MCU+DSP的LFMCW雷達信號處理系統設計

安徽博微長安電子有限公司　陳　勇

1.LFMCW雷達信號處理系統方案

基于MCU+DSP雙核架構進行系統設計，其具體方案如圖1。此系統主要就是將單片機信號采集與處理作為其重要核心，其中DSP是信號處理的關鍵，而單片機主要的作用就是生成調制信號、調理差頻信號調理，進行采集處理;同時，DSP也具有測距算法、串口通信等功能，其中在單片機中以及DSP的信息傳遞以及通信主要就是通過高速SPI方式開展。

圖1　LFMCW雷達信號處理系統方案

射頻前端部分采用24 GHz LFM-CW雷達傳感器，其VCO調制信號電壓以及發射頻率曲線節能型控制。調制信號電壓主要就是要控制在1.20V～2.46V之間，發射信號線的發射頻率為24.040GHz～24.505GHz，調頻寬帶的數值為465MHz。MCU主要應用G8051F120，輸出頻率坐高可達到50kHz，通過相位累加的算法，利用自定義函數表示周期信號。在G8051F120中集12位ADS，通過編程對其轉換速率進行控制，最大數值為100 ksps。

2.系統設計

2.1　調制信號產生模塊

在雷達前端壓控振蕩器中存在較為顯著的非線性的特征，可以利用三角波節能型的調制信號進行連續波頻率的系統調整，且其并沒有線性變化。而通過對雷達前端中的開環矯正、閉環矯正的方式改善VCO輸出信號線性度進行改善。在工程中主要應用的方式就是開環矯正。通過調制信號電壓以及對發射頻率之間的關系進行調整，通過非線性的調制電壓信號的驅動雷達傳感器，降低VCO中的非線性影響。

設計主要就是通過G8051F120中的DAC，利用直接的數字頻率進行DDS原理的合成；利用非線性矯正的方式進行各種信息數據的存儲，對調整信號進行調用生成。波形產生主要就是通過累加器、定時器以及存儲器進行調用，在進行定時器的調整過程中，通過相位累加器的數值進行PHASEADD的增加 ，在通過存儲器進行DAC輸出數值的查找。

在DDS輸出信號的頻譜中涵蓋了理想輸出頻率、高頻干擾以及DDS數字雜散，對此必須要對其進行濾波處理。DAC要通過低通濾波器產生三角波信號，要對高頻干擾進行濾除，在通過OP284放大器進行信號放大處理，并且將放大電路輸出作為雷達傳感器的信號輸入，具體的電路如圖2：

圖2　調制信號濾波電路原理圖

2.2　信號采集模塊

在雷達方程中的LFMCW測量的實際距離以及差頻信號之間的功率之間是四次方，在遠距離的測量過程，相關信號以及噪聲信號進行混雜，導致有用信號收到干擾。同時，差頻信號中還是存在一定的固定頻率的信號干擾，這樣就會導致出現誤判的問題，對此必須在信號采集之前必須要進行濾波的處理。

在設計理論測距范圍主要為1m～10 m，調制信號帶寬B的數值為465 MHz，掃頻周期T數值為4 ms。在設計過程中通過NE5532進行二階巴特沃斯有源低通濾波器以及高通濾波器的構建。在將低通的濾波器以及高通濾波器級進行關聯，構成一個帶通類型的濾波器，其主要范圍為1. 55 kHz ～15. 5 kHz，放大倍數，二倍頻的衰減數值為24 dB，保障其與差頻信號濾波的實際需求相吻合。

要基于奈奎斯特采樣定理進行ADC的采樣，保障其采樣率高于差頻信號的最高頻率數值的2倍。同時ADC轉換位數要選擇12位，應用的電壓為內置的參考電壓。必須要綜合實際需求以及其成本等內容。保障單片機中內置的ADC與既定的需求一致，同時，其內置的ADC模塊不占用CPU內存，在這種狀況之下進行數字信號的存儲。此種設計模式具有穩定性、設計結構相對較為簡單，且成本較低。

