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汽车主动防撞系统的中频信号处理模块

01/08

第38卷第5期2015年10月

电子器件

Chinese

V01.38No.5

Jo咖alofElectron

Devjces

Oct.2015

AnIFSignalProcessing

Module

forAutomotiVeActiVe

Anti—CollisionSystem+

(1.Sc^oDZ矿肌c£ronbsc拓,lce口以4即妇dmp池,Ⅳ咖i‰池Mifyo,孔c^,lo研,蚴i230009,傩iM;

删ⅣG胁n1幸,Q,讹oc危e凡1,甜D耽印昭1,鲋D胁mi昭2

2.Sc^D0f矿坳m口tionE昭i聊e^增,Ⅳ0n^吼抽口‰i封e倦蚵D,死c^加魄∥,Be彬ng10004l,傩inn)

thehardcoreofautomotiveactiveanti_collision

are

Abstract:To

des培nsystem,inte珊ediatefkquency(IF)signal

pro—

cessingmodulemustbedeveloped.Afterthekeyparametersoffilterandamplificationcuitincludinghigh—passfilterandlow-passfilterisdesignedandrealizedbasedtheAGCloopisdesignedandrealizedbasedOPAl28.ThisAGCloopcontainsSimulationsofkeycircuits

are

on

on

calculated,thefilterci卜

doubleop—ampMC33078.Then

adjustablegainamplifierAD603andoperationalampli6er

adjustablegainampli6er,peakdetectioncircuit,andAD,DAswitchingcircuit.theapplicabilityandveracityofwholecircuitmodule

are

pedb瑚ed,and

coIlfi册ed

bystatictargetrangingexperiment.

Keywords:AutomotiVeactiVesafety;IFsignalprocess;Filtercircuit;AGCloopEEACC:6140

doi:10.3969,j.issn.1005—9490.2015.05.028

汽车主动防撞系统的中频信号处理模块

鉴p,戚昊琛1,高伟清1,鲍嘉明2

(1.合肥工业大学电子科学与应用物理学院,合肥230009;2.北方工业大学信息工程学院,北京100144)

摘要:为对汽车主动防撞系统的核心硬件进行设计,需首先构建中频信号处理模块。在计算得到滤波及放大电路的关键

参数后,基于双运放Mc33078,设计实现了包含高通和低通两个单元的滤波电路。利用可调增益放大器AD603和静电计级运算放大器0PAl28等设计实现了AGc环路,该环路同时包含可调增益放大器、峰值检波电路和AD/DA转换电路。对所设计的关键电路进行了模拟验证,并通过对静态目标的测距实验,验证了该中频信号处理模块对雷达测距的适用性和测试值相对于计算值的准确性。

关键词:汽车主动安全;中频信号处理;滤波电路;AGc环路中图分类号:TN952

文献标识码:A

文章编号:1005—9490(2015)05—1114一06

基于调频连续波FMCW(Frequency

Continuous

Modulated

FMcw雷达为前端,分析设计中频信号处理模块,针

对汽车防撞系统的应用,雷达采用三角波调制;系统的作用距离为1

m一100

Wave)雷达系统具有全天候性、高灵敏度

和高精度的优势,近年来已成为一种应用广泛的雷达方案n。21。基于FMCw雷达的汽车主动防撞系统,其核心是中频信号处理模块。模块前端连接雷达传感器,后端连接AD,DA转换电路,其作用是对雷达混频器输出的中频信号进行放大、匹配滤波等处理,消除干扰杂波信号,实现幅值统一,为信号的DSP软件处理做准备b。1。中频信号处理的结果直接影响到对目标回波信号检测的精确性,也构成了整个防撞系统的硬件主体。本文将以业界先进的24

GHz

m,测速范围为0—220Km/h。

1工作原理与参数

雷达传感器将其发射信号与接收到的回波信号在混频器中混频,得到用于多普勒计算的、含有障碍物相对速度、距离、运动方向等所需信息的中频信号。该中频输出信号为幅值较小的模拟信号,且含

