CN104898114B - 一种频移键控连续波fsk-cw雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种频移键控连续波(FSK‑CW)雷达，它由FSK调制器、微波压控振荡器、微波前端、天线、微波混频器、中频低噪声放大器、FSK解调器、双路重建滤波放大器、双通道模拟数字转换器、字同步信号产生器、和DSP处理器组成。本发明在分析FSK雷达基本原理的基础上，提出了接收系统设计最重要的原则，提出了实现FSK调制、解调和同步的具体方案，提出了实现微波前端的三种方案，提出了数字信号处理的有效方法。按照本发明能够制造出最低价有效的FSK雷达，用于交通安全领域，实现对目标车辆的相对距离、速度、和移动方向的测量。

Description

一种频移键控连续波FSK-CW雷达

技术领域

本发明涉及电子信息和交通安全领域，提出一种设计和实现 FSK-CW雷达的简单、低价方法。这种雷达具有测速、测距和确定目标车辆相对雷达移动方向的能力。

技术背景

频移键控连续波(FSK-CW)体制已经成功用于设计低价的民用雷达，如汽车前向防撞雷达和公路管理用监测雷达。和普通的单频测速雷达相比较，FSK-CW雷达除了能够达到同样的测速精确度外，还有两个重要的优点。其一是，FSK-CW雷达具有测距能力，能够满足汽车防撞的适当要求，并且在公路安全管理应用中能使车辆位置的确定更准确。其二是，FSK-CW雷达能够在收发共用一个天线的情况下给出车辆相对于雷达的移动方向信息(来向或去向)。这里的第二点在应用中很重要，因为它隐含了进一步的优点。一大类使用集成电路微波振荡器的单频测速雷达为了获得车辆移动方向信息，其发射天线和接收天线是分离的两个天线。如果指定了天线波束宽度，使用 FSK-CW雷达方式只要单个天线，使得雷达尺寸减小一半，又同时具有测速、测距、确定目标移动方向的功能。这对于车载安装非常有利。

FSK雷达典型地使用一个压控振荡器来直接产生出微波发射信号。对微波压控振荡器进行FSK调制容易实现，然而设计实现一个完整的FSK雷达不是一件平凡的事。FSK-CW雷达早已商用化，它的一般原理是已知的，但针对具体应用的实际设计方法仍然缺乏文献报道。本发明致力于以下问题。第一，FSK雷达接收信道的设计优化。为此必须回答FSK雷达接收信道能达到的最小噪声带宽是多少，以及如何进行设计达到这个带宽。第二，FSK雷达设计方案的简约化，使得设计结果产生出一个经济有效的雷达。第三，提出一种FSK调制器的设计方案，使得雷达的生产调试容易实施。虽然关于FSK-CW 雷达有许多资料可以参考，但对第一个问题的明确回答还未见公开文献报道。本发明在回答这个基本问题的基础上提出一种简单、低价的FSK-CW雷达具体设计方案，和进一步的电路实施和信号处理方法。

发明内容

基本原理

典型的FSK-CW微波雷达由以下部分组成：(1)FSK发射单元，包括FSK调制器和微波振荡器，用来产生FSK调制的微波发射信号； (2)天线，低价雷达通常是发射-接收共用一个天线；(3)FSK接收单元，可以包括微波放大器和混频器、中频放大器、FSK解调器、模拟-数字变换器；(4)FSK调制-解调时基发生器，用来同步发射单元的调制和接收单元的解调；(5)数字信号处理器，用来处理接收信号，提取雷达目标的有用信息，如速度、距离、移动方向等。

考虑一种使用两个频率的FSK雷达的典型工作模式。在调制-解调时基发生器信号的同步下，FSK调制、解调、模拟-数字变换或数据采样同步地进行。在一个时隙τ₁上，发射频率为f₁，雷达接收信号频率为f₁+f_D1，这里f_D1是由于目标相对雷达径向移动产生的多普勒频率增量(正或负，决定于移动方向)。

其中，c＝2.998e8m/s电磁波传播速度；v-目标相对雷达径向移动速度，当目标离开雷达移动时v＞0，当目标朝向雷达移动时v＜0。只要时隙τ₁足够长，在混频后，时隙τ₁上留下频率为f_D1的中频信号。在时隙τ₁上同步地进行着数据采样，这是对f_D1中频信号的采样。在时隙τ₁后的另一个等长的时隙τ₂上，发射频率变成f₂，雷达接收信号频率为f₂+f_D2，

