0 引言

    近年來自動駕駛已經(jīng)成為各大汽車廠商和科技公司爭相研究的領(lǐng)域,，而毫米波防撞雷達(dá)作為自動駕駛的重要部分也越來越得到人們的重視,。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,。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）體制無法解決多目標(biāo)測量時(shí)存在的虛假目標(biāo)問題；頻移鍵控（FSK）體制無法測量靜止目標(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。

    針對上述問題,，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，并對重要模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹,。測試結(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)，有較高的測量精度和反應(yīng)速度,。

1 系統(tǒng)算法原理

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

    對接收信號進(jìn)行下變頻處理得到中頻信號，然后分別對A,、B頻率對應(yīng)的中頻信號做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，中頻信號的頻率和相位差是一一對應(yīng)的,，即使在多目標(biāo)情況下也滿足這個(gè)條件,，不會存在信息的混疊。因此,，本方法對應(yīng)的匹配復(fù)雜度較低,，也不會導(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的虛假目標(biāo)問題,。同時(shí),，MFSK信號與FSK信號相比信號的跨度范圍更寬，測量有相同徑向速度的多個(gè)目標(biāo)時(shí),，會因?yàn)榫嚯x的不同而被MFSK信號不同的步進(jìn)階層反射,，進(jìn)而得到不同的中頻回波信號，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,。為了解決這一問題，本文將傳統(tǒng)的FFT變換改為使用全相位FFT,，首先對數(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,，提高了檢測效率,。同時(shí)，由公式可知經(jīng)過全相位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)信號的調(diào)制,、發(fā)射、接收和解調(diào)等,；信號處理板包含數(shù)據(jù)采集模塊,、FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器)以及串口模塊,，主要負(fù)責(zé)信號的采集,、存儲、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)制信號對線性度要求比較高,，傳統(tǒng)的DAC來產(chǎn)生調(diào)制信號不能滿足系統(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,，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)過汽車應(yīng)用認(rèn)證的鎖相環(huán)芯片，可以保證信號的調(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SPI信號控制鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生MFSK調(diào)制信號,；數(shù)據(jù)采集存儲模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、拆分以及存儲控制,；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)采集存儲模塊設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與存儲模塊框圖如圖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)制信號的特殊性,，A,、B頻率對應(yīng)的回波需要分開處理，因此RAM數(shù)據(jù)存儲控制模塊根據(jù)鎖相環(huán)返回的同步信號將A,、B頻率對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別存進(jìn)RAM的不同位置,。對于RAM數(shù)據(jù)存儲控制模塊，設(shè)計(jì)思路是根據(jù)同步信號對回波數(shù)據(jù)拆分,，以一個(gè)對應(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,，其對應(yīng)功能框圖如圖5所示,。首先對數(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，由于頻譜邊緣沒有足夠的參考單元而無法使用決策門限對目標(biāo)進(jìn)行檢測,。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)為輸入信號的噪聲功率譜密度的平均值（PSD），這樣就解決了CA-CFAR算法無法檢測邊緣目標(biāo)的問題,。對于傳統(tǒng)的CA-CFAR算法在進(jìn)行目標(biāo)檢測時(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程中添加了修正門限判斷,，即整個(gè)恒虛警過程需要進(jìn)行兩次判斷,。這樣，即使測試目標(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,，首先對輸入信號進(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)檢測判斷,。

4 系統(tǒng)測試

    對系統(tǒng)進(jìn)行室外測試,，測量系統(tǒng)前方汽車的距離和運(yùn)動速度，通過觀察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)的測量性能。

    首先,，設(shè)置3個(gè)運(yùn)動目標(biāo),，使用本系統(tǒng)進(jìn)行測量。為了更直觀地看到A,、B路對應(yīng)信號頻率的匹配和相位差求解的過程,，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頻率對應(yīng)的回波進(jìn)行處理得到的頻率幅度譜,，信號峰值處的頻率F和相位值P也計(jì)算了出來。由圖可知,，同一目標(biāo)對應(yīng)的A,、B路回波信號頻率幾乎相同，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)的測量結(jié)果與實(shí)際的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,，如表1所示,。由對比結(jié)果知,，本系統(tǒng)測量精度較高,，反映了實(shí)時(shí)的目標(biāo)信息。

    通過大量的現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn),，得到本系統(tǒng)測量的距離相對均方根誤差穩(wěn)定在3%,，速度相對均方根誤差在4.5%左右，測量精度較高,。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,，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)虛警檢測效率,。經(jīng)過試驗(yàn)測試證明,，本系統(tǒng)具有良好的測量精度，可以實(shí)現(xiàn)對各種運(yùn)動狀態(tài)的目標(biāo)的無模糊測量,，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）