優化調制與演算法　雷達信號處理暢所無阻

　　FMCW雷達的目標檢測通過分析每個目標中以IF信號呈現的跳動頻率實現。圖2所示為發射信號顯示頻率fmax（例如77GHz）和fmin（例如 76GHz）之間的掃頻信號配置，以及周期Tm的基本塬理。一個目標中的反射信號如2號線顯示，指出因距離而出現的時間延遲△t，以及因目標的多普勒速度而出現的頻移△f。

　　圖2 FMCW調制機制示意圖

　　IF信號包含距離和目標速度資訊，但兩個參數都包含在一個跳動頻率fIF中，多普勒頻移△f=fTXmax–fRxmax因目標徑向速度而導致頻率分量 fD=-2Vradial/C0×ftransmit。徑向距離d從IF頻率更改fR=Sf×d/c0中產生，其中調制速率由Sf=2×fsweep /Tm提供；IF信號由分量fIF=fD-fR組成，導致信號處理任務模煳。

　　有多種方式可解決此一模煳問題，最常見的是使用多個調制調度表，即頻率上升后緊跟下降（圖2）。該方法允許中度IF頻寬，并已廣泛用于現有汽車雷達系統，對1公尺的范圍解析度和1km/h的速度解析度，50MHz/ms的中等掃描速率便已足夠。200公尺檢測范圍和-180-360km/h的相對速度將 IF頻寬限制在100kHz以內。因此，基頻信號處理可將模擬數字轉換器（ADC）嵌入汽車MCU，實現高整合度。

　　最近，Range-Doppler演算法已在汽車應用領域引發熱烈討論，透過在單一發射周期Tm中應用多個線性調頻脈衝，該技術為IF模煳問題提供直接解析度，因此在跳動頻率中引出更高的范圍分量，并將多普勒分量限制在IF信號的相位中。檢測目標的角度方向需要多個天線，到達方向只須透過對已接收目標波形的相位差進行幾何分析便可確定。該方法稱為數位波束形成（DBF），因為每個方向的波束都可以使用陣列天線的孔徑長度計算。在汽車應用中，孔徑長度通常由天線覆蓋范圍范本限制，由汽車制造商自行定義。

　　特殊解析度最少有兩個接收通道，但是，將需要兩個以上的接收天線實現合理的天線圖。圖3所示為采用兩個接收天線（右）和十六個接收天線（左）配置的等效天線圖，使用多個天線的主要優勢是旁瓣抑制。

　　圖3 使用兩個接收通道（右）和十六個接收通道（左）的天線波束配置

　　圖4所示為使用Range-Doppler演算法的典型六通道雷達感應器模組，系統元件用量少，可將所有RF發射功能結合在單一BiCMOS芯片中，包括 VCO、斜坡發生器和SPI介面，以便控制MCU，進而在合理成本下實現高性能系統。由于一個50MHz石英基板足以生成一個穩定的77GHz發射時鐘基板，因此，LO輸出信號可直接饋送至接收器芯片，進行相關解調，但只有一半的LO頻率在印刷電路板（PCB）上發送，以免電磁相容（EMC）問題加劇。

　　圖4 使用Range Doppler演算法處理的六通道雷達系統范例

　　接收器芯片在一個BiCMOS芯片上包含所有六個接收通道，并且將六個模擬IF通道發送至一個六通道50MHz模擬數字轉換器。數字化的真實IF通道在汽車級高性能MCU中進一步處理，FlexRay或控制器區域網路（CAN）用于將物件清單發送至資料融合處理器，四個主要芯片元件中都可實施完整的感應器解決方案。