基于FPGA的LFMCW测距雷达调制信号源设计

陈林军，涂亚庆，刘 鹏，沈艳林，陈 鹏

（后勤工程学院 后勤信息与军事物流工程系，重庆　401311）

基于FPGA的LFMCW测距雷达调制信号源设计

陈林军，涂亚庆，刘 鹏，沈艳林，陈 鹏

（后勤工程学院 后勤信息与军事物流工程系，重庆401311）

为从信号源上提高LFMCW测距雷达前端发射信号的调频线性度，改善雷达测量精度，设计了一种基于FPGA 的LFMCW测距雷达调制信号源，并完成了软硬件设计与实现。调制信号源以FPGA为控制核心，DA转换器为主要外围设备。编写VHDL语言编程产生数字调制波形，利用DA转换器转换为模拟信号，经过低通滤波器和放大器，输出驱动雷达前端的模拟调制电压信号。实验结果表明，该设计实现灵活，输出的调制电压信号波形稳定可靠，能够驱动多种雷达前端。

测距雷达；调制信号；FPGA；调频线性度

LFMCW（线性调频连续波）测距雷达系统具有测量精度高、低功耗、无测量盲区和安全等级高等诸多优点，因此在汽车防撞[1]、液位计量[2]和精确制导[3]等领域中有广泛应用。目前影响LFMCW测距雷达系统测量精度的因素主要是中频信号频率估计方法[4]和调频信号的非线性度[5]。在频率估计方法上，课题组经过多年研究，取得了丰硕成果[6-8]，改善了频率估计的精度。但是，这些方法都是以中频信号为单频正弦信号为前提，这就是改善调频信号非线性度要解决的问题。非线性度校正可分为闭环校正和开环校正[9]，其中闭环校正实验装置要求高，难以实现；目前主要采用开环校正，即根据雷达前端VCO的电调特性输出存在非线性的调制电压信号，抵消VCO的非线性。

基于以上分析，调制电压信号的质量对测距精度起着至关重要的作用，为此，本文设计了基于FPGA的调制信号源，利用经过非线性校正后的电压数据输出调制波形，提高发射信号的调频线性度。实验结果表明，调制信号源能够根据存储的校正波形数据输出调制电压信号，为更好地体现课题组所提频率估计方法应用在测距上的优势提供了验证手段，为研制高精度LFMCW测距雷达系统打下了坚实基础。

LFMCW测距雷达的结构如图1所示，它的工作原理为：处理器控制调制电压产生模块输出模拟锯齿波或三角波，驱动雷达前端的VCO（压控振荡器）产生线性调频连续波信号作为发射信号，雷达前端将发射信号和回波信号进行混频后得到中频信号，数据采集模块连续采样规则区的中频信号，通过处理器中嵌入的数字信号处理算法计算测量距离，计算结果由显示控制模块显示输出。

调制信号源（即图1中的调制电压产生模块）是LFMCW测距雷达的重要组成部分，其总体设计方案如图2所示。

由图2可知，整个调制信号源以FPGA为控制中心，利用其内部资源产生数字调制波形（锯齿波或三角波），同时为DA转换器提供时钟信号，若雷达系统是以FPGA为信号处理中心，则此部分可用雷达系统的FPGA的资源实现；DA转换器将FPGA生成的数字调制波形转换为模拟调制波形；最后，放大器将DA转换器的输出放大后直接驱动雷达前端的调制电压信号Vtune。

图1　LFMCW测距雷达结构框图Fig.1　Structure diagram of LFMCW ranging radar

图2　调制信号源设计方案Fig.2　Design scheme of modulation signal source

调制信号源主要需要对FPGA、DA转换器和放大滤波器的外围电路进行设计。FPGA芯片采用的是Altera公司的CycloneⅢ系列器件的EP3C25Q240，其主要包含基本的晶振电路、配置芯片电路、JTAG和AS电路，其设计应用广泛，本文不作详述。

2.1DA转换电路设计

本文采用的AD9764是一款14位分辨率的数模装换器，具有良好的交流和直流性能，最高更新速率可达125MSPS，它采用的是差分电流输出，在应用时通过匹配电阻转换为电压输出。DA转换电路的原理图如图3所示，设计中采用5 V电源供电（即DAVCC为5 V），DA的数据线均通过100 Ω的电阻与FPGA的引脚相连，DA_CLK由FPGA的PLL引脚提供。

