一种低成本FMCW雷达测距系统中频电路设计

·微机应用

·1引言

雷达是利用电磁波探测目标的电子装备,是集

中了现代电子科学技术先进成果的高科技系统。雷达发射电磁波照射目标并接收回波，由此来发现目标并测定目标的位置、运动方向和速度等特性。在雷达最初面世之时，因其成本和体积等诸多限制，几乎都是用于军事用途，例如舰载雷达、机载雷达、用于火炮锁定的相控雷达阵列等。经过长期发展，随着对雷达研究的深入和硬件水平的进步，一些低成本的

小型雷达也实现了民用化。尤其是近年来随着物联网技术的发展，人们在赋予物品电子信息灵魂的同时，也更加注重智能设备给安全出行带来的提升。例如当下最热门的自动驾驶技术，作为一整套复杂的电子设备和软件相互配合的产物，其技术核心即是基于雷达防撞系统之上的。

FMCW （Frequency Modulated Continuous Wave ），

即调频连续波雷达，

因其具有辐射功率小、测距精度高、设备简单、易于实现固态化设计等优点[1-3]，无论是在军用领域还是在民用领域都有广泛的应用。故

一种低成本FMCW 雷达测距系统中频电路设计*

王

硕1，殷树娟1，李翔宇2

（1.北京信息科技大学理学院,北京100192；2.清华大学微电子学研究所，北京100084）摘要:为适应FMCW 雷达技术在研究深度及相关硬件水平上的新发展，

以FMCW 雷达测距原理为基础，设计了用于FMCW 雷达系统的一款中频处理电路，包括调制信号的产生、中频电路参数的计算及电路实现。为方便验证中频电路性能，设计实现了一种基于FPGA 的信号采集方案及信号处理

办法，并放置静态目标进行验证。实验结果表明，测试系统能够测量10m 以内的目标距离，

测距平均误差为±0.1m 。该中频电路设计方案简洁便利、易于实现、成本较低且性能良好，

为FMCW 雷达民用化应用提供了一种解决方案。

关键词：雷达测距；中频处理电路；

信号采集；低成本DOI ：10.3969/j.issn.1002-2279.2019.02.012中图分类号:TN952文献标识码:A 文章编号：1002-2279（2019）02-0052-05

Design of an Intermediate Frequency Circuit for Low Cost FMCW Radar

Ranging System

WANG Shuo 1,YIN Shujuan 1,LI Xiangyu 2

(1.The College of Science,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China;

2.Institute of Microelectronics,Tsinghua University,Beijing.China.)

Abstract:In order to adapt to the new development of FMCW radar technology in research depth and relevant hardware level,on the basis of the ranging principle of FMCW radar,an intermediate frequency processing circuit for FMCW radar system is designed,including the generation of modulation signals,the calculation of intermediate frequency circuit parameters and circuit implementation.In order to verify the performance of intermediate frequency circuit conveniently,a signal acquisition scheme and signal processing method based on FPGA are designed and implemented,and static targets are placed for verification.The experimental results show that the test system can measure the target distance within 10m with an average ranging error of ±0.1m.The IF circuit design scheme is simple and convenient,easy to implement,low in cost and good in performance,and provides a solution for the civilian application of FMCW radar.

Key words:Radar ranging;IF processing circuit;Signal acquisition;Low cost

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61604014)；北京市教委科技面上项目(71E1810981)；北京信息科技大学2018年度教学改革

立项资助(2018JGYB33)作者简介：王硕（1992—），男，北京市人，硕士研究生，主研方向：集成电路设计。

收稿日期：2019-01-08

*微处理机

MICROPROCESSORS

第2期2019年4月

No.2Apr.，2019

..

2期此，

针对行业内的面向民用化的趋势，以汽车防撞雷达为背景，

采用24GHz 小型雷达模块，设计一种基于FMCW 雷达的中频处理电路，

并使其发挥出设计简单、易于实现、低成本、性能良好等优势。

2

原理与中频参数设计

2.1

FMCW 测距原理

FMCW 雷达的工作原理是用回波信号和发射

信号的一部分进行相干混频，

得到包含目标距离和速度信息的差频信号，

然后对差频信号进行处理和检测以得到目标的速度和距离。通常情况下，FMCW 的调制方式有锯齿波和三角波两种。锯齿波调制可以获得目标的距离信息，三角波调制可以获得目标

的距离和速度信息，但锯齿波调制为单扫频信号，在信号产生上相对简单，在信号处理的研究和实现上也更容易，因而成本低廉，故此本设计采用锯齿波调频来实现FMCW 的测距功能。锯齿波调频雷达的测距原理如图1所示。

其中f M 为调制信号带宽，T M 为调制周期，t p 为

时延，f b 为差频，由此可得距离运算公式：

2.2

滤波参数设计

根据锯齿波调制FMCW 雷达检测静止目标的测距公式(1)，可推导出中频信号的频率公式如下：

通过上述公式，可以看出中频信号的频率主要与调制信号带宽、调制周期及目标放置位置有关。雷达前端收发机采用Rfbeam 公司的24GHz 低成本雷达K-LC2，该模块集成了射频的收发及混频等功能，可以在锯齿波或三角波的调制方式下发射连续波。电路的基本结构如图2所示。根据该型号雷达收发机参数手册，该类型雷达收发机调制带宽为800MHz 。信号的调制周期与雷达的应用距离有关，探测目标越近，则所需调制信号频率越高。在探测

远距离目标（30~100m ）时通常采用100~200Hz 的调

制频率；探测近距离目标（10~20m ）时采用500~1kHz 的调制频率[4-7]。

此类型雷达收发器的作用距离与检测目标相

关，根据防撞雷达的技术需要，本设计首要检测目标为人。该类型雷达以人为检测目标时距离要求控制

在10m 以内。因此采用近距离探测的调制信号，

以1kHz 的锯齿波为调制信号，预警目标为大于等于人

的物体，探测距离为0.4~10m 。

由上述公式(2)可以计算得到，在该场景下的中频信号的大致范围为2~66kHz 。

依据回波信号的频率范围，我们可以设计中频处理部分滤波器的主要参数。高通滤波器的主要作用是抑制锯齿波调制信号的泄露，将高通的截止设置5kHz ，为调制信号频率的5倍，可以有效消除调制信号的泄露，同时衰减近距离目标回波的信号的幅度，避免溢出———近距离目标因为信号衰减少，回波能量通常较强。低通滤波器截止频率采用70kHz ，略高于频率范围上限，以保证目标距离较远、信号较弱时，有用信号尽量不被衰减，同时滤除系统中混有的高频干扰。

2.3放大参数设计

对大参数进行设计，首先需要确定回波能量的大小，然后根据回波能量大小及AD 的选择确定放大倍数。雷达信号回波的能量大小可以由雷达方程中的几个关键参数来决定。雷达方程为：

上式中,P r 就是回波的功率大小，P t 是发射功率，

G 是天线增益，A e 为天线孔径，σ是被测目标的雷达横截面积，R 是被测目标的距离。其中发射功率、天线增益、天线孔径参数都是根据雷达收发机的参数

f

f M

f Tx f Rx

f b

t p

T M

t

图1锯齿波调制FMCW 静止目标回波

(1)

b M

M

c 2f T R f

(2)

M b M 2c

f R f T

T x

R x

I

Q FM Input

图2雷达收发机电路结构

(3)

4

e r 2

t 4π=

P G A R P

（）王硕等：一种低成本FMCW 雷达测距系统中频电路设计

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