文章目录雷达啁啾脉冲 与 雷达数据帧啁啾时间参数的配置Idle TimeADC Start TimeRamp End Time使用mmWave Studio计算器 计算 参数的配置最大距离Range Resolution 距离分辨率测量速度与速度分辨率角度范围与分辨率常见应用场景的Chirp配置可配置的Chirp RAM和Chirp配置文件参考资料Programming Chirp Parameters in TI Radar Devices (Rev. A)雷达啁啾脉冲 与 雷达数据帧在线性调频连续波FMCW雷达中雷达在某一个瞬间发射的是单音信号指只有一个频率纯正弦波的信号但随着时间推移这个单音的频率在一直往上或往下线性变化。这个过程有点类似我们唱歌时音高从低到高匀速滑上去“啦↑”。*我们把这种频率一直在线性变化的信号叫Chirp中文叫啁啾脉冲一个Chirp即是一个FMCW调频连续波下图是一个Chirp的组成下列出了控制啁啾时序的参数。同时该表还展示了这些参数与形成啁啾之间的关系。参数名字参数的意义Idle time前一个chirp结束 到 下一个chirp开始 之间 的时间TX start time斜坡开始时 到 发送天线打开时 的时间ADC start time斜坡开始时 到 ADC开始采样数据时 的时间Ramp end time从斜坡开始 到 chirp继续爬坡上升的时间。在此时间之后合成器频率重置为下一个啁啾声的起始频率。雷达接收天线输出的数据单位是帧即雷达输出的数据是一帧一帧的下图红框就是一帧。而一帧数据是由多个啁啾脉冲(chirp)组成的。啁啾时间参数的配置Idle Time所需的最小空闲时间主要由合成器的斜降稳定时间决定而合成器的斜降稳定时间又与斜降带宽有关。表3列出了某些典型带宽下的合成器斜降稳定时间对于ADC采样率为5 Msps或更高的情况可以直接使用表3来设置最小空闲时间。然而对于低采样率 5 Msps的情况在编程设置最小空闲时间时还需要考虑另一个约束条件。这个约束条件来自Σ-Δ ADC抽取链中的数字流水线延迟。因此最小空闲时间可能需要略高于表3中所示的值。ADC Start TimeADC启动时间对于芯片的正常功能没有硬性最小值要求。然而此参数的值与“啁啾开始”信号包络稳定性的质量之间存在权衡这取决于以下因素• 合成器PLL的斜升建立时间这是斜升斜率的函数• HPF的阶跃响应建立时间这是HPF转折频率的函数• IF/DFE的LPF建立时间这是DFE输出模式和采样率的函数。啁啾时间参数配置计算器工具在计算推荐值时会将上述的因素纳入考量。用户可能还会根据最终用例考虑其他因素如目标反射的最大往返延迟这些因素可能会被添加到实际使用到的ADC启动时间中。客户也可以选择使用比推荐值更小的值以通过牺牲沉降质量来减少总的啁啾间隔。Ramp End Time斜坡结束时间是以下三项之和aADC开始时间bADC采样时间以及c斜坡结束时的额外斜坡时间。对额外斜坡时间没有硬性要求。然而在额外斜坡的时间量和“啁啾结束”信号包络稳定性能之间同样存在权衡。决定所需额外斜坡的主要因素是中频/数字前端IF/DFE滤波延迟而该延迟又是数字前端输出模式和采样率的函数。啁啾时间参数配置计算器工具在得出此参数的推荐值时会将这些方面纳入考量。使用mmWave Studio计算器 计算 参数的配置mmWave Studio工具DFP软件包的一部分网址www.ti.com/tool/mmwave-dfp中的斜坡时间计算器可根据用户配置斜率、ADC采样数、采样率提供正确的时序参数值建议值。这些建议值基于德州仪器TI雷达设备的最低要求。根据具体用例你可能需要对此进行进一步的考量。这些考量因素需要单独考虑。例如如果原始ADC数据是通过CSI或LVDS路径设置的则空闲时间设置需要确保CSI/LVDS接口上的传输在下一个chirp数据可用之前完成。此数据传输的可用时间等于“斜坡结束时间”加上“空闲时间”。在CSI的情况下还需要考虑MIPI协议导致的开销时间。最大距离在汽车自适应巡航控制ACC等应用中能够观测到远处的物体150米至关重要。探测远处的物体可能会受到接收信号信噪比SNR或雷达设备支持的中频带宽的限制。最大距离与中频带宽的关系如方程1所示。德州仪器TI的AWR2243雷达设备提供了高达20-MHz的带宽而AWR1243则提供了15-MHz的带宽这使得在可使用的斜率上具有更大的灵活性从而间接有助于提高最大速度这一点将在后文中详述Slope of the transmitted chirp传输啁啾的斜率请注意中频最大值IFmax还取决于所使用的模数转换器ADC采样频率ADCsampling。在复数1倍采样模式下中频带宽限制为0.9倍ADCsampling。在复数2倍和实数采样模式下中频带宽限制为0.9倍ADCsampling/2。最大ADC采样频率为德州仪器TI的雷达设备工作频率为45 MHzAWR22xx和37.5 MHzAWR1xxx。另一个可能限制最大作用范围的因素是接收器接收到的信号的信噪比SNR。这取决于雷达设备的射频RF性能如发射TX输出功率、接收RX噪声系数以及线性调频参数如线性调频持续时间以及帧内的线性调频次数。• 天线参数如目标方向上的发射TX和接收RX天线增益。• 物体特性如雷达截面RCS。RCS是物体反射回的能量量的度量。