第2卷 第2期 信 息 与 电 子 工 程 V o1．2，No ．2 2004年6月 INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Jun ．，2004
FMCW 测距雷达数字信号处理器设计仿真
徐小平1,2，刘建新1，韩 宇1，丁庆生2
（1.中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621900；2.电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 610054）
摘 要：提出了一种调频连续波(FMCW)测距雷达信号处理器的数字实现方案，它将快速傅
立叶变换(FFT)和现场可编程门阵列(FPGA)技术相结合，可实现FMCW 雷达低成本、高精度的
测距功能。仿真和测试结果表明该方案可用单芯片完成数字信号处理器的硬件设计，可在一些小
型FMCW 测距雷达上应用。
关键词：电子技术；调频连续波测距雷达；快速傅立叶变换；现场可编程门阵列；SIMULINK
中图分类号：TN953+.2，TP911.72 文献标识码：A 文章编号：1672-2892(2004)02-0133-03
1 引言
与传统的脉冲雷达相比，调频连续波(FMCW ：Frequency Modulation Continuous Wave)测距雷达具有低发射功率、低截获性、小型固态化、高距离分辨力、大时间带宽积、高灵敏度以及高抗有源干扰能力等优点，在工程上得到广泛的应用。传统FMCW 雷达的信号处理虽然能达到一定的测距精度，但随着应用的深入，怎样进一步提高测距精度和信号实时处理速度成为目前需要迫切解决的问题。本文将快速傅立叶变换(FFT ：Fast Fourier Transform Algorithm)和现场可编程门阵列(FPGA ：Field-Programmable Array)技术相结合，实现信号处理的数字化，从而提高信号处理系统的稳定性、测距精度和处理速度。
2 FMCW 雷达测距基本原理[1]
FMCW 雷达测距的实质就是对差拍信号的频率进行估计，即FMCW 信号处理的基本任务就是估计出差拍信号的频率，然后利用差频和距离之间
的线性关系达到测距目的。如图1所示，FMCW 雷达发射信号和接收信号
的f - t （瞬时频率和时间）波形为锯齿波，实线表示为发射信号瞬时频率f t
与时间的关系，虚线表示为回波信号的瞬时频率f r 与时间的关系，最大频偏为ΔF ，调制周期为T m 。回波信号的频率相对于发射信号频率有一个时间上的平移，两者的差拍频率f i 反映出所测目标的距离，其数学表达式如下：
m
d i cT H F f f ×?+=2 (1) 式中，f d 为目标运动所产生的多普勒频率，c 为光速，H 为距离。由此可得出图1所示的差拍频率和高度H 的线性关系。另由式(1)知道，当f d ≠0时，f d 对系统的影响是不能忽略的，要减小其对测距精度的影响，应满足 c
T FH f m d ?<<2 (2) 这时，f d 的影响将从参数选择上给予考虑，在系统设计中不再考虑其影响，所以FMCW 雷达信号处理器的测距问题归结为对瞬时差拍信号频率的估计问题。
3 FPGA 设计方案及仿真
3.1 系统设计框图
系统设计框图如图2。差拍信号首先通过AD 变换将其量化。为提高FFT 的滤波性能，需对量化数据进行加窗处理，再经乒乓式RAM 对数据进行缓存后送入FFT 处理器，处理后的输出幅度和设定的门限值进行比较，当超过门限时，输出相应谱线位置和滤波器号，再根据查表法得到距离信息，从而实现了FMCW 雷达测距。
a) AD 选择
由于模拟信号在经A/D 量化时存在误差，加之电磁环境变得越来越复杂，选择的AD 应具备高速度、大
收稿日期：2003-11-28； 修回日期：2004-03-12
作者简介：徐小平（1977-），女，在读硕士研究生，主要从事雷达数字信号处理和FPGA 集成电路的研究。
T
m t f t f r 图1 收发信号频率－时间图
第2期 徐小平等：FMCW 测距雷达数字信号处理器设计仿真 135 t 3.3 后布线仿真[4] 在ISE 环境下，布局布线后的仿真模型可以表明器件的延迟时间，其延迟信息包括门延迟和布局布线引起的路径延迟，可以验证程序在目标器件中的时序关系，能够较为准确的模拟设计在器件上的实际运行情况。图6(a)的后布线仿真和调试结果表明，FMCW 测距雷达数字信号处理器设计输出谱线突出，在不同的信噪比下都能够使系统测距误差在系统要求的范围之内，完全满足测距精度。与加载实验板得到的结果图6(b)(镜像谱线未画出)进行比较时发现，仿真结果和实验板测试结果是吻合的，可见，FMCW 雷达测距数字信号处理器设计可以实现高精度测距功能。
4 结论
随着信号处理方法的不断改进和FPGA 芯片技术的突飞猛进，结合两者技术的信号处理器设计也将得到进一步的完善，而FMCW 测距雷达在应用这些新的信号处理方法后其性能也相应得到了提高，具备了更高的精度、更快的处理速度和更好的抗噪能力。本文给出的设计框图以及仿真调试结果表明，FMCW 雷达测距功能可以用一片XC2V500器件实现其硬件设计，成本更低。FMCW 测距雷达的种种优势随着信号处理技术的发展将得到更好的体现。
参考文献：
[1] 朱启明.雷达高度表设计理论基础[M].北京:国防工业出版社,1992.
[2] 胡广书.数字信号处理——理论,算法与实现[M].北京:清华大学出版社,1997.
[3] 黄文梅,熊桂林,杨 勇.信号分析与处理—MA TLAB 语言及应用[M].长沙:国防科技大学出版社,1999.
[4] 徐志军,徐光辉. CPLD/FPGA 的开发与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.
Simulation of Digital Signal Processor on FMCW Radar
XU Xiao-ping 1，
2，LIU Jian-xin 1，HAN Yu 1，DING Qing-sheng 2 （1. Institnte of Electronic Engineering ，CAEP ，Mianyang 621900，China ；
2.School of Electronic Engineering ，UESTC ，Chengdu 610054，China ）
Abstract : An implementation method of digital signal processor on frequency modulation continuous wave radar is
introduced in this paper. Combining fast fourier transform algorithm field-programmable array with technology ，it can realize
ranging function of FMCW radar with low cost and high precision. The simulation and test results indicate that this design can
be implemented on a single chip. This design can be applied in some minitype FMCW radar for its ranging function.
Key words: electronic technology ；FMCW ranging radar ；FFT ；FPGA ；SIMULINK 图5 不同信噪比下的仿真谱线图 (a) 后布线仿真图
图6 后布线仿真图和调试结果图
幅度 SNR ＝-3dB
SNR ＝∞ SNR ＝6dB SNR ＝0
幅度
图4 SIMULINK 和SYSTEMGEN 结合的仿真框图