FMCW雷达测距系统的中频信号处理电路设计

２０１５正　第８期　仪表技术与传感器　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　２０１５　Ｎｏ．８　

ＦＭＣＷ雷达测距系统的中频信号处理电路设计　

戚昊琛　，张鉴　，高伟清　，鲍嘉明　

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

摘要：中频信号处理电路是雷达测距系统的核心硬件。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２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ＯＰＡｌ２８　

等设计实现了可调增益放大器、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，验证了中频信号处理电路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：ＦＭＣＷ雷达；测距系统；中频信号处理；电路设计　

中图分类号：ＴＮ９５２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２－１８４１（２０１５）０８－００２９－０４　

Ｄｅｓｉｇｎ　０ｆ　ＩＦ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　

ＦＭＣＷ　Ｒａｄａｒ　Ｒａｎｇｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＱＩ　Ｈａｏ・ｃｈｅｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａｎ　，ＧＡＯ　Ｗｅｉ—ｑｉｎｇ　，ＢＡＯ　Ｊｉａ—ｍｉｎｇ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＩＦ）ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　０ｆ　ｒａｄａｒ　ｒａｎｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　

ｆｉｌｔｅｒ　ａｎｄ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ｔｈｅ　ｆｉｌｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｈｉｇｈ・ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｎｄ　ｌｏｗ・ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　

ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｏｕｂｌｅ　０ｐ－ａｍｐ　ＭＣ３３０７８．Ｔｈｅｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ｇａｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ＡＤ６０３　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ＯＰＡｌ２８，ｔｈｅ　ａｄｊｕｓｔａ—　

ｂｌｅ　ｇａｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｐｅａｋ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ　ＡＤ／ＤＡ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｋｅｙ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｗｅｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒ　ｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｖｅｒａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｗｈｏｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍｏｄｕｌｅ　ｗａｓ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｂｙ　ｓｔａｔｉｃ　ｔａｒｇｅｔ　ｒａｎ—　

ｇｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＭＣＷ　ｒａｄａｒ；ｒａｎｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ＩＦ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ；ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　

０引言　

基于调频连续波（ＦＭＣＷ）的雷达系统具有全天候性、灵敏　

度和探测精度的优势，近年来已成为测距系统的优选方案…。　

该测距系统的核心是中频信号处理电路，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软件处理做好准备　Ｊ。本　

文以２４　ＧＨｚ　ＦＭＣＷ雷达为前端，设计中频信号处理电路。以　

汽车防撞测距应用为例，系统的作用距离为ｌ～１００　ｍ，测速范　

围为０—２２０　ｋｍ／ｈ。　１原理及参数计算　

Ｌ１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　

，ｄ：４￣ｒＲｆｖ　±　（１）　，ｄ　ｔ…±——　Ｌ　１　

式中：ＡＦ为调制带宽　为中频信号频率　为三角波调制频　

率；ｃ为光速；．Ｒ为相对距离；”为相对速度，根据测距测速要求　

设调制频率为１５０　Ｈｚ（远距离检测）与７５０　Ｈｚ（近距离检测）２　

种　；ＡＦ设为２００　ＭＨｚ　设为２４　ＧＨｚ。　

基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１３７４０８４，６１３０７０５６）；合肥工业　大学科学研究发展基金资助项目（Ｊ２０１４ＨＧＸＪ００９１，Ｊ２０１４ＨＧＸＪ００８２）　收稿日期：２０１４－１０—２０收修改稿日期：２０１５—０３－０１　由上述公式计算可得，在系统测距测速范围内，中频信号　

频率范围为０～１００　ｋＨｚ。　

低通滤波器用于滤除高频杂波，因此，设其截止频率为　

１００　ｋＨｚ；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ｌ０倍　，设为１．５　ｋＨｚ　

和７．５　ｋＨｚ。　

１．２放大电路参数　

根据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　

Ｓ＝Ｋｃｏｓ｛２　［（ｆｏ＋Ｂ／２）（ｔ－ｒ（ｔ））　（￡一ｒ（ｔ））　／２］　０｝　

其中，　

ｒ（ｆ）：—２（Ｒ—＋ｖｔ）　（２）　

Ｃ　式中：曰为调制信号带宽；　为信号传输损耗因子；　为调制信　

号斜率，为４０　ＭＨｚ／Ｖ；　０为发射信号的初始相位；ｔ为时间变　

量。　

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￣３００　ｍＶ，且信号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，　

