如何使用SoC FPGA，实现汽车雷达的数字化处理

FPGA

使用SoC FPGA，实现汽车雷达的数字化处理

本白皮书介绍使用Altera® 低成本Cyclone® V SoC FPGA，实现典型雷达系统数字化处
理的可行性。与定制ASIC 相比，这一方法的优势在于缩短了产品面市时间，支持现场
更新升级，能够在浮点、预集成ARM® Cortex ™ -A9 双核微处理器系统中快速方便的实
现，而且还可以使用汽车级器件。

引言

雷达一直用在军事和商业应用中。最近，雷达开始出现在高端汽车应用中，用于实现
辅助驻车和车道偏离报警等功能。下一代汽车雷达一定会非常复杂，在主动防碰撞和
自适应巡航系统中，雷达将扮演关键角色。雷达一旦集成到主动控制车辆的系统中后，
与仅仅提供报警信号不同，它与防止车辆碰撞密切相关，因此，对系统可靠性的要求
更加严格。

本白皮书介绍怎样使用Altera 快速原型设计和开发工具流程，发挥数字处理功能的优
势，通过称之为DSP Builder 高级数字信号处理(DSP) 的设计，开发汽车雷达系统。
结果提供了雷达处理数字部分的实际电路和性能指标。数字处理功能采用了新一代可
编程逻辑，称之为SoC FPGA，它在低成本FPGA 架构中嵌入了功能强大的600 MHz ARM
Cortex-A9 双核处理器。还可以使用汽车级的这些器件，支持600 MHz CPU 时钟速率。
从雷达到光探测和测距(LIDAR)，直至红外和可见光摄像机等应用，SoC FPGA 为这些
应用提供了灵活的可伸缩平台。而且，FPGA 硬件和ARM 软件实现都使用了浮点处理，
与FPGA 或者ASIC 中实现的传统定点方法相比，这在雷达应用中更具优异的性能优势。
与其他ASIC 解决方案相比，这些低成本SoC FPGA 器件支持大批量应用，而且产品能
够更迅速面市。

SoC FPGA 方法支持对产品线甚至是现场固件进行软件和硬件更新，这对于越来越复杂
的汽车雷达系统而言非常重要。SoC FPGA 也是摄像机集成视频处理功能的理想选择。
视频分析处理可以结合雷达探测信息，用在名为传感器融合的过程中，在这一过程中，
多个传感系统相结合，产生最可靠的数据，进行基本判决。

汽车雷达的脉冲多普勒方法

很多雷达系统采用了脉冲多普勒方法，发送器工作一段很短的时间，然后，系统切换
到接收模式，直到产生下一个发送脉冲。脉冲多普勒雷达按照一定的间隔或者脉冲重
复间隔(PRI) 来发送连续脉冲。雷达信号返回后，对反射信号进行连续处理，提取出
被探测目标的范围和相对运动信息。空时自适应雷达(STAP) 等更复杂的处理方法进一
步处理雷达反射信号信息，即使是在地杂波严重遮蔽，或者背景反射被探测目标周围
物体的情况下，也能够提取出目标数据。

f 关于雷达基础知识、脉冲多普勒雷达、STAP 雷达以及SAR 雷达的详细信息，请参考
EEtimes 关于“ 雷达基础” 的教程。

在汽车雷达中，探测范围可以短到只有几米，也能够长达几百米。对于2 m 的范围，
雷达脉冲的往返传输时间是13 ns。这么短的距离要求发送器和接收器能够同时工作，
这就需要使用相互分开的天线。脉冲多普勒雷达周期性的发送脉冲，发送器工作的时
间与总时间之比就是占空比。由于占空比一般较小，因此，这一比例限制了总发送功
率。功率大小也就限制了探测范围。实现1 到2 m 范围的探测分辨率还要求100 MSPS
甚至更高量级的采样率，能够对目标范围和多普勒大小数据进行数字化处理。较高的
采样率提高了雷达系统的成本。

或者，可以采用名为连续波频率调制(CWFM) 的雷达方法。CWFM 并不发射脉冲，然后监
视返回信号，即雷达回波。而是连续发送载波频率。为能够从连续返回波中提取出有
用信息，载波频率随时间稳步增大，然后下降，如图1 所示。发送器和接收器都是连
续工作。为防止发送信号泄漏到接收器中，我们的发送和接收天线是分开的。

图1.CWFM 发送和接收波形

雷达必须确定被探测目标的范围。在CWFM 中，通过测量与发送频率的瞬时接收频率
差，即delta，来获得这一范围。在发送周期的频率斜坡上升部分，接收频率要小于发
送频率，这取决于时间延时。在发送周期的频率斜坡下降部分，接收频率要大于发送
频率，这也取决于时间延时。这些频率差，或者偏移，与往返延时成正比，因此，提
供了测量范围的一种手段。范围越大，从发送器到接收器的时间延时就越大。由于发
送频率在不断变化，因此，任何时候的发送和接收频率之差都与发送信号从雷达传输
至目标然后返回所花费的时间成正比。

图2 所示是CWFM 雷达的实际结构图。汽车雷达工作在毫米范围，意味着，发送信号的
波长只有几个毫米。常用的频率是24 GHz (λ =12.5 mm) 和77 GHz (λ = 3.9 mm)。
我们之所以使用这些频率主要是考虑到，需要尺寸较小的天线，频谱的相对可用性，
射频信号的快速衰减( 汽车雷达范围限制在数百米) 等因素。通过使用CWFM，就不需
要幅度调制，发送器仅在频率上变化。使用FM，支持发送电路工作在饱和状态，这是
所有RF 放大器最高效的模式。

由于采用了模拟合成器电路，因此，接收器低通滤波器只需要通过接收和发送信号之
间的差值，不需要通过相对于发送周期500 MHz 带宽的接收信号。很容易由实例来说
明这一信号差值的通过特性。让我们假设接收反射信号处于系统的极端范围内，即，1
m 距离和300 m 的距离。

当频率在0.5 ms 内上升到500 MHz，即每ns 1 kHz，接收信号的频率如下，其中，光
速是3 x 108 m/s：
1 m 距离 = 2 m 往返延时 = 2 m (3  108 m/s) = 7 ns
300 m 距离 = 600 m 往返延时 = 600 m (3  108 m/s) = 2 s
在频率斜坡上升期间，从1 m 距离的物体反射回的信号具有-7 kHz 的偏移。在频率斜
坡下降期间，从1 m 距离的物体反射回的信号具有+7 kHz 的偏移。
在频率斜坡上升期间，从300 m 距离的物体反射回的信号具有-2 MHz 的偏移。在频率
斜坡下降期间，从1 m 距离的物体反射回的信号具有+2 MHz 的偏移。

这些偏移告诉我们，接收器会看到±2 MHz 范围的频率，它取决于产生回波信号的目
标的范围。通过对图3 所示的时间间隔进行快速傅里叶变换(FFT)，可以探测到这一频
率。如果接收器采样是5 MSPS，那么对于大约0.4 ms 的接收器FFT 采样间隔，可以使
用2,048 点的FFT，其频率分辨率大约为1 kHz，足以达到一米以下的分辨率。通过对
FFT 输出进行插值处理，还可以进一步提高分辨率。

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