使用毫米波雷達套件快速開發精密目標檢測設計（一）

設計人員承受著不斷的競爭壓力，需要實現更小，更精確，檢測范圍更長的運動傳感器，以應用于智能建筑，工廠自動化，運輸和無人機等各種行業。毫米波（mmWave）技術正在成為一種有吸引力的運動檢測選項，而mmWave技術的新設計師則發現潛在的雷達前端和高性能信號鏈具有挑戰性。

為了解決這些問題，mmWave設備和相關的開發套件現已上市，使設計人員能夠快速部署復雜而精確的運動檢測系統。

本文將討論運動檢測系統的擴展作用，并解釋為什么mmWave是范圍和準確性的不錯選擇。然后，它將介紹一個合適的工具包，并說明如何啟動和運行它。

運動檢測的擴展作用

運動檢測已成為廣泛應用中越來越重要的功能。除了在智能建筑和家庭產品中用作便利功能外，它還在汽車和工業應用中提供了關鍵的安全功能。在越來越多的應用中，擴大范圍和精度至關重要，這要避免使用圍繞無源紅外傳感器或飛行時間系統構建的傳統方法。

因此，調頻連續波（FMCW）毫米波雷達技術受到越來越多的關注。它使用短波長信號可以檢測亞毫米級的物體。盡管雨天，霧天，灰塵和雪等惡劣的環境條件，它也可以滲透塑料，干式墻和衣服等材料，同時保持其高水平的性能。

毫米波能量的束緊光束可以聚焦和操縱，以提供高度精確的物體檢測并跟蹤多個彼此靠近的物體。

毫米波技術如何工作

盡管毫米波雷達信號處理的細節不在本文討論范圍之內，但檢測原理是基于一個熟悉的概念，其中涉及物體反射能量。在線性FMCW雷達中，這種能量是毫米波音調，稱為線性調頻脈沖，其頻率隨時間線性變化。雷達系統生成并發送a聲后，會檢測到從近距離物體反射的chi聲信號并將其傳遞到混頻器。混頻器將RX和TX信號合并以產生中頻（IF）信號。

線性調頻傳輸與反射信號檢測之間的延遲用于計算雷達系統天線與物體之間的距離。如果雷達系統在單個觀察窗口或幀中生成多個線性調頻脈沖，它可以通過測量相應的反射線性調頻脈沖的相位差來確定物體的速度。如果使用了多個接收器，則雷達系統還可以確定雷達系統與物體之間的相對到達角（AoA）。使用這些相同原理進行更復雜的計算，高性能雷達系統可以跟蹤以不同速度和軌跡運動的多個目標。

能夠執行這些操作的系統設計結合了RF，模擬和數字子系統（圖1）。作為系統輸出信號鏈的一部分，RF信號合成器會產生線性調頻信號進行傳輸。在系統輸入信號鏈的第一階段，RF混頻器將生成的線性調頻脈沖與反射的線性調頻脈沖相結合，以產生IF信號。作為后續模擬階段的一部分，低通濾波器和模數轉換器（ADC）使用快速傅里葉變換（FFT）和其他算法生成數字數據流，以進行信號處理。

典型的毫米波調頻連續波（FMCW）雷達設計圖

圖1：典型的毫米波調頻連續波（FMCW）雷達設計依賴于緊密集成的RF，模擬和數字子系統，以傳輸精確控制的能量脈沖，稱為線性調頻脈沖，并處理反射信號以分辨范圍，速度，下檔物體的相對角度。 （圖片來源：德州儀器）

盡管此基本體系結構適用于典型的FMCW雷達系統，但其設計細節取決于最大檢測范圍，范圍分辨率，角度分辨率等的應用級別要求。例如，最大檢測范圍與IF成正比，與頻率斜率成反比。因此，諸如汽車自適應巡航控制的遠程應用需要一種能夠支持高IF并產生具有快速掃頻時間的線性調頻的設計。

尋求優化雷達性能的設計人員還必須處理許多設計特征，包括TX輸出功率，RX靈敏度和噪聲系數，天線TX和RX增益分布幾何形狀以及反射信號的信噪比。而且，每個應用程序都具有其獨特的因素組合，從而為開發人員提供了一系列相互依賴的復雜需求。

德州儀器（TI）借助其mmWave平臺，使設計人員擺脫了雷達系統設計和配置的許多挑戰。

單芯片毫米波解決方案

德州儀器（TI）的毫米波解決方案結合了mmWave IC和全面的軟件環境，可以大大簡化基于毫米波的運動檢測器應用的實現。包括德州儀器（TI）IWR1443和IWR1642在內的工業mmWave設備集成了生成，發送，接收和處理FMCW雷達信號所需的全套RF，模擬和數字子系統。這些設備將類似的RF /模擬前端與復雜的數字子系統結合在一起（圖2）。在這種前端架構內，這些設備集成了完整的FMCW 76至81 GHz頻段的收發器子系統，具有四個專用的RX信號路徑和多個TX通道（IWR1443中的三個和IWR1642中的兩個）。

圖2：德州儀器（TI）IWR1443和IWR1642 毫米波設備建立在相似的前端架構上，提供四個獨立的RX通道和多個TX通道，其中IWR1443中的三個和IWR1642中的兩個。 （圖片來源：Digi-Key Electronics，使用德州儀器的原始資料）

對于它們的數字子系統，兩個設備都集成了Arm?Cortex?-R4F處理器內核，該內核在主控制系統中充當設備主機，負責設備外圍設備，固件更新，引導和其他主機功能。使用其集成的ROM和程序/數據存儲器，該主控制系統在使TI mmWave設備在較大的系統設計中自主運行方面起著主要作用。

對于它們的集成雷達處理子系統，這兩種設備都使用圍繞128位200兆赫茲（MHz）總線構建的相似架構，該架構可在共享內存資源（包括ADC緩沖區，雷達L3數據內存，高速緩存和用于以下用途的內存）之間提供高速吞吐量。與主控制系統主機的通信。與該總線相連的增強型DMA（EDMA）模塊提供了獨立于處理器的傳輸，以加快通過處理管道各個階段的數據傳輸。

對于其雷達信號處理子系統，IWR1443和IWR1642使用兩種不同的方法。 IWR1443包括專門設計的加速器，旨在加速FFT計算和雷達信號處理基礎的其他計算（圖3）。此外，單獨的Arm Cortex-R4F處理器（雷達系統）用作前端配置，雷達子系統控制和校準的專用主機。

圖3：德州儀器（TI）IWR1443 mmWave器件與RF和模擬前端一起集成了一個數字子系統，該子系統包括一個基于Arm Cortex-R4F的主控制系統，一個單獨的基于Arm Cortex-R4F的RADAR系統以及一個FFT 加速器加快雷達信號處理速度。