汽车防撞雷达系统的设计与实现

摘 要： 在介绍超宽带（UWB）技术理论的基础上，给出了基于UWB的汽车防撞雷达系统的设计思路和方法。该系统用以保障汽车驾驶人员的行车安全。


随着汽车工业和社会的发展，越来越多的汽车进入普通家庭。 汽车防撞雷达可大幅降低交通事故的发生概率，具有广阔应用前景。撞探测系统进行了比较，发现毫米波体制的雷达探测系统具有稳定的探测性能，不受被测物体表面形状、颜色等因素影响；对大气紊流、气涡流等具有适应性，可以保证雷达探测系统在任何天气情况下正常运行，非常适合公路交通探测环境。介绍了毫米波汽车防撞雷达的测距、测速原理。根据实际系统的要求对毫米波汽车防撞雷达的性能提出参数化要求，讨论了几种不同的系统结构对整体系统性能的影响。从理论上对汽车防撞雷达信号产生、发射、传播、接收、处理的全过程进行了研究。研究了多发多收LFMCW雷达体制的目标探测、定位原理，分析了定位精度，并给出了系统设计方法和设计实例，多发多收定位原理可以解决波束不扫描条件下的方位分辨和测角难题。

近十几年来，美国、日本和欧洲等多家着名汽车公司投入巨额资金，先后研制成功了24GHz、60GHz、76.5GHz 3种频率的单脉冲和调频连续波2种体制的汽车防撞雷达系统。事实上，除雷达外，诸如超声波、红外激光以及视频等技术均可考虑用于汽车防撞。但经综合考虑，雷达技术最为适合。本文介绍的是基于超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术研制的汽车防撞雷达系统。

1 超宽带
超宽带又称脉冲无线电（Impulse Radio，IR），被认为是未来5年内电信热门技术之一，它的技术层面已经得到业界的广泛认可。事实上人们对UWB的研究是非常早的，从20世纪60年代就开始了，但其应用一直仅限于军事、灾害救援搜索雷达定位及测距等方面。1989年首次提出使用“超宽带”这一术语。

UWB技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。超宽带信号及其特点 美联邦通信委员会（FCC）规定： 部分带宽号称为UWB信号。其中，部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。一种典型的脉位调制（PPM）方式的UWB信号形式，它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。FCC规定[1]，在3.1G～10.6GHz之间的7.5GHz宽度频率都作为UWB通信设备所使用。但出于对现存无线系统影响的考虑，UWB的发射功率被限制在1mW/MHz以下。

按照FCC规定，UWB脉冲信号定义如下：


式中的fH，fL分别为对功率较峰值功率下降10dB时对应的高端频率和低端频率，而不是通常所定义的3dB带宽，fC为中心频率。

传统的UWB系统使用一种被称为“单周期（monocycle）脉冲”的脉冲。在计算机仿真中采用高斯脉冲来近似代替，其数学表达式为：

则重复周期为T的脉冲表达式为：

式（4）的信号表达式类似脉冲雷达的信号形式，这里脉冲宽度是ns量级，比传统脉冲雷达脉冲窄许多。所以进行测量定位可以获得很高的距离分辨率。

2 系统设计与实现

基于超宽带技术的汽车防撞系统是全新的探测技术，它通过发射GHz量级超宽带信号探测目标，用雷达原理测距测速，通过检测目标的回波来判断目标的存在。汽车雷达防撞系统的主要设计思想是考虑到交通事故往往发生在路况复杂、能见度差、驾驶员疲劳的情况下，所以其主要的设计目的是及早发现前方有潜在危险的目标，提供一个多媒体报警显示平台，及时提醒驾驶员做出相应的处理动作。该防撞雷达的主要技术参数如下：

（1）全天候型警示雷达系统，在雾、雪、夜等各种恶劣的气象环境和复杂的路况条件下均可正常工作。

（2）脉冲形式：UWB脉冲。

（3）发射机输出功率：5mW。

（4）天线水平波束宽度：6°。

（5）作用距离：200m。

（6）更新速率：40次/秒。

根据UWB汽车防撞雷达系统的总体设计要求，系统硬件结构框图如图2所示。整个系统包括4个部分：UWB脉冲产生、发射及接收、信号处理和数码显示报警。系统中采用Xilinx公司的大规模可编程逻辑器件FPGA与TI公司的DSP芯片相结合，主要功能均由用户通过软件编程实现，从而使系统具有开发周期短、结构灵活、可靠性高以及具有较好的可扩展性等优点。

系统工作时，发射端发射UWB脉冲，接收端接收到的雷达回波模拟信号经AD公司的AD9042变换为原始雷达数字信号。FPGA中通过可编程电路产生地址和控制信号，从而将数字信号送入双口RAM的指定地址，以便DSP进行读取。DSP根据公式算出前方目标的速度和距离，通过数码管实时显示出来。同时系统还会根据不同的危险程度发出不同的声光报警。信号处理程序代码存放在外部闪存中，当信号处理机脱机运行时，主程序代码能够在系统加电后自动装载到DSP片内的RAM中运行。

