1、南京理工大学硕士学位论文LFMCW雷达信号处理技术研究姓名：孙晖申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：盛卫星20100623硕上论文 LFMCW雷达信号处理技术研究摘 要线性调频连续波雷达具有无距离盲区、距离分辨力高、辐射功率小等优点，在汽车防撞雷达等民用和国防领域得到越来越广泛的应用。本文围绕着线性调频连续波雷达，开展信号处理及其动目标检测技术研究，论文的主要研究工作包括：针对频扫线性调频连续波雷达的需求，提出了数字信号处理器的实现方案。完成了数字信号处理器的电路设计，包括：AD变换与数字下变频电路、FPGA电路、DSP电路、接口电路和电源电路等。完成了信号处理器的原理图设计、印制
2、板图设计和电路的安装、调试、测试。对动目标检测技术进行了研究，针对线性调频连续波雷达设计了动目标检测实现方案，完成了算法编程、调试和性能评估。针对车载雷达运动的特点，根据目标角度和距离的关系，给出防撞目标和路边干扰的判别方法，并进行了仿真验证。参与完成了线性调频连续波雷达的外场试验，试验结果验证了算法的正确性和有效性。关键词：线性调频连续波，动目标检测，目标配对，汽车防撞雷达Abstmet 硕十论文AbstractLinear丘equency modulation continuous wave(LFMCW)radar has been applied moreand more widely
3、in civil area such as anti-collision in Car and defense area,because of itsbetter performance in no blind range，high range resolution and low emission powerIn thisthesis，focused on the LFMCW radar,signal processing technique is studiedne mainresearch works include：小According to system requirements o
4、f LFMCW Radar,a scheme for digital signalprocessing is proposed111e circuit design of the digital signal processing board isaccomplished，including AD converter and digital down-converter circuit，FPGA circuit，DSPcircuit，imerface circuit and power supply circuitThe schematic circuit design，primed circ
5、uitboard design and manufacture，debugging of the digital signal processing board are finished；b)The technique of movement target detection(MTD)for LFMCW radar is investigatedSoftware of MTD for LFMCW Radar is designed，programmed and debugged，and theperformance evaluation is accomplishedThe differenc
6、es of the echo signal betweenautomobile anticollision radar and fixed radar are analyzedA method of distinguishinganticollision targets from roadside interferencebased on the relationship of distance andangle of targets is adopted，and simulation resultsare givenc)Outdoors experiments of the LFMCW Ra
