0 引言

    近年來(lái)自動(dòng)駕駛已經(jīng)成為各大汽車廠商和科技公司爭(zhēng)相研究的領(lǐng)域，而毫米波防撞雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛的重要部分也越來(lái)越得到人們的重視。毫米波雷達(dá)在惡劣自然環(huán)境的良好測(cè)量能力使其在避免交通事故的發(fā)生、保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著使用需求的增多，車載雷達(dá)的研究取得了很大的進(jìn)展，很多方法體制被提了出來(lái)。但是傳統(tǒng)的很多方法存在一定的缺陷，如：線性調(diào)頻波（LFM）體制無(wú)法解決多目標(biāo)測(cè)量時(shí)存在的虛假目標(biāo)問(wèn)題；頻移鍵控（FSK）體制無(wú)法測(cè)量靜止目標(biāo)和具有相同徑向速度的目標(biāo)^[1-3]；文獻(xiàn)[4]研究了一種變周期鋸齒波的測(cè)量方法并提出了目標(biāo)匹配算法，但是采用最小耦合距離差的匹配方法可能導(dǎo)致多普勒頻移大的目標(biāo)丟失和虛假目標(biāo)的產(chǎn)生；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)波束控制的相控陣?yán)走_(dá)，提高了系統(tǒng)的測(cè)量范圍和精度，但復(fù)雜的硬件系統(tǒng)和高昂的成本使其應(yīng)用受限。

    針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究了一種基于MFSK的車載雷達(dá)系統(tǒng)FPGA實(shí)現(xiàn)方法，該方法結(jié)合全相位FFT算法，提高了相位估計(jì)精度；采用改進(jìn)的CA-CFAR算法提高了系統(tǒng)檢測(cè)效率。本文給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案以及具體的FPGA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖，并對(duì)重要模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)體制的缺點(diǎn)，有較高的測(cè)量精度和反應(yīng)速度。

1 系統(tǒng)算法原理

    MFSK信號(hào)是LFM和FSK兩種信號(hào)組合而成的，其具體形式如圖1所示。由圖可知，該信號(hào)是由A、B兩個(gè)線性頻率信號(hào)交替步進(jìn)得到的，兩個(gè)信號(hào)的頻率差為f_shift，步進(jìn)的頻率為f_step，發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)之間的差頻是f_B，調(diào)制信號(hào)帶寬是B_SW，T_CPI代表調(diào)制周期。

    對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行下變頻處理得到中頻信號(hào)，然后分別對(duì)A、B頻率對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)做FFT變換和理論推導(dǎo)，得到目標(biāo)的距離R和速度v存在以下關(guān)系：

    由上述距離速度求解公式可知，中頻信號(hào)的頻率和相位差是一一對(duì)應(yīng)的，即使在多目標(biāo)情況下也滿足這個(gè)條件，不會(huì)存在信息的混疊。因此，本方法對(duì)應(yīng)的匹配復(fù)雜度較低，也不會(huì)導(dǎo)致虛假目標(biāo)的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)LFM體制由于上下掃頻匹配而帶來(lái)的虛假目標(biāo)問(wèn)題。同時(shí)，MFSK信號(hào)與FSK信號(hào)相比信號(hào)的跨度范圍更寬，測(cè)量有相同徑向速度的多個(gè)目標(biāo)時(shí)，會(huì)因?yàn)榫嚯x的不同而被MFSK信號(hào)不同的步進(jìn)階層反射，進(jìn)而得到不同的中頻回波信號(hào)，克服了FSK由于調(diào)制頻率覆蓋范圍窄在此方面的缺陷^[6]。

    由于本系統(tǒng)的距離速度求解需要用到相位信息，而相位極易受到外界噪聲的污染，對(duì)系統(tǒng)信噪比要求較高，這也成了阻礙MFSK體制應(yīng)用的重要因素。為了解決這一問(wèn)題，本文將傳統(tǒng)的FFT變換改為使用全相位FFT，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后再做FFT^[7-8]。將MFSK系統(tǒng)回波中頻信號(hào)代入全相位FFT算法公式，可得全相位FFT頻譜與傳統(tǒng)FFT頻譜之間的關(guān)系如下：

