基于FPGA的位置幅度調(diào)制脈沖序列生成

黃少偉，雷閏龍，毛雪松

(1.肇慶學院，計算機科學與軟件學院/大數(shù)據(jù)學院，肇慶 526061；2.武漢科技大學，信息科學與工程學院，武漢 430081)

0 引言

距離和速度是在動態(tài)場景中完成智能駕駛路徑規(guī)劃所必須兩個重要的參數(shù)，目前能夠完成這兩個參數(shù)同時測量的設備只有毫米波雷達[1]。但是由于毫米波雷達發(fā)射的波束較寬，不能實現(xiàn)對測量空間的3D成像。隨著智能駕駛技術的發(fā)展和駕駛場景趨于復雜化，研制激光雷達成為一個必要的需求。

應用于智能駕駛的激光雷達發(fā)射一個短脈沖，通過測量脈沖的飛行時間獲取目標的距離，為了提高距離測量的精度，這種方法使用的脈沖長度只有幾納秒[2]。運動目標在光頻上產(chǎn)生的多普勒頻率范圍為幾兆到上百兆赫茲，因此如果使用外差檢測法，光脈沖的長度遠小于多普勒信號的一個頻率周期，而使用傅里葉變換計算信號頻率要求信號的長度大于多普勒頻率的一個周期。基于這一原因，目前激光雷達不能在測量目標距離的同時，利用多普勒測量目標的速度，而只是根據(jù)所測對象相對于時間的距離變化率來給出速度的估值，所需時間長、誤差較大。

毫米波雷達測量目標距離和速度使用頻率調(diào)制連續(xù)波[3-4]，從技術上看，目前還不能在光頻上制作出性能良好的三角啁啾信號，因此在激光雷達的設計中不能借鑒毫米波雷達的測量方法。

為實現(xiàn)目標距離和速度的同時測量，本課題組提出使用非等間隔脈沖序列的方式，并用數(shù)據(jù)累加增強接收機的抗噪聲性能，研制非等間隔信號頻譜分析方法，計算包含在回波內(nèi)的多普勒信號的頻率[5-7]。在這些方法中，脈沖位置幅度調(diào)制方法具有良好的抗干擾性能、僅需單個光電檢測器即可實現(xiàn)距離速度同時測量。為了生成位置幅度調(diào)制的光脈沖序列，需要產(chǎn)生相應的電脈沖序列[8]，本文基于信號狀態(tài)機，在FPGA上實現(xiàn)脈沖位置調(diào)制序列，并利用可編程放大模塊，根據(jù)脈沖間隔實現(xiàn)對信號的放大，從而得到位置幅度調(diào)制的脈沖序列。該序列可作用與電光調(diào)制器的RF端口，使電光調(diào)制器輸出相應的光脈沖序列[9]，再經(jīng)光放大器線性放大，即可作為激光雷達的發(fā)送信號，使其具備同時測量目標距離和速度的能力。

1 位置幅度調(diào)制信號的格式

首先，根據(jù)單位時間內(nèi)激光雷達測量的空間點數(shù)確定脈沖序列的長度。設單位時間內(nèi)的測量點數(shù)為M，則完成一次測量的信號長度最大為1/M。設激光雷達的最大測量距離為d，則每個脈沖的飛行時間為τ=2d/c。為了等待脈沖序列中最后一個脈沖到達激光雷達的接收機，在兩次測量之間需要設置長度為τ的空閑時間間隔，因此脈沖序列的長度取1/M-τ。

然后，將序列長度1/M-τ劃分為N個等間隔的時間片段，在每個時間端內(nèi)的隨機位置處放置一個脈沖，即可構(gòu)成位置調(diào)制的脈沖序列，如圖1(a)所示。使用這種調(diào)制格式可以利用數(shù)據(jù)累加為距離測量獲得良好的抗噪聲性能[7]。

圖1 位置調(diào)制脈沖序列的格式

將窄脈沖序列看作采樣脈沖，則由位置調(diào)制脈沖序列構(gòu)成的回波與本地連續(xù)激光相干輸出為多普勒信號的不等間隔采樣，而快速傅里葉變換算法僅適用于等間隔采樣數(shù)據(jù)，因此需要對接收到的回波預處理。根據(jù)傅里葉變換的定義

