Fsk-cw雷達的一種設計和實現方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子信息和交通安全領域，提出一種設計和實現FSK-CW雷達的簡單、 低價方法。這種雷達具有測速、測距和確定目標車輛相對雷達移動方向的能力。 技術背景
[0002] 頻移鍵控連續(xù)波（FSK-CW)體制已經成功用于設計低價的民用雷達，如汽車前向 防撞雷達和公路管理用監(jiān)測雷達。和普通的單頻測速雷達相比較，FSK-CW雷達除了能夠達 到同樣的測速精確度外，還有兩個重要的優(yōu)點。其一是，FSK-CW雷達具有測距能力，能夠滿 足汽車防撞的適當要求，并且在公路安全管理應用中能使車輛位置的確定更準確。其二是， FSK-CW雷達能夠在收發(fā)共用一個天線的情況下給出車輛相對于雷達的移動方向信息（來 向或去向）。這里的第二點在應用中很重要，因為它隱含了進一步的優(yōu)點。一大類使用集成 電路微波振蕩器的單頻測速雷達為了獲得車輛移動方向信息，其發(fā)射天線和接收天線是分 離的兩個天線。如果指定了天線波束寬度，使用FSK-CW雷達方式只要單個天線，使得雷達 尺寸減小一半，又同時具有測速、測距、確定目標移動方向的功能。這對于車載安裝非常有 利。
[0003] FSK雷達典型地使用一個壓控振蕩器來直接產生出微波發(fā)射信號。對微波壓控振 蕩器進行FSK調制容易實現，然而設計實現一個完整的FSK雷達不是一件平凡的事。FSK-CW 雷達早已商用化，它的一般原理是已知的，但針對具體應用的實際設計方法仍然缺乏文獻 報道。本發(fā)明致力于以下問題。第一，FSK雷達接收信道的設計優(yōu)化。為此必須回答FSK 雷達接收信道能達到的最小噪聲帶寬是多少，以及如何進行設計達到這個帶寬。第二，FSK 雷達設計方案的簡約化，使得設計結果產生出一個經濟有效的雷達。第三，提出一種FSK調 制器的設計方案，使得雷達的生產調試容易實施。雖然關于FSK-CW雷達有許多資料可以 參考，但對第一個問題的明確回答還未見公開文獻報道。本發(fā)明在回答這個基本問題的基 礎上提出一種簡單、低價的FSK-CW雷達具體設計方案，和進一步的電路實施和信號處理方 法。

【發(fā)明內容】

[0004] 基本原理
[0005] 典型的FSK-CW微波雷達由以下部分組成：（1)FSK發(fā)射單元，包括FSK調制器和 微波振蕩器，用來產生FSK調制的微波發(fā)射信號；(2)天線，低價雷達通常是發(fā)射-接收共 用一個天線；（3) FSK接收單元，可以包括微波放大器和混頻器、中頻放大器、FSK解調器、模 擬-數字變換器；(4) FSK調制-解調時基發(fā)生器，用來同步發(fā)射單元的調制和接收單元的 解調；(5)數字信號處理器，用來處理接收信號，提取雷達目標的有用信息，如速度、距離、 移動方向等。
[0006] 考慮一種使用兩個頻率的FSK雷達的典型工作模式。在調制-解調時基發(fā)生器信 號的同步下，FSK調制、解調、模擬-數字變換或數據采樣同步地進行。在一個時隙 Tl上， 發(fā)射頻率為，雷達接收信號頻率為fi+fm，這里fD1是由于目標相對雷達徑向移動產生的 多普勒頻率增量（正或負，決定于移動方向）。
[0008] 其中，c = 2. 998e8m/s電磁波傳播速度；v-目標相對雷達徑向移動速度，當目標離 開雷達移動時v>0,當目標朝向雷達移動時v<0。只要時隙Tl足夠長，在混頻后，時隙ti上留下頻率為fD1的中頻信號。在時隙ti上同步地進行著數據采樣，這是對fD1中頻信 號的采樣。在時隙h后的另一個等長的時隙上，發(fā)射頻率變成f 2，雷達接收信號頻率 為
[0010] 此處假定從時隙T i到時隙T 2，目標相對雷達徑向移動速度不變。在混頻后得到 中頻fD2，在時隙t2上的數據采樣是對fD2中頻信號的采樣。雷達不斷重復時隙 Tl上和時 隙T2上的交替動作，在信號處理器中收集N個時隙Tl上的采樣值和伴隨的N個時隙T 2 上的采樣值，進行數據處理。