它决定了雷达传感器对物体的探测能力。• 检测算法检测物体所需的最小信噪比。Range Resolution 距离分辨率在许多应用中能够将两个紧密相邻的物体分辨为两个独立的物体而非将其检测为一个物体这一点至关重要。两个物体之间能够被检测为独立物体的最小距离被称为距离分辨率。这主要取决于雷达传感器所能提供的啁啾扫频带宽。扫频带宽越大距离分辨率越高。德州仪器TI的雷达设备支持4 GHz的扫频带宽可实现低至约4厘米的距离分辨率。Range(resolution) 299,792,458 / (2*4*1,000,000,000) 0.037 0.037m 3.7cm ≈ 4cm更高的距离分辨率也有助于检测非常近的物体从而改善最小检测范围。测量速度与速度分辨率最大速度除了距离物体的相对速度是另一个重要的关键参数。快速调频连续波FMCW调制雷达的最大可测量速度取决于线性调频周期时间即两个连续线性调频信号开始之间的时间差。这反过来又取决于频率扫描的速度以及允许的最小线性调频间隔时间。微波单片集成电路MMIC的频率斜升速度越快其最大无模糊速度就越高。德州仪器TI的MMIC能够实现100 MHz/µs的快速斜升。此外闭环锁相环PLL的设计支持频率斜升的快速稳定。因此压控振荡器VCO从斜升频率结束到重新开始下一个斜升所需的时间非常短从而实现了更短的空闲时间低至2微秒。明确的最大速度公式如下通过使用更高级的算法实际可测量的最大速度可以超出明确的最大速度。速度分辨率在诸如泊车辅助等应用中您可能需要区分速度差异较小的物体因此需要良好的速度分辨率。速度分辨率主要取决于发射帧的持续时间即增加一帧中的啁啾声数量可以提高速度分辨率。角度范围与分辨率为了在二维空间中定位物体除了距离还需要物体的角度。在雷达系统中通过使用多个以距离“d”分隔的接收器接收物体的反射信号来估计角度。到达每个连续接收器的信号为了在2D空间中定位对象除了距离还需要物体的角度。在雷达系统中通过使用间隔距离为“d”的多个接收器接收来自物体的反射信号来估计角度。信号到达每个连续的接收器延迟了d*sinθ这种“延迟”导致2πdsinθ/λ的相移。每个接收器之间的相移用于估计物体的角度θ。从MMIC视角来看可测量的无模糊角视场取决于接收器之间的间距d。因此为了获得最宽的视角范围接收天线的间距应为ƛ/2理论上可提供±90°的视角范围。除了天线间距外不同角度的可测量距离还取决于天线的增益方向图。通常天线在一个角度大多为0°即直接面向天线正面具有峰值增益然后随着角度的增加增益会降低图4展示了一个天线方向图的示例其中90°角处的增益比0°角处的增益低15分贝以上。除了视场角之外能够分辨出角度相近的两个物体可能也很重要即具有良好的角分辨率。例如在汽车雷达应用场景中重要的是要检测到两条不同车道上相距较远的两辆车而不是将它们检测为一辆车。一般来说角度分辨率的测量取决于可用的接收天线数量。天线数量越多分辨率就越高。使用多个发射器可以进一步提高角分辨率。更多详情请参阅多输入多输出MIMO雷达。如果有多个发射器可用那么可以这样布置发射天线每个发射器与一组接收器配对共同构成一个虚拟接收阵列。例如如果有3个发射TX通道和4个接收RX通道那么多输入多输出MIMO雷达系统可以产生相当于12个虚拟通道的角分辨率。常见应用场景的Chirp配置在汽车领域雷达最常见的应用包括短程雷达通常安装在角落和中程或远程雷达通常面向前方。本节展示了22米超短距离雷达USRR、45米短距离雷达SRR、125米中距离雷达MRR和225米长距离雷达LRR用例的线性调频chirp配置。需要注意的是这些只是通用示例配置可以根据客户的具体系统性能要求更改参数。适用于各种德州仪器TI毫米波雷达设备的线性调频配置和用例示例请参阅设备特定的概述白皮书。可配置的Chirp RAM和Chirp配置文件TI雷达设备允许您通过定义啁啾波形来控制帧内啁啾的参数并通过啁啾配置RAM在这些波形的基础上进行变化。啁啾波形是基本的啁啾时序模板这模板有助于定义在一个或多个定义参数起始频率、斜率、空闲时间等上有显著差异的啁啾变体。雷达设备允许您编程四种不同的啁啾波形。此外最多可将512个唯一的啁啾预编程并存储在啁啾配置RAM中。RAM中的每个啁啾定义条目可属于四种波形中的一种并且可以选择在某些参数值上与其父波形存在微小差异。一帧将由啁啾配置RAM中从起始索引到结束索引的一系列啁啾组成这些啁啾最多可循环255次。每个配置文件中可控制的参数有• Start frequency 起始频率• Frequency slope频率斜率• Idle time空闲时间• ADC start timeADC启动时间• Ramp end time斜坡结束时间在啁啾配置RAM中的每个啁啾都可以具有小的抖动值这些抖动值会加到配置文件RAM中定义的配置文件参数上。这些参数包括• Start frequency variable起始频率变量 • Frequency slope variable频率斜率变量• Idle time variable空闲时间变量• ADC start time variableADC启动时间变量线性调频RAM和配置RAM结构如图所示
TI毫米波雷达IWR1843的基础知识
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