說明

? ? 本篇博文梳理(車載)毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成，特別地，對其射頻前端各部件做細(xì)節(jié)性的原理說明。本篇博文會基于對這方面知識理解的加深以及讀者的反饋長期更新內(nèi)容和所附資料，有不當(dāng)之處或有其它有益的參考資料可以在評論區(qū)給出，我們一起維護(hù)，我會定期完善。

Blog：

20221008博文第一次寫作。

文章架構(gòu)

目錄

說明

文章架構(gòu)

一、雷達(dá)原理與系統(tǒng)概述

二、射頻前端構(gòu)成與理解

2.1 本振(波形產(chǎn)生器)

2.2 倍頻器

2.3 功分器

2.4 移相器

2.5 PA

2.6 小結(jié)：發(fā)射機(jī)的主要評價指標(biāo)

2.7 LNA

2.8 混頻器

2.9 濾波器

2.10 接收機(jī)的增益控制

2.11 小結(jié):接收機(jī)的評價指標(biāo)

三、總結(jié)

四、參考資料

一、雷達(dá)原理與系統(tǒng)概述

? ? 雷達(dá)是一種電磁傳感器，用來對反射性物體檢測和定位(當(dāng)然，現(xiàn)階段的雷達(dá)其功能已經(jīng)發(fā)展到實(shí)現(xiàn)包括成像、目標(biāo)識別/分類等應(yīng)用層面了，跟蹤可以歸結(jié)到前面的檢測和定位中)，雷達(dá)工作基本原理(過程)為：

1、雷達(dá)通過天線輻射電磁能量，使其在空中傳播。

2、部分輻射的能量被離雷達(dá)某個距離上的反射體截獲。

3、目標(biāo)截獲的能量重新輻射到許多方向上。

4、一部分重新輻射的能量返回至雷達(dá)天線，并被雷達(dá)天線接收。

5、在被接收機(jī)放大和合適的信號處理后，在接收機(jī)的輸出端做出目標(biāo)回波信號是否存在的判決，此時目標(biāo)的位置和其它有關(guān)目標(biāo)的信息就可以得到了。

由此，雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成可以概括如下：

雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成 圖片來源：《現(xiàn)代雷系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》1.2節(jié)

? 要明白的是：雷達(dá)發(fā)射信號和接收信號的幅度之間是有巨大差別的！這個差別可以通過雷達(dá)方程量化：

式中，Pr為接收功率，Pt為發(fā)射功率，Gt、Gr分別對應(yīng)發(fā)射與接收天線增益，σs為目標(biāo)RCS，λ為波長，R對應(yīng)目標(biāo)離雷達(dá)的距離。一個典型的車載雷達(dá)其接收天線接收功率與距離的關(guān)系趨勢圖如下所示：

? ? 仿真中，發(fā)射功率為12dBm，收發(fā)天線增益為10dBi，關(guān)于雷達(dá)方程在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用細(xì)節(jié)我會在另外的博文中給出，本篇博文專注雷達(dá)的射頻器件的介紹。

? ? 本篇博文涉及的射頻前端限于：發(fā)射部分 + 接收部分(到ADC前)，ADC往后的部分是信號和數(shù)據(jù)處理的工作了（比如使用DSP等做數(shù)據(jù)的處理）。于是，對應(yīng)到前面雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成圖中，本博文涉及到的硬件包括：波形產(chǎn)生器、發(fā)射機(jī)(其中可能包括的倍頻器、功分器、PA、移相器等)、接收機(jī)(其中包括的LNA、混頻器、濾波器、增益控制部分等)，另外還有對雙工器的介紹。