2.3　SPI通信模塊

在實踐中可以可以將MCU采集整理到的差頻信號數據通過高效的方式進行傳遞，在DSP中進行處理，這樣可以滿足實時性的需求。同時在串行外設接口中通信的占用接口相對較少，且通信速度相對較快，也可以在C8051F120以及TMS320F28335上運行，效果顯著。

SPI通信硬件主要分為主機以及從機兩個部分，在操作將主機以及叢機進行鏈接，將主機的發送以及叢機的接收系統進行鏈接，在將主機的接收以及叢機的發送進行鏈接，將主機與叢機的時鐘、使能四根線進行連接，就可以實現通信。

基于叢機選擇線的SPISIEA使能的實際狀況，將叢機以及主機的SPI時鐘線進行鏈接，這樣主機以及叢機在通信過程中就不會需要起始位、停止位等同步的格式位，只要直接的把其采集整理到的信息數據與主機中SPI時鐘線進行鏈接，這樣就是可以實現對不同數據信息內容的有效發送以及傳遞控制。叢機在接受到較為完整的信號之后，設置的中斷標志就會接受信息數據，在將引動寄存器受到的信息內容進行然后，將其在主機的SPI接收數據的寄存器SPIRXBUF中進行處理，進而完成單片機以及DSP之間的信息傳遞以及通信處理。

圖3　程序流程圖

2.4　串口通信模塊

C8051F120可以同時支持兩個UART串行端口的應用，可以支持單片機以及相關應用標準中不歸零格式中的異步外部設備之間的信息傳遞以及通信。因為在上位機的串口中主要就是應用RS-232中的DB9接頭，對此可以將UART與MAX3232進行連接，這樣就可以將TTI、電平以及RS-232之間的轉換組偶爾。在操作中將發送信號線、接受信號線以及地線進行連接就可以作為全雙工通信。

2.5　信號處理模塊

在DSP中主要就是通過相頻匹配的頻率估計算法進行信號處理。此種方法誤差是現階段測距精度相對較高的一種算法，主要就是通過計算量相對較小的算法進行頻率的估計分析，在通過頻率對其估計數值進行構建，獲得參考信號，然后基于參考信號以及自定義的各種信號系統，基于柯西不等式進行誤差函數的構建，誤差函數獲得最小的時候其相關頻率就是估計的頻率數值。

2.6　系統軟件設計

在系統工作的過程中，首先要進行初始化啟動作業，設置初始化控制、做到接口初始化、中斷設置等進行初始化作業，在中斷程序，在中斷程序作業中，MCU要生成調制信號、集合各種信息數據，實現DSP的信號處理。而在進行中斷程序作業過程中必須要通過間隔512個數據，對其進行系統的采集與處理，在利用信號處理方式進行函數的信號處理，這樣就可以獲得一定的距離信息數據。然后，將距離信息通過串口的方式進行信息傳遞將其發送給上位機，具體流程如圖3。

3.結束語

線性調頻連續波類型的雷達是一種最小測量距離近、高精度，受自然環境影響相對教學的雷達。在液位測量、無人駕駛以及警戒監控等領域中廣泛應用。現階段雷達信號處理系統主要就是基于現有的雷達信號處理系統主要基于 MCU+DSP系統開展。其中DSP的浮點運算能力相對較強，支持復雜的算法那，但是其外設的驅動能力相對較弱，可以為農村系統控制以及信號采集以及處理，在一定程度上降低了其預算能力。而MCU系統的外設較為豐富，運算能力相對較弱，無法進行復雜算法的操作。

[1]王斯盾,劉鵬.MCU+DSP的LFMCW雷達信號處理系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2017,17(12).

[2]李晨.基于ARM嵌入式技術的LFMCW雷達信號處理系統的設計與實現[D].南京理工大學,2015.

[3]羅磊,袁紅林,徐晨.5mm波段LFMCW雷達信號處理系統[J].科技致富向導, 2014(21):271-272.