有多种杂波,不能直接输人DSP进行相应FF,I'等计

算,因此必须设计并添加完整的中频调理电路系统。

项目来源:国家自然科学基金项目(11374084,61307056);合肥工业大学科学研究发展基金项目(J2014HGⅪ009l,

J2014HGXJ0082)

收稿日期:2014一10—24修改日期:2014—11—27

第5期张鉴,戚昊琛等:汽车主动防撞系统的中频信号处理模块

1l15

图1所示为中频信号处理模块的设计流程图,主要

包含滤波电路与自动增益放大环路AGC环路(Automatic

Gain

号幅值统一阳3,符合ⅣD转换芯片的要求。系统采

用的ADC芯片模拟输入电压中心为2.4V,差分输入,上下摆动在0.55V内。根据中频信号的幅值范围,我们将低通滤波的增益设为6dB,则AGC的增益范围设置为10

dB~30

circuit)两部分。其中滤波电路由高通滤波器和

低通滤波器组成,分别滤除主要由泄漏调制信号形成

的低频杂波和外界高频杂波信号。而AGC环路主要由

dB时,即可满足放大要求。

可变增益放大器、反馈回路与A/D、D,A转换芯片组成,其作用为根据输入信号的强弱自动调整放大倍数,使输出信号幅值统一,符合A/D转换芯片的参数要求。

州颐

1.3模块的其他基本参数

在本文将设计的模块中,负载阻抗值应匹配在

470Q~1

kQ之间;同时,需选用优质低噪声运放,以

:………一一+一F,j,…一敬一声

保证系统的性噪比;为避免过大的干扰和噪声,雷达传感器与滤波放大电路之间的排线长度应控制

在25cm以下。

………一二‘赫i………一

图1

2滤波电路设计

2.1高通滤波电路

系统采用双运放MC33078来实现高通滤波器。截止频率设定为1.5kHz和7.5kHz,无放大增

中频信号处理流程图

1.1滤波电路参数

由FMCw毫米波雷达测距原理分析可知,中频信号的频率可表示为:

益,采用有源滤波,设计电路图如图2所示。

(1)

~l,

工:竺孥缸±掣^2——_,¨Il。。±_

式中:丘为中频信号频率,^一为三角波调制频率,

c为光速;尺为相对距离;扩为相对速度,根据测距测速要求设调制频率为150Hz(远距离检测)与750

Hz(近距离检测)两种b】,△F设为200MHz,,:l设为

24

GHz。由上述公式计算可得,在系统测距测速范

kHz。

围内,中频信号频率范围为0一100

低通滤波器用于滤除高频杂波,因此,设其截止频率为100kHz;而高通滤波器主要用于滤除以调制信号为主的低频杂波,其截止频率应设为调制频率的10倍旧“,设为1.5kHz和7.5

1.2放大电路参数

kHz。

图2

1.5kHz/7.5

kHz高通滤波电路图

利用Multisim进行相应电路的仿真,其中波特

从信号的幅值特性进行分析计算可得放大电路所需参数。

上下扫频段中频信号幅值可表示为:

图示仪xBPl连接经过1.5kHz滤波后的信号,波特图示仪xBP2连接经过7.5kHz滤波后的信号,高通滤波电路仿真结果如图3所示。

S=K,cos{2丌[∽+B,2)O一下(力)±pO一丁(£))2/2】+咖。)

式中:

下(幻:塑±塑

(2)

式中:K为信号传输损耗因子,p为调制信号斜率

40

MHz厂v,咖。为发射信号的初始相位,f为时间变

//

!J

15Hht

水平~——t直——一

Fb

厂—两广・睢I}

I№

Fb

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Ir一眄一If石广一陌一

反一I虞存I谴…I

+p■出F一.:

