汽車防撞雷達中頻信號處理系統的優化措施

張利杰

摘 要：汽車防撞雷達主要是通過微電腦對超聲波信號進行控制及處理并經由傳感器對信號進行發射及接收來計算汽車與被測物之間的距離，以此來判斷是否存在危險并進行預警。其中中頻信號處理系統是決定汽車防撞雷達報警功能的核心部分，影響防撞雷達的實用效果。為了使中頻信號處理系統可以在實際中起到更好的應用效果，本文就針對其系統中存在的不足進行分析，根據這些問題存在的因素提出了在實際中可以采用的優化措施來提高中頻信號處理裝置的性能，使其可以更好的應用于汽車防撞雷達系統中。

關鍵詞：防撞雷達；中頻信號處理；MAX11043；FPGA；優化方案

汽車防撞雷達可以在汽車行駛的過程中通過信號的接收及處理來測量出其與障礙物之間的距離，并且還可以對汽車與障礙物之間的相對速度進行計算，而中頻信號處理系統則是處理雷達輸出及接收信號的主要裝置，中頻信號處理系統的功能及設計決定了其對回波信號處理的準確度。目前在汽車防撞雷達發展的過程中對中頻信號處理系統優化的措施也在不斷的完善及改變，以下就是對其系統優化的深入研究。

一、中頻信號處理系統優化簡述

1、傳統的中頻信號處理系統的特點

中頻信號處理系統作為撞雷達系統的核心組成部分，對其進行優化可以為人們的出行安全提供一份保障。目前在防撞雷達中應用的中頻信號處理裝置其具有體積大、結構繁瑣、匹配復雜、功耗高等問題，主要是由于其多模塊PCB板級電路使其整體性能較差，而這也導致了中頻信號處理系統在應用中無法良好的實現集成式數據處理。

2、中頻信號處理系統的優化概述

針對上述中頻信號處理系統中存在的不足，結合防撞雷達實際的使用要求及對信號處理系統模塊的分析，可以采用對其驅動進行設計及對可編程端口進行控制的方式來將中頻信號處理系統中各個范元進行集成化處理，使其可以形成芯片系統，從而減小中頻信號處理裝置體積、提高其性能、減少能耗，從而達到優化目的。在優化設計中可以采用對中頻信號處理裝置進行仿真及實驗，通過實驗來驗證設計的可行性及效果，保證優化措施應用的合理性。

二、中頻信號處理系統優化方

案目前，國內對汽車防撞雷達尚未制定統一的規范標準，參照國外少數調頻連續波（FMCW）雷達產品的參數，可制定汽車防撞雷達的基本工作參數：工作頻率24GHz；距離范圍0-120m；速度范圍1-180km/h。該中頻信號幅值小、干擾多、信噪比低且為模擬信號，無法輸入后端數據處理設備。因此需采用中頻信號調理電路進行處理。首先由調制信號發生器輸出三角調制波，使FMCW雷達輸出中頻信號；信號先由高通濾波器濾除疊加的低頻調制信號；再由可變增益信號放大器放大，提高幅值；再用低通濾波器濾除外界高頻雜波；使用ADC將模擬信號轉為數字信號輸入后端數字處理器進行處理；而數字處理器輸出的反饋信號，需用DAC來轉換，以輸入各控制端進行控制。

基于先進車載系統的功能需求，本文中基于多功能可編程集成芯片MAX11043來滿足優化需求。該芯片為四通道單端或差分輸入，芯片的4個通道單獨設有濾波器單元與可編程增益放大器（PGA），可實現高通濾波功能與信號放大功能；芯片內設有7級2階可編程濾波器，可實現低通濾波功能；芯片包含16位同步采樣ADC，可取代ADC；芯片集成了12位DAC，可實現調制信號發生器和模擬控制端口的控制功能。

三、功能仿真及實驗驗證

1、調制波生成時序分析

芯片實現調制信號發生器功能時，調制波發生功能端口時序：CLK為芯片工作時鐘；端口UP/DWN為DAC步方向選擇，置高電平則DAC正向步進，置低電平則DAC反向步進；端口DACSTEP為DAC步進控制，置高電平時，DAC在時鐘上升沿步進一次，低電平時，DAC處于保持狀態。因此，設計調制信號發生器的程序流程為：設UP/DWN為高電平，DACSTEP為低電平，等待調用驅動模塊；調用驅動模塊，設置相應指令以更改芯片DAC相關寄存器數據，包括寫入DAC初值為0及寫入DAC步長為1；驅動調用完成，準備輸出波形，設DACSTEP為高電平，保持一個芯片時鐘，則DAC輸出正向步進一次，設置時間間隔重復步進，可得上升波形；當DAC步進至最大值，即到達三角波上頂點，設步進方向取反，繼續步進，則波形下降；當波形到達下谷點時，再次改變步進方向使波形上升。重復以上步驟即可得到連續三角波調制信號。

2、外圍電路的設計與實現

依據優化方案，設計中使用的多功能芯片同時連接雷達前端與開發板，FPGA同時完成進程控制和數據處理功能。芯片通過串行接口與FPGA連接，FPGA通過片選端口控制芯片訪問，通過端口OSCIN為芯片提供時鐘；雷達前端同向信號（IF1）與正交信號（IF2）分別通過芯片通道一、通道二輸入；AOUT端口輸出三角調制波經整流后連接至雷達VCO端口；未使用端口通過電容后接地處理。具體的功能實現均以可編程控制芯片的形式完成，可見，采用MAX11043作為系統主要處理單元，傳統的汽車防撞雷達系統電路結構得到了大幅簡化，實現了基于可編程集成芯片信號處理系統的優化。

3、實驗驗證

按照上述優化方案，對外圍電路進行設計，制成PCB板。將驅動程序和調制信號發生器功能程序編譯并下載至FPGA配置器件中，用示波器觀察芯片AOUT端口輸出的三角波。調用的驅動程序可良好地完成MAX11043與FPGA間的通信，輸出的三角波與設定參數要求一致，證明了驅動程序的正確性，也進一步驗證了優化方案的可行性。基于驅動程序的正確設計，以三角波調制信號輸出的驗證為例，證明了優化后的中頻信號處理系統已正常運行。

結語：以上針對中頻信號處理系統存在的一些影響其使用效果的問題及缺陷，提出了一種基于多功能可編程集成芯片MAX11043的優化方案。設計了FPGA環境下的芯片驅動模塊且通過了驅動仿真驗證，調用驅動模塊后，以調制信號發生器的功能設計和實驗驗證為例，證實了驅動模塊設計的正確性和優化方案實施的可行性。

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