摘  要： 在介紹超寬帶（UWB）技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，給出了基于UWB的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法。該系統(tǒng)用以保障汽車駕駛?cè)藛T的行車安全。

　　隨著汽車工業(yè)和社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的汽車進(jìn)入普通家庭。 汽車防撞雷達(dá)可大幅降低交通事故的發(fā)生概率，具有廣闊應(yīng)用前景。撞探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)毫米波體制的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的探測(cè)性能，不受被測(cè)物體表面形狀、顏色等因素影響；對(duì)大氣紊流、氣渦流等具有適應(yīng)性，可以保證雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)在任何天氣情況下正常運(yùn)行，非常適合公路交通探測(cè)環(huán)境。介紹了毫米波汽車防撞雷達(dá)的測(cè)距、測(cè)速原理。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求對(duì)毫米波汽車防撞雷達(dá)的性能提出參數(shù)化要求，討論了幾種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)整體系統(tǒng)性能的影響。從理論上對(duì)汽車防撞雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生、發(fā)射、傳播、接收、處理的全過(guò)程進(jìn)行了研究。研究了多發(fā)多收LFMCW雷達(dá)體制的目標(biāo)探測(cè)、定位原理，分析了定位，并給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)實(shí)例，多發(fā)多收定位原理可以解決波束不掃描條件下的方位分辨和測(cè)角難題。

　　近十幾年來(lái)，美國(guó)、日本和歐洲等多家著名汽車公司投入巨額資金，先后研制成功了24GHz、60GHz、76.5GHz 3種頻率的單脈沖和調(diào)頻連續(xù)波2種體制的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)。事實(shí)上，除雷達(dá)外，諸如超聲波、紅外激光以及視頻等技術(shù)均可考慮用于汽車防撞。但經(jīng)綜合考慮，雷達(dá)技術(shù)為適合。本文介紹的是基于超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)研制的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)。

　　1  超寬帶

　　超寬帶又稱脈沖無(wú)線電（Impulse Radio，IR），被認(rèn)為是未來(lái)5年內(nèi)電信熱門(mén)技術(shù)之一，它的技術(shù)層面已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。事實(shí)上人們對(duì)UWB的研究是非常早的，從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了，但其應(yīng)用一直僅限于軍事、災(zāi)害救援搜索雷達(dá)定位及測(cè)距等方面。1989年首次提出使用“超寬帶”這一術(shù)語(yǔ)。

　　UWB技術(shù)是一種新型的無(wú)線通信技術(shù)。它通過(guò)對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使信號(hào)具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，它具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位等優(yōu)點(diǎn)。超寬帶信號(hào)及其特點(diǎn) 美聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）規(guī)定： 部分帶寬號(hào)稱為UWB信號(hào)。其中，部分帶寬為信號(hào)功率譜密度在-10dB處測(cè)量的值。一種典型的脈位調(diào)制（PPM）方式的UWB信號(hào)形式，它是大量的具有不同時(shí)移的單周期脈沖之和。FCC規(guī)定[1]，在3.1G～10.6GHz之間的7.5GHz寬度頻率都作為UWB通信設(shè)備所使用。但出于對(duì)現(xiàn)存無(wú)線系統(tǒng)影響的考慮，UWB的發(fā)射功率被限制在1mW/MHz以下。

　　按照FCC規(guī)定，UWB脈沖信號(hào)定義如下：

　　式中的fH，fL分別為對(duì)功率較峰值功率下降10dB時(shí)對(duì)應(yīng)的高端頻率和低端頻率，而不是通常所定義的3dB帶寬，fC為中心頻率。

　　傳統(tǒng)的UWB系統(tǒng)使用一種被稱為“單周期（monocycle）脈沖”的脈沖。在計(jì)算機(jī)仿真中采用高斯脈沖來(lái)近似代替，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　則重復(fù)周期為T(mén)的脈沖表達(dá)式為：

　　式（4）的信號(hào)表達(dá)式類似脈沖雷達(dá)的信號(hào)形式，這里脈沖寬度是ns量級(jí)，比傳統(tǒng)脈沖雷達(dá)脈沖窄許多。所以進(jìn)行測(cè)量定位可以獲得很高的距離分辨率。

　　2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　基于超寬帶技術(shù)的汽車防撞系統(tǒng)是全新的探測(cè)技術(shù)，它通過(guò)發(fā)射GHz量級(jí)超寬帶信號(hào)探測(cè)目標(biāo)，用雷達(dá)原理測(cè)距測(cè)速，通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)的回波來(lái)判斷目標(biāo)的存在。汽車?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想是考慮到交通事故往往發(fā)生在路況復(fù)雜、能見(jiàn)度差、駕駛員疲勞的情況下，所以其主要的設(shè)計(jì)目的是及早發(fā)現(xiàn)前方有潛在危險(xiǎn)的目標(biāo)，提供一個(gè)多媒體報(bào)警顯示平臺(tái)，及時(shí)提醒駕駛員做出相應(yīng)的處理動(dòng)作。該防撞雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