此处假定从时隙τ₁到时隙τ₂，目标相对雷达径向移动速度不变。在混频后得到中频f_D2，在时隙τ₂上的数据采样是对f_D2中频信号的采样。雷达不断重复时隙τ₁上和时隙τ₂上的交替动作，在信号处理器中收集N个时隙τ₁上的采样值和伴随的N个时隙τ₂上的采样值，进行数据处理。

在数值上，τ₁＝τ₂＝τ，FSK调制周期为T＝2τ。在FSK接收机中频单元输入端，信号可能会呈现幅度交替改变的形式，交替改变的频率是F＝1/T＝1/2τ。合理设计的FSK雷达应该能够保证，利用若干个发射频率为f₁的时隙上接收的雷达目标信号，能够正确地获得频率为 f_D1的多普勒信号；利用若干个发射频率为f₂的时隙上接收的雷达目标信号，能够正确地获得频率为f_D2的多普勒信号。与f₁或f₂在数值上相比较，实际上的频率调制幅度|Δf|＝|f₂-f₁|很小，f₁≈f₂， f_D1≈f_D2＝f_D。注意到FSK调制频率等于对多普勒中频信号的采样频率，为了在FSK解调后能够正确地重建多普勒中频信号，必须选取调制频率F≥2f_Dmax，这里f_Dmax是雷达容许测量的多普勒频率上限值，它决定于雷达容许测量的雷达目标速度上限值：

其中v_max是雷达容许测量的雷达目标径向速度上限值。

由此可以知道，f_Dmax是FSK雷达接收机噪声带宽的下限值，这和单频连续波测速雷达是一致的。

在另一方面，由于发射频率以f₁和f₂交替切换，混频器以后输出的中频信号f_D1和f_D1也是按时隙τ交替切换地出现。即使两个中频频率f_D1≈f_D2＝f_D，这两个中频信号的相位一般是不一致的，而且相位差决定于目标距离：

其中Δf＝f₂-f₁是FSK调频宽度；Δφ＝φ₂-φ₁；φ₁和φ₂是当目标距离为R 时，中频信号f_D1和f_D1的相位。

正是由于中频信号f_D1和f_D1有相位差，在FSK接收机中频单元输入端，信号才会呈现幅度交替改变的形式，交替改变的频率是 F＝1/T＝1/2τ。为了保证接收信号有低噪声系数，在中频前级需要使用低噪声放大器。为了限制FSK接收系统的噪声带宽，必须在FSK 解调器之后使用一个重建滤波器，使该滤波器的带宽等于噪声带宽下限值f_Dmax。

FSK雷达的一个设计方案

根据上述接收信道的设计原则，制定出本发明的完整设计方案如图1所示。图1中，1是FKS调制器，它接受来自控制数字采样的字同步信号，按照需要的两个发射频率f₁和f₂的大小和时间长度，产生出适当的调制电压。2是微波压控振荡器，它接受调制电压的控制，交替地产生频率为f₁和f₂的微波振荡信号。3是微波前端，它将一部分微波振荡信号输送到天线，形成微波发射；同时它将天线接收的雷达目标反射信号输送给微波混频器5；它还将一部分微波振荡信号直接输送给混频器5。这样，在混频器5上能够实现发射频率和目标反射频率的混频，使得在混频器5的输出端能够得到由于目标径向移动产生的多普勒频率。4是雷达天线，这是一个收发共用天线。典型地，使用微带阵列天线可以达到高性能和低价格的目标。6是中频低噪声放大器。7是FSK解调器，它将来自前级放大器的交替合成信号分拆为两路独立信号，其中一路是中频信号f_D1(的斩波信号)，另一路是中频信号f_D2(的斩波信号)。需要设计后续的重建滤波放大器8和9 的带宽B，使得满足B＝f_Dmax。按照Nyquist采样准则，只要选取调制频率F≥2B＝2f_Dmax，在重建滤波放大器8和9的输出端上就能重建出两个独立的中频信号，频率分别是f_D1和f_D1。按照这个设计方案，整个接收系统的最终噪声带宽为B＝f_Dmax，达到下限值，保证了接收系统具有最佳的灵敏度。

