《电子技术应用》2016年第42卷第12期0引言随着社会的发展，汽车成为人们出行交通工具的首选。出行人口众多的复杂交通状况导致我国车辆碰撞类交通事故频发。车辆碰撞类交通事故已经成为我国交通安全治理的难题。此难题同样困扰着国际上主要发达国家，为了解决此难题，国际各主要国家投入大量人力、物力对汽车防撞系统进行研制，而车载测距雷达的研制无疑是汽车防撞系统研制的核心。微波测距相比于超声波、激光和摄像等测距方式，不易受天气因素影响，抗干扰性能强，已成为车载测距雷达研制的首选[1]。美国、英国、德国、日本和瑞典先后研制出测量距离大于100m的车载防撞雷达，已经投入实用化[2]。我国车载测距雷达的研究起步稍晚，目前国内市场上实用防撞雷达系统还较少见，各大研究机构都在开展车载雷达系统的研究[3-7]，因而进行车载测距雷达系统研制的意义重大。工业和信息化部于2012年发布了《24GHz频段短距离车载雷达设备使用频率的通知》，明确规定了24GHz车载雷达的设计标准。本文基于异质结场效应晶体管*基金项目：中科院国际合作局对外合作重点项目(172511KYSB20130108)；国家自然科学基金项目（61404166）24GHzFMCW车载测距雷达系统设计*陈天琪1，2，3，杨浩1，2，戴志伟1，2（1.中国科学院微电子研究所新一代通信射频芯片技术北京市重点实验室，北京100029；2.中国科学院微电子研究所健康电子研发中心，北京100029；3.中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京101400）摘要：为了研制汽车防撞系统，设计了一款24GHzFMCW雷达系统。该系统包括雷达射频模块、中频信号处理模块和数字基带处理模块。雷达射频模块采用基于异质结场效应晶体管NE3514研制的雷达射频模块传感器实现；中频信号处理模块由高通滤波器、可变增益放大器、低通滤波器构成。采用TLV2374运算放大器设计实现高通滤波器，TLV2374运算放大器与数字电位器MCP42100设计实现可变增益放大器，AD8532运算放大器设计实现低通滤波器；数字基带处理模块采用STM32F407微处理器完成数据采集与信号特征提取以及系统控制。该车载测距雷达能够实现90m的距离测量。关键词：24GHz；调频连续波；车载雷达；测距中图分类号：TN953文献标识码：ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.009中文引用格式：陈天琪，杨浩，戴志伟.24GHzFMCW车载测距雷达系统设计[J].电子技术应用，2016，42(12)：37-40.英文引用格式：ChenTianqi，YangHao，DaiZhiwei.Thedesignofa24GHzFMCWvehiclerangingradarsystem[J].ApplicationofElectronicTechnique，2016，42(12)：37-40.Thedesignofa24GHzFMCWvehiclerangingradarsystemChenTianqi1，2，3，YangHao1，2，DaiZhiwei1，2(1.BeijingKeyLaboratoryofRadioFrequencyICTechnologyforNextGenerationCommunications，InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China；2.R&DCenterofHealthCareElectronics，InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China；3.SchoolofElectronic，ElectricalandCommunicationEngineering，UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing101400，China)Abstract：Inordertodevelopvehiclecollisionsystem,a24GHzFMCWvehiclerangingradarsystemisdesigned.Thesystemin-cludesradarRFmodule，intermediatefrequencysignalprocessingmoduleanddigitalbasebandprocessingmodule.TheradarRFsensorbasedontheheterojunctionfieldeffecttransistorNE3514isadoptedastheradarRFmodule.Theintermediatefrequencysignalprocessingmoduleconsistsofhighpassfilter,variablegainamplifierandlowpassfilter.HighpassfilterisrealizedbyusingoperationalamplifierTLV2374，variablegainamplifierisdesignedbyoperationalamplifierTLV2374anddigitalpotentiometerMCP42100，lowpassfilterisdesignedbyoperationalamplifierAD8532.Digitalbasebandprocessingmodulecompletesdataacquisi-tion,signalfeatureextractionandsystemcontrol.Thevehiclerangingradarcanachieve90mdistancemeasurement.Keywords：24GHz；frequencymodulatedcontinuouswave(FMCW)；vehicleradar；distancemeasurement嵌入式技术EmbeddedTechnology37

