24GHz汽车毫米波雷达实验报告

24GHz汽车毫米波雷达实验报告是德科技射频应用工程师王创业1. 前言汽车毫米波雷达越来越多的被应用在汽车上面，主要作为近距离和远距离探测，起到防撞、辅助变道、盲点检测等作用。

随着器件工艺和微波技术的发展，毫米波雷达产品越来越小。

俗话说：“麻雀虽小，五脏俱全”，同样汽车毫米波雷达作为典型的雷达产品，也包含收发天线、发射部分、接收部分、DSP部分。

典型原理框图如图1所示。

汽车毫米波雷达的性能指标主要体现在测速精度、定位精度、距离分辨率、多目标识别等方面，要实现这些性能和功能，首先要做好整体系统的设计和仿真，其次对于各功能部分的性能指标要严格把控测试，最后要在实际现场环境完成测试考核。

汽车毫米波雷达体制上面主要有线性调频连续波FMCW体制雷达、频移键控FSK体制雷达、步进调频连续SFCW体制雷达。

不同体制雷达在产品实现复杂程度和应用上都是有区别的。

FMCW体制雷达可以同时探测到运动目标和静止目标，但是不可以同时探测多个运动目标。

电路需要比较大的带宽。

FSK体制雷达，可以同时探测并且正确区分开来多个运动目标，但是不可以正确测量静止目标。

电路带宽比窄，系统响应捕获比较慢，成本比FMCW体制要低很多。

SFCW体制雷达，可以同时探测多个静止和运动的目标，并且将各个目标正确区分开来。

SFCW体制雷达具有更为复杂的调制波形，信号处理也更为复杂，产品实现成本高。

2.实验目的在汽车毫米波雷达系统研制过程中，经常会碰到各式各样的问题，譬如系统波形的选择和设计、系统链路的设计、信号处理算法的选择、微波电路的设计调试、天线的设计。

主要的问题主要体现在系统方案、处理算法模拟、微波电路指标调试及对系统性能的影响上。

典型的例子，在FMCW雷达系统，雷达探测距离分辨率不仅与信号的调制带宽有关，还与FMCW调制的线性度有关。

利用是德科技平台化解决方案，即软件+硬件+工程师，可以很容易的实现雷达系统设计仿真、处理算法验证、微波电路设计测试、天线设计测试。

基于以上的问题，该实验主要实现以下三个目的：1)软件硬件结合，SystemVue+仪表实现各类信号的产生；2)系统设计仿真、算法验证3)VCO线性调制度分析4)场景信号录制回放和信号分析3.实验要求该实验采用FMCW雷达体制，结合SystemVue软件和仪表实现以下功能：1)汽车雷达信号产生a.24GHz标准雷达信号产生：Triangle调制信号、Sawtooth调制信号b.FMCW雷达信号的回波和杂散信号产生c.三个组合三角波调制波形产生2)汽车雷达信号分析，结全89601B VSA软件实现对24GHz FMCW雷达模块VCO进行线性度分析3)SystemVue系统仿真和算法实现4)场景信号录制回放和信号分析a.不同RCS静止单目标回波信号的实现和录制b.运动单目标回波信号的实现和录制c.利用不同回波信号验证DSP处理算法4.实验内容4.1汽车雷达信号产生在固定周期内，发射信号的频率随着调制信号连续变化就形成FMCW信号，如下图所示。

通过发射信号与回波信号混频即可得到差拍信号f b。

f b=∆F2R t m C//下面论述Triangle信号Sawtooth信号的原理和区别对于静止目标在tm时刻内线性频率变化的线性调频信号，发射出去碰到前面物体会产生回波，在某时刻发射信号和回波信号差拍后得到频率fb，通过上图可以看出，fb与Sawtooth的斜率、调制带宽∆F、回波信号的延迟有关。