7、dar are accomplished，and the experimentalresults verify the correction and effectiveness of the proposed digital signal processing boardand the MTD methodKeywords：LFMCW，MTD，targets paring，automobile anticollision radarH声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任
8、何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 叫口年b月哆日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名： 2刀扣年6月_弓日硕士论文 LFMCW雷达信号处理技术研究1绪论11课题背景连续波(Cw)雷达是一种历史悠久、简单实用、性能优良的雷达工作体制。顾名思义，连续波雷达的发射信号是一种连续波信号【l】。连续波大致分为两种
9、，简单未调制连续波和调制连续波。线性调频连续波(LFMCW)雷达属于调制连续波，它通过发射频率随时f、日J变化的电磁波，然后由目标回波与发射信号之间的相位差和频率差来检测目标的径向距离、速度等信息。它的工作频率从微波、毫米波一直延展到光。雷达要探测的目标，通常是运动的物体。例如空中的飞机、海上的舰船、地面的车辆，而目标的周围经常存在着各种背景，如缓慢运动的云雨、海浪，静止的建筑物等【2】。一般来讲，它们的运动速度比要观测的目标速度小得多，产生的回波为杂波。由于面积较大，故杂波较强。当运动目标回波和杂波同时显示时，会使目标的观察变得很困难。因此，无论从抗干扰还是改善雷达性能来看，显示运动目标而抑
10、制杂波背景是一个很重要的问题。区分运动目标和杂波在于它们速度上的差别。由于速度不同而引起回波信号的多普勒频率不相等，所以，可以通过多普勒频率的不同将杂波和运动目标区分开来12J。动目标检i贝U(MTD)不仅能滤除杂波，而且还可以将不同运动速度的目标区分开来，从而大大改善了在杂波背景下检测运动目标的能力，提高了雷达性能。近年来，随着经济的发展，汽车作为交通工具正为越来越多的人使用，道路上的汽车密度越来越高，因而引起的交通事故也随之R益严重【3J。据资料统计，全世界死于车祸的人数要比第二次世界大战的死亡人数还要多，所以汽车防撞报警就成为迫切需要解决的一个问题。研究表明：驾驶员只要在碰撞危险出现的0
11、5秒前得到预警，就可至少避免60的追尾撞车事故，30的迎面撞车事故和50的路面相关事故；若有1秒钟的预警时间，则可避免90的事故。在夜、雨、雪、雾等天气条件下，能见度低，驾驶员视距小，处于中、高速行驶过程中的汽车就很难及时发现前方障碍物，并采取必要的措施。从经济方面来说，我国的桥梁、高速公路的运行受天气条件影响较大。为保证车辆运行的安全，在遇到恶劣天气时，以限制车速或关闭路桥来达到安全的目的，这样无疑会影响到道路的通行能力，结果是除造成巨大的经济损失外，又使本来就拥挤的道路更加阻塞。因此，迫切需要研制一种装置，可以保障在能见度较低及驾驶员长时间驾驶时的行车安全。在这种背景下，大力开展汽车防撞系
12、统研究具有非常重要的现实意义和应用前景，其研发成功将会产生巨大的社会和经济效益。l绪论 硕士论文12国内外研究现状八十年代中期，荷兰的Technishe Hogeschool Delft的LPLighthart等人在用LFMCW雷达进行气象观测的实验中，对LFMCW信号的模糊函数、分辨率、机灵敏度等进行了初步分析；与此同时，美国的RBChadwick等人在军方的资助下，对LFMCW雷达中的旁瓣效应和距离速度耦合引起的距离串扰问题进行了研究；八十年代末到九十年代，电子科技大学对LFMCW雷达的模糊函数、接收机性能、等效正交双通道等理论问题以及高线性度大时带积LFMCW信号产生技术、距离分段处理技
13、术、线性度测试等关键技术做了深入研究【引。进入九十年代，固态微波毫米波器件和数字信号处理技术有了长足的发展。同时，迅速发展起来的毫米波LFMCW雷达因同时具备毫米波雷达和LFMCW雷达二者的优点而受到广泛的关注。与微波雷达相比，毫米波LFMCW雷达可以更宽的调频带宽，获得更高的距离分辨率，即使用较小的天线，也能产生很高的角度分辨率；与脉冲雷达相比，LFMCW雷达要求较低的发射功率，而且信号处理系统更为简单，具有体积小、重量轻的优势；与激光和红外等光学系统相比，毫米波雷达不易受云、雨、雾等天气条件的影响，可以全天候工作。近些年来，出现了大量应用于各个领域的LFMCW雷达系统，在导弹精密制导、战场