2.2模拟信号放大滤波电路

模拟信号放大电路中采用的放大器为双通道OP284，其工作电压为3～36 V，考虑到常用雷达前端的VCO的电调特性线性度较高的区域一般不超过8 V（如德国InnoSenT公司的IVS-167雷达头），因此采用的9 V电源对放大器进行供电。如图4所示，DA输出的差分信号首先通过低通滤波器（LPF），降低信号中的高频干扰，然后利用OP284将信号进行放大并输出单端信号，放大电路的输出直接作为雷达前端的调制电压输入。

图3　DA转换电路原理图Fig.3　Schematic diagram of DA converting circuit

图4　放大滤波电路原理图Fig.4　Schematic diagram of amplifier and filterer circuit

3.1FPGA配置程序设计

在设计中，FPGA实现的是输出DA时钟信号和生成数字调制波形的功能。FPGA利用其内部锁相（PLL）对晶振输入的时钟信号分频或倍频后作为输出，为DA提供驱动时钟信号。若输出标准的线性波形，可以利用两个级联的循环计数器来完成，以一个周期100点、输出频率为50 Hz的锯齿波为例，设FPGA程序时钟频率为50 MHz，两级计数值分别为10 000和100，第一级计数器溢出一次第二级计数器计数一次，第二级的计数值输出作为DA的输入编码。

因雷达前端的VCO一般存在非线性[10]，利用标准的锯齿波作为调制电压信号，VCO输出的连续波频率不是线性变化，这样就给雷达测距带来了误差生。为减小这种误差，采用开环校正的方式，将经过非线性校正的波形数据存储在ROM中，运用数字频率合成（DDS）的原理[11]生成数字调制波形，利用QuartusⅡ软件设计的块状图程序如图5所示。

图5　FPGA块状图程序Fig.5　Block diagram of FPGA program

图5中，程序主要由常数项、加法器、触发器和ROM存储器组成。加法器的溢出周期取决于加法器输入的常数项，其计算公式如式（1）所示。

其中N表示加法器的数据宽度，fda表示clock的频率，C表示求和常数项。若N=32，fda=50 MHz，T=20 ms，则通过式（1）可以解得C取值为4 295，需要指出的是，由于常数项只能是整数，所以其值取的是计算结果的近似值，N越大，计算结果越准确，调制信号周期越精确。触发器的输出分两路，一路返回到加法器作为下一次加法器输入，另一路取高n（n≤N）位作为ROM地址线（图5中n=9），读取ROM存储器的波形数据，n取决于ROM存储器的容量。

3.2软件仿真测试

软件设计完成后，经编译器编译后进行了仿真实验，以验证输出逻辑的正确性。为便于分析和观察，程序中常数项设置为1，加法器数据宽度为10位，波形为利用Matlab软件生成的1024点标准锯齿波（保存为.mif文件），在QuartusⅡ软件中建立的仿真波形时钟周期为1 ms，仿真时长为1 s。其部分波形数据和仿真结果如图6所示。

图6　软件仿真实验Fig.6　Software simulation test

由图6可知，在每个时钟上升沿FPGA顺序输出1点数字波形且输出波形与存储波形一致，说明软件部分设计正确。

为验证调制信号源的实际效果，利用示波器对其输出进行了测试，实验参数设置为fda=50 MHz，N=32，存储波形为某VCO经过非线性校正的后的512点锯齿波波形，其中波形最大值与最小值编码差为1 492，根据DA电压转换公式[12]可得理论峰-峰值电压为1.923 28 V。设置不同常数项时示波器测量结果如表1所示。

表1　不同常数项的输出结果Tab.1　Test result of different constant terms

由表1可知，本文设计的调制信号源输出信号存在微小误差[13]，原因之一是示波器测量的测量精度是保留两位小数，原因之二是滤波电路简单和电阻的阻值精度影响电压的精度，可以进一步优化存储波形达到精确控制输出电压值的目的。调制信号源生成的信号能够满足LFMCW测距雷达对调制电压的精度要求[14]。为使测量结果显得直观，图7给出了常数项为8 590时的调制信号在示波器上的波形。

本文设计了以FPGA为控制核心的LFMCW测距雷达调制信号源，完成了硬件的搭建和软件实现，并进行了实测实验[15]。实验结果表明：基于FPGA的LFMCW测距雷达调制信号源结构简单、实现灵活、波形稳定，能通过开环校正方式存储校正波形，提高雷达前端发射波形的调频线性度，因此，该调制信号源适用于驱动多种雷达前端。

图7　调制电压信号实际波形Fig.7　Actual waveform of modulation voltage signal

[1]蒋留兵，许腾飞，杨昌昱，等.一种汽车防撞雷达多目标识别方法[J].现代雷达，2014，36（6）:54-58.