回波信号的延迟时间：t=2R CR是雷达与目标间的距离，C是光速。

为了得到目标与雷达间的距离，必须求出发射信号与回波信号差拍频率fb，利用零差信号检测技术可以得到该频率。

实现原理是发射调频信号与回波信号混频，对混频后的信号做FFT变换就可以得到差拍频率fb。

对于线性调频信号来讲，差拍频率与调频信号的线性有关，所以很容易求出雷达与目标间的距离：R=t m C 2∆Ff b由公式可知，线性调频雷达的距离分辨率与时间的分辨率成正比，与调频带宽成反比。

∆R0=C∆T2=C2∆F上式中的∆R0是理想的距离分辨率，∆T是时间分辨率，∆F是发射信号的带宽。

所以带宽决定了雷达的距离分辨率。

为了得到高的分辨率，要用到大的带宽。

如400Mhz的带宽时间分辨率为2.5ns，距离分辨率为0.37m。

距离分辨率可表示为：∆R=t m C2∆F∆f b∆f b是接收机的频率分辨率，取决于FFT的点数和采样频率。

对于运动目标对于运动目标来讲，差拍频率不仅与距离有关，还与目标的速度有关。

锯齿波调制的FMCW信号，运动目标的差拍频率为：f b=−∆F2Rt m C+2vfC2vfC为多谱勒频率，v为目标的速度，f为雷达发射频率。

对于锯齿波调制来讲，在上升过程中差拍的频率与距离和速度有关R=t m C2∆Ff b1f b1是上升过程的差拍频率，t m C2∆F是线性频率调制的线性度。

所以由上面公式可知，目标的距离受速度的影响会产生误差。

为了解决锯齿波调制信号带来的距离误差的问题，可以采用两边对称的三角波作调制信号。

原理如下图所示。

f b triangle=∆F4f m RC=∆F4Rt m C多谱勒频率：f d=2VfC如果是运动目标，接收到的信号信息包含了多谱勒频率和回波信号的延迟时间t。

根据多谱勒原理，如果雷达和目标是在靠近，则回波信号的频率是变大的，这样差拍后的频率变小。

在上升过程：f b+(triangle,upsweep)=−∆F4Rt m C+2VfC同样下降过程中，发射线性调制频率变小，对应下降过程差拍频率为：f b−(triangle,downsweep)=∆F4Rt m C+2VfC由此可以计算出目标的距离和速率：R=t m C8∆F(f b+−f b−)V=−C4f(f b++f b−)是德科技SystemVue加仪表可以产生各种雷达信号，具体实现框图如下图所示。

RADAR: Tx Waveform Generation1.Sawtooth调制信号产生信号幅度：1V调制信号周期：100us最低频率：10 KHz最高频率：500 KHz2.Triangle调制信号产生信号幅度：1V调制信号周期：100us最低频率：10 KHz最高频率：500 KHz回放信号频谱3.组合三角波信号产生∙3个三角波信号，周期分别为4ms, 8ms, 12ms∙同时给出同步信号∙调制Innosent 模块IVQ-905∙录制IQ信号按照客户要求用81180A下载调制信号给Innosent雷达模块发射出去，给定场景下接收反射信号，用示波器对差拍后的IQ信号进行录制。

3个三角波主要是用于多目标跟踪。

假定有三个目标，对应a 段时刻内三个目标在上升和下降过程分别有两个差拍频率，这样两两组合就会有9检测目标。

同样在b 段和c 段同样也会有9个检测目标，当在所有3段时刻内都得到的目标才是真正的目标。

为a 为b 段检测到的目标 为c 段检测到的目标4. 利用Signal Studio N7620B 也可以产生相应的调制信号，但是调制带宽主要取决于信号源的调制带宽，最大160MHz 。

VR在Signal Studio中每个三角波设置两个脉冲参数，如4ms的角波，pulse1和pulse2设置如下图所示。

区别在于pulse1为上升扫描而pulse2为下降扫描。

4.2 汽车雷达信号分析由于各式各样的问题，在雷达接收端收到的信号并不一定都是标准线性调频信号，如下图所示。

所以对汽车雷达研制工程师来讲，主要有以下主要挑战：∙FM调制线性度；∙相位噪声和传输路径上的AM噪声∙发射端泄漏对接收端的影响∙在雷达传感器和目标之间的杂散和多个反射信号∙其它雷达传感器的干扰如何来描述FMCW线性调制度？FMCW线性调制度就是最大调制频偏与调制带宽的百分比。