14、侦察、气象观测和防撞系统等方面发挥着越来越重要的作用。此外，LFMCW雷达没有距离盲区的特点使它在探测埋地物件(包括金属或非金属地雷)方面起到了不可替代的重要作用。汽车防撞雷达的发展已经有几十年的历史。近年来，随着微电子和毫米波技术的发展和成熟，汽车防撞雷达的研究己进入一个全新的阶段。至今为止，从时间上可以大致分为两个阶段。第一阶段从60年代至70年代末，这一阶段的特点是微波理论及其器件集成水平低，系统硬件成本高，对于防撞雷达系统的性能要求没有客观的标准，因而各国研制出的防撞雷达样机应用效果差。第二阶段从80年代中期至今，这一阶段随着微波技术理论及其器件集成技术的高速发展，以及微波处理器性能价
15、格比的突飞猛进，使得研制出低成本、高性能的汽车防撞雷达成为可能。在毫米波技术领域，围绕着汽车防撞雷达的研制方兴未艾。目前，美、日、英、德、瑞典等国都投入大量人力物力，开发了一系列汽车防撞雷达，并且己经研制出可供装车使用的产品。总体看来，进入90年代以后，德国在这一领域的研究处于领先地位15】【6J。在欧洲，以德国的汽车公司为代表。如奔驰汽车公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞雷达，工作于35GHz，探测距离为150米，信号处理系统可以计算出前方2硕士论文 LFMCW雷达信口处理技术研究车辆或障碍物的距离及相对速度，并根据本车速度计算出必要的安全距离，当两车距离小于计算的安全距离时，发出灯
16、光和声音报警信号。该装置己安装在小汽车、客车和卡车上试用多年，性能良好。1997年奔驰公司的汽车雷达系统荣获德国的工业革新奖【7J。这个当时被称为速度距离控制系统的雷达采用FMCW(调频连续波)体制，工作频率76GHz，发射功率3mW。作用距离150米，可同时跟踪30个目标，但只考虑行驶速度小于或等于自身车辆速度的目标。雷达与汽车控制系统相连，可以自动执行刹车或变速，调整车速、控制车距。德国汉堡技术学院研制的防撞雷达，将频移键控(FSK)和线性调频连续波(LFMCW)两种体制结合，算法比单纯的LFMCW简单，实时性好，为车辆的防撞提供了宝贵的识别时间，同时具有较好的多目标分辨能力瞵J。日本在先
17、进安全车辆控制与安全系统方面的研究比较早，主要代表是由EatonVORAD Technologies公司设计的60GHz的汽车防撞雷达191，工作体制为FMCW，频带宽度为150MHz，作用距离为120m，可以分辨前方汽车的距离速度和角度，判断是否有碰撞的危险，若有危险，可向司机发出警报和自动校正汽车行驶方向。美国防撞雷达的研究相对于欧洲和日本来说起步较晚，但是发展很快，美国的汽车防撞技术目前己经是世界领先水平，主要有代表性的Eaton公司研制出的EVT300防碰撞报警雷达系统，该系统通过单脉冲雷达实时监控行驶环境，可同时跟踪多达20个目标但它只报告同一车道上的危险目标(如停止或慢行车辆)。如
18、果出现危险情况，雷达系统根据目标距离的不同分别用不同的声音和光信号进行报警。该系统已经在50个车队的一千辆载重卡车上得到应用，使追尾碰撞事故发生概率减小了55。Eaton公司还研制出了智能巡航系统，在该系统的控制下，车辆可以维持设定的行驶速度或通过自动改变车速达到和前导车辆保持恒定距离。美国Delco公司的防撞报警系统用毫米波雷达和激光雷达监测车辆前方和后方的目标，报告目标的位置和相对速度，确定是否有危险目标的存在，若出现危险则进行报警。1993年，该系统己应用于美国的校车上，用于探测在司机的盲区内是否有孩子出现，现在该系统已应用在卡车和客车上。由于受经济技术发展水平等因素的影响。国内对汽车雷
19、达的研究尚处于起步阶段，因此，相对于国外的防撞研究水平，我国的车用防撞系统的研制水平仍然较低。但国内微电子和毫米波技术的发展已相当成熟，有多家研究机构正在进行毫米波天线和收发组件的研究。喇叭天线和波导结构收发前端己进入实用化阶段，为汽车毫米波雷达的研究奠定了基础。平面天线和前端集成化研究己经展开。而且数字处理技术的飞速发展也为复杂信号的处理和噪声的抑制提供了强大的支持。国内对汽车雷达的研究工作已经起步，并取得了一定的进展。13本论文的内容安排本文围绕着运用动目标检测技术的线性调频连续波雷达，主要在以下方面展开研究3l绪论 硕上论文工作：第一章，论述了LFMCW雷达和汽车防撞雷达课题背景及国内外
