本应用报告提供了基于终端应用和用例如何在快速的的调频连续波的雷达设备中选择正确的chirp参数，并在TI的雷达上进行优化编程。

对于适用于多种汽车和工业应用的调频连续波(FMCW)毫米波雷达传感器日益增多。在每一个应用程序中的系统需求和注意事项都可能非常不同。距离要求、距离分辨率、最大速度需求、传感器视野、数据存储器、处理器MIPS等等其中的一些方面需要根据最后应用程序进行分析。了解调频连续波的chirp配置和系统性能参数有助于选择正确的chirp配置 TI公司的毫米波雷达设备(MMIC)在配置chirp参数方面提供了很大的灵活性，同时也允许在一个frame中由多个chirp配置。定时参数由数字定时引擎和内置的没有严重实时软件干扰无线电处理器精确控制。这个文档描述了chirp参数的编程，并解释了各种系统注意事项来确定这些参数的值

在线性调频连续波雷达中，发射信号是一个单一的tone信号，其频率随着时间线性改变。这种频率扫描通常称为"chirp"。一组的chirp可以形成一个"frame"，并且这些可以被作为雷达处理的观察窗。chirp斜坡的各种参数(如频率斜率、扫描带宽等等)会影响系统的性能 图1描述了单个线性调频脉冲和相关的定时参数。图2显示了frame结构在内部frame时间内包含了一系列的chirps。这个表示"快速调频连续波"调制，其中每个chirp的持续时间通常为10微秒 图1：Typical FMCW Chirp 图2：Typical Frame Structure 以下章节列出了任何雷达通常考虑的关键系统型性能参数应用以及chirp配置如何影响它们

雷达传感器能探测目标的最大和最小距离对于雷达传感器来说是一个重要的问题。此外，距离分辨率(区分两个附近物体的能力)是另一个重要指标

在汽车自适应巡航控制(ACC)等应用中，能够看到一个遥远的物体(>150m)是很重要的。探测一个遥远的物体会被接收到的信号的SNR或者是雷达支持的IF带宽所限制。 最大距离和IF带宽在等式1中被显示。TI的AWR2243的雷达设备提供了20MHz的大带宽，AWR1243提供15MHz的带宽，在斜坡上使用有更大的灵活性，这间接地有助于增加最大速度，稍后将会看到。 等式1：

Rangemax=(IFmax * C) / (2 * S) IFmax指的是最大支持的中频带宽 c代表光速 S代表发射chirp的斜率 注意，IFmax还取决于所使用的ADC采样频率(ADCsampling)。在complex 1x采样模式下，中频带宽被限制为0.9*(ADCsampling)。在complex 2x和实数采样模式下，中频带宽被限制为 0.9*(ADCsampling) / 2。在TI的雷达上最大的ADC采样率是45MHz(AWR22xx)和37.5MHz(AWR1xxx) 另一个可能限制最大距离的因素是接收器接收到的信号的信噪比(SNR)。这取决于：

基于SNR的Rangemax= P t G R X G T X c 2 σ N T r f C 2 ( 4 π ) 3 ∗ k T ∗ N F ∗ S N R d e t 4 \sqrt[4]{\frac{PtG_{RX}G_{TX}c^2\sigma NT_r}{f_C^2(4\pi)^3*kT*NF*SNR_{det}}} 4fC2​(4π)3∗kT∗NF∗SNRdet​PtGRX​GTX​c2σNTr​​ ​ Pt代表的是Tx输出功率 GRX，GTX代表的是RX和TX天线的增益 σ \sigma σ代表的是物体的截面积 N代表的是chirp的数量 Tr代表的是chirp的时间 NF代表的是接收器的噪声系数 SNRdet代表的是对于检测一个物体算法所需要的SNR k代表的是玻尔兹曼常数 Tdet代表的是环境温度

在许多应用中，能够将两个间距很近的对象分解为两个独立的对象是很重要的，而不是把它作为一个整体来检测。两个物体之间的最小距离本检测为单独的物体称为距离分辨率。这主要取决于雷达传感器提供的chirp扫描带宽。扫描带宽越大，范围分辨率越好。TI的雷达设备支持4GHz的扫描带宽，允许最低的距离分辨率大约为4cm。 R a n g e r e s o l u t i o n = c 2 ∗ B Range_{resolution}=\frac{c}{2*B} Rangeresolution​=2∗Bc​ c代表光速 B代表FMCW chirp的扫描带宽 更好的距离分辨率有助于检测非常近的物体，因此提高了最小值的检测范围