[0011] 在數值上，T i = T 2 = T，FSK調制周期為T = 2 T。在FSK接收機中頻單元輸 入端，信號可能會呈現幅度交替改變的形式，交替改變的頻率是F = 1/T = 1/2t。合理設 計的FSK雷達應該能夠保證，利用若干個發(fā)射頻率為的時隙上接收的雷達目標信號，能 夠正確地獲得頻率為f D1的多普勒信號；利用若干個發(fā)射頻率為f2的時隙上接收的雷達目 標信號，能夠正確地獲得頻率為f D2的多普勒信號。與或f2在數值上相比較，實際上的頻 率調制幅度I A f | = | f2-f\ |很小，~f2, fD1~fD2 = fD。注意到FSK調制頻率等于對多 普勒中頻信號的采樣頻率，為了在FSK解調后能夠正確地重建多普勒中頻信號，必須選取 調制頻率F > 2fD_，這里fD_是雷達容許測量的多普勒頻率上限值，它決定于雷達容許測 量的雷達目標速度上限值：
[0013] 其中是雷達容許測量的雷達目標徑向速度上限值。
[0014] 由此可以知道，fD_是FSK雷達接收機噪聲帶寬的下限值，這和單頻連續(xù)波測速雷 達是一致的。
[0015] 在另一方面，由于發(fā)射頻率以&和4交替切換，混頻器以后輸出的中頻信號fD1和 f D1也是按時隙t交替切換地出現。即使兩個中頻頻率fD1~fD2 = fD，這兩個中頻信號的 相位一般是不一致的，而且相位差決定于目標距離：
[0017] 其中A f = 是FSK調步頁寬度；A(J) = 和4>2是當目標距尚為R 時，中頻信號fD1和fD1的相位。
[0018] 正是由于中頻"[目號fD1和fD1有相位差，在FSK接收機中頻單兀輸入端， /[目號才會呈 現幅度交替改變的形式，交替改變的頻率是F = 1/T = 1/2t。為了保證接收信號有低噪聲 系數，在中頻前級需要使用低噪聲放大器。為了限制FSK接收系統(tǒng)的噪聲帶寬，必須在FSK 解調器之后使用一個重建濾波器，使該濾波器的帶寬等于噪聲帶寬下限值f D_。
[0019] FSK雷達的一個設計方案
[0020] 根據上述接收信道的設計原則，制定出本發(fā)明的完整設計方案如圖1所示。圖1 中，1是FKS調制器，它接受來自控制數字采樣的字同步信號，按照需要的兩個發(fā)射頻率 和4的大小和時間長度，產生出適當的調制電壓。2是微波壓控振蕩器，它接受調制電壓的 控制，交替地產生頻率為和f 2的微波振蕩信號。3是微波前端，它將一部分微波振蕩信號 輸送到天線，形成微波發(fā)射；同時它將天線接收的雷達目標反射信號輸送給微波混頻器5 ; 它還將一部分微波振蕩信號直接輸送給混頻器5。這樣，在混頻器5上能夠實現發(fā)射頻率 和目標反射頻率的混頻，使得在混頻器5的輸出端能夠得到由于目標徑向移動產生的多普 勒頻率。4是雷達天線，這是一個收發(fā)共用天線。典型地，使用微帶陣列天線可以達到高性 能和低價格的目標。6是中頻低噪聲放大器。7是FSK解調器，它將來自前級放大器的交替 合成信號分拆為兩路獨立信號，其中一路是中頻信號f D1 (的斬波信號），另一路是中頻信號 fD2 (的斬波信號）。需要設計后續(xù)的重建濾波放大器8和9的帶寬B，使得滿足B = fD_。 按照Nyquist采樣準則，只要選取調制頻率F彡2B = 2fD_，在重建濾波放大器8和9的輸 出端上就能重建出兩個獨立的中頻信號，頻率分別是fD1和f D1。按照這個設計方案，整個接 收系統(tǒng)的最終噪聲帶寬為B = fD_，達到下限值，保證了接收系統(tǒng)具有最佳的靈敏度。
[0021] 圖1中10是雙通道模擬數字轉換器，典型地，工業(yè)級雙聲道模擬數字轉換器（ADC) 是一個適當的選擇。在這種情況下，需要一個晶體振蕩器11為ADC提供時鐘。ADC工作于 主控模式，它向DSP處理器13提供3路信號：第一路是字同步信號（103、104、105)，它是電 平交替變化的方波；第二路是位同步信號（102)，為DSP接收每個數據位提供同步信號；第 三路是二進制串行數據（101)。雙通道數據是交替、串行地組織在一個數據串中，并與字同 步信號發(fā)生同步。這樣，字同步信號用于指示DSP，使得能夠正確地從一個數據串中分割出 兩路獨立的串行數據。
[0022] 將雙聲道ADC的字同步信號用作FSK雷達的調制和解調同步信號能夠節(jié)省一個 額外的同步時基