　?。?）全天候型警示雷達(dá)系統(tǒng)，在霧、雪、夜等各種惡劣的氣象環(huán)境和復(fù)雜的路況條件下均可正常工作。

　?。?）脈沖形式：UWB脈沖。

　?。?）發(fā)射機(jī)輸出功率：5mW。

　?。?）天線水平波束寬度：6°。

　?。?）作用距離：200m。

　?。?）更新速率：40次/秒。

　　根據(jù)UWB汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)包括4個(gè)部分：UWB脈沖產(chǎn)生、發(fā)射及接收、信號(hào)處理和數(shù)碼顯示報(bào)警。系統(tǒng)中采用Xilinx公司的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA與TI公司的DSP芯片相結(jié)合，主要功能均由用戶通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，從而使系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、結(jié)構(gòu)靈活、可靠性高以及具有較好的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。

　　系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)射端發(fā)射UWB脈沖，接收端接收到的雷達(dá)回波模擬信號(hào)經(jīng)AD公司的AD9042變換為原始雷達(dá)數(shù)字信號(hào)。FPGA中通過(guò)可編程電路產(chǎn)生地址和控制信號(hào)，從而將數(shù)字信號(hào)送入雙口RAM的指定地址，以便DSP進(jìn)行讀取。DSP根據(jù)公式算出前方目標(biāo)的速度和距離，通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。同時(shí)系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)不同的危險(xiǎn)程度發(fā)出不同的聲光報(bào)警。信號(hào)處理程序代碼存放在外部閃存中，當(dāng)信號(hào)處理機(jī)脫機(jī)運(yùn)行時(shí)，主程序代碼能夠在系統(tǒng)加電后自動(dòng)裝載到DSP片內(nèi)的RAM中運(yùn)行。

　　2.1 UWB脈沖產(chǎn)生模塊

　　在研究初期，由于器件和工藝的缺乏，主要利用微波器件（如傳輸線）等效開(kāi)關(guān)，以得到短持續(xù)時(shí)間的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)整形成滿足要求的波形和電壓的脈沖。目前，UWB極窄脈沖的產(chǎn)生方法主要通過(guò)雪崩三極管、隧道二極管或階躍恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)。

　　本系統(tǒng)中UWB脈沖的產(chǎn)生，采用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)方案，同時(shí)采用雪崩三極管級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生極窄脈沖。三極管采用NPN型晶體管，當(dāng)集電極電壓很高時(shí)，收集結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度比放大低壓運(yùn)用時(shí)大得多。進(jìn)入收集結(jié)的載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，從而獲得很大的能量，它們與晶格碰撞時(shí)產(chǎn)生了新的電子—空穴對(duì)，新產(chǎn)生的電子、空穴分別被強(qiáng)電場(chǎng)加速而重復(fù)上述過(guò)程，于是流過(guò)收集結(jié)的電流便“雪崩”式地迅速增長(zhǎng)。該脈沖發(fā)生器可以提供脈沖寬度小于2ns、幅度可調(diào)的極窄UWB脈沖。在這種發(fā)生器中，每個(gè)雪崩晶體管都有自己的存儲(chǔ)電容，這些電容在雪崩晶體管導(dǎo)通時(shí)相互串聯(lián)，使發(fā)生器總的等效放電電容大大減小。

　　為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率，UWB應(yīng)用超短基帶豐富的GHz級(jí)頻譜，采用安全信令方法 （Intriguing Signaling Method）?；赨WB的寬廣頻譜，F(xiàn)CC在2002年宣布UWB可用于測(cè)距，金屬探測(cè)，新一代WLAN和無(wú)線通信。為保護(hù)GPS，導(dǎo)航和軍事通信頻段，UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB發(fā)射功率。

