摘? 要： 介紹了多普勒雷達(dá)測速原理和用DSP芯片TMS320VC5402的匯編程序?qū)崿F(xiàn)FFT算法方案，在DSP芯片中對被檢測車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率進(jìn)行頻譜分析。針對交通雷達(dá)測速系統(tǒng)的原理及測試方法進(jìn)行了深入分析，并提出了有效改善其性能的方法。對提高國產(chǎn)交通雷達(dá)測速系統(tǒng)的精度與可靠性并使其向多功能測試系統(tǒng)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號處理器； 雷達(dá)測速； 頻譜分析；多普勒效應(yīng)
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超速行駛是我國道路交通事故的主要原因之一。雷達(dá)測速是檢測車輛超速行駛的有效方法之一，但目前大多數(shù)雷達(dá)測速儀采用的計(jì)數(shù)鑒頻方法，其測試精度不高、電路復(fù)雜、測量功能單一等，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。而現(xiàn)在應(yīng)用的基于數(shù)字信號處理器的雷達(dá)測速儀幾乎都是進(jìn)口的，價(jià)格十分昂貴。本文所設(shè)計(jì)的基于DSP的雷達(dá)測速儀不僅提高了測試精度、增加了測量功能，而且大大降低了成本，具有很高的推廣價(jià)值。
1 雷達(dá)測速原理
雷達(dá)測速主要利用了雷達(dá)的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是指當(dāng)發(fā)射源和接收者之間有相對徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的信號頻率將發(fā)生變化。
如圖1所示，雷達(dá)發(fā)出無線電波，無線電波以光速傳播，如果無線電波遇到前方物體，則會(huì)被反彈回來。當(dāng)前方物體相對發(fā)射源靜止時(shí)，反彈回來的無線電波的頻率不會(huì)改變。若物體是朝著天線電波發(fā)射的方向前進(jìn)，所反彈回來的無線電波會(huì)被壓縮，電波頻率增加；反之，若前方物體遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反彈回來的電波頻率降低。雷達(dá)接收頻率與發(fā)射頻率之間的差稱為多普勒頻率。增加或降低所產(chǎn)生的頻率差為：
式中, fd為多普勒頻率，vr為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度，C為光速，f0為發(fā)射波頻率。
由式(1)可以得到被測物體的速度為：
因此，只要測出fd，就可以計(jì)算出被測車輛的速度[1-2]。
測量fd的方法有時(shí)域法和頻域法兩種。由于雷達(dá)工作環(huán)境會(huì)使收到的信號的背景比較復(fù)雜，信噪比大大降低，傳統(tǒng)的時(shí)域方法對檢測或識別干擾和噪聲中的多普勒信號都比較困難,而且會(huì)使測頻精度明顯下降。而采用頻域法，選擇合適的采樣頻率及適當(dāng)?shù)牟蓸哟翱诳梢源蟠筇岣邷y頻精度和可靠性。本設(shè)計(jì)即采用頻域法。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用TI公司的定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5402來完成信號處理工作，以滿足系統(tǒng)對精度和速度的要求。TMS320VC5402是TI公司為實(shí)現(xiàn)低功耗、高速實(shí)時(shí)信號處理而專門設(shè)計(jì)的位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),具有高度的操作靈活性和運(yùn)行速度，可滿足實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的需要。C54X系列DSP芯片種類很多，但結(jié)構(gòu)基本相同，主要由中央處理器CPU、內(nèi)部總線控制、特殊功能寄存器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、I/O接口擴(kuò)展功能、串行口、主機(jī)通信接口HPI、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)等10個(gè)部分組成。TMS320VC54x的結(jié)構(gòu)是以8組16位總線為核心，形成了支持高速指令執(zhí)行的硬件基礎(chǔ)。8組總線分為1組程序總線、3組數(shù)據(jù)總線和4組地址總線。系統(tǒng)原理框圖[3-4]如圖2所示。
