【導讀】24 GHz硅基毫米波雷達技術正在實現新一代現實世界，越來越多地用于汽車、無人機、泛工業和消費類應用等大眾市場應用的非接觸式智能傳感器。ADI的新型24 GHz雷達產品提供出色的性能和高集成度，是小尺寸、低成本且易用的超低功耗解決方案，適用于物理檢測、跟蹤、安全控制和防撞警告系統等應用。
隨著新型射頻雷達傳感器應用的出現，許多希望快速完成雷達傳感器解決方案評估、設計和制造的公司面臨一系列新的開發挑戰。ADI的24 GHz雷達系統級原型解決方案（稱為DemoRAD）（圖1），可以在整個系統參考設計中實現硬件和軟件應用開發。
圖1. 24 GHz DemoRAD平臺解決方案
24 GHz DemoRAD系統是一款新穎的微波雷達評估平臺，提供開箱即用的軟件示例，可在數分鐘內輕松啟動雷達傳感器。DemoRAD可對雷達傳感器產品進行快速原型制作，從而測量目標/對象存在、運動、角位置、速度以及傳感器范圍等實時信息。
該系統硬件解決方案包括射頻天線和一條完整的射頻到基帶信號鏈（ADF5904（接收）、ADF5901（發射），ADF4159 (PLL)，ADAR7251 (AFE)），其中還包括ADI的ADSP-BF707 DSP（數字信號處理器），可通過易用的圖形用戶界面和雷達算法軟件快速連接筆記本電腦/PC（圖2）。
圖2. DemoRAD射頻到基帶信號鏈和簡化框圖
Blackfin® DSP庫中提供雷達FFT和控制固件。用戶只需幾分鐘就可將該平臺系統插入加載了軟件的計算機。使用軟件圖形用戶界面 (GUI) 提供全面的24 GHz雷達IC軟件支持，在DSP雷達支持功能庫中，通過一些額外功能可利用原始數據，并使用為雷達傳感器設計的專用MATLAB® 工具（比如2D/3D 雷達FFT、CFAR和分類算法）在PC上進行后處理。
FMCW雷達系統
基礎知識
圖3所示為雷達發射時產生的調頻連續波 (FMCW) 雷達波斜坡，以及用于定義雷達傳感器設計信息的一組重要雷達公式。
圖3. FMCW雷達概念
- 距離分辨率取決于發射載波掃描帶寬——發射掃描帶寬越高，雷達傳感器的距離速度越高。
- 速度分辨率取決于停留時間和載波頻率——載波頻率越高或停留時間越長，速度分辨率越高。
- 角分辨率取決于載波頻率——載波頻率越高，角分辨率越好。
圖4描述了對ADSP-BF707中捕獲的數據的后處理。
圖4. FMCW數字后處理信號鏈
DemoRAD系統信號鏈包括DSP中的一些基本算法，實施用于DSP FFT、波束成形和CFAR。基本目標檢測和目標分類在主機PC上運行。DemoRAD主要用于采集時域和頻域中的雷達信號。DemoRAD不包括高級目標檢測或對象分類算法。這是應用級開發工作的一個例子，通常由終端系統開發人員執行，他們非常了解雷達傳感器的工作環境以及所需的對象檢測類型。
圖5所示為Blackfin ADSP-BF70x的部分優化2D FFT，具有集成窗口功能，有助于避免飽和，實現更高的SNR，并優化內存布局，從而實現更高的帶寬和更高效的數據處理。DemoRAD提供不同的操作模式。
圖5. 使用二維傅里葉變換的距離和多普勒頻率
FMCW雷達
模式
在FMCW模式下，可以測量到靜止目標的距離。目標的下變頻接收信號的頻率與到該目標的距離成比例。在GUI中，可以進行FFT處理以確定頻率。使用距離-時間顯示選項可以查看移動目標，同時顯示屏存儲多個FMCW掃描。
距離多普勒模式
在距離多普勒模式下，可以分析到目標的距離以及速度。距離多普勒模式是最強大的操作模式之一，因為它能夠通過評估二維傅里葉變換同時處理多個發射斜坡。距離多普勒處理數據顯示在距離多普勒圖中。距離多普勒非常強大，因為它允許分離具有不同速度的目標，即使這些目標的距離都相同亦是如此。這對于不同方向上多個快速移動的目標非常有用——例如，解決汽車朝相反方向移動或超車期間的復雜交通情況。
數字波束成形 (DBF) 模式
在DBF模式下，顯示到目標的距離以及與該目標所成的角度。來自四個接收通道的接收信號用于估計目標的角度。顯示屏顯示xy平面中各目標的空間分布。在DBF模式下，系統配置與FMCW模式下的相同，但對IF下變頻信號的處理不同。在計算距離之后，通過評估四個接收通道之間的相位差來計算目標的角度信息。
在DBF模式下，需要進行雷達前端系統校準，以消除接收通道之間不必要的確定性相位差。每個DemoRAD系統都具備工廠校準數據，在運行GUI時加載。隨后會先校正采樣的IF信號，再評估傳感器的測量數據。
DemoRAD平臺的MIMO操作原理是：使用ADF5901上兩個可用的發射輸出并放置相應的天線。這樣會產生七個接收通道來提高傳感器的角分辨率——例如四個實際接收通道和四個虛擬接收通道，在一個通道上重疊。DemoRAD中使用的波形利用ADF4159 PLL的快速斜坡特性，其中上升線性調頻脈沖為280μs，下降線性調頻脈沖為4，總共為284μs。ADAR7251 AFE ADC以1 MSPS運行的情況下，采集256個采樣或在上升沿中進行數據采樣。
DemoRAD使用FMCW雷達監測最遠至200 米且分辨率約為75 cm的對象范圍和速度。根據天線陣列設計，水平 (FOV) 方位角約為120°，俯仰角約為15°。通過組合數字波束成形 (DBF) 中的天線，DemoRAD使用DBF來計算FOV中的角度信息。
本文轉載自亞德諾半導體。
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