20、发展的现状，之后简要介绍本论文的主要内容和具体的章节安排。第二章，介绍了频扫LFMCW雷达的组成，论述了频扫LFMCW雷达的工作原理。第三章，雷达数字信号处理器的设计与实现：主要在系统设计功能要求基础上，设计了信号处理器的设计方案。结合所选芯片，设计了信号处理器的硬件实现方案。接着使用Cadence软件进行了电路原理图的设计，印制电路板的设计，最后对电路进行了调试与测试，并对调试过程中出现的问题进行了解决。第四章，分析动目标检测技术，并运用到对称三角LFMCW雷达中。提出一种基于动目标检测技术的LFMCW雷达的目标配对算法，在matlab环境下进行了算法仿真。分析汽车防撞雷达与固定雷达的回波信
21、号、差拍信号等的差别，设计出运用MTD技术的LFMCW汽车防撞雷达。考虑到实际环境的复杂性，根据目标角度和距离的关系，给出防撞目标和路边干扰的判别方法，进行系统和算法的仿真验证。第五章， 在实验室开发的基于MTD技术的频扫LFMCW雷达系统上验证了信号处理算法的有效性，给出外场测试结果。4硕士论文 LFMCW雷达信号处理技术研究2频扫线性调频连续波雷达组成及工作原理线性调频连续波雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得目标距离与速度信息的雷达体制。它具有不存在距离盲区、容易实现极高的距离分辨力、信号能量大、时带积大、发射机功率较低、接收机灵敏度较高及结构简单等特点112】【1 3114l。频扫
22、线性调频连续波雷达由天线、发射机、接收机、频率综合器，信号处理器组成，如图21。发射机产生的雷达信号由天线辐射到空间，天线是收发共用的。接收机部分主要是放大微弱的回波信号，滤除不需要的信号及干扰，将目标回波信号与本振信号混频得到差拍信号。数字信号处理的目的是将差拍信号进行AD变换，经过谱分析，在频域里进行相关积累、动目标检测处理、杂波恒虚警检测等获得目标的距离、速度信息【10l【11】。一澈一1图21频扫线性调频连续波雷达总体框图21微带漏波频扫天线本雷达中，天线为收发独立天线，采用频率扫描方式，天线的扫描方向由发射信号的中心频率决定，工作频段为X波段，扫描角度范围为40。天线在设计时采用漏波
23、频扫天线，为了增大扫描角度，使用两组天线交错放置工作，如图22，扫描角范围达到800 。5雷士_-_-i；2频门线性删频连续赦番坫纽成I作镕 碰L论!图2 3省达线性调频连续波信号纳时频圈坝论文 LFMCW逃信0处理技术研究23雷达信号处理、数据处理与显示雷达回波中频信号的采集和信号处理小雷达信号处理器实现，将在本论文的第三章、第四章详细介绍。雷达的数据处理由基于ARM的数据处理板完成，数据处理完成对日标点迹的距离、方位凝聚，滤波和航迹处理。雷达的人机控制和显示由笔记奉电脑完成。显示控制电脑通过RS232串n和USBIsI从数据处理单元获取目标信息数据，再把相应的航迹和目标距离、速度信息显示在
24、计算机屏幕上，如图2+4。24 LFMCW雷达工作原理幽2 4目标显示系统对称三角波调制LFMCW雷达发射信号是一个有效时宽T远大于虽太作用距离心娃目标回波t。的信号”1，其芨射信号瞬时频率、回波瞬时频率以及回波差拍频率分别如图25(a)，(b)所示：2频扣线性调频连续波雷达组成及工作原理 硕上论文、 二fj1 r 丁 ，+ 。 彰、J L 爱 、 外部存储地址总线 DSP 控制总线 部分FPGA I时钟l部分 I 1 nb lI全!p 一剖鲨b旧l刊接U口S电B路P图32数字信号处理器硬件结构框图硕士论文 LFMCW雷达信廿处理技术研究AD6652用于采集中频模拟信号，实现模拟中频信号数字化
25、和数字下变频，获得零中频信号。FPGAXC4VSX35用于AD6652的寄存器配置和及采样数据的接口设计，射频组件的控制，部分的信号处理，实现与RS422接口芯片、USB接口芯片通信等。系统时钟由本地晶振提供，经FPGA内部DCM(数字时钟管理模块)生成不同频率的时钟信号，通过全局时钟管脚提供给各电路部分。ADSPTS201S用于进行信号与信息处理，一片8M32bit的SDRAMMT48LC8M3282用于片外数据存储；一片512K8bit的FLASH存储器AT49BV040在系统上电时为DSP加载程序。电源使用TI公司TPS54610和TPS5430等芯片实现。硬件设计的关键是AD6652、