二、射頻前端構(gòu)成與理解

? ? 需要說明的是，現(xiàn)階段這些全部的射頻前端器件都在往集成化的方向靠：把全部的東西都做到一顆芯片里頭，在車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域，業(yè)內(nèi)上游的芯片廠家包括NXP、Ti、國內(nèi)的加特蘭等他們產(chǎn)品都是如此，SOC可以極大程度地減小尺寸、功耗、成本、系統(tǒng)也得到簡化，魯棒性更強(qiáng)。不過值得提及的是：NXP的產(chǎn)品方案基本都是收發(fā)器與處理器分開的(比如其最新款的TEF82xx收發(fā)芯片和S32R45處理器)。而Ti、加特蘭等多數(shù)廠家將數(shù)據(jù)處理部分和前端收發(fā)部分集中到了一顆芯片內(nèi)部。這兩種方案的優(yōu)劣這里暫且不表。

? ? 完整的系統(tǒng)框圖如下(以Ti IWR1642為例)：

?Ti IWR1642系統(tǒng)框圖

2.1 本振(波形產(chǎn)生器)

? ? 車載77GHz毫米波雷達(dá)的本振基本都是從19-20GHz通過4倍頻(或者X2再X2)上去的，本振的實(shí)現(xiàn)方式很多，現(xiàn)階段大多采用的是基于鎖相環(huán)(PLL)的方案？PLL的具體原理可以參看別的資料，比如：鎖相環(huán)(PLL)基本原理 | 亞德諾半導(dǎo)體 (analog.com)，更具體地，PLL從外部拿到晶振的低頻輸入(一般是比如50MHz的無源晶振給的信號，會經(jīng)過一些內(nèi)部的整形操作再做為PLL的輸入)，在PLL中調(diào)節(jié)包括起止頻率和chirp斜率等參數(shù)，該調(diào)頻連續(xù)波信號最終由VCO輸出給到后端的倍頻器(一般從VCO出來的這個20GHz的LO信號功率大概在-6dBm左右)。

?本振源信號流向 (來源IWR1642 datasheet)

40MHz晶振----Clean Up PLL----RF SYNTH----X4MULT?

2.2 倍頻器

? ? 倍頻器的實(shí)現(xiàn)不在本博文的討論范圍之內(nèi)，倍頻器_百度百科 (baidu.com)，倍頻器將前述本振頻率整數(shù)倍(具體為4倍)地提高，倍頻器可以使前述主振蕩器在較低頻率工作，可以提高其頻率穩(wěn)定度。

2.3 功分器

? ? 功分器將前述倍頻上來的信號分成多路輸出(具體看有多少個發(fā)射通道)，比如IWR1642的是分成了兩路。一個功分器的輸出端口之間應(yīng)保證一定的隔離度，此外，功分器每一分路都會有衰減，所以我們需要在其后增加PA來放大信號。功分器的具體實(shí)現(xiàn)不在本博文的介紹范圍功率分配器_百度百科 (baidu.com)。功分器一般是可逆的：也可以反過來講多路信號能量合成一路，此時稱為合路器。

2.4 移相器

? ? 移相器顧名思義就是改變發(fā)射信號的相位，這樣做的目的可以用來做包括：控制波束指向(比如相控陣?yán)走_(dá)相控陣?yán)走_(dá)_百度百科 (baidu.com))、通過改變相位以抗干擾(具體可見我寫的另一篇博文：車載毫米波雷達(dá)信號處理中的干擾問題_墨@#≯的博客-CSDN博客)、在MIMO中天線同時發(fā)射時通過改變發(fā)射相位以方便后端的通道分離(比如BPMA、DDMA等，具體可見我寫的另一篇博文：車載毫米波雷達(dá)MIMO陣列的天線發(fā)射問題_墨@#≯的博客-CSDN博客)，主要是前述三點(diǎn)作用吧。

? ? 移相器的實(shí)現(xiàn)不在本博文的討論范圍之內(nèi)，現(xiàn)階段商用芯片能實(shí)現(xiàn)的主要是：0/180°的相移或6bits控制的5.625°的相位步進(jìn)(比如Ti的2243和1843)。