可根据输入信号幅值的大小自动调整增益，

使得信号幅值统　第８期　戚昊琛等：ＦＭＣＷ雷达测距系统的中频信号处理电路设计　３１　

＝　图６峰值检波电路图　

一：三　△八△八八△八　△八八八八八八八　！　

图７峰值检波电路仿真图　

由图７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。　

５　Ａ／Ｄ和Ｄｌ／Ａ转换电路　

本模块的Ａ／Ｄ转换电路选用ＡＤＩ的ＡＤ６６４４，它是一款性　

能优良的１４－ｂｉｔ、６５ＭＳＰＳ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　。　

在以ＡＤ６６４４为中心的Ａ／Ｄ转换电路中，要注意以下几　

点：首先，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ＥＣＬ／ＰＥＣＬ时钟，通过低偏压差　

分器件ＭＣ１０ＯＬＶＥＬ１６将其差分信号通过电容器交流耦合来编　

码信号；其次，其模拟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；再次，本测距系统涉及的多个供电　

电源为ｌ２　Ｖ，由于将模拟和数字电源分开并单独设计以避免模　

数之间的干扰的必然性，将ＡＤ６６４４中所有电源管脚都就近对　

地接１０　ｎＦ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１０－１００　ｎＦ陶瓷电容，以滤除高频噪声，同时接入　

１０　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８为按照上述原则与步骤设计的ＡＤ６６４４外围电路图。　

Ｄ／Ａ转换电路主要用于转换ＤＳＰ输出的增益控制信号等。　

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　

图８利用ＡＤ６６４４设计的Ａ／Ｄ转换电路　

等需要电压控制信号，因此必须外接转换电路。图９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Ｉ，Ｒ　为＋５　Ｖ，从一级运放输出的为单极性　

模拟电压，电压值为０～－５　Ｖ；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。　

图中　

ＶＯＵＴ－百２ＶＲＥｒＤ　＿１）　（３）　计算可得，当ＤＳＰ控制ＤＡＣ０８３２的Ｄｏ—Ｄ７为０—２５５时，　

其输出电压　在一５一＋５　Ｖ之间变化，符合控制要求。　

６实验结果　

雷达传感器的调制信号采用三角波形式，带宽为２００　ＭＨｚ．　

调制频率为１５０　Ｈｚ。限于实验条件及后续ＤＳＰ信号处理模块　

的完善程度，通过对静止目标检测，来验证该中频信号处理电　

路的准确性与实用性。经该电路处理后，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ｌ０所示，其　

＾／趟　３２　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ａｕｇ．２０１５　

中横坐标为频率，纵坐标为信号幅值。　

ＧＮＤ　

图９　ＤＡＣ０８３２双极性输出Ｄ／Ａ转换电路　

频摩／１０４Ｈｚ　

（ａ）距２２　ｍ的静止目标输出信号频谱图　０　

频￣／１０４Ｈｚ　

（ｂ）距４Ｏ　ｍ的静止目标输出信号频谱图　

图１Ｏ经中频调理电路处理的信号频谱图　

如图所示，距离２２　ｍ的静止目标在频谱图上得到的频率　

值为１７．９３　ｋＨｚ，而根据式（１）得到的理论值为１７．６　ｋＨｚ；距离　

４０　ｍ时的静止目标在频谱图上得到的频率值为３１．８６　ｋＨｚ，理　

论值为３２　ｋＨｚ，在误差范围之内，符台设计要求。　

７结论　

中频信号处理电路是ＦＭＣＷ雷达测距系统的关键与核心。　本文基于对雷达传感器工作原理的分析，得到中频信号处理电　

路的关键参数。设计并实现了包括滤波、放大、峰值检波和　

ＡＤ／ＤＡ转换的完整的中频信号处理电路。通过对关键电路的　

仿真和整体系统的实验测试，验证了该电路对于雷达防撞测距　

系统的适用性。该电路的设计与实现，可为２４　ＧＨｚ　ＦＭＣＷ雷　

达的测距应用提供核心的硬件解决方案。　

参考文献：　

［１］ＴＡＫＡＮＯ　Ｔ，ＮＡＫＡＮＩＳＨＩ　Ｙ，ＴＡＫＡＭＵＲＡ　Ｔ．Ｈｉ【ｓｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ＦＭＣＷ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｒａｄａｒ　ＦＡＬＣＯＮ～Ｉ　ｆｏｒ　Ｗ—ｂａｎｄ　ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ．　

Ａｎｔｅｎｎａ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｌｅｅｔｍｍａｇｎｅｔｉｅｓ（ＡＮＴＥＭ），２０１２　１５ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ．ＩＥＥＥ，Ｐｏｕｌｏｕｓｅ　２０１２．　［２］戚吴琛，解光军，张鉴．ＦＭＣＷ雷达系统及其前端数据采集模块设　计．电子科技，２０１２，２５（５）：４４－４６．　

［３］汪红，张杰，张大彪．凋频连续波（ＦＭＣＷ）雷达信号调理电路．仪表　技术与传感器，２０１２（１）：ｌｏ５—１０７．　［４］　戚吴琛，胡智文，张鉴．ＦＭＣＷ雷达系统的双模方向判断模块研究．　

电子测量与仪器学报，２０１４，２８（５）：４８６＿４９２．