26、FPGA和DSP及其外围电路和高速数据总线。设计中需要考虑时序配合、接口电平转化，隔离和缓冲措施，时钟驱动与传输，模拟数字信号隔离、接地技术以及功耗估计和电源设计等因素。32电路原理图设计321 AD与数字下变频电路设计AD变换与数字下变频器是数字接收系统的关键器件，用于完成中频信号的采样与数字下变频。设计中采用ADI公司的集AD转换与数字下变频一体化芯片AD6652，用于处理回波信号。 AD6652的内部结构如图33所示【16】。该芯片是一款数模混合的模拟中频信号输入、数字基带信号输出的接收器件。它包含了两路12bits精度，最高65MSPS的ADC和四个通道、多模式的数字接收信号处理单元。
27、这个器件的选用可以大大节省电路板空间，减少芯片间连线，减小信号线间的串扰(crosstalk)等问题对系统性能的影响。FUNCTIoNAL窖LoCK DlAGRAM曩柚a“喇粗臼t盯由，榭t舯啦OO薯lr越图33 AD6652的内部结构图3 LFMCW雷达数声信号处理器硬件设计 硕。二论文在AD6652中，中频模拟信号经ADC后，转换为数字信号，再经过一个可编程网络，进入指定的数字处理通道。信号经过数控振荡器(NCO)得到正交的I、Q两路信号，经过CIC2，CIC5，FIR三级可编程数字滤波器滤波，经过AGC自动增益控制，输出数字基带信号。AD6652提供了两路高性能的12bit ADC，模拟
28、中频输入方式采用了高性能的差分输入。外部的中频输入信号，在经过了一个的中频变压器之后，滤除了直流分量，输出的信号被分成两路幅度相同，相位相反的差分信号，进入AD6652内部，如图34。ADC内含差分采样保持放大器，其采样频率可达65MSPS。在工作带宽25MHz内的无寄生动态范围(SFDR)保持在80dB，信噪比的典型值为895dB。图中T1是中心抽头，阻抗比为1：1宽带射频变压器。图34 AD6652差分耦合输入连接电路AD6652具有四个独立的数字下变频通道，两路ADC生成的数字信号可以通过一个输入网络映射到其中的两个下变频处理通道。每个通道都由四个信号处理部分组成，这四部分分别是：32位
29、的数字控制振荡器(NCO)和数字混频器；两个级联积分梳状滤波抽取组，包括一个二阶级联的CIC(妃IC2)和一个五阶级联的CIC(CIC5)；一个系数可编程的160阶FIR滤波抽取组(RAM Coefficient FIR FilterRCF)。输出部分还有两个可编程的数字自动增益控制(AGC)，并且AGC内含了内插半带滤波器。内插半带滤波器可以提高输出的数据率。数字AGC的增益范围为963dB。322 FPGA电路电路设计FPGA(Field Programmable Gate Array)flO现场可编程门阵列，是以可编程阵列逻辑PAL、f-j阵列逻辑GAL、可编程逻辑器件PLD等可编程器件
30、为基础发展的产物。作为专用集成电路ASIC领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA理论上能够完成任何数字器件的功能，并且利用在线修改能力，可以随时修改设计而不必改动硬件电路，大大缩短了设计的周则1 71。设计中使用的FPGA是Xilinx XC4VSX35，具有34560个逻辑单元、15360个Slices、12碗论i LFMCW雷返信号处理技术研究3456K位的块存储器器、最大可用的IO引脚448个ISI。FPGA是数据运转的核心，大部分的数据流通都通过FPGA，这样可以增大系统设计灵活性。(1)FPGA配置电路连接：FPGA
31、上电后，需从外加的PROM中读取编程数据，进行配置。配置完成后在复位电路复位成功后FPGA器件开始正常工作。Vlne x4slP圈35 FPGA配置模式阁35是Xilinx公司推荐的配置电路。在信号处理板中，PROM选择Xilinx公司Platform Flash PROM系列的XCFl6PV048C配置器件，陔器件能重复多次编程，方便前期开发。电路设计严格按照推荐的配置电路进行连接，另外增加了配置指示灯，配置指示灯连接在+3 3V电源和DONE信号之间。配置过程中，指示灯亮，配置结束正常工作后，指示灯熄灭。如果FPGA配置失败，则指示灯常亮。在电路上还加了JTAG的下载电路，方便下载，电路连