+口—八P一

!壁掣{塑毒纠

r壶■

量,其他参量意义与式(1)相同。

‘3I神出』U

由上述公式计算可得,在系统测距测速范围

内,中频信号的幅值范围为50

mV。300

mV,且信号

一木早——缸——一一

FIls

幅值与障碍物的相对距离成反比。远距离时幅值微小,易被大幅值信号淹没,而近距离时幅值大,易

造成饱和失真。AGC环路组成的自动增益放大器,

/厂—函广一

一Ie一

lr一眄一IF面一眄一

厦一I僻存I设量…IIl入口一

+F

匝[磐L!匹罄I【

l¨t

Fb

l由

.!J

7・sIh

‘3.1钭由..:U

+疗-出疗一.。

可根据输入信号幅值的大小自动调整增益,使得信

1116电子器件第38卷

由仿真图得到的幅频特性曲线可见,信号频率

在低于1.5kHz和7.5kHz时被吸收,只有高于设定

处理。本文选用两路电压控制的可调增益放大器AD603,放大后的信号输入基于OPAl28的峰值检波电路检测幅值,再通过ADc转成数字信号,输入FIFO及DSP的I,O端。经DsP计算得到峰值相应的增益值后从DSP的I/O端输出增益控制信号,输入

频率的信号才被通过,仿真结果表明,该高通滤波电路是符合设计要求的。

2.2低通滤波电路

按上述要求,低通滤波器截止频率为100

增益为2,即6dB,所设计的电路如图4所示。

kHz,

基于DAC0832的DAC电路,转换为电压信号,来控

制AD603的增益,形成环路,从而达到10范围内增益可调。3.1可调增益放大器

dB一30dB

AD603通过对引脚5和引脚7不同的连接方式来决定其可控增益范围。芯片的增益为40VG+20dB,系统要求增益范围为10

尺。=2.49

dB一30

dB,则根据芯片

dB口‘10】。设计的

手册的电阻曲线,选择在引脚5与引脚7间接电阻

kQ,使其最大增益约为41

可调增益放大电路如图6所示。

100Q

图4100

kHz低通滤波电路图

图5为利用Multisim进行低通滤波电路仿真所

得的仿真图。

。水平一t直——一’r阿一陋一1r阿一同一Ir一隔一I匝F一厣一

厂—i百一塑童

隋甄-_丝丝Jl厂菊萨.堕壁J

一捌一…——1一一

塑I堡耋l塞坠l

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+l

I∞∞l他-3.i63由

+疗辕入疗一

图5100

kHz低通滤波电路仿真图

图6利用AD603设计的可调增益放大电路

由图5得到的幅频特性曲线可见,信号频率在

高于100kHz时被吸收,只有低于设定频率的信号

AD603脚1和脚2的电压差由DSP控制,DSP控

才被通过,仿真结果表明该低通滤波电路是符合设计要求的。3

制信号通过DAc转换为模拟信号后调节AD603的

输出增益。

3.2峰值检波电路

AGC环路设计

如图1所示,AGc环路包括可调增益放大器、峰

本文利用TI公司的Difet静电计级运算放大器0PAl28来设计的峰值检测电路如图7所示。

利用Multisim模拟,得到了该峰值检波电路的仿真结果,如图8所示。

值检波电路、ADc和DAc。同时,用于缓存的FIFO及用于计算控制的DSP也参与了整个环路的信号

=10pF

10kQ

‘阻

lN9142r、\

斌/

3lo队606

蚪,工搿泌燃彰呻=。

NOTE:(1)ReVcrsepolarity

fornegatiVepeakdetec“on

图7峰值检波电路图

第5期张鉴,戚昊琛等:汽车主动防撞系统的中频信号处理模块

1117

图8峰值检波电路仿真图

由图8可见,信号通过峰值检波,成功地输出了波形的峰值,表明该电路可良好地检测波形的幅值,符合设计要求。但峰值检波得到的幅值量为模拟量,需通过A/D转换再进行计算。

3.3

输入为差分输入形式,本文利用差分功率放大器AD8138来设计由单端输入到差分输出的电路,作为AD6644的差分模拟输入端,并选用直流耦合来有效滤除偶次谐波分量、共模干扰信号等;③本文涉及的汽车防撞测距系统中各种供电电源均来自汽车12

