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FMCW雷达信号处理系统设计方案研究

调频连续波（FrequencyModulatedContinuousWave，

FMCW）雷达是调频体制和连续波雷达融合的成果，具有时宽

带宽积大、受环境影响小、测量精度高等特点，被广泛应用

于区域警戒、无人驾驶、物位测量等领域。随着国内厂商技

术水平的提高，国产24GHzFMCW雷达射频前端已经掌握了

平面微带制造技术，生产的雷达传感器体积较小，感应灵敏，

集成化程度高，达到了国际先进水平。但是，如何设计FMCW

雷达信号处理系统，以充分发挥射频前端潜力，嵌入复杂算

法，提高测量性能，拓宽应用场景能成为了一个关键问题，

具有非常重要的研究价值。

1FMCW雷达结构

典型的FMCW雷达结构如图1所示，主要分为射频前端

和信号处理系统两部分。核心处理器控制DAC生成调制信号，

驱动射频前端VCO产生等幅的调频连续波信号。该信号经定

向耦合器后一部分作为本振信号进入混频器；另一部分进入

环形器通过发射天线形成发射信号。发射信号被目标反射后

经接收天线形成回波信号。回波信号经环形器与混频器中与

本振信号进行混频，形成差频信号。差频信号经过信号调理

和A/D转换，将信号输入到核心处理器，通过信号处理算法，

提取出需要的信息，最后通过通讯单元将结果显示或传输。

2FMCW雷?_信号处理系统设计方案

FMCW雷达信号处理系统的设计，主要应达到三个目的：

（1）充分挖掘射频前端的潜能，有效采集雷达差频信号。（2）

能够实现较为复杂的算法，满足在线实验的需要。（3）具有

小型化、模块化特点，方便大规模生产和移植。根据处理芯

片的不同，信号处理系统设计方案一般分为：以MCU为核心

的系统、以DSP为核心的系统、以FPGA为核心的系统、以

DSP+FPGA为核心的系统和以MCU+DSP为核心的系统。

2.1以MCU为核心的系统

早期的FMCW雷达一般以MCU为核心。该方案结构简单，

可控制的外围设备丰富，可实现的功能全面。但是难以进行

较为复杂的数字信号处理。文献[1]介绍了经典的以MCU为

核心的雷达信号处理系统。该系统以MCS-51为核心，通过

DAC生成三角波调制信号，驱动雷达射频前端，产生差频信

号。差频信号经过程控滤波器和自动增益放大电路进行信号

调理，最后通过外置的ADC进行信号采集。在信号处理方面，

利用过零检测的方法将差频信号转化为方波信号，然后用检

波电路进行频率估计，最后计算测量结果并进行显示。

以MCU为核心的信号处理系统有以下优点：（1）结构简

单，设计成本低；（2）能够实现小型化和模块化，进而嵌入

到大型系统中。但同时也存在着以下问题：（1）MCU的工作

频率低，当差频信号频率较高时存在一定时延；（2）信号采

集几乎消耗了全部芯片资源，难以嵌入频率估计算法，测距

精度低。

2.2以DSP为核心的系统

目前市场中的FMCW雷达一般采用DSP作为核心芯片。

文献[2]介绍了经典的以DSP为核心的雷达信号处理系统。

该系统采用通用型DSPTMS320F28335，分为四个主要模块：

调制信号产生模块、差频信号采集模块、数字信号处理模块

和外围控制模块。调制信号产生模块采用外置的DAC，通过

直接数字合成技术（DDS）生成高精度的调制信号；差频信

号采集模块包括信号信号调理电路和ADC，实现差频信号的

滤波、放大、模数转换等功能。信号处理方面，首先对差频

信号实现了FIR数字滤波，然后采用加窗快速傅立叶线性调

频联合算法计算差频信号频率。测距精度远高于过零检测法。

以DSP为核心的信号处理系统有以下优点：（1）工作频

率高，运算速度快，实时性良好；（2）数字信号处理能力强，

能够实现较为复杂的差频信号频率估计算法。但同时也存在

着信号采集与信号处理共用DSP芯片，不能够最大程度发挥

其性能，高速信号采集能力弱的缺点。

2.3以FPGA为核心的系统

以FPGA为核心的系统同样也是一种主流的方法。文献

[3]介绍了经典的以FPGA为核心的雷达信号处理系统。该系

统采用XCS1500，利用其超强的时序控制能力，实现了利用

调制信号对VCO的校正；利用其丰富外设，实现了滤波电路

和VGA放大电路，对差频信号进行调理。信号处理方面，F