FM Error Peak (Hz) = max( Measured FM – LFM Best-fit )INL Best-fit (%) = [FM Error Peak (Hz) / LFM Best-fit Pk-Pk Deviation (Hz)] * 100是德科技89601B VSA软件选件BHP专门针对FMCW信号进行调制分析，该软件支持如下功能：∙同步到多Chirp 线性调频雷达信号，自动进行FM线性度分析∙跟踪同频频率后，可以得到相位和幅度误差∙每Chirp内调制参数矩阵化显示∙累积统计功能∙累积趋势和柱状图显示∙同时分析接收和录制回放信号，作对比测试∙支持信号分析仪、示波器和模块化数字采集仪利用89601B VSA软件BHP FMCW分析功能，可以非常方便的测试FMCW信号调频线性度、每脉冲内的幅度误差和相位误差、每脉冲内的累积统计结果。

表格内调频线性度最大误差为10.6KHz/us。

45us内的调制带宽为54MHz。

Innose采用先进的 MMIC 技术的 K 波段 VCO 雷达收发器CW/FSK/FMCW 工作模式∙独立的 PLL 振荡器可矫正参考频率∙利用参考频率，用户可确定相应的调制信号 Vtune 的幅值∙独立的发射和接收路径，可获得最大增益；其中，一根为发射天线，两根为接收天线∙ I1 、Q1 、I2 、Q2 四个接收通道∙低噪声的 RF 和 IF 前置放大器nt雷达模块IVQ-905测试IVQ-905 结构示意图IVQ-905雷达模块有三种工作状态，精调模式、中间模式和粗调模式，三种模式依次调制带宽会增加，但同时线性度会变差。

在雷达工作模式下，增加带宽会改善距离分辨率，但器件宽带模式下线性度会变差，也会影响到雷达的分辨率，所以实际工作模式要结合算法做折中选择。

结合N9030A下变频的功能，用DSOX9000系列示波器89601B软件在PRI 500us范围内对发射信号进行了线性度测试。

在精调模式下测得线性度误差为2.9%在中间模式下测试发射信号的线性度为7.7%。

4.3 软件系统仿真和算法验证该仿真系统包括发射部分、信道部分（回波信号产生、杂散）、接收部分、DSP算法部分。

在射频部分可以用软件自带库，也可以嵌入ADS电路模型，可以在仿真验证电路对系统的影响，如电路的非线性、谐波、相位噪声等。

在DSP算法部分，可以嵌入Matlab语言、C++语言等。

4.4雷达回波信号录制和分析在雷达系统测试中，接收机要对实际的回波信号进行解调分析。

通常测试都是在空旷环境和微波暗室中进行测试，由于无线信道的不确定性，以及场地的限制，需要对回波信号进行录制和回放，这样可以保证不同接收机可以在相两信号条件下做比较测试，也可以避免经常路测的高昂费用。

该实验在Open Lab中进行，限于场地因素只起演示作用。

实现框图如下图所示。

E8267D N9030AN5182BN5182B MXG 信号源∙9KHz ～6GHz∙内部调制带宽160MhzE8267D PSG 信号源∙100KHz ～20GHz∙内部调制带宽80Mhz24GHz 天线 反射物体N9030A 信号分析仪∙3Hz ～26.5GHz ∙分析带宽160Mhz路由器雷达信号回波采集系统发射信号：∙中心频率：24GHZ∙调制波形：三角波∙调制信号周期：100us∙调制带宽：60MHz89601B VSA软件连接N9030A，可以直接解调分析24GHz的雷达信号，在VSA模式下，录制信号的容量达536M IQ Sample pairs，录制时间大约为536M/(span*1.28)。