2.5 PA

? ? 功率放大器(Power Amplifier), 射頻放大器_百度百科 (baidu.com), 為了保證足夠的射頻功率，在最末端需要使用功放將功率提高再饋給天線，一般芯片手冊中介紹的芯片發(fā)射功率就是指從PA出來的功率值，雷達(dá)產(chǎn)品的一個比較重要的標(biāo)準(zhǔn)叫功率平坦度，便是對PA的一個比較嚴(yán)格的指標(biāo)要求。PA的具體實(shí)現(xiàn)不在本博文的討論范圍之內(nèi),各現(xiàn)有車載毫米波雷達(dá)產(chǎn)品的功率輸出大都在12dBm左右。

2.6 小結(jié)：發(fā)射機(jī)的主要評價指標(biāo)

? ? 前述各部分共同構(gòu)成了發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)為雷達(dá)提供了一個載波受到調(diào)制的大功率射頻信號，經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)由天線輻射出去。根據(jù)雷達(dá)的用途不同，需對發(fā)射機(jī)提出一些具體的技術(shù)要求和性能指標(biāo)：發(fā)射機(jī)的具體組成和對各部分的要求都應(yīng)該從這些性能指標(biāo)出發(fā)進(jìn)行考慮。

A、工作頻率或頻段：對于車載毫米波雷達(dá)而言是76GHz-81GHz。

B、輸出功率：如前所述，取決于功放PA出來的功率，CMOS工藝下現(xiàn)階段的商用車載毫米波雷達(dá)芯片的輸出功率大多是12dBm左右，或16mw左右，這是現(xiàn)階段CMOS工藝下極限了？

C、總效率：是指發(fā)射機(jī)的輸出功率和它的輸入總功率之比(在5%與30%的樣子？)，發(fā)射機(jī)通常在整機(jī)中式最耗電和需要冷卻的部分，總效率越高，可以省電以及減輕整機(jī)體積和重量。

D、信號形式(調(diào)制方式)：現(xiàn)階段車載毫米波雷達(dá)主要還是用的FMCW,此外了解也出現(xiàn)了數(shù)字雷達(dá)用的是PMCW的脈沖體制。

E、信號穩(wěn)定度和頻譜純度：車載毫米波雷達(dá)業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)射信號射頻一致性的要求包括：頻率調(diào)頻線性度和功率平坦度（車載毫米波雷達(dá)的性能標(biāo)準(zhǔn)與測試方法_墨@#≯的博客-CSDN博客），此兩者主要是對VCO與PA提出要求。更一般地，這里的信號穩(wěn)定度是從時域的角度考慮發(fā)射信號：包括其振幅、頻率(相位)、脈沖寬度等參數(shù)是否隨時間發(fā)生變化，信號的參數(shù)不穩(wěn)定可分為有規(guī)律的和隨機(jī)的兩類：有規(guī)律的主要來源于電源濾波不良，隨機(jī)的則由各類噪聲（電路噪聲比如熱噪等是無法避免的）產(chǎn)生。頻譜純度則是從頻域的角度考慮這些問題（體現(xiàn)為在設(shè)計(jì)的發(fā)射頻帶外出現(xiàn)的離散和隨機(jī)分布的頻譜）。

這里理清楚幾個概念：

頻譜純度與相位噪聲：對于前述的離散分量，定義為離散分量的單邊帶功率與信號功率之比，以dB計(jì)；對于分布型的噪聲定義偏離載頻（Hz）的每單位頻帶的單邊帶功率與信號功率之比，以dB/Hz計(jì)：假設(shè)測量帶寬為?B，則頻譜純度為：

???(dB/Hz)

?

