 月在北京理工大学电子工程系学习，获工学博士学位。
Email: [email protected]
武振（1986-），男，汉族，工学硕士，
研究方向为数字信号处理系统硬件设
计。2005.9~2009.6 在西华大学材料学院
材料科学与工程专业学习，获工学学士
学位，2009.9~2012.3 在北京理工大学信
息与电子学院微电子专业学习，研究方
向为数字信号处理系统硬件设计，获工学硕士学位。
Email: [email protected]