与距离一样，物体的相对速度是另一个重要的参数。在快速调频连续波调制雷达中最大可测速度取决于chirp的周期时间，即，两个连续的chirp开始的时间差。这又取决于执行频率扫描的速度和允许的最小inter-chirp时间 MMIC的频率的斜坡越快，最大无模糊速度就越高。TI的MMIC允许100MHz/us。此外，闭环锁相环的设计是为了支持快速的频率斜坡。因此，对于VCO从ramp频率的末端到重新启动下一个斜坡的时间是非常低的，并且允许更短的空闲时间(低至2us)。对于最小空闲时间的计算，见第5节。 最大无模糊速度: v e l o c i t y = λ 4 ∗ T C velocity = \frac{\lambda}{4*T_C} velocity=4∗TC​λ​ T C T_C TC​代表的是总的chirp时间，包括chirp时间和空闲时间 λ \lambda λ：代表使用信号的波长 实际测量的最大速度可以使用更高级的算法来扩展到超过最大无模糊速度

在泊车辅助等应用中，您可能需要用速度差异较小分离出物体，以便需要更好的速度分辨率。速度分辨率主要取决于传输帧的持续时间，也就是说，在frame中增加chirp的数量可以提高速度分辨率 最大无模糊速度: v e l o c i t y = λ 2 ∗ N ∗ T C velocity = \frac{\lambda}{2*N*T_C} velocity=2∗N∗TC​λ​ N代表的是在一个帧中chirp的数量

为了在二维空间中定位对象，和距离一起对象的角度也是必须需要的。在雷达系统中，角度是通过使用多个接收器来接收从目标反射回来的信号来进行估计的，这些接收器之间的间距为d。在每个连续的接收器信号到达延迟为 d ∗ s i n ( θ ) d*sin(\theta) d∗sin(θ)并且这个“delay”造成了 2 ∗ π ∗ d ∗ s i n ( θ ) λ \frac{2*\pi*d*sin(\theta)}{\lambda} λ2∗π∗d∗sin(θ)​的相位偏移。在每个接收器之间的相位偏移被用来估计目标的角度。 图3：Angle Estimation Basics 从MMIC角度来看，可测量的无模糊角视场取决于在接收器之间的间距d。 最大的无模糊角度距离： r a n g e = sin ⁡ − 1 ( λ 2 ∗ d ) range=\sin^{-1}(\frac{\lambda}{2*d}) range=sin−1(2∗dλ​) d表示的是接收器天线之间的间距 λ \lambda λ表示的是波长 因此，对于最宽的角度视场，理论上接收机天线上的间距应该为 λ 2 \frac{\lambda}{2} 2λ​，视野范围为正负90度。 除了天线之间的间距，不用角度的可测量距离也取决于天线增益模式。通常，在一个角度上有一个峰值增益(通常为0度，直接面对天线的前面)，然后增益会随着角度增加而减少。图4显示了一个天线方向图示例，其中在90度的增益比0度时的增益低15dB以上。 图4：Example Antenna Gain Pattern

除了角度的视场，分辨两个近角度的物体也很重要，也就是说，有很好的角度分辨率。例如，在一个汽车雷达用例中，对于在不同的车道上检测两辆车重要的而不是将它们当作一辆车来进行检测。一般来说，角度分辨率的测量取决于可用接收天线器的数量。天线的数量越多，分辨率越好。 角度的分辨率 d e g = sin ⁡ − 1 ( λ d ∗ N R X cos ⁡ θ ∗ 180 π ) deg=\sin^{-1}(\frac{\lambda}{d*N_{RX}\cos\theta}*\frac{180}{\pi}) deg=sin−1(d∗NRX​cosθλ​∗π180​) θ \theta θ表示的是感兴趣的角，代表着物体出现的角度 N R X N_{RX} NRX​表示的是接收天线的数量 使用多个发射机可以进一步提高角度分辨率。有关更多详细信息，请参见MIMO Radar。如果有多个发射机可用，则发射天线按照这样的间隔可以以每个发射机与接收机组这样的配对在一起创建供一个虚拟接收阵列。例如，如果有3tx和4rx，那么MIMO雷达系统可以产生等效于12个虚拟通道的角度分辨率 角度的分辨率 d e g = sin ⁡ − 1 ( λ d ∗ N R X N T X cos ⁡ θ ∗ 180 π ) deg=\sin^{-1}(\frac{\lambda}{d*N_{RX}N_{TX}\cos\theta}*\frac{180}{\pi}) deg=sin−1(d∗NRX​NTX​cosθλ​∗π180​) N T X N_{TX} NTX​表示的是发射天线的数量 图5：Effective Receiver Channels in MIMO Radar

