TI毫米波雷达IWR1843的基础知识

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。

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 Time

ADC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：（a）ADC开始时间，（b）ADC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 MHz（AWR22xx）和37.5 MHz（AWR1xxx）。

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*sin（θ），这种“延迟”导致2πdsin（θ）/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 time（ADC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 variable（ADC启动时间变量）

线性调频RAM和配置RAM结构如图所示