AD转换电路

本模块的AD转换电路不仅用于对峰值的AD转换,还将对中频信号数字化,实现高速高精度转换。选

用ADI的AD6644,它是一款性能优良的14

bit、65

供电,因此,将模拟和数字电源分开并单独设计以避免模数之间的干扰是必须的,AD芯片作为模数信号的中间环节,其模拟电源与数字电源更应分开设计并尽量远离,本文将AD6644中所有电源管脚都就近对地接10nF去耦电容,以滤除电源与地之间的宽频杂波,在靠近电源处接入10

nF一100

Msample/s单片模数转换器,内含保持电路和基准源,采用三级子区式转换结构…删,具有低噪声、低失真、低功耗等优点,非常适合各种苛刻环境下的速度检测。

在以AD6644为中心的AD转换电路中。要注意

以下几点:

nF陶瓷电容,以

滤除高频噪声,同时接人10斗F钽电容,滤除低频噪声,另外,模拟地与数字地之间通过磁珠连接,进一步抑制干扰噪声。

图9为按照上述原则与步骤,设计的AD6644外围电路图(因芯片引脚众多,为使图片简洁明了,未

使用引脚)。

①其要求高质量低相位噪声的差分采样时钟

信号来进行采样编码,本文使用低抖动Ec∽ECL

时钟,通过低偏压差分器件MCl00LVELl6将其差

分信号通过电容器交流耦合来编码信号;②其模拟

图9利用AD6644设计的AD转换电路

11183.4

子器件第38卷

DA转换电路

D/A转换电路主要用于转换DSP输出的增益控

转换电路。图10所示为利用DAC0832设计的一种用两级运算放大器组成的模拟电压输出电路,设参考电压K盯为+5V,从一级运放输出的为单极性模拟电压,电压值为0—一5V;从二级运放输出的为双极性模拟电压,即在%。,得到的输出电压

为±5

V。

制信号等。本文选用8位双缓冲D/A转换芯片DAc0832,其性价比高、接口简单、转换控制容易。

因DAC0832的转换结果以一组差动电流输

出,而AD603等需要电压控制信号,因此必须外接

Vff

图10DAC0832双极性输出DA转换电路

图10中

%w=等也,=(罴-1)‰(3)

V.+5

所示,其中横坐标为频率,纵坐标为信号幅值。

计算可得,当DsP控制DAc0832的D0。D7为0—255时,其输出电压%.盯在一5化,符合控制要求。

3.5控制增益

V之间变

:▲▲▲【U-▲▲▲

图ll中圆点连接的曲线为测试得到的控制增益,方块连接的曲线为理论增益。将理论值与测试值进行对比可见实际增益与理论增益基本相符,符合设计要求。

28()()24002()0016()o12()o8()o400

频率/l【IIz

(a)距22米的静止目标输出信号频谱图

}..▲▲▲I

i..▲U■k..

O.0

频率瓜Hz

(b)距40米的静止目标输出信号频谱图

Amplitudesofinputsignal/mV

图12经中频调理电路处理的信号频谱图

图11控制增益与理论增益对比图

根据图12,距离22m的静止目标在频谱图上得到的频率值为17.93kHz,而根据式(1)得到的理论值为17.6KHz;距离40m时的静止目标在频谱图上得到的频率值为31.86kHz,理论值为32kHz,在误

4实验结果

雷达传感器的调制信号采用三角波形式,带宽

为200MHz,调制频率为150Hz。限于实验条件及后

差范围之内,符合设计要求。

续DsP信号处理模块的完善程度,我们通过对静止目标检测,来验证该中频信号处理模块的准确性与实用性。经该模块处理后,检测了不同距离的静止目标,利用数字信号处理后得到的频谱图形如图12

5结论

本文基于对雷达传感器工作原理的分析,得到中频信号处理模块的关键参数。设计并实现了包

第5期张鉴,戚昊琛等:汽车主动防撞系统的中频信号处理模块

1119

括滤波、放大、AGC环路的完整的中频信号处理模块。通过对关键电路的仿真和整体系统的实验测试,验证了该模块对于雷达防撞测距系统的适用性。该模块的设计与实现,可为24

GHz

FMCW雷达

的测距应用提供核心的硬件解决方案。

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