　　在常規(guī)的直接串聯(lián)電路中，任一管子的損壞都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路失效。但在這種級(jí)聯(lián)電路中，即使有1個(gè)或幾個(gè)管子損壞開(kāi)路（除級(jí)外），整個(gè)電路仍可以正常運(yùn)行，只是輸出脈沖幅度相應(yīng)減小。因而可以根據(jù)這一特性，增減級(jí)聯(lián)晶體管數(shù)目來(lái)調(diào)節(jié)脈沖幅度，達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　如圖3所示， 在沒(méi)有加入觸發(fā)脈沖時(shí)，電源電壓VCC分別向電容C2～C5進(jìn)行充電使得所有晶體管處于臨界雪崩狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)脈沖Vi輸入時(shí)，雙極性晶體管Q1首先被擊穿，C2～C5迅速放電，導(dǎo)致雙極性晶體管Q2～Q5也被擊穿。由于雪崩過(guò)程極為迅速，因此這種依次雪崩的過(guò)程還是相當(dāng)快的，從宏觀上可以把它看作是同時(shí)觸發(fā)的。于是，在負(fù)載上就可以得到一個(gè)上升時(shí)間非常短的UWB脈沖。

　　2.2 DSP信號(hào)處理模塊

　　DSP是數(shù)據(jù)處理模塊的，設(shè)計(jì)中采用TMS320VC5402芯片。該芯片是TI公司C54X系列定點(diǎn)DSP芯片中的一種，它采用增強(qiáng)型哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條總線（1條程序內(nèi)存總線、3條數(shù)據(jù)內(nèi)存總線和4條地址總線）、CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器和片上外設(shè)等硬件，加上化的指令系統(tǒng)，使該芯片具有低功耗、并行等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足眾多領(lǐng)域的實(shí)時(shí)處理要求。

　　DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是值得稱道的兩大特色。

　　DSP連接了2個(gè)CY7C1041V33 256K×16位SRAM和1個(gè)SST39VF400A 256K×16位Flash，以及外圍的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成一個(gè)DSP系統(tǒng)。其中2個(gè)CY7C1041V33 256K×16位SRAM按照數(shù)據(jù)位擴(kuò)展方式連接（擴(kuò)展為256K×32位）。DSP工作在微處理模式下，程序放在外部閃存中，啟動(dòng)后調(diào)入片內(nèi)高速運(yùn)行。片內(nèi)ROM用于存放運(yùn)算所需要的一些參數(shù)，片內(nèi)RAM用做運(yùn)算過(guò)程的工作空間，存放中間數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量滿足采樣數(shù)據(jù)處理時(shí)間小于每批采用數(shù)據(jù)的采樣總時(shí)間，以此來(lái)保障數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　2.3 FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中FPGA接收DSP送來(lái)的控制指令，并對(duì)其譯碼?？删幊梯斎?輸出單元簡(jiǎn)稱I/O單元，是芯片與外界電路的接口部分，完成不同電氣特性下對(duì)輸入/輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與匹配要求，其示意結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。 FPGA內(nèi)的I/O按組分類，每組都能夠獨(dú)立地支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)軟件的靈活配置，可適配不同的電氣標(biāo)準(zhǔn)與I/O物理特性，可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的大小，可以改變上、下拉電阻。目前，I/O口的頻率也越來(lái)越高，一些高端的FPGA通過(guò)DDR寄存器技術(shù)可以支持高達(dá)2Gbps的數(shù)據(jù)速率。所設(shè)計(jì)的FPGA內(nèi)部邏輯框圖如圖4所示。

　　晶振提供40MHz的時(shí)鐘，以此作為FPGA的工作時(shí)鐘，分頻和調(diào)整后則作為A/D的采樣時(shí)鐘。在FPGA內(nèi)部，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，打開(kāi)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果作為地址送入外部雙口RAM，計(jì)滿所要求的數(shù)據(jù)后，關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換器，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。隨后，F(xiàn)PGA發(fā)送中斷信號(hào)給DSP，DSP即進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序。由于一個(gè)雷達(dá)信號(hào)脈沖重復(fù)周期內(nèi)雷達(dá)回波信號(hào)的有效時(shí)間只是其中的很少部分，因此在該段時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣后，系統(tǒng)處在雷達(dá)休止期間，進(jìn)行FPGA和DSP間的數(shù)據(jù)傳輸以及進(jìn)一步處理。系統(tǒng)選用Xinlix公司Virtex系列的FPGA、ISE設(shè)計(jì)平臺(tái)和Verilog-HDL硬件描述語(yǔ)言編程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　3  結(jié)束語(yǔ)

　　因UWB技術(shù)自身具有眾多優(yōu)勢(shì)，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。采用UWB技術(shù)研制的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)增強(qiáng)了汽車防撞能力，有效地保障了人們生命和財(cái)產(chǎn)的安全。本文討論的基于UWB的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)不僅成本低、體積小、可靠性高，而且硬件設(shè)計(jì)中將FPGA和DSP相結(jié)合，所以該系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，從而提高了系統(tǒng)的集成度，非常受各大車主的喜歡。