[2]张亚伟，佟仕忠，赵希凤.Chirp-Z变换在LFMCW雷达液位测量中的应用[J].电子设计工程，2013，21（8）:102-104.

[3]张海洋，赵长明，杨苏辉，等.线性调频连续波激光雷达信号处理研究[J].兵工学报，2010，31（S2）:17-20.

[4]沈艳林，涂亚庆，刘鹏，等.非整周期采样信号频率估计的相频匹配方法[J].仪器仪表学报，2015，36（6）:1221-1226.

[5]莫正军，涂亚庆，刘良兵，等.基于重叠分段和FrFT的VCO非线性度检测方法[J].数据采集与处理，2012，27（1）:96-100.

[6]沈艳林，涂亚庆，刘良兵，等.基于相位积累的多段异频信号的频率估计算法[J].电子测量与仪器学报，2013，27（1）: 64-68.

[7]于卫东，涂亚庆.基于CORDIC算法快速计算DFT的FPGA实现方法[J].信息工程大学学报，2015，16（4）:437-442.

[8]肖玮，涂亚庆，刘良兵，等.多段同频正弦信号频谱融合的LFMCW雷达测距算法[J].仪器仪表学报，2013，34（1）:94-103.

[9]莫正军.基于FrFT的瞬时频率估计方法及其在VCO非线性度检测中的应用[D].重庆:后勤工程学院，2012.

[10]Brennan P V，Huang Y，Ash M，et al.Determination of Sweep Linearity Requirements in FMCW Radar Systems Based on Simple Voltage-Controlled Oscillator Sources[J]. IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems，2011，47（3）:1594-1604.

[11]李平，周原.基于FPGA和DDS技术的信号发生器设计[J].电子设计工程，2014，22（10）:71-74.

[12]Analog Devices.AD9764 Data-sheet[EB/OL].[1999].http:// www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/AD9764.pdf.

[13]蒋少豪，张会生，李立欣，等.一种新型基于Strobe相关的BOC信号多径抑制算法[J].电子设计工程，2013（10）:65-68，72.

[14]吴琳拥，李春林.基于AD9959的多路同步雷达回波信号源设计[J].电子科技，2014（1）:87-89.

[15]曾维贵，孙迎丰，胥辉旗.基于DDS+倍频的宽带LFMCW雷达信号产生设计[J].兵工自动化，2013（5）:1-4，9.

Design of modulation signal source for LFMCW ranging radar based on FPGA

CHEN Lin-jun，TU Ya-qing，LIU Peng，SHEN Yan-lin，CHEN Peng（Department of Logistics Information&Logistics Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China）

In order to improve the frequency modulation linearity of the front end of the LFMCW ranging radar，thus improving the precision of radar ranging，a scheme of modulation signal source for LFMCW ranging radar based on FPGA is designed. Implementation of hardware and software are accomplished.The FPGA acts as the control center of the modulation signal source，and the DA converter works as the main peripheral equipment.Digital waveform is generated by FPGA via VHDL program and analog signal is obtained through DA converter.After amplifying and filtering，the analog modulation voltage signal which is used to drive the front end of radar is output.The experimental results show that the modulation voltage source is flexible and can apply to drive a variety of radar front end for its stability and reliability.

modulation signal;ranging radar;FPGA;frequency modulation linearity

TN958.94

A

1674－6236（2016）01-0115-03

2015-10-29稿件编号：201510226

国家自然科学基金（61271449；61302175）；重庆市自然科学基金（CSTC2013jcyjA40030）；重庆市研究生科研创新项目（CYB14100）

陈林军（1990—），男，四川蓬溪人，硕士研究生。研究方向：智能检测与智能控制。

电子设计工程2016年1期