32、接如图36。目36 FPGA配置F载连搂电路跳线JP25不连接(再设计中可以省去)。跳线JP26断丌时，下载的链路上有FPGA，PROM，JTAG口，可以对FPGA舀毽鸢虢3 LFMCW雷达数字信号处理器硬件设计 硕士论文进行下载和PROM进行烧写；连接时，可以不焊接PROM，只对FPGA进行下载操作，方便前期的电路调试。(2)FPGA BANK电压设置信号处理板使用的FPGA共有10个BANK，每个BANK可以设定参考电压。在设计中由于DSP的IO电压是+25V的。SDRAM和DSP配置芯片FLASH是33V的。DSP大部分的信号线与FPGA互联，包括地址线，数据线，控制线等。设计如下：将D
33、SP的所有连接到FPGA的控制线以及链路口信号，使用一个BANK，参考电压为+25V，分配在BANK5处；其余的所有BANK电压设置为+33V。323 TS201 DSP电路设计DSP选择ADI公司第二代TigerSHARC系列高性能超标量浮点DSP处理器ADSPTS201S，进行复杂的逻辑管理和控制。TS201主要技术指标及资源如下【191：a高达600MHz的内核工作频率：600 MI-Iz；b独立的运算模块，四条独立的128bit宽内部数据总线；c运算速度：36GFLOPS(每秒十亿条浮点操作)或者144GOPS(每秒十亿条定点操作)； d片上静态随机存储器(S删)：6个4Mbits存储
34、块；e支持32bit、40bit浮点运算，支持8bit、16bit、32bit和64bit定点运算；f12V内核工作电压，支持2533V IO标准。(1)ADSPTS201S的时钟ADSPTS201S的时钟系统组成如下图37。包括以下几种时钟：aSCLK系统输入时钟。也是DSP的簇总线时钟。由SCLK引脚输入，要求其频率大于20MHz，频率上限受制于外部总线的速度限制，通常小于125 MHz。bCCLK内核时钟。CCLK是ADSP TS201S内核工作时钟，最高可达600MHz，实际工作由SCLK和SCLKRAT共同确定。cSOCCLKSOC总线工作时钟，它等于CCLK频率的l2。dLxCLK
35、OUT_-链路口输出时钟，它等于CCLK频率的1CR。CR的取值由链路口参数编程时决定。14硕士论文 LFMCW雷达信号处理技术研究SCLKSCL KRATxExTERKAL IKTERFACEccLK(INSTRUCTION RATE)SOCCLKPERlPHERAL BUS RATE)LxCLKOUT(LINK OUT PUT RATE)LCTLx R EGlSTR图37 ADSPTS201时钟系统组成1D2SCLKR舯SCLKRj盯1SCLKRA疆qTROLIM尸0qTROLIMPl图38 ADSPTS201 SCLKRAT比率，S尸2硬件管脚SCLKRAT0与跳线JPl9相连，SCLK
36、RATl与跳线JP21相连，SCLKRAT2与跳线JP22相连。跳线断开相应管脚处于高电平1状态，跳线连接相应管脚处于低电平0状态。比率设置如表31。表31 ADSP TS201 SCLKRAT比率SCLKRAT2 SCLKRATl SCLKR ATO比率JP22 JP2l JPl9O O 0 4(默认)O O 1 5O l 0 61 l l 71 O O 81 O l 101 1 O 12l l 1 保留(2)ADSPTS201 S JTAG仿真下载口连接153 LFMCW雷达m，信4，处理矬件世计 顿镕i图3 9ADsP-Ts20l JTAG丽蔷台连接仿真下载几按照要求进行连接，如图39，
37、其中排阻RuN5是为了提高仿真信号线强度的，可选择连接。(3)ADSPTS201s SDRAM存储器连接ADSP-TS201S有片上的SDRAM控制器，专门产生SDRAM访问时所需要的控制信号。SDRAM控制器控制ADSPTS201S与SDRAM间的数据传输，使用外部端口和SDRAM控制引脚，每个SCLK周期吞吐32位或者64位数据。SDRAM接口提供与标准的sD凡心I一16Mbit，64Mbit，128Mbit和256Mbit的无缝接口。DSP直接支持晶大64M字x32位的SDRAM。SDRAM接口被映射到DSP统存储空间的外部存储器。信号处理板上使用了一个Micron公司的256Mb：x3