式中，X_ap(k)代表全相位FFT后的頻譜，A_s為中頻信號(hào)的幅度，X(k)是FFT后的頻譜。由二者的關(guān)系式可知，與傳統(tǒng)FFT相比，全相位FFT后數(shù)據(jù)的主譜線和旁瓣的功率值由于平方關(guān)系而差距變大，主譜更加突出，降低了系統(tǒng)的虛警率，提高了檢測(cè)效率。同時(shí)，由公式可知經(jīng)過(guò)全相位FFT后的數(shù)據(jù)具有相位不變性的特點(diǎn)，相位值始終是4πf₀R/C，不受頻譜搬移的影響，進(jìn)而保證了相位估計(jì)的精度。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    MFSK車載雷達(dá)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由電源模塊、雷達(dá)傳感器、信號(hào)處理板和數(shù)據(jù)顯示上位機(jī)4部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中電源模塊主要為雷達(dá)傳感器和信號(hào)處理板提供合適的電壓和電流；雷達(dá)傳感器包括鎖相環(huán)電路、射頻電路和陣列天線，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制、發(fā)射、接收和解調(diào)等；信號(hào)處理板包含數(shù)據(jù)采集模塊、FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)以及串口模塊，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、處理和傳輸；數(shù)據(jù)顯示上位機(jī)主要是用于顯示系統(tǒng)最終的測(cè)量結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的距離速度信息。

    由于MFSK調(diào)制信號(hào)對(duì)線性度要求比較高，傳統(tǒng)的DAC來(lái)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)不能滿足系統(tǒng)需求，因此本系統(tǒng)采用控制鎖相環(huán)電路產(chǎn)生MFSK信號(hào)的方法。其中鎖相環(huán)電路使用的是ADF4158芯片方案，該芯片不僅可以調(diào)制信號(hào)，而且還具有波形產(chǎn)生能力，是一款6.1 GHz小數(shù)N分頻頻率合成器，有較高的頻率分辨率，是經(jīng)過(guò)汽車應(yīng)用認(rèn)證的鎖相環(huán)芯片，可以保證信號(hào)的調(diào)制精度。

3 FPGA硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)

    根據(jù)MFSK體制測(cè)量原理，設(shè)計(jì)FPGA總體實(shí)現(xiàn)功能框圖，如圖3所示。其中鎖相環(huán)控制模塊主要是通過(guò)SPI信號(hào)控制鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生MFSK調(diào)制信號(hào)；數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、拆分以及存儲(chǔ)控制；框圖中的CFAR模塊使用的是改進(jìn)的CA-CFAR算法，該模塊模塊不僅可以起到去噪的作用，還可以有效地提高頻譜峰值檢測(cè)效率；其中的頻率容差匹配模塊是考慮到計(jì)算誤差，這里設(shè)計(jì)了頻率匹配容差函數(shù)：|f_Ak-f_Bk|≤2/T_CPI，其中T_CPI為MFSK信號(hào)調(diào)制周期，匹配成功即得到目標(biāo)的峰值位置和相應(yīng)的頻率值。本系統(tǒng)使用CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer）算法來(lái)進(jìn)行反正切運(yùn)算求相位，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)補(bǔ)償，提高了計(jì)算精度。聯(lián)立通過(guò)CORDIC模塊得到的相位差和頻率容差匹配后得到的中頻頻率就可以計(jì)算出目標(biāo)的距離和速度值。

3.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊框圖如圖4所示，首先數(shù)據(jù)采集模塊產(chǎn)生200 kHz的采樣時(shí)鐘控制ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣，然后接收采樣數(shù)據(jù)。由于MFSK調(diào)制信號(hào)的特殊性，A、B頻率對(duì)應(yīng)的回波需要分開(kāi)處理，因此RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制模塊根據(jù)鎖相環(huán)返回的同步信號(hào)將A、B頻率對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別存進(jìn)RAM的不同位置。對(duì)于RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制模塊，設(shè)計(jì)思路是根據(jù)同步信號(hào)對(duì)回波數(shù)據(jù)拆分，以一個(gè)對(duì)應(yīng)的調(diào)制周期為一單元。將每個(gè)單元的2 048點(diǎn)數(shù)據(jù)分配到每個(gè)步進(jìn)組，得到每組的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的位置，將它們分別交替地放在RAM的不同地址單元。采用流水線操作，保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效率。

3.3 全相位FFT模塊設(shè)計(jì)

    全相位FFT模塊包括全相位數(shù)據(jù)預(yù)處理和FFT變換兩部分，其對(duì)應(yīng)功能框圖如圖5所示。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗，本模塊使用的是漢寧窗，預(yù)先將窗函數(shù)數(shù)據(jù)存入ROM中，通過(guò)依次讀取RAM中的中頻數(shù)據(jù)和ROM中的窗函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗運(yùn)算，然后將加窗后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM。下一步全相位數(shù)據(jù)預(yù)處理控制模塊根據(jù)全相位FFT算法的處理流程從RAM的相應(yīng)地址讀取數(shù)據(jù)并相加，本系統(tǒng)中取RAM第1位數(shù)據(jù)和第513位數(shù)據(jù)相加，第2位和第514位數(shù)據(jù)相加，依次類推，最后將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)再存入RAM，由此就完成了全相位FFT的數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)于FFT變換，需要用FFT控制模塊從RAM中讀取數(shù)據(jù)，并控制FFT IP核進(jìn)行相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的FFT變換。