欢迎网上投稿www.ChinaAET.com《电子技术应用》2016年第42卷第12期ftfrT△t时间△f频率B频率△f时间图2目标相对雷达运动时FMCW雷达发射波形与接收波形时间与频率关系图图1目标相对雷达静止时FMCW雷达发射波形和接收波形时间与频率关系图ftfrT△t时间△f频率B频率△f时间NE3514研制车载雷达射频电路模块，设计并实现车载测距雷达系统。1测距原理调频连续波（FMCW）雷达的工作原理：雷达发射微波信号，微波信号被探测物反射，回波信号被原雷达接收机接收，比较接收时刻的雷达接收信号与发射信号之间的频差，能够获得探测物的距离信息。雷达与目标物无相对速度的情况下，雷达发射信号与接收信号的时间频率关系如图1所示。其中，波形ft表示发射信号的时间与频率的关系，波形fr表示接收信号的时间与频率的关系。由图可知，接收信号相对发射信号在时间上延迟△t，如果用R表示雷达相对目标的距离，c表示光速，则：△t=2R/c(1)由三角形的相似性可知：B/(T/2)=△f/△t(2)式中，△f是同一时刻发射信号与接收信号的频差，B为射频电路VCO的调制带宽。将式(1)带入式(2)可以求解得到目标距离：R=△fTc/4B(3)当雷达与探测目标存在相对速度时，雷达波形的时间与频率关系如图2所示。由于探测目标与回波信号之间存在相对速度，产生多普勒频移，表现在同一时刻接收信号和发射信号的频差相对于探测目标与雷达静止时接收信号和发射信号的频差有所升高或者降低。在调制三角波上升半周期内，中频信号可以表示为：f+=△f-fd(4)在调制三角波下降半周期内，中频信号可以表示为：f-=△f+fd(5)其中△f为探测物与雷达相对静止时的中频频率，fd为多普勒频移，由式(4)与式(5)可以求得多普勒频移：fd=(f--f+)/2(6)探测目标的相对速度可以根据多普勒频移公式求得：v=λ/4(f--f+)(7)其中，λ为发射电磁波的波长，当目标与雷达相向运动，v的符号为正；当目标与雷达背向运动，v的符号为负。2车载测距雷达系统设计2.1系统总体设计车载雷达系统的总体设计如图3所示，系统包括3个电路模块，分别是雷达射频模块、中频信号处理模块和数字基带处理模块。雷达模块用于雷达射频信号收发；中频信号处理模块用于中频信号放大与滤波；数字基带处理模块用于中频信号的采集与分析，同时完成系统控制。2.2雷达射频模块如图4所示，雷达射频模块为108个阵元构成的非对称窄波束远距离雷达传感器，该传感器模块包含1个射频低噪声放大器(RFLNA)，I、Q两通道一共4个中频电路预放大器(IFpreamplifiers)、2个混频器和1个压控振荡器(VCO)。其中VCO的输出信号频率由FMinput端口直接控制。在本文中，由DAC产生的三角波被放大与直流电平调整，控制VCO产生受控频率信号通过发射天线阵列发射，发射信号被探测车辆反射，反射信号为接收天线所接收，接收信号通过RFLNA放大，并与当前时刻VCO产生信号相混频得到中频信号，中频信号经过IFpreamplifiers放大后输入中频信号处理模块进行处理。图3系统设计总体框图嵌入式技术EmbeddedTechnology38

《电子技术应用》2016年第42卷第12期(a)系统反面(b)系统正面图7系统测试电路图854m处目标回波信号分析(a)54m处目标回波信号时间/s接收信号幅度/V距离/m信号离散傅里叶变换(DFT)后的幅值(b)54m处目标回波信号频谱幅值2.3中频信号处理模块设计中频信号处理模块电路结构如图5所示。该模块主要包括3个部分：高通滤波器、可变增益放大器和低通滤波器。由于射频电路模块各端口无法完全隔离，由射频模块I、Q两路中频输出接口输出的中频信号中存在泄露的三角波信号，为此需要高通滤波器将中频信号中泄露的三角波滤除。高通滤波器采用TLV2374运算放大器构成多路反馈二阶滤波电路实现，滤波电路低频3dB截止频率为30kHz。可变增益放大电路主要使用TLV2374运算放大器实现反向放大电路，通过MCP42100数字电位器对普通电阻替代达到增益控制的目的，可变增益放大器的放大倍数范围为1～500倍。低通滤波器的主要作用是滤除输入信号自身携带的高频噪声与中频信号处理模块产生的高频噪声，同时使输入信号带限，为后级ADC采样做准备。低通滤波器采用AD8532运算放大器构成无线增益多路反馈二阶滤波电路来实现，滤波电路的3dB截止频率为103kHz。中频信号处理模块的最大放大倍数为5000倍(74dB)。2.4数字基带处理模块设计数字基带处理模块主要完成数字信号特征信息的提取与电路系统整体控制，如图6所示。数字基带处理模块主要由STM32F407微处理器与外围模块电路构成。本文中MCU首先通过DMA1+DAC的模式产生三角波，三角波通过放大与直流电平调整，作为调制信号直接接入雷达射频模块的VCO控制输入口FMinput进行信号调制；DMA1的半传输中断和传输完成中断作为ADC采样开始的标志，ADC1与ADC2分别对I、Q两路信号进行采集。为保证ADC对信号以固定采样率进行采集，采用ADC+DMA2的模式进行设计；MCU通过控制数字电位器MCP42100的阻值来控制中频电路模块的可变增益放大器放大倍数；信号采集完成后，MCU需要对ADC采集后的信号进行数字信号特征信息提取。在本文中，信号特征信息的提取为信号频率信息提取，本设计采用离散傅里叶变换的快速算法(FFT算法)对信号的频率信息进行提取，该算法需要进行大量浮点数运算，而STM32F407微处理器内部集成浮点运算器(FPU)，该模块能够快速进行大量浮点数运算，计算出最终的测量结果在OLED屏上实时显示。3系统功能测试系统测试电路如图7所示。该测试电路包括正反两面，其中图7(a)上方为数字基带处理模块，下方为中频信号处理模块；图7(b)上方为雷达射频模块，下方为电源。典型的测试回波信号如图8所示。该图展示了54m图4雷达模块电路结构图图5中频信号处理模块电路结构图图6数字基带处理模块设计结构图嵌入式技术EmbeddedTechnology39