图1中10是双通道模拟数字转换器，典型地，工业级双声道模拟数字转换器(ADC)是一个适当的选择。在这种情况下，需要一个晶体振荡器11为ADC提供时钟。ADC工作于主控模式，它向DSP 处理器13提供3路信号：第一路是字同步信号(103、104、105)，它是电平交替变化的方波；第二路是位同步信号(102)，为DSP接收每个数据位提供同步信号；第三路是二进制串行数据(101)。双通道数据是交替、串行地组织在一个数据串中，并与字同步信号发生同步。这样，字同步信号用于指示DSP，使得能够正确地从一个数据串中分割出两路独立的串行数据。

将双声道ADC的字同步信号用作FSK雷达的调制和解调同步信号能够节省一个额外的同步时基发生器。工业级双声道ADC还具转换精度高(可达24位)、价格低的综合优点。例如Cirrus Logic公司生产的CS5343-DZZ及同类芯片，工作温度范围为-40℃～+105℃，可以满足汽车和公路的应用环境。这种方案中，ADC工作于主控 (Master)状态(图2)。如果对应用环境有更高要求，可以使用其他的双通道ADC。在一般情况下，ADC的片选信号或信道选择信号可以作为字同步信号以及FSK的调制和解调同步信号。这时，需要使用一个独立的字同步信号发生器12，ADC工作于被控状态。这种电路方案和工作模式如图3所示。

在低价雷达中，本发明中的微波前端可以使用一个简单的无源功分器(图4)。适当增加雷达成本，引入微波功率放大器、微波环形器和低噪声微波放大器，可以使FSK-CW雷达输出的信号质量更高，雷达作用距离增加。图5中，3a是一个环形器，它保证发射振荡器输出的信号功率主要输送给天线；同时天线接收的信号功率主要地输送给微波混频器。良好的环形器，其隔离度可以达到15dB到20dB 或更高，如果发射振荡器输出功率较小，从发射振荡器直接耦合到混频器上的本振功率较小，导致变频损耗高。引入无源功率合成器5a 可以改善本振功率太小的问题。天线接收信号经环形器3a传送给功率合成器5a；而发射振荡器2的一部分输出也耦合到合成器5a，经 5a合成后传送给混频器5。如果发射振荡器的输出功率小(例如在 16dBm以下)，使用图6所示的微波前端方案是一个可取的选择，其中使用了一个低噪声微波前置放大器5b。放大器5b可以改善接收系统的噪声系数，同时将本振信号恢复到较高水平，使混频损耗大大降低。在以上方案中，在发射振荡器之后增加一级功率放大器是一个简单有效的措施，只会稍微增加系统成本。

附图说明

图1本发明中FSK雷达的一个系统设计框图。

图2使用双通道ADC的字同步输出信号作为雷达FSK调制和解调的同步信号。

图3使用独立的字同步信号发生器对双通道ADC、FSK调制、和FSK解调进行同步。

图4微波前端示意图，最简单的微波前端是一个无源功分器。

图5用微波环形器和无源功率合成器构造的微波前端。

图6用微波环形器和低噪声微波放大器构造的无源前端。

图7FSK调制器电路方案。

具体实施方式

FSK-CW雷达中两个频率值f₁和f₂，或其中一个频率值及频差Δf＝f₂-f₁，它们的准确性和稳定性决定了雷达测量目标距离、速度、和相对移动方向的准确性。在一般情况下，应该使用锁相环(PLL) 方法来产生两个频率f₁和f₂。这时，它们的准确性和稳定性容易得到保障。不过，含PLL的雷达发射源，电路构件比较多，使得雷达总体成本比较高。在实际情况下，无论是汽车防撞应用或是车辆速度监测应用，对雷达测量目标距离和速度的准确度要求不很苛刻，而应用市场对雷达的价格十分敏感，使设计人员不得不考虑更低价的雷达实现方案。在低价FSK-CW雷达中发射振荡器直接用一个微波压控振荡器(VCO)来构造，两个频率值f₁和f₂由控制电压(即FSK调制电压，Vctl)来控制。由于VCO的电压-频率控制特性是非线性的，并且VCO器件特性因器件不同差异很大，在产品生产调试中就必须要有技术方法来保证生产和调试的易操作性。图7是FSK调制器的设计方案。图7中，R1和R2构成一个低阻分压器，电阻R3具有较高的电阻值。调制电压产生器201的供电电源由基准电压源202供给。在字同步信号作用下，调制电源产生器输出质量良好的方波，低电平是0，高电平是一个稳定电压E。设计和调整R1和R2，使得调制信号处于0电平时，VCO产生出f₁为规定的频率值，例如24.150GHz。利用一台微波频谱分析仪，测量雷达天线发射频率，能够方便地实现对VCO输出频率的测量。然后调整R3，使得调制信号处于高电平E 时，VCO产生出f₂为规定的频率值f₂＝f₁+Δf。只要R3远大于R1//R2，适当调整R3将不会显著改变f₁的大小。如果有必要，可以适当重复这个调整过程，直到f₁和f₂达到希望的数值。由于相对值|Δf|/f₁可能不到1/10⁴，以上设计和调整过程容易实现。

