本帖最后由 懒兔子 于 2018-12-16 23:07 编辑
【Distance2Go试用02】24GHz毫米波雷达工作原理浅析
雷达的工作方式多种多样，并且根据用途使用不同频段的无线电波。这里针对于InfineonDistance2Go套件的FMCW工作模式简单的分析一下24GHz毫米波雷达的工作原理。
由于兔子一直以来是做通信设备里的数字硬件部分，并不是做RF的，本文仅仅是对自己学习毫米波雷达原理做个总结，因此难免存在遗误，望大家指正。
首先放上两篇入门指导的好文章，有兴趣的同学们可以参考。
Infineon Radar FAQ： https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Radar%20FAQ-PI-v02_00-EN.pdf?fileId=5546d46266f85d6301671c76d2a00614
一个德国老爷子用记事本手写的网站RadarBasics： http://www.radartutorial.eu/02.basics/Frequency%20Modulated%20Continuous%20Wave%20Radar.en.html
不论何种应用，雷达的基本原理都是相似的，通过天线发送一组无线电波，电波到达目标物体后发生反射，反射回来的电波被天线接收到。通过对比发送和接收的信号，或者记录发送和接收的时间点，可以得到在介质（如空气）中传播的时间，进而算出物体和雷达间的距离。
最简单的实现方式是发射高频脉冲（如下图），但是由于电磁波在介质中的衰减，这就要求较高的发射功率，同时这种短时间内的高辐射能量对人体有害，所以在涉及车载雷达这样的应用时就不太适用了。
由此引入FMCW的概念。FMCW的全称是Frequency-ModulatedContinuous-Wave，即调频连续波雷达，就是靠发送连续不断的频率调制波代替高频高功率的脉冲。当然FMCW雷达还有精度高、可以连续测量位置和速度、输出频率低易于实现和处理等优点。
如下图所示，红色的是发射波，绿色的是回波。纵轴是频率，发射波和回波的频率都是线性变化的。频率变化的方式，可以是锯齿形（Sawtoothlinear frequency changing）或者三角形（Triangular frequencychanging）。
由于斜率是一定的，通过测量某一时间发射波和回波的之间的频率差Δf，即可得到电磁波在介质中传播的时间Δt。假设介质是均匀的，比如小范围内的空气密度和成分不变，就可以算出目标的距离： c0：光速（空气中3x108m/s） df/dt：调频的斜率
以锯齿形频率变化为例，如果扫频从24.0GHz开始（Lower Freq），到24.22GHz截止（Upper Freq），Ramp Bandwidth就是220MHz。如果软件设置Chirp Time/Ramp Duration是1000us，那么df/dt=2.2x1011 Hz/s。C0=3x108m/s，当测到的Δf（Beat Freq）为14.7KHz时，目标物体到雷达的距离就是：
结合上一篇文章给出的表格，对照结果无误。当然本计算只针对静止的物体（不考虑多普勒效应）：
那么这个Δf是怎么得到的呢？下面来看下硬件上的实现方案。从最简单的实现原理来说，就是把一个线性调频信号一分为二向，一路从TX天线发射出去，另一路和RX天线接收到的回波一起输入混频器（Mixer）。混频器输出的信号（IF Output）就包含了fTX-fRX的信息，通过AD采样，然后将AD的采样结果做FFT转换成频率信息即可。
具体一点的解决方案如下。通过DA输出变化的电压来控制VCO（Voltage Controlled Oscillator）输出高频FM信号（这里为24GHz-24.25GHz），并通过PA（Power Amplifier）放大至一定的输出功率。RX接收的回波信号通过LNA（Low Noise Amplifier）放大后和VCO产生的FM信号进行混频，得到一个低频的Δf（小于1MHz）信号，通过放大和AD采样后既可以交由MCU进行处理。下图黄色为射频部分，绿色的部分一般放在MCU子系统中。
由于Δf频率很低，因此可以采用MCU的内部ADC，并且由MCU软件实现FFT。当然在选择MCU的时候最好是带有DSP扩展指令集的内核，比如ARM Cortex-M4/M7内核。
由于Infineon的BGT24MTR11上已经集成了VCO，如果精度要求不高又需要节省成本，也可以用MCU内部的DAC，但是为了测量提高精度，最好采用专用的带有连续线性调频功能的PLL（如Distance2Go上使用的TI LMX2491）。
那么物体的移动速度呢，就利用多普勒效应（DopplerEffect）。由于目标物体的运动个，回波得到的调频起始频率和终止频率都会与发射的频率产生偏差，这种频率的偏移被称为fD，即多普勒频率。fD的大小和TX信号中心频率（fC）、物体的速度（v）和运动偏角（α）有关。
计算公式为：
如果物体的运动方向和雷达在一条直线上，同时采用24GHz-24.25GHz调频范围（25MHz带宽），那么中频fC=24.125GHz，可以得到速度公式：
Infineon同样给出了一张表格来直观地显示多普勒频率和速度的关系：
多普勒频率fD的测量原理和测距相同，对于如下FM信号，频率按三角形变化。如果目标物体静止，fD可以忽略，此时图形上升沿期间的TX/RX频率差Δf1与下降沿期间的Δf2相等。当物体运动时（有一定的速度v），RX回波频率会整体向上或者向下偏移，从而产生偏移频率fD。
假设上升沿和下降沿斜率相同，此时：
以此可以通过一个周期的三角形调频，对上升沿和下降沿时期分别做FFT，就可以同时测得物体的位置和移动速度。
最后谈下雷达的测量范围和精度。雷达测量距离和无线电频率、发射功率、调制方式和接收机灵敏度有关。而无线电波测量物体的理论分辨率主要和FMRamp Bandwidth相关，Infineon Distance2Go套件由于采用的是24GHzISM band，按照国际上对频段的使用规定只能利用24GHz-24.25GHz这250MHz带宽，因此分辨率只能到0.6m。
这里有一个关于常见雷达频率、测量分辨率、范围和发射功率需求（大概）的列表。如何选择还是要根据具体的应用场景而定了。
另，附一张IF Output的ADC信号和FFT后结果的对比图：
| 
发表于 2018-12-16 22:46:14
发表于 2019-1-7 14:25:11
/4 
