使用毫米波雷达套件快速开发精密目标检测设计（一）

设计人员承受着不断的竞争压力，需要实现更小，更精确，检测范围更长的运动传感器，以应用于智能建筑，工厂自动化，运输和无人机等各种行业。毫米波（mmWave）技术正在成为一种有吸引力的运动检测选项，而mmWave技术的新设计师则发现潜在的雷达前端和高性能信号链具有挑战性。

为了解决这些问题，mmWave设备和相关的开发套件现已上市，使设计人员能够快速部署复杂而精确的运动检测系统。

本文将讨论运动检测系统的扩展作用，并解释为什么mmWave是范围和准确性的不错选择。然后，它将介绍一个合适的工具包，并说明如何启动和运行它。

运动检测的扩展作用

运动检测已成为广泛应用中越来越重要的功能。除了在智能建筑和家庭产品中用作便利功能外，它还在汽车和工业应用中提供了关键的安全功能。在越来越多的应用中，扩大范围和精度至关重要，这要避免使用围绕无源红外传感器或飞行时间系统构建的传统方法。

因此，调频连续波（FMCW）毫米波雷达技术受到越来越多的关注。它使用短波长信号可以检测亚毫米级的物体。尽管雨天，雾天，灰尘和雪等恶劣的环境条件，它也可以渗透塑料，干式墙和衣服等材料，同时保持其高水平的性能。

毫米波能量的束紧光束可以聚焦和操纵，以提供高度精确的物体检测并跟踪多个彼此靠近的物体。

毫米波技术如何工作

尽管毫米波雷达信号处理的细节不在本文讨论范围之内，但检测原理是基于一个熟悉的概念，其中涉及物体反射能量。在线性FMCW雷达中，这种能量是毫米波音调，称为线性调频脉冲，其频率随时间线性变化。雷达系统生成并发送a声后，会检测到从近距离物体反射的chi声信号并将其传递到混频器。混频器将RX和TX信号合并以产生中频（IF）信号。

线性调频传输与反射信号检测之间的延迟用于计算雷达系统天线与物体之间的距离。如果雷达系统在单个观察窗口或帧中生成多个线性调频脉冲，它可以通过测量相应的反射线性调频脉冲的相位差来确定物体的速度。如果使用了多个接收器，则雷达系统还可以确定雷达系统与物体之间的相对到达角（AoA）。使用这些相同原理进行更复杂的计算，高性能雷达系统可以跟踪以不同速度和轨迹运动的多个目标。

能够执行这些操作的系统设计结合了RF，模拟和数字子系统（图1）。作为系统输出信号链的一部分，RF信号合成器会产生线性调频信号进行传输。在系统输入信号链的第一阶段，RF混频器将生成的线性调频脉冲与反射的线性调频脉冲相结合，以产生IF信号。作为后续模拟阶段的一部分，低通滤波器和模数转换器（ADC）使用快速傅里叶变换（FFT）和其他算法生成数字数据流，以进行信号处理。

典型的毫米波调频连续波（FMCW）雷达设计图

图1：典型的毫米波调频连续波（FMCW）雷达设计依赖于紧密集成的RF，模拟和数字子系统，以传输精确控制的能量脉冲，称为线性调频脉冲，并处理反射信号以分辨范围，速度，下档物体的相对角度。 （图片来源：德州仪器）

尽管此基本体系结构适用于典型的FMCW雷达系统，但其设计细节取决于最大检测范围，范围分辨率，角度分辨率等的应用级别要求。例如，最大检测范围与IF成正比，与频率斜率成反比。因此，诸如汽车自适应巡航控制的远程应用需要一种能够支持高IF并产生具有快速扫频时间的线性调频的设计。

寻求优化雷达性能的设计人员还必须处理许多设计特征，包括TX输出功率，RX灵敏度和噪声系数，天线TX和RX增益分布几何形状以及反射信号的信噪比。而且，每个应用程序都具有其独特的因素组合，从而为开发人员提供了一系列相互依赖的复杂需求。

德州仪器（TI）借助其mmWave平台，使设计人员摆脱了雷达系统设计和配置的许多挑战。

单芯片毫米波解决方案

德州仪器（TI）的毫米波解决方案结合了mmWave IC和全面的软件环境，可以大大简化基于毫米波的运动检测器应用的实现。包括德州仪器（TI）IWR1443和IWR1642在内的工业mmWave设备集成了生成，发送，接收和处理FMCW雷达信号所需的全套RF，模拟和数字子系统。这些设备将类似的RF /模拟前端与复杂的数字子系统结合在一起（图2）。在这种前端架构内，这些设备集成了完整的FMCW 76至81 GHz频段的收发器子系统，具有四个专用的RX信号路径和多个TX通道（IWR1443中的三个和IWR1642中的两个）。

图2：德州仪器（TI）IWR1443和IWR1642 毫米波设备建立在相似的前端架构上，提供四个独立的RX通道和多个TX通道，其中IWR1443中的三个和IWR1642中的两个。 （图片来源：Digi-Key Electronics，使用德州仪器的原始资料）

对于它们的数字子系统，两个设备都集成了Arm®Cortex®-R4F处理器内核，该内核在主控制系统中充当设备主机，负责设备外围设备，固件更新，引导和其他主机功能。使用其集成的ROM和程序/数据存储器，该主控制系统在使TI mmWave设备在较大的系统设计中自主运行方面起着主要作用。

对于它们的集成雷达处理子系统，这两种设备都使用围绕128位200兆赫兹（MHz）总线构建的相似架构，该架构可在共享内存资源（包括ADC缓冲区，雷达L3数据内存，高速缓存和用于以下用途的内存）之间提供高速吞吐量。与主控制系统主机的通信。与该总线相连的增强型DMA（EDMA）模块提供了独立于处理器的传输，以加快通过处理管道各个阶段的数据传输。

对于其雷达信号处理子系统，IWR1443和IWR1642使用两种不同的方法。 IWR1443包括专门设计的加速器，旨在加速FFT计算和雷达信号处理基础的其他计算（图3）。此外，单独的Arm Cortex-R4F处理器（雷达系统）用作前端配置，雷达子系统控制和校准的专用主机。

图3：德州仪器（TI）IWR1443 mmWave器件与RF和模拟前端一起集成了一个数字子系统，该子系统包括一个基于Arm Cortex-R4F的主控制系统，一个单独的基于Arm Cortex-R4F的RADAR系统以及一个FFT 加速器加快雷达信号处理速度。