通常把偏離載頻（Hz），在1Hz帶寬內(nèi)的一個相位調(diào)制邊帶的功率與載波功率之比成為單邊帶相位噪聲，簡稱相位噪聲，即：

??(dBc/Hz)

? ? 商用車載毫米波雷達(dá)芯片一般都有針對分布噪聲(相位噪聲)的參數(shù)說明，該值大多略低于-90dBc/Hz@1MHz，而針對離散分量，比如脈沖多普勒雷達(dá)其典型的要求是低于-80dB。

F、此外，對發(fā)射機(jī)的要求還包括結(jié)構(gòu)、使用等（這涉及到體積、重量、散熱、檢查維修等，因?yàn)橛糜谲囕d雷達(dá)的發(fā)射機(jī)都集中在一顆芯片上了這更多的是芯片設(shè)計(jì)者需要考慮的問題），發(fā)射機(jī)作為整個雷達(dá)系統(tǒng)最昂貴的部分，還需要考慮成本等問題。

以下介紹接收部分

2.7 LNA

? ? 低噪放(Low-noise amplifier) 低噪放_百度百科 (baidu.com)是最先一級的接收前端，用于直接對接收天線的接收信號進(jìn)行放大，最為最前端的放大器LNA的指標(biāo)對整個接收機(jī)的性能影響很大，LNA的評價指標(biāo)包括：噪聲系數(shù)(LNA的噪聲系數(shù)一般在1-3dB?)、增益(單級的一半在10-20dB?)、駐波比、線性度等。LNA的具體實(shí)現(xiàn)不在本博文討論范圍，具體的指標(biāo)我會在后文著重介紹整個接收機(jī)的指標(biāo)要求。LNA需要明白的是其作為最前端的放大器，起的是對接收到的所有信號做無差別放大的作用。

2.8 混頻器

? ? 混頻器就是一個乘法器，混頻器_百度百科 (baidu.com)用于從LNA下來的接收到的射頻信號與本振信號進(jìn)行混頻，并將結(jié)果輸出給到后端的低通濾波器。兩信號混頻后由積化和差的三角函數(shù)公式，會得到兩信號的頻率之和的信號與頻率之差的信號，在后端的低通濾波器中將高頻成分濾除，得到中頻信號。

? ? 這里需要注意的是，現(xiàn)階段商用的車載毫米波雷達(dá)芯片有兩種接收的方案：單路或者IQ兩路，IQ兩路的實(shí)現(xiàn)需要增加一路接收通道，如下圖所示：

?IQ兩路接收通道及采樣（IWR1642）

? ? 將用于混頻的本振信號反相后再混頻，Ti第一代的芯片基本都是IQ兩路的方案,但是其新出的AWR2944是單路，如下圖所示：

?單路接收與采樣(AWR2944)

? ? IQ兩路其優(yōu)點(diǎn)在于對ADC的采樣率要求低(如果兩路采樣那么采樣率可以等于帶寬值，但是單路的需要為兩倍才行)，在后端的信號處理過程中不需要丟除多余的數(shù)據(jù)（對于單路的，做完距離向FFT后我們需要丟掉一半的無用數(shù)據(jù)）。但是單路的設(shè)計(jì)更簡單也更有成本優(yōu)勢(少了一路)。加特蘭的芯片也是單路的。

2.9 濾波器

接收從混頻器出來的信號做低通濾波處理，該低通的閾值就是芯片的中頻帶寬值，Ti的IWR1642是5MHz，AWR2944是15MHz。此外，還有高通濾波的操作：為了濾除直流信號以及1/f噪聲等極低頻的信號，高通頻率在十幾KHz到一兩百百KHz之間，因?yàn)樾枰紤]雷達(dá)探測的近距目標(biāo)其中頻頻率很低，雷達(dá)探測的目標(biāo)距離與中頻頻率有公式：,?????，?slop為chirp斜率，R為目標(biāo)距離，f為該距離下對應(yīng)的中頻頻率，該高通濾波器的下限不能設(shè)置得很高，否則直接也將近距目標(biāo)濾除了。

?

