汽车防撞雷达中频信号处理系统的优化措施

张利杰

摘 要：汽车防撞雷达主要是通过微电脑对超声波信号进行控制及处理并经由传感器对信号进行发射及接收来计算汽车与被测物之间的距离，以此来判断是否存在危险并进行预警。其中中频信号处理系统是决定汽车防撞雷达报警功能的核心部分，影响防撞雷达的实用效果。为了使中频信号处理系统可以在实际中起到更好的应用效果，本文就针对其系统中存在的不足进行分析，根据这些问题存在的因素提出了在实际中可以采用的优化措施来提高中频信号处理装置的性能，使其可以更好的应用于汽车防撞雷达系统中。

关键词：防撞雷达；中频信号处理；MAX11043；FPGA；优化方案

汽车防撞雷达可以在汽车行驶的过程中通过信号的接收及处理来测量出其与障碍物之间的距离，并且还可以对汽车与障碍物之间的相对速度进行计算，而中频信号处理系统则是处理雷达输出及接收信号的主要装置，中频信号处理系统的功能及设计决定了其对回波信号处理的准确度。目前在汽车防撞雷达发展的过程中对中频信号处理系统优化的措施也在不断的完善及改变，以下就是对其系统优化的深入研究。

一、中频信号处理系统优化简述

1、传统的中频信号处理系统的特点

中频信号处理系统作为撞雷达系统的核心组成部分，对其进行优化可以为人们的出行安全提供一份保障。目前在防撞雷达中应用的中频信号处理装置其具有体积大、结构繁琐、匹配复杂、功耗高等问题，主要是由于其多模块PCB板级电路使其整体性能较差，而这也导致了中频信号处理系统在应用中无法良好的实现集成式数据处理。

2、中频信号处理系统的优化概述

针对上述中频信号处理系统中存在的不足，结合防撞雷达实际的使用要求及对信号处理系统模块的分析，可以采用对其驱动进行设计及对可编程端口进行控制的方式来将中频信号处理系统中各个范元进行集成化处理，使其可以形成芯片系统，从而减小中频信号处理装置体积、提高其性能、减少能耗，从而达到优化目的。在优化设计中可以采用对中频信号处理装置进行仿真及实验，通过实验来验证设计的可行性及效果，保证优化措施应用的合理性。

二、中频信号处理系统优化方

案目前，国内对汽车防撞雷达尚未制定统一的规范标准，参照国外少数调频连续波（FMCW）雷达产品的参数，可制定汽车防撞雷達的基本工作参数：工作频率24GHz；距离范围0-120m；速度范围1-180km/h。该中频信号幅值小、干扰多、信噪比低且为模拟信号，无法输入后端数据处理设备。因此需采用中频信号调理电路进行处理。首先由调制信号发生器输出三角调制波，使FMCW雷达输出中频信号；信号先由高通滤波器滤除叠加的低频调制信号；再由可变增益信号放大器放大，提高幅值；再用低通滤波器滤除外界高频杂波；使用ADC将模拟信号转为数字信号输入后端数字处理器进行处理；而数字处理器输出的反馈信号，需用DAC来转换，以输入各控制端进行控制。

基于先进车载系统的功能需求，本文中基于多功能可编程集成芯片MAX11043来满足优化需求。该芯片为四通道单端或差分输入，芯片的4个通道单独设有滤波器单元与可编程增益放大器（PGA），可实现高通滤波功能与信号放大功能；芯片内设有7级2阶可编程滤波器，可实现低通滤波功能；芯片包含16位同步采样ADC，可取代ADC；芯片集成了12位DAC，可实现调制信号发生器和模拟控制端口的控制功能。

三、功能仿真及实验验证

1、调制波生成时序分析

芯片实现调制信号发生器功能时，调制波发生功能端口时序：CLK为芯片工作时钟；端口UP/DWN为DAC步方向选择，置高电平则DAC正向步进，置低电平则DAC反向步进；端口DACSTEP为DAC步进控制，置高电平时，DAC在时钟上升沿步进一次，低电平时，DAC处于保持状态。因此，设计调制信号发生器的程序流程为：设UP/DWN为高电平，DACSTEP为低电平，等待调用驱动模块；调用驱动模块，设置相应指令以更改芯片DAC相关寄存器数据，包括写入DAC初值为0及写入DAC步长为1；驱动调用完成，准备输出波形，设DACSTEP为高电平，保持一个芯片时钟，则DAC输出正向步进一次，设置时间间隔重复步进，可得上升波形；当DAC步进至最大值，即到达三角波上顶点，设步进方向取反，继续步进，则波形下降；当波形到达下谷点时，再次改变步进方向使波形上升。重复以上步骤即可得到连续三角波调制信号。

2、外围电路的设计与实现

依据优化方案，设计中使用的多功能芯片同时连接雷达前端与开发板，FPGA同时完成进程控制和数据处理功能。芯片通过串行接口与FPGA连接，FPGA通过片选端口控制芯片访问，通过端口OSCIN为芯片提供时钟；雷达前端同向信号（IF1）与正交信号（IF2）分别通过芯片通道一、通道二输入；AOUT端口输出三角调制波经整流后连接至雷达VCO端口；未使用端口通过电容后接地处理。具体的功能实现均以可编程控制芯片的形式完成，可见，采用MAX11043作为系统主要处理单元，传统的汽车防撞雷达系统电路结构得到了大幅简化，实现了基于可编程集成芯片信号处理系统的优化。

3、实验验证

按照上述优化方案，对外围电路进行设计，制成PCB板。将驱动程序和调制信号发生器功能程序编译并下载至FPGA配置器件中，用示波器观察芯片AOUT端口输出的三角波。调用的驱动程序可良好地完成MAX11043与FPGA间的通信，输出的三角波与设定参数要求一致，证明了驱动程序的正确性，也进一步验证了优化方案的可行性。基于驱动程序的正确设计，以三角波调制信号输出的验证为例，证明了优化后的中频信号处理系统已正常运行。

结语：以上针对中频信号处理系统存在的一些影响其使用效果的问题及缺陷，提出了一种基于多功能可编程集成芯片MAX11043的优化方案。设计了FPGA环境下的芯片驱动模块且通过了驱动仿真验证，调用驱动模块后，以调制信号发生器的功能设计和实验验证为例，证实了驱动模块设计的正确性和优化方案实施的可行性。

参考文献：

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