【经验】用于汽车应用的FMCW雷达工作原理及如何使用MMIC和MCU/SoC实现

时间： 2021-12-10 来源：Renesas

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本篇文章RENESAS概述了用于汽车应用的FMCW雷达工作原理及如何使用MMIC和MCU/SoC实现。

1.1 什么是雷达？

雷达（Radio Detection and Ranging）使用无线电波来检测环境中的物体。它可以确定距离（称为范围）、角位置（方位角）和速度。雷达技术是在二战期间为军事用途而开发的，但现在有许多民用应用，包括空中或海上交通管制、天文学、海洋和气象监测、高度测量、地质观测和汽车应用。

雷达系统包括一个发射器，它向某个方向发射射频电磁波（雷达信号），然后目标物体反射的信号（回波）被雷达接收器检测到。反射的幅度由物体的材料特性、尺寸和形状（雷达截面 RCS）决定。通过处理这个反射信号，可以确定目标的特性。

1.2 FMCW雷达

汽车雷达系统使用调频连续波 (FMCW) 工作。该系统以特定频率发射连续波，然后在一段时间T内进行调制。这为发射的信号提供了一个“时间戳”。然后信号传播到目标，其中一部分被反射回来。雷达将检测到的反射信号，将其与原始信号进行混合，并对产生的信号进行处理。图1给出了一个简化的示意图。

图 1：FMCW 汽车雷达——原理和构建模块

图2和图3显示了该雷达信号的一个示例。返回信号的形状与发射信号的形状相似，但随着从雷达到目标的双向行程所需的时间量 ∆t 发生时间偏移与到目标 R 的距离成正比：

其中c为光速。

图 2：锯齿波 FMCW 雷达信号：频率与时间

图 3：FMCW 雷达信号：幅度与时间的关系。

通过在任何给定时刻将反射波与原始信号进行比较，可以观察到频移 Δf。这种偏移可以确定信号或“啁啾”的每个周期的范围R。如果信号在几个啁啾中被监测，由于多普勒效应，一个目标移向或远离雷达时会检测到额外的频移 fD，这可以确定目标的速度。最后，如果考虑不同的信道，使用空间分布的天线，可以确定信号的到达方向，以获得目标的2D或3D位置。

这意味着，要进行4D检测（距离、方位角和仰角方向以及速度），需要对信号进行时空处理。为此，需要将信号数字化并保存以供进一步处理。第一步是创建“雷达立方体”。

1.3 雷达处理——雷达立方体

雷达数据立方体是对存储的雷达数据进行时空处理的三维图形描绘。它总结了获取距离、速度和方位信息所需的三个基本步骤。

如上所述，对接收信号进行采样以进行处理。第一步是执行FFT（快速傅立叶变换），使每个样本对应一个“bin”，以获得所谓“快时间”内的距离信息。这在图 4 中进行了说明。对形成帧的每个啁啾重复该过程。

图 4：雷达处理：range FFT

一旦获取、保存和处理了一帧中的所有码片，就会执行多普勒-FFT以获得有关目标速度的信息。该评估每帧进行一次，即每N次啁啾。因此，它也被称为“慢时间”。最后，将所有可用通道的空间数据组合起来，得到雷达立方体的第三维，其中包含有关目标空间位置的信息。雷达立方体的图形表示如图 5 所示。

图 5：雷达立方体

1.4 汽车雷达模块

半导体技术（尤其是硅基技术）的进步促进了汽车雷达的部署。虽然在2010年代初期多通道雷达收发器集成在单个GaAs（砷化镓）MMIC（单片微波集成电路）上，但现在使用硅锗（SiGe）提高了集成密度并降低了批量生产的成本。下一个挑战将是向CMOS（互补金属氧化物半导体）过渡，这将允许在芯片上集成更多数字电路，同时保持良好的射频性能。

然而，要实现雷达系统，每个雷达模块必须包括一个或多个MMIC收发器，它们发射雷达信号，检测来自障碍物的回波，并执行一些信号调节和数字化，以准备原始雷达数据，供处理单元进一步分析。后者可以是用于基本处理的微控制器单元 (MCU)，但随着雷达技术的进步，SoC（片上系统）越来越多地用于实现更复杂的分析、检测和跟踪。

图6说明了在整个接收路径上处理雷达信号的不同步骤。虽然模拟射频处理和数字信号转换总是在MMIC 上进行，但用于信号分析的接口并不是固定的。随着雷达架构和信号处理的日益复杂，一些步骤（例如第一个 FFT）已经可以在MMIC上执行。此外，还可以将雷达收发器和处理单元组合在单个单片芯片中，用于角雷达等某些应用。

图 6：雷达处理步骤

未来，可以实现更复杂的架构，在汽车周围分布多个卫星雷达。然后，雷达模块在将数据传送到电子控制单元 (ECU) 之前仅执行有限的预处理，然后电子控制单元 (ECU) 可以应用更先进的处理和数据融合，而不仅限于卫星雷达模块以及其他传感器。

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