(1)

如果采樣間隔不相等則將ΔT修改為ΔTi，得到

(2)

比較(1)式和(2)式，可以看出如果采樣數(shù)據(jù)間隔不相等，只需將數(shù)據(jù)和間隔相乘，得到的新數(shù)據(jù)就可以利用FFT來計算信號的頻譜，所得到的頻譜與真實頻譜之間僅有幅度上的差異。用多普勒測量目標的速度，僅需通過頻譜計算求出多普勒信號的頻率，對頻譜的幅度不關心，因此在激光雷達的回波信號處理中可以使用這一方法。

然而，雷達回波通常淹沒在噪聲中，利用(2)式對回波脈沖幅度調(diào)整需要知道回波的位置，因此實際上需要首先利用數(shù)據(jù)累加方法確定出脈沖序列的位置，該方法存在速度測量對距離測量的依賴性。實際上，光信號的衰減和發(fā)射光強度之間存在線性關系，可以將幅度與間隔相乘這一過程調(diào)整到發(fā)射端，即將序列中每個脈沖的幅度放大到原來的ΔTi倍，構(gòu)成新的位置幅度同時調(diào)制的脈沖序列，如圖1(b)所示。發(fā)射這種格式的光信號，則可以將接收數(shù)據(jù)直接使用FFT就可以得到多普勒信號的頻率。為了得到這種格式的光信號，需要產(chǎn)生相應格式的電信號。

2 位置幅度調(diào)制序列的生成方法

為演示位置幅度調(diào)制脈沖序列的生成方法，本文選擇利用FPGA生成偽隨機序列，并利用信號放大模塊放大脈沖幅度，系統(tǒng)的原理如圖2所示。為比較原始位置調(diào)制脈沖序列和位置幅度調(diào)制序列，從DA模塊引出兩個輸出，一個連接到示波器用于觀察，另一個輸出到信號放大模塊。

圖2 脈沖序列生成的原理

作為原理演示，本文選用的FPGA型號為STEP MAXO2-V2小腳丫開發(fā)板，DA模塊選取MCP4822，其自身帶有參考電壓源，可作為最大電壓完成軌到軌輸出，并用SPI協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，其LDAC引腳可用于鎖定DAC同時輸出，通過軟件編寫設定增益選擇位可選擇單位增益或雙倍增益輸出。信號放大模塊選用AD623，是一款可編程增益放大器，由單電源供電，供電范圍3V～12V。

模塊之間的通信采用SPI通信模式，根據(jù)SPI通信的特點，采用一個簡單的線性有限狀態(tài)機來實現(xiàn)，即每到一個時間節(jié)點需要完成對應的工作。選擇使用CASE語句完成計數(shù)器的時間判斷，可以很好地在對應的時間節(jié)點完成對底層基本的數(shù)據(jù)傳送。

偽隨機碼可以通過m多項式產(chǎn)生，本設計中需要在一定時間T內(nèi)的M個不同時間段中分別放置1個碼元表示脈沖的位置，為此使用循環(huán)移位寄存器，圖3為設計中使用的簡單移位寄存器。按照位置幅度調(diào)制脈沖序列的構(gòu)成原則，第一個脈沖幅度保持不變，然后對其后的0計數(shù)，直到遇到下一個1碼元為止，0的個數(shù)為N，則將遇到的該碼元放大N倍，依次形成幅度隨脈沖間隔距離變化的波形。考慮到器件最大供給電壓為5V，設計時應該注意到1碼元對應最小幅值應為1V，對電壓放大按照倍數(shù)來算最大能放大到5V，按照倍數(shù)關系，也就是說兩個1碼元間隔最多為4。照此確定下來，時間片M中可以有3個碼元，時間片M可以是5個這樣時間T為15個碼元的寬度。