38、2的SDRAM存储器。电路连接如图310。其中电阻R25l和R252根据程序设计选择的焊接一个：只焊接R25I。SDRAM在访问DSP的SDRAM空间子区0地址时被选中；只焊接R252，SDRAM在访问DSP的SDRAM空日了区1地址时被选l；+】。幽3 loADSP-TS201 SDRAM存储器连接黜黜黜黜燃黜瓣需百邑焉雷硕士论文 LFMcw雷达信号处理技术研究(4)ADSPTS201S EPROM存储器连接ADSPTS201S能够被配置为复位后通过外部端口从外部的8位EPROMFLASH引导。复位后自动从EPROM装载程序到片内存储器，装载过程读访问时插入16个等待周期。引导时BMS引脚用
39、做EPROM的片选信号。图31 1 ADSPTS201 EPROM存储器连接J4是单排针，当对EPROM进行写操作时，将管脚1和2连接，如果不再对EPROM写操作，可以将l和断开，连接2和3，这样可以防止误操作。U5和U6是与非门，产生EPROM的片选信号。在需要复位或者上电引导程序时，将图311中双排针12管脚断丌。324接口电路设计(1)RS422串口电路串行通信的电平转换接口包含电平转换电路和电气隔离电路二部分。这部分电路采用MAXIM公司的专用芯片MAXl490实现。MAXl490可同时实现RS422电平转换、电气隔离等功能。串口通信的电路如图312。173 LFMCWf谜数。情世#碰
40、件设 碰k论文例312RS022串口电路UART TX和UART RX接到FPGA串口的功能由FPGA编程实现。Y、z是差分输出管脚，A、B是差分输入管脚。(2)USB接口电路USB电路使用FT245BM专用芯片和AP93C46来实现，FT245BM在使用D2XXdrivers情况r传输速率司达1M ByteSee。它有384字节的发送缓冲和128字节的接收缓冲。AT93C46中存放FT245BM的配置信息，使用多个USB接口时必须对AT93C46配置正确的信息，单个USB情况下可以不使用AT93C46。例3 13 USB电路连接图313是USB接口的电路图，FT245BM的工作时钟由6M的晶
41、体提供，数据总线及控制线链接到FPGA，通过FPGA编程实现USB数据传输。这部分电路的供电由PC机通过USB接口实现。325电源电路设计电源设计部分使用了多种电源芯片121l 1221。FPGA和DSP的上电有先后顺序，使用T1公司的TPS54610设计，利用其中的pWRGD和SSENA管脚实现相关电压的产牛的先后顺序。其中生成”0V电压用于AD6652的JO电压。DSP I-作时最大的屯流可达3A选择的TPS54610的最大输出电流司达6A，满足供电要求。电源电路设计框图如图3 14。硕上论文 LFMCW雷达信廿处理技术研究r TP$54610 电源滤波上 TP$54610 电源滤波 -T
42、Ps546，。 rI TPS54610 H电源滤波卜厂 l电源滤波TP$5430 电源滤波33印制电路板设计图314电源电路设计原理图+12V+25V+33V+16V+3OV电路的原理图设计结束后，开始印制电路板的设计。电路板的设计主要包括布局、布线。下边是在设计过程中采用的一些高速信号线的布线规则【23】124：+(1)合理选择层数。高频电路往往集成度较高，布线密度大，因此必须采用多层板进行布线，这也是降低干扰的有效手段。合理的层数选择，可以大幅度降低印制电路板的尺寸，充分利用中间层来设置屏蔽，更好地实现就近接地，有效地降低寄生电感，有效地缩短信号的传输长度，大幅度降低信号间的交叉干扰等。(
43、2)减少高速电路器件管脚间引线的弯折。高频电路布线的引线最好采用全直线，需要弯折，可用450折线或者圆弧线，这样可以减少高频信号对外的发射和相互的耦合。(3)缩短高频电路器件管脚问的引线。满足布线最短的有效手段是在自动布线前对重点高速网络进行布线预约。(4)减少高速电路器件管脚间引线的层间交替。所谓减少引线的层间交替，是指减少元件连接过程中所用的过孔。(5)注意信号线近距离平行走线时所引入的交叉干扰。若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积的地线，从而大幅度减少干扰。同层内平行走线几乎无法避免。(6)对特别准要的信号线或局部单元实施地线包围的措施。对时钟等单元局部进行包地处理对高速系