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本設(shè)計(jì)要求對雷達(dá)接收信號作實(shí)時(shí)處理，TMS320VC5402的時(shí)鐘為100? MHz，可在10? ns內(nèi)完成一些乘法指令。為提高程序運(yùn)行速度，不宜用片外存儲(chǔ)器作為程序存儲(chǔ)器，因?yàn)橄鄬τ贒SP的內(nèi)部處理速度來說，片外存儲(chǔ)器的存取速度都顯得太慢，因此只能利用芯片的上電加載功能,使程序運(yùn)行時(shí)指令全都從DSP內(nèi)部RAM取出，這樣速度就很快，充分發(fā)揮了DSP的高速優(yōu)勢。而DSP的內(nèi)部RAM一方面要用作程序空間，另一方面還要用作數(shù)據(jù)空間，因此必須考慮好芯片的內(nèi)部RAM容量，而TMS320VC5402中有32 KB的RAM，完全可滿足需要，不需要再用外部存儲(chǔ)器了[5]。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
DSP軟件系統(tǒng)流程圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。數(shù)據(jù)采集是通過DSP的中斷INT0實(shí)現(xiàn)。為了便于FFT變換，數(shù)據(jù)采集個(gè)數(shù)為2N(N為正整數(shù))，所采集數(shù)據(jù)滿足要求的個(gè)數(shù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理主要包括加窗、FFT、動(dòng)門限信號檢測處理。通過加窗的方法可以對由于截?cái)嘈?yīng)帶來的頻譜泄露的現(xiàn)象予以限制；而頻譜分辨率可以通過適當(dāng)增加FFT運(yùn)算數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)來加以提高，通過FFT處理可以得到信號頻譜信息；動(dòng)門限信號檢測是通過檢測信號幅度判斷有用信號與噪聲。最后傳輸數(shù)據(jù)，主機(jī)從DSP中讀取結(jié)果，并控制顯示。主機(jī)與DSP之間的通信采用的是查詢方式，在DSP的RAM區(qū)定一個(gè)存儲(chǔ)空間，當(dāng)DSP得出結(jié)果時(shí),DSP向這個(gè)地址寫標(biāo)志并停止運(yùn)行下一條程序，一旦主機(jī)查到標(biāo)志，即從DSP中讀出結(jié)果，并把標(biāo)志清零，DSP查到零后程序繼續(xù)往下運(yùn)行[6]。
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用TMS320VC5402的匯編程序?qū)崿F(xiàn)FFT算法主要步驟如下：
(1) 實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)。輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)實(shí)際上就是將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行位碼倒置，以便在整個(gè)運(yùn)算后的輸出序列是一個(gè)自然序列。在用匯編指令進(jìn)行位碼倒置時(shí)，使用位碼倒置尋址可以大大提高程序執(zhí)行速度和使用存儲(chǔ)器的效率。
(2)實(shí)現(xiàn)N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT。在進(jìn)行FFT運(yùn)算時(shí)，由于TMS320VC5402是一個(gè)定點(diǎn)DSP，因此要考慮溢出和定標(biāo)問題。
(3) 功率譜的計(jì)算。由于本系統(tǒng)主要是對信號鑒頻，不要求信號具體的功率，只需求FFT變換后數(shù)據(jù)的最大值，不需要平方和開平方，對功率譜的結(jié)果沒有影響，所以在實(shí)際的DSP編程中省去了開方運(yùn)算。
(4) 輸出FFT結(jié)果。
本文利用TMS320VC5402 DSP實(shí)現(xiàn)了交通中對車輛速度的測量，并能穩(wěn)定、可靠快捷地計(jì)算出速度。由于應(yīng)用了DSP分析多普勒頻譜，頻率估計(jì)更加準(zhǔn)確可靠，測速誤差在1 %之內(nèi)。該系統(tǒng)體積小、操作方便，能夠滿足目前國內(nèi)對交通中車輛速度檢測系統(tǒng)的要求。
參考文獻(xiàn)
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[5] ?Texas Instruments. TMS320VC5402 datasheet, 2000.
[6] ?周晶晶.雷達(dá)測速儀數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 西北工業(yè)大學(xué)碩士論文，2006.