按照本发明的设计方案，雷达信号处理的过程可以如下安排。DSP接收来自ADC的2N个交替安排的采样数据，将其分拆为两组、每组N个数据，它们分别是中频信号f_D1和f_D1的采样数据。将两组长度为N的数据分别记为a(n)和b(n)，并将它们组织成一组长度为N的复型数组c(n)＝a(n)+jb(n)，实施N点复型FFT计算，结果记为C(n)。从计算结果C(n)，利用已知的公式可以方便地得出a(n)和b(n)的傅里叶变换A(n)和B(n)。搜索A(n)和B(n)中的幅度最大点位置，如果它们的幅度最大点位置相同，记为n_x，则得出目标径向速度值为

上式中n_x的上限值是N/2，意味着雷达能够测量的目标速度上限值是

计算无相位混淆的最大距离

雷达工作的距离应该限制在R＜R_max范围内。在此条件下，计算相位差

Δφ＝φ(B(n_x))-φ(A(n_x))，

如果Δφ＞0，说明车辆按离开雷达的方向行驶；如果Δφ＜0，说明车辆按朝着雷达的方向行驶。同时，目标距离按下式计算

上式中的负号只是一个速度方向记号，结果的距离值是一个无符号数值。

在DSP实施信号处理计算的同时，接收来自ADC数据的过程并不中断，保证了雷达测量目标的过程持续地进行。

Claims (4)

1.一种频移键控连续波(FSK-CW)雷达，其特征在于，所述雷达组成成分包括：FSK调制器，它接受来自控制数字采样的字同步信号，根据微波振荡器的电压-频率特性，产生出对应两个交替频率f₁和f₂的调制电压；微波压控振荡器，它接受调制电压的控制，交替地产生频率为f₁和f₂的微波振荡信号；微波前端，它将一部分微波振荡信号输送到天线，形成微波发射，同时它将天线接收的雷达目标反射信号输送给微波混频器，它还将一部分微波振荡信号直接输送给混频器；收发共用天线；连接到混频器后的中频低噪声放大器；连接到低噪声放大器后的FSK解调器，它将来自前级放大器的交替合成信号分拆为两路独立信号；所述两路独立信号分别送到后续的两路重建滤波放大器，该重建滤波放大器的带宽B需满足B＝f_Dmax，其中f_Dmax是雷达目标多普勒频率的上限值；双通道AD变换器，其将两路重建滤波放大信号变换为两路数字信号，而两路数字信号交替串行成为单路信号送给后续的数字信号处理器；字同步信号产生器，它实际只是双通道模拟数字转换器的字同步信号输出，将其用作FSK雷达的调制和解调同步信号能够节省一个独立的同步时基发生器；数字信号处理器。

2.权利要求1所述的FSK-CW雷达，其特征在于：微波前端是以下三种方案中的任何一种：(1)一个无源功分器；(2)环形器加上无源功率合成器；(3)环形器加低噪声微波放大器。

3.权利要求1所述的FSK-CW雷达，其特征在于：所述FSK调制器由一个基准电压源、调制电压产生器、和一个电阻网络组成。

4.权利要求1所述的FSK-CW雷达，其特征在于：高速数字信号处理器实现两路串行信号分拆和组合，使用一次复型快速离散傅里叶变换和简单计算同时获得两个实型离散傅里叶变换的计算结果，并由此计算雷达目标的距离、速度、和移动方向。