3.4 改進(jìn)CA-CFAR模塊設(shè)計(jì)

    由于在實(shí)際的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的CA-CFAR算法有一定的局限性^[9-11]，因此本文采用改進(jìn)的CA-CFAR算法，在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上增加了左右邊緣單元和修正門限判決。當(dāng)目標(biāo)的距離比較遠(yuǎn)或是比較近時(shí)，其目標(biāo)頻譜在整個(gè)頻譜的最左邊或是最右邊，由于頻譜邊緣沒(méi)有足夠的參考單元而無(wú)法使用決策門限對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。所以本文設(shè)計(jì)的方法在左右兩端各增加一個(gè)參考單元的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為輸入信號(hào)的噪聲功率譜密度的平均值（PSD），這樣就解決了CA-CFAR算法無(wú)法檢測(cè)邊緣目標(biāo)的問(wèn)題。對(duì)于傳統(tǒng)的CA-CFAR算法在進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)容易把噪聲當(dāng)做目標(biāo)，為了避免這種情況，在最后的決策處理過(guò)程中添加了修正門限判斷，即整個(gè)恒虛警過(guò)程需要進(jìn)行兩次判斷。這樣，即使測(cè)試目標(biāo)的功率譜密度比傳統(tǒng)CA-CFAR的決策門限值高，其還需要與修正門限值進(jìn)行比較，再做最終判斷。其中修正門限值與距離單元有關(guān)，隨著距離變遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)功率譜密度越小，修正門限值越小，增加了一步修正門限的判斷，大大降低了體統(tǒng)的虛警率。改進(jìn)CA-CFAR模塊的數(shù)據(jù)流框圖如圖6所示，首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行雜波功率提取，然后再將數(shù)據(jù)輸入移位寄存器，根據(jù)本模塊參考單元和保護(hù)單元的個(gè)數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)延遲。同時(shí)將雜波功率輸入CFAR數(shù)據(jù)處理部分，用于添加邊緣單元，輸入修正門限用于進(jìn)行最后的目標(biāo)檢測(cè)判斷。

4 系統(tǒng)測(cè)試

    對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行室外測(cè)試，測(cè)量系統(tǒng)前方汽車的距離和運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)觀察PC上的數(shù)據(jù)顯示上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，與實(shí)際的汽車的距離和速度進(jìn)行比較，進(jìn)而驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量性能。

    首先，設(shè)置3個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，使用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。為了更直觀地看到A、B路對(duì)應(yīng)信號(hào)頻率的匹配和相位差求解的過(guò)程，使用FPGA系統(tǒng)采集某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB處理，得到圖7結(jié)果，分別是A、B頻率對(duì)應(yīng)的回波進(jìn)行處理得到的頻率幅度譜，信號(hào)峰值處的頻率F和相位值P也計(jì)算了出來(lái)。由圖可知，同一目標(biāo)對(duì)應(yīng)的A、B路回波信號(hào)頻率幾乎相同，相位值不同，此時(shí)只需將求得的相位值相減，再聯(lián)合配對(duì)得到的目標(biāo)頻率值就可以計(jì)算出目標(biāo)的距離和速度。將數(shù)據(jù)顯示上位機(jī)的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。由對(duì)比結(jié)果知，本系統(tǒng)測(cè)量精度較高，反映了實(shí)時(shí)的目標(biāo)信息。

    通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到本系統(tǒng)測(cè)量的距離相對(duì)均方根誤差穩(wěn)定在3%，速度相對(duì)均方根誤差在4.5%左右，測(cè)量精度較高。同時(shí)，系統(tǒng)極少出現(xiàn)虛假目標(biāo)，并且不丟失目標(biāo)，反應(yīng)速度迅速，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于FPGA的MFSK體制車載雷達(dá)系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用MFSK波形作為調(diào)制信號(hào)，克服了傳統(tǒng)波形體制的一些缺陷。同時(shí)使用了全相位FFT算法和改進(jìn)的CA-CFAR算法提高了相位估計(jì)精度和系統(tǒng)虛警檢測(cè)效率。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試證明，本系統(tǒng)具有良好的測(cè)量精度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目標(biāo)的無(wú)模糊測(cè)量，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，可以提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的目標(biāo)信息。當(dāng)然，本系統(tǒng)的測(cè)試都是在實(shí)驗(yàn)條件下完成的，環(huán)境干擾較少，而真實(shí)的路況信息更加多樣化，雜波較多，所以為了適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境，本系統(tǒng)還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

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作者信息:

宋永坤1，蔣留兵2，車  俐2

（1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；

2.桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院，廣西 桂林541004）