雷达在汽车领域最常见的应用包括近程雷达(通常安装在角落)和中远程雷达(通常是正面的) 本节介绍了22m USRR、45m SRR、125m MRR和225m LRR用例的chirp配置。 需要注意的是，这些只是一般的示例配置，并且有可能根据用户的特定系统的性能要求来更改参数。Sample chirp配置和使用案例对于各种TI的mmwave雷达设备在特定于设备的概述白皮书中被展示。 表1：Example Chirp Configurations for Typical Applications 通过使用更高层次的算法，最大速度可以提高超过最大无模糊速度。

TI雷达设备允许你在frame内定义chirp profiles来控制chirp的参数，以及通过chirp configuration RAM在这些profiles上的变化。chirp profiles是基本的chirp时序模板，用于定义一个或多个定义中存在显示差异的chirp变量参数(开始频率、斜率、空闲时间等)。雷达设备允许你设置4个不同的chirp profiles。此外，最多512个独立的chirps可以预先编程并存储到chirp配置的RAM中。在RAM中的每个chirp定义能属于4个配置文件中的一个，并且可以在某些参数值中，有选择地与其父profile不同。一个frame会然后在chirp配置RAM中包含从起始索引到结束索引的chirps序列，最多可以循环255次。 每个配置文件可控制的参数为：

在chirp配置的RAM中的每个chirp可以具有较小的抖动值，这些值可以被添加到profile RAM中的profile参数。这些是：

表2列出了管理chirp时序的一些参数。它还显示了这些参数的关系以便形成的chirp 表2：Chirp Timing Parameters 以下各节列出了系统考虑事项，对于这些参数中的每一个应该决定的值。每一个参数的实际值都能通过在Radar Studio应用程序(作为DPF package中的一部分)使用一个chirp时序的参数配置计算得到

所需的最小空闲时间由合成器缓降的稳定时间决定，是一个带宽下降的函数。对于一些典型的带宽合成器下降的时间如表3所示： 表3：Typical Synthesizer Ramp Down Times for Different Modulation Bandwidths 表3能直接用来设置最小的空闲时间，这些案例是针对采样率为5Msps或者更高。然后，对于低采样率(=50usec，inter sub-frame时间应为>=100usec，帧间时间为>=200usec。 图9：Example of Advanced Frame Configuration of Two Sub Frames

TI的雷达设备允许每个发射机输出0度或180度进行调制。这允许通过使用互不相关的二进制码同时使用多个发射机。因此，有效地提高了信噪比。 相位配置由"rlSetBpmChirpConfig" API来完成。有关BPM和MIMO雷达的详细信息，参见MIMO Radar。

TI的mmwave link APIs为MMIC提供了简单的接口，并提供了充分的灵活性来配置所有基于应用和要求的chirp参数。每个API和参数说明见"毫米波雷达接口的控制文件"。图10显示了对于配置chirp和frame要遵循的典型序列 图10：Radar Configuration Sequence

这些API用于开启和初始化传感器：

这些API用于配置射频参数、chirp配置文件和frame配置。

在chirps期间捕获的ADC数据通过高速调试接口或CSI从设备中传输出去。数据控制API允许配置需要转出的ADC数据和和高速接口(LVDS/CSI)配置。与ADC数据一起，一些与chirp质量和chirp参数(分别称为CQ(chirp质量)和CP(chirp参数))有关的附加信息可以被传输出去。LVDS/CSI配置、通道配置等等都可以使用这些API完成。有关这些API和参数的详细信息，请参阅"mmWave雷达接口控制文件"(DPF包中的一部分)

一旦chirp和frame被配置好，它们可以通过软件API或硬件使用数字同步信号进行触发。触发帧的软件API是rlSensorStart。

参考文献：