44、统也将非常有益。193 LFMCW口这傲rf二0*4#硬件设计 碗L论文(7)各类信号走线不能形成环路，也不能形成电流环路。(8)每个集成电路块的附近应设置1个高额去耦电容。差分信号线布线时需要注意两根信号线之间等长，对于高速的数据线和地址线也要注意等K。电源芯片部分顶层和底层需要铺地，来增加散热面积。对于重要的信号线可以使用相关软件进行仿真检测。电路板最终布局布线如图3 15。图3 15信号处理板布局布线圈电路板尺寸为18l X 173mm，12层。上边是数字中频接收部分，中间是FPGA和DSP电路部分，左下边是电源电路部分，右边是RS一422串口电路，AD电路和DA电路部分。接插件端口在右
45、边和下边。电路板四周和中间有安装孔。电路板实物图如3 16。q!十论文 LFMCW雷达信呼*g技术“究34电路调试与测试图316电路扳实物图电路板制作完成后，丌始电路功能的调试与测试，这里主要介绍部分电路的调试与测试。341 AD6652调试及滤波器设计3411 AD6652寄存器配置系统上电后，AD6652的初始寄存器配置由FPGA程序完成。AD6652寄存器包括：外部寄存器组、通道地址寄存器组(channel address register)和输入输出端口控制寄存器组(InpuVOutput contr01)。外部寄存器组可由微端n(8bit数据线，3bit地址线)直接访问，而后面两组寄
46、存器都要通过外部寄存器组间接访问。而且AD6652的每个通道都有各自独立的通道地址寄存器和输入输出端口控制寄存器。(1)外部寄存器AD6652通过微端口访问外部寄存器，再通过外部寄存器访问通道地址寄存器和输入、输出控制寄存器。微端门有两种接口方式：Intel nonmulti口lexedmode(INM)和Motorolanonmultlplexed mode(MNM)，接口方式的选择依据主机的处理器，以及哪种方式更符合时序的要求。(2)通道地址寄存器3 LFMCW雷达数字信号处理器硬件设计 硕十论文经过输入矩阵(Input Matrix)后的ADC采样数据，首先要经过混频器将数字信号频谱搬移
47、到基带进行数字正交处理，输出IQ两路正交信号；然后两路信号分别通过可重采样(也就是可内插)的二阶CIC滤波器(妃IC2)、五阶CIC滤波器(CIC5)和系数可编程的FIR滤波器(RCF)，完成下变频通道基本的信号处理，结构如图317。图317通道地址寄存器组作用的滤波器输入输出端El控制寄存器组(InputOutput contr01)输出端口控制寄存器用于下变频通道半带滤波器(HF Filter)设置(可选)、自动增益控制模块设置(AGC)(可选)、输出形式控制(并行数据还是Linkport数据)，输出时钟设置(包括时钟频率，主从方式)等。AD6652提供了16位通用并行输出和链路口(1in
48、kport)两种方式输出数据。链路口(LINKPORT)传输：该传输标准是ADI公司TigerSHARC TS101系列DSP所使用的一种专用高速互连标准。该传输方式的时序图如图318所示。图318AD6652通道数据链路口输出时序其中：LCLKOUT为DDR双边带数据传送时钟，只在有数据传送时出现。在每一个上升沿和下降沿，都有一组8位的数据传输；LCLKIN为数据传输应答信号，AD6652每从LCLKIN收到一个上升沿跳变，就会开始准备下一组的数据包传输。如果能及时地收到LCLKIN应答信号，就可以实现数据的不间断传输；LDAT7：0为8位的数据总线。AD6652已经预先定义好了数据传输的格
49、式如图319，两路的数字下变频数据由一路链路口分时复用传输。并且可以burst方式进行数据连续传输。硕上论文 LFMCW雷达信号处理技术研究删粤赢L-。作峨一 a竹H甜o日叫LC峨 ，?， 。 ，r一，- 一 H盯TR睡ea临一图319AD6652 link port的输出格式3412中频采样及滤波器设计在回波宽带情况下，采样率45MHz，输出基带信号带宽245KHz，输出数据率125KHz。设通带截止频率为22KHz，通带内平坦度优于ldB，止带频率为245KHz。取FIR滤波器系数为36阶。经仿真计算，由AD6652组成的数字中频下变频通道的频率响应如图32012c_m一R口c口一R-_R_m。图320 AD6652宽带通道滤波器频