2.10 接收機(jī)的增益控制

? ? 增益控制部分處在濾波器后，adc正式采樣之前。這部分內(nèi)容蠻有意思，涉及的東西也有很多，可以分成兩個部分來討論：

2.10.1 為什么需要增益控制

? ? 接收機(jī)的一個核心指標(biāo)是動態(tài)范圍(會在后面的內(nèi)容中更具體地給出)，所謂的動態(tài)范圍是指接收機(jī)正常工作時所容許的輸入信號的強(qiáng)度范圍：信號太弱不能檢測出來；信號太強(qiáng)則會發(fā)生飽和(超過了放大器的輸入范圍)。這些強(qiáng)信號可能來自近處的RCS較大的目標(biāo)，特別是地物雜波等的干擾，而弱信號則可能來自需要探測的遠(yuǎn)處RCS較小的目標(biāo)，雷達(dá)應(yīng)該盡可能地把這些目標(biāo)都探測到，為了不至于讓遠(yuǎn)處目標(biāo)丟失、近處的目標(biāo)使雷達(dá)飽和，為提高雷達(dá)的動態(tài)范圍，于是需要用到增益控制。

2.10.2 增益控制的具體實(shí)現(xiàn)方式與原理

? ? 這里給出兩種類型，更具體的電路上的實(shí)現(xiàn)原理不在本博文的討論范圍之內(nèi)，后文將給出在實(shí)際的雷達(dá)芯片中用例。

1、自動增益控制（Automatic Gain Control, AGC）

? ? 自動增益控制自動增益控制_百度百科 (baidu.com)采用了負(fù)反饋技術(shù)，根據(jù)信號的幅度(功率)自動調(diào)整接收機(jī)的增益，信號幅度大時增益小，信號幅度小時，增益增加，以使雷達(dá)始終保持適當(dāng)?shù)脑鲆娣秶?還有一個瞬時自動增益控制，原理差不多。

2、近程增益控制或靈敏度時間控制(sensitivity time control, STC)

? ? 用以防止近程雜波所引起的放大器過載，其基本原理為：發(fā)射機(jī)每次發(fā)射信號后，接收機(jī)產(chǎn)生一個與雜波功率隨時間變化規(guī)律(隨著時間的延長，雜波功率應(yīng)該是逐漸減弱的)相匹配的控制電壓Ec,控制接收機(jī)的增益按此規(guī)律變化(時間越長增益越大)。近程增益控制電路實(shí)際上是一個使接收機(jī)靈敏度隨時間而變化的控制電路。

增益控制在實(shí)際雷達(dá)芯片中的使用：

? ? 加特蘭的一個解決方案是：在每幀正常的chirp發(fā)射之前，先發(fā)射3個chirp,芯片內(nèi)部會基于這三個chirp的回波信號(信號幅度等信息)，通過一些方法得到在該幀下適合各級放大器的放大系數(shù)。

2.11 小結(jié):接收機(jī)的評價指標(biāo)

? ? 前述各個部分構(gòu)成了接收機(jī)，接收機(jī)的任務(wù)是將天線上接收到的微弱高頻信號從伴隨的噪聲和干擾中提取出來，經(jīng)過放大、混頻、濾波、中放、采樣等過程送至后端的信號處理模塊。雷達(dá)接收機(jī)的主要性能指標(biāo)如下：

A、噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)定義為接收機(jī)的輸入信噪比與輸出信噪比的比值。接收機(jī)內(nèi)部包括饋線、放大器、混頻器等都會產(chǎn)生噪聲，這些噪聲會惡化信號的SNR，噪聲系數(shù)其物理意義就是評價接收機(jī)內(nèi)部噪聲對信號的影響。現(xiàn)有的車載毫米波雷達(dá)芯片中，該值一般在12dB左右。

B、靈敏度：表示接收機(jī)所能接收微弱信號的能力，能接收的信號越微弱則接收機(jī)的靈敏度越高，（對應(yīng)雷達(dá)的作用距離也就越遠(yuǎn)）。以雷達(dá)可以檢測的最小信號功率Smin來評價,有公式：

式中，K為玻爾茲曼常數(shù)，T0取室溫290K，B為噪聲帶寬(或者說是接收機(jī)帶寬，采樣帶寬？中頻帶寬)，F(xiàn)n為噪聲系數(shù)，SNRmin是在后端的信號處理過程中能檢測到信號時的最小SNR，該值在車載雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)論證中我們一般取12dB左右,此外，雷達(dá)靈敏度的下限一般在-174dBm（不能達(dá)到，車載毫米波雷達(dá)該值一般在-120 --- -115dBm之間）。