2.1 UWB脉冲产生模块

在研究初期，由于器件和工艺的缺乏，主要利用微波器件（如传输线）等效开关，以得到短持续时间的信号，再经过脉冲成形网络整形成满足要求的波形和电压的脉冲。目前，UWB极窄脉冲的产生方法主要通过雪崩三极管、隧道二极管或阶跃恢复二极管实现。

本系统中UWB脉冲的产生，采用雪崩三极管的雪崩效应方案，同时采用雪崩三极管级联结构来产生极窄脉冲。三极管采用NPN型晶体管，当集电极电压很高时，收集结空间电荷区内的电场强度比放大低压运用时大得多。进入收集结的载流子被强电场加速，从而获得很大的能量，它们与晶格碰撞时产生了新的电子—空穴对，新产生的电子、空穴分别被强电场加速而重复上述过程，于是流过收集结的电流便“雪崩”式地迅速增长。该脉冲发生器可以提供脉冲宽度小于2ns、幅度可调的极窄UWB脉冲。在这种发生器中，每个雪崩晶体管都有自己的存储电容，这些电容在雪崩晶体管导通时相互串联，使发生器总的等效放电电容大大减小。

为进一步提高数据速率，UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱，采用安全信令方法 （Intriguing Signaling Method）。基于UWB的宽广频谱，FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距，金属探测，新一代WLAN和无线通信。为保护GPS，导航和军事通信频段，UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB发射功率。

在常规的直接串联电路中，任一管子的损坏都会导致整个电路失效。但在这种级联电路中，即使有1个或几个管子损坏开路（除第一级外），整个电路仍可以正常运行，只是输出脉冲幅度相应减小。因而可以根据这一特性，增减级联晶体管数目来调节脉冲幅度，达到系统标准要求。

如图3所示， 在没有加入触发脉冲时，电源电压VCC分别向电容C2～C5进行充电使得所有晶体管处于临界雪崩状态。当触发脉冲Vi输入时，双极性晶体管Q1首先被击穿，C2～C5迅速放电，导致双极性晶体管Q2～Q5也被击穿。由于雪崩过程极为迅速，因此这种依次雪崩的过程还是相当快的，从宏观上可以把它看作是同时触发的。于是，在负载上就可以得到一个上升时间非常短的UWB脉冲。

2.2 DSP信号处理模块

DSP是数据处理模块的核心，设计中采用TMS320VC5402芯片。该芯片是TI公司C54X系列定点DSP芯片中的一种，它采用增强型哈佛（Harvard）结构，片内共有8条总线（1条程序内存总线、3条数据内存总线和4条地址总线）、CPU、片内存储器和片上外设等硬件，加上专业化的指令系统，使该芯片具有低功耗、并行等优点，可以满足众多领域的实时处理要求。

DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

DSP连接了2个CY7C1041V33 256K×16位SRAM和1个SST39VF400A 256K×16位Flash，以及外围的时钟电路、复位电路等组成一个DSP最小系统。其中2个CY7C1041V33 256K×16位SRAM按照数据位扩展方式连接（扩展为256K×32位）。DSP工作在微处理模式下，程序放在外部闪存中，启动后调入片内高速运行。片内ROM用于存放运算所需要的一些参数，片内RAM用做运算过程的工作空间，存放中间数据。系统设计时尽量满足采样数据处理时间小于每批采用数据的采样总时间，以此来保障数据处理系统的实时性。

2.3 FPGA内部逻辑设计

系统中FPGA接收DSP送来的控制指令，并对其译码。可编程输入/输出单元简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求，其示意结构如图1-2所示。 FPGA内的I/O按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O标准。通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O物理特性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。目前，I/O口的频率也越来越高，一些高端的FPGA通过DDR寄存器技术可以支持高达2Gbps的数据速率。所设计的FPGA内部逻辑框图如图4所示。

晶振提供40MHz的时钟，以此作为FPGA的工作时钟，分频和调整后则作为A/D的采样时钟。在FPGA内部，当触发信号到来后，打开计数器开始计数，并将计数结果作为地址送入外部双口RAM，计满所要求的数据后，关闭A/D转换器，计数器停止计数。随后，FPGA发送中断信号给DSP，DSP即进入数据处理程序。由于一个雷达信号脉冲重复周期内雷达回波信号的有效时间只是其中的很少部分，因此在该段时间对信号进行采样后，系统处在雷达休止期间，进行FPGA和DSP间的数据传输以及进一步处理。系统选用Xinlix公司Virtex系列的FPGA、ISE设计平台和Verilog-HDL硬件描述语言编程进行设计。

3 结束语

因UWB技术自身具有众多优势，因此有着广阔的应用前景。采用UWB技术研制的汽车防撞雷达系统增强了汽车防撞能力，有效地保障了人们生命和财产的安全。本文讨论的基于UWB的汽车防撞雷达系统不仅成本低、体积小、可靠性高，而且硬件设计中将FPGA和DSP相结合，所以该系统可以方便地进行改进和升级，从而提高了系统的集成度，非常受各大车主的喜欢。