圖3 移位寄存器結(jié)構(gòu)圖示例

按照前述的原理，主要是在隨機序列上進行判斷然后進行處理，使用一段式狀態(tài)機，如圖4所示，在狀態(tài)S0中，遇到第一個碼元，先不進行判斷，接下來跳轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)S1，在S1狀態(tài)中分為兩種情況，第一種情況是目前狀態(tài)是檢測到0，另一種狀態(tài)是檢測到1，在檢測到0的基礎上進行計數(shù)用一個變量AM_X進行存儲，一直重復在S1的狀態(tài)，直到檢測到下一個1時，然后清除AM_X的數(shù)據(jù)，給它賦值為0。然后跳轉(zhuǎn)到另外一個狀態(tài)S2，在S2狀態(tài)下開始檢測，若檢測到0，進行計數(shù)AM_X自加一，然后在S2狀態(tài)下繼續(xù)檢測，繼續(xù)直到檢測到1時，跳出S2狀態(tài)，然后對AM_X進行清零，并且進入S1狀態(tài)中。

圖4 信號處理狀態(tài)圖

整個處理過程的狀態(tài)始終在S1與S2中進行循環(huán)，使發(fā)射機總是處于發(fā)射脈沖的狀態(tài)。信號放大N+1倍，不是通過程序直接倍乘，而是采用MCP41100與CP2102的聯(lián)合驗證調(diào)試，將DA模塊的數(shù)值與MCP41100的數(shù)值結(jié)合起來，完成理論上的N+1倍的效果，這樣的思路就是在對應的倍數(shù)上，使用CASE語句完成這個功能。

3 仿真結(jié)果

把程序編譯下載到開發(fā)板中，LED燈閃爍，表示偽隨機序列正在不斷地生成，將示波器通道一接到信號放大模塊的信號輸出端，通道二接到DA模塊的原始序列上，進行觀察。如圖5所示，顯示了3個時間T的信號波形，明顯看到黃色(通道一)信號有很明顯的幅度起伏，對應于位置幅度調(diào)制脈沖序列，而綠色信號(通道二)幅度不是有很大的起伏，對應于位置調(diào)制脈沖序列。

圖5 示波器觀察的位置調(diào)制和位置幅度調(diào)制脈沖序列

將圖5的脈沖序列在時間軸上放大，如圖6所示，綠色信號為位置調(diào)制脈沖序列，標號為①和②的黃色信號一個高一個低，因為1脈沖和2脈沖之間的間隔為0，所以標號②對應的脈沖放大(0+1)倍，也就是保持幅度不變，在標號②與標號③之間存在兩個0碼元間隔，則對應的標號③碼元的脈沖幅度幅度應放大(2+1)倍。作為原理演示，觀察到兩個脈沖相鄰的情況，在激光雷達脈沖波形的實際制作中，可以通過程序避免這一情況的發(fā)生。

圖6 位置幅度調(diào)制脈沖序列的放大顯示

假設激光雷達的光源波長為1550nm，道路環(huán)境中運動目標的速度范圍從行人步行速度的1m/s到高速公路兩車相向而行的最大360km/h，則運動目標產(chǎn)生的多普勒信號頻從1.29MHz到129MHz。使用這一頻率范圍內(nèi)的多普勒信號去調(diào)制信號板生成的位置幅度電脈沖信號，得到對多普勒信號的不等間隔采樣，然后直接使用FFT計算多普勒信號的頻率。在仿真中，為了使數(shù)據(jù)能夠與激光雷達實際波形匹配，對電脈沖序列在時間軸上做了壓縮，因為作為原理演示，實驗中使用的FPGA板無法產(chǎn)生超短脈沖序列。得到的信號頻譜如圖7所示，結(jié)果表明該位置幅度調(diào)制序列在速度測量方面產(chǎn)生的多普勒誤差小70kHz，對應速度誤差低于0.054m/s。距離測量方面，可與文獻[10]一致，采用數(shù)據(jù)累加方法，獲得很高的抗噪聲性能。

圖7 位置幅度調(diào)制脈沖序列被多普勒調(diào)制后直接使用FFT計算得到的頻譜圖

4 結(jié)語

本文通過使用FPGA和信號放大模塊，實現(xiàn)了位置幅度同時調(diào)制的脈沖序列電信號，可以將該序列作用于電光調(diào)制器的RF端口，生成相應的光脈沖序列。將位置和幅度同時調(diào)制的光脈沖序列作為汽車激光雷達的測量信號波形，可以在幾微秒的時間內(nèi)同時測量目標的距離和速度，且具有良好的抗噪聲和干擾性能，在智能汽車道路環(huán)境感知中具有很好的應用前景。