欢迎网上投稿www.ChinaAET.com《电子技术应用》2016年第42卷第12期系统延时时间小于2s，符合远程监控系统需求。5结论本文设计了电动汽车远程监控与服务系统，通过对系统架构的设计，实现了电动汽车远程监控系统的大量数据传输。通过合理设计远程监控客户端，实现了对车辆运行轨迹、运行参数、故障信息的查询与监测。通过基于模型的数据存储与分析，能够实现电动汽车的远程服务。在测试过程中，系统运行稳定、可靠，实现了电动汽车的远程监控和服务功能。参考文献[1]赵韩，姜建满.国内外电动汽车标准现状与发展[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2011，34(7)：961.[2]谢辉，肖斌，郝明德，等.电动汽车示范运行无线远程监控管理系统的开发研究[J].汽车工程，2006，28(8)：734.[3]陈燕虹，沈帅，刘宏伟，等.多辆电动汽车远程监控系统[J].吉林大学学报(工学版)，2013，43(2)：285.[4]张新丰，沈勇，宋謌，等.面向规模示范运营的新能源汽车远程监控系统设计[J].汽车工程，2012，34(5)：470.[5]王欢.电动汽车TTCAN总线技术研究[D].北京：中国科学院研究生院，2006.[6]陈岩，董洁，唐辉.3G网络不同制式的比较与运营分析[J].信息技术与标准化，2007(12)：30.[7]InfineonTechnology.UsermanualofXC27x7xderivatives[Z]，2011.[8]焦继业.单片机嵌入式TCP_IP协议的研究与实现[D].西安：西安科技大学，2003.[9]SimCom.SIM5320_EVBkit_userguide[Z].SIMCom，2011.[10]明媚，焦丽梅.面向应用的数据库服务器性能优化方法研究[J].计算机工程与应用，2004(34)：178.[11]曲晓涛，杨家军，师海峰.客户/服务器数据库结构及其访问机制[J].计算机工程与应用，1999(3)：87-90.[12]高恒国，罗克露，雷剑.Eclipse平台架构技术分析及基于RCP的应用研究[J].计算机与信息技术，2006(5).（收稿日期：2016-06-21）作者简介：李亚伦（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向：电动汽车远程监控。徐健（1992-），女，硕士研究生，主要研究方向：电动汽车远程监控。柳伟（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：电动汽车远程监控。(上接第36页)处目标回波信号与信号的频谱幅值，从图8（a）中能够清晰观测出回波信号，对图8（a）中回波信号进行离散傅里叶变换分析，得到如图8（b）所示的回波信号频谱幅度值，可以分辨出目标的距离信息为53m。系统测试电路对目标物距离测量结果如表1所示，在12m～90m范围内测量误差不超过10%。4结论本文介绍了一款24GHzFMCW车载测距雷达系统的设计，该系统设计结构简单、体积小，可满足雷达测距基本要求，能够作为车载防撞雷达原型机进行车载防撞雷达系统的研发。参考文献[1]王斌，刘昭度，何玮，等.车用测距雷达研究进展[J].传感器与微系统，2006，25(3)：7-9.[2]王秀春.汽车防撞雷达的发展前景[J].江苏交通，2003(3)：50-52.[3]黄文奎.毫米波汽车防撞雷达的设计与实现[D].上海：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所），2006.[4]周立.汽车防撞雷达的研究[D].南京：南京理工大学，2008.[5]郑锐.毫米波汽车防撞雷达的设计与实现[D].镇江：江苏大学，2010.[6]王文钦.防撞雷达关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2005.[7]徐俊.77GHz汽车防撞雷达系统一些关键技术研究[D].南京：东南大学，2015.(收稿日期：2016-07-05)作者简介：陈天琪（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：射频嵌入式系统设计。杨浩（1978-），通信作者，男，博士，副研究员，主要研究方向：射频/微波集成电路设计、微波模块设计和超高频射频识别技术及应用，E-mail：yanghao@ime.ac.cn。戴志伟（1989-），男，硕士，主要研究方向：射频集成电路设计。表1目标物距离测量结果实际距离/m125472788490测量结果/m115371778185误差/%8.31.81.41.23.65.6!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!嵌入式技术EmbeddedTechnology40