C、工作頻帶寬度：對于車載毫米波雷達(dá)該值應(yīng)超過76GHz-81GHz。

D、動態(tài)范圍：指接收機(jī)正常工作時所容許的輸入信號的強(qiáng)度范圍，其最小可檢測信號功率對應(yīng)為前述靈敏度Smin，接收機(jī)開始出現(xiàn)飽和時的輸入功率Smax與該Smin之比為接收機(jī)的動態(tài)范圍：

現(xiàn)在一些4D毫米波雷達(dá)的動態(tài)范圍說是能做到100dB??

E、中頻的選擇和濾波特性：現(xiàn)階段商用的車載毫米波雷達(dá)芯片其中頻帶寬一般在5MHz-20MHz；濾波特性在于盡量使得濾波帶寬等于信號帶寬。

F、工作穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度：應(yīng)使得接收盡可能受環(huán)境的影響小，頻率穩(wěn)定度類似前述發(fā)射機(jī)部分的信號穩(wěn)定度和頻譜純度。

G、抗干擾能力：關(guān)于車載毫米波雷達(dá)的抗干擾能力可以參考之前的博文：車載毫米波雷達(dá)信號處理中的干擾問題_墨@#≯的博客-CSDN博客。

補(bǔ)充說明：增加一個雙工器的介紹

? ? 雙工器的存在主要是為了使收發(fā)公用一個天線，可以減小尺寸，（成本）？雙工器按照工作類型可分為時分雙工和頻分雙工，時分雙工是指發(fā)射和接收在時間上分開，這很好理解；頻分雙工是指當(dāng)發(fā)射信號的頻率和接收信號的頻率有一定的偏移時，此時收發(fā)可同時進(jìn)行(比如手機(jī)與基站的上行頻段和下載頻段時不一樣的，所以收發(fā)可以同時工作，我們在說話時能同時聽到對方講話)。

? ? 雙工器的實(shí)現(xiàn)主要基于濾波器，雙工器處在天線和收發(fā)通道之間，通過設(shè)置濾波器使得發(fā)射信號不會泄露到接收通道中(否則一下子飽和了)，同時接收信號不會泄露到發(fā)射信號上(即便接收信號極小，且對發(fā)射的影響也極小..)

? ? 遺憾的是：FMCW體制下的應(yīng)用于車載的毫米波雷達(dá)前兩種情況都沒法實(shí)現(xiàn)(我們需要實(shí)時探測且收發(fā)的信號是幾乎一致的只是有時延)，沒法使用雙工器，這里拿出來說的原因暫且不表。

三、總結(jié)

? ? 本篇博文介紹了（車載）毫米波雷達(dá)的SOC系統(tǒng)架構(gòu)、梳理了射頻前端各構(gòu)成部分及其原理、給出了發(fā)射機(jī)與接收機(jī)部分的評價指標(biāo)。

? ? 本篇博文旨在理清楚車載毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)架構(gòu)，特別是射頻前端的各組成部分及其功能，以期幫助入門的系統(tǒng)工程師在做參數(shù)設(shè)計(jì)時可以明白各參數(shù)設(shè)計(jì)背后的原理。更多的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)以及更后端的數(shù)據(jù)處理部分我后面會嘗試后續(xù)增加相關(guān)的內(nèi)容。

四、參考資料

《現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》

《雷達(dá)手冊（第三版 上）》

AWR2944 單芯片 76GHz 和 81GHz FMCW 雷達(dá)傳感器 datasheet (ti.com.cn)

IWR1642 單芯片 76 至 81GHz 毫米波傳感器 datasheet (Rev. B) (ti.com.cn)文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-450013.html

到了這里，關(guān)于毫米波雷達(dá)的硬件架構(gòu)與射頻前端的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！