要:首先对毫米波雷达前端系统设计原理进行了阐述,接着对雷达前端系统的各个组成部分:振荡器、0/π调相器、功率放大器以及混频器的设计进行了介绍,采用了微带电路的设计方法,设计出该毫米波雷达前端系统,并对整个系统进行了测试,得到了相应的测试数据,最终的测试结果显示,该系统已经达到预期的设计要求。
  关键词:振荡器;0/π;调相器;功率放大器;混频器
  中图分类号:TN958.95 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2008)1703702
  
  Design of Millimeter-wave Radar Front-end System
  CHEN Jun,SU Kaixiong,HUANG Xiaoyu
威尼斯娱乐场,  (Physics and Information Engineering College,Fuzhou
University,Fuzhou,350003,China)
  Abstract:The paper first describes the principles the design of
millimeter-wave radar front-end system,and then introduces various
components of the system:oscillator,0/π phase modulation,power amplifier
and mixer design,by using the microstrip circuit design methods,the
design of millimeter-wave radar front-end system is realized,and the
whole system is tested,getting the corresponding test data,and the final
test results shows that the system has been designed to achieve the
desired requirements.
  Keywords:oscillator;0/π;phase modulation;power amplifier;mixer
condenser
  
  1 引 言
  
  毫米波的工作频率介于微波和光之间,毫米波雷达比微波雷达体积小、重量轻、波速窄、带宽大、抗干扰能力强;比红外或激光传感器气象适应性好,所以它是继激光、红外之后电磁频谱利用中的一枝新秀。以前毫米波雷达的应用受到器件,尤其是有源器件功率不高的限制,使它难以在末制导以外的领域发挥作用。然而今非昔比,20世纪90年代第二阶段的微波毫米波集成电路规划取得重大突破后,大功率毫米波功率源、介质天线、集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世,使毫米波雷达发生了更新换代的变革,并且大大拓宽了它的应用领域。
  
  2 毫米波雷达前端系统设计原理
  
  利用伪随机编码信号良好的自相关特性,低距离副瓣,获得高的测量精度和距离分辨率。同时利用正弦波调频信号体制的回波信号功率为距离函数的特点来有效地抑制近区杂波干扰。图1为采用伪随机编码调相和正弦波调频这两种连续波信号的复合调制体制框图。
  16 GHz高频振荡器产生16 GHz±10
MHz微波振荡信号,经正弦调制后信号送到调相器,进行随机编码调相。调相后的信号通过功分器,一部分放大后由发射天线辐射出去,另一部分泄漏信号加到信号混频器。经天线辐射出去的射频信号照射到目标后,目标反射的回波信号由天线接收,回波信号送到信号混频器与泄漏信号混频并滤除高频信号,得到视频信号。视频信号放大后经过数字信号处理就可以送到耳机从而直接监听目标运动情况、速度和状态。

学号:17021211315    姓名:范乐乐

转自雷锋网

【嵌牛导读】:在2016年的谷歌I/O大会上,谷歌低调展示了数款高科技硬件产品。其中有超炫的雷达芯片——Project
Soli。它采用微型雷达来捕捉细微的手势动作,实现对硬件的操控。

【嵌牛鼻子】:雷达手势识别、Project Soli、雷达芯片

【嵌牛提问】:雷达手势识别能干什么?如何实现雷达手势识别?已经有哪些应用?

【嵌牛正文】:这种雷达芯片可以隔空操作智能手表,可以取代触摸屏隔空操控手机,可以取代触控板操作电脑,甚至已经有开发者实现隔空打字的功能!它还可以用在VR中进行交互,取代手持设备得到更好的游戏体验。相比于当前流行的二维触屏系统,它的控制手势是三维立体的,所以显得更加直观,更加生动,再加上利用了“电磁波”这只看不见的手来操控,颇有些魔术效果。

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图片来自显示世界

Project Soli构造:

Project
Soli由两个芯片组成,一个是微型雷达传感芯片,一个是主控芯片。其中雷达传感芯片内置了天线阵列,其封装只有8mm x10mm大小。雷达的电磁波发射频率是60GHz,波长为5mm,该芯片可以识别5cm-5m的细微手势,操控距离限制在15m内,并且具有180°的视角。下图展示了两款芯片的大小,最左边是主控芯片,中间是雷达传感芯片。

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很小的雷达芯片

与初代Project
Soli相比。新一代的ProjectSoli主控芯片与英飞凌合作设计,功耗降低了22倍,从1.2W降低到了0.054W。新的雷达传感芯片效率更是提高了256倍,并且可以实现每秒18,000帧的扫描。这让该项技术应用在智能手表上成为可能。下图展示了几种操控的手势:

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雷达成像:

谷歌的ProjectSoli采用了雷达成像原理,采用了60GHz频段的毫米波,波长为5mm。采用毫米波好处在于,相比于微波(0.3G~30GHz)的波段几乎已经被各种无线应用占据,比如WIFI,蓝牙,无线通信,AM、FW无线广播等。毫米波本身免授权、免付费、及未被大量采用,换句话说,不需耗费申请时间及费用,即可使用该频段。Wireless HD及IEEE802.15.3c皆属毫米波无线传输技术,工作频段为60GHz。

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电磁波的波谱图

雷达主要利用无线电波的反射来进行成像。通过计算从天线发射无线电波,到天线收到反射波的延时,可以得出物体的位置。通过比较发射波与反射波的波长变化(多普勒频移),可以计算出物体的速度。当物体靠近雷达运动,其反射波的波长会变短;当物体远离雷达运动,其反射波的波长则会变长。物体的速度越大,波长的变化也越大。这样,通过对比发射波和反射波,就得到了物体的位置和速度,也就可以精细地捕捉物体的运动。

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雷达测速原理

采用毫米波雷达做手势识别,难点在于雷达传感器芯片设计,其中又包括MMIC芯片(单片微波集成电路)和天线PCB板设计。

(1)前端MMIC芯片:它包括多种功能电路,如低噪声放大器(LNA)、功率放大器、混频器、甚至收发系统等功能。具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。毫米波雷达的关键部件前端单片微波集成电路(MMIC)技术由在国外半导体公司掌控,而高频的MMIC只掌握在英飞凌、飞思卡尔等极少数国外芯片厂商手中。

(2)雷达天线高频PCB板:毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列,简单说将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能,需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。

英伟达手势识别芯片

Google Project Soli的毫米波雷达通过RDM(RangeDoppler
Map,距离-多普勒映射)算法获得目标信息。谷歌并没有公布Project Soli的设计细节,但笔者发现,英伟达设计的一款基于FMCW(调频连续波)技术的毫米波雷达手势识别芯片系统,同样使用了毫米波雷达技术,也采用英飞凌的MMIC射频解决方案。更巧的是,RDM算法也被应用在其中,应该相当具有参考价值。

该系统设计目标是用于车内手势识别,操作距离为1m之内。中心频率为25GHz的毫米波,频宽4GHz,距离分辨率是3.75cm。具有4D测量的功能,可同时测量物体的三维位置和运动速度,水平视角为±45°,垂直视角为±30°,检测速度不高于1.5m/s。该系统的设计原型由微控制器,模拟电路,雷达射频芯片和4路天线构成,其中3路接收天线,1路发射天线。下图是该系统的设计原型,粗糙了点,但是能用:

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该系统的MMIC前端系统采用英飞凌的BGT24MTR2芯片,主控制器采用德州仪器的Cortex
M4F微处理器。模拟端的采样频率为40KHz,采用8bit模数转换,锯齿波生成器采用500Hz的输入源输送给VCO(压控振荡器)单元,通过串口连接PC主机做信号处理和手势识别算法,系统采用USB供电,整个从机的功耗小于1W。整体架构如下图所示:

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整个系统的工作原理如下:

1、雷达系统所发射的信号通过锯齿波函数进行调制后由天线进行发射,接收到手部的反射回波。

2、对于锯齿波调制而言,由于因为回波延迟导致的频移和拍频(回波与发射波的频率差)被耦合在一起,通过RDM
(Range Doppler
Map,距离-多普勒映射)算法进行解耦:将发射波与回波相乘,然后进行低通滤波。

3、得到的结果进一步离散采样,组织成矩阵的形式,其中矩阵的每一列包含单次扫描的节拍信号。

4、然后再进行二维离散傅里叶变换,最后得到手部的位置延时和多普勒频移等信息,进而得到手部的位置和运动速度。

下图是原理的图示:

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得到了手部的位置图和速度图,就可以辨别出具体的手势动作及含义。下图展示了单手和双手手势识别效果图:每个手势最上面的图是雷达探测与手部深度图像的叠加图。雷达探测点的颜色代表手部该位置的变化速度。中间的RDM图是雷达的探测图,其中色块表示雷达探测到的物体,由于人手部是非刚性的,所以看起来像是一堆小物块。最下面的合成图展示了整个手部的动作,颜色跟速度对应。

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上面我们简单介绍了毫米波雷达手势识别的基础原理,英伟达的雷达手势芯片在原理上与谷歌的Project Soli有很大的相似性,因此具有很好的参考价值。

二者区别在于谷歌的是60GHz频段的毫米波,而英伟达采用的是25GHz的毫米波;在天线设计和PCB设计上会有一些不同;再者英伟达的这款只是原型设计,其数字信号处理主要依靠PC端的处理能力,这当然不可能集成到嵌入式系统当中。

而谷歌则采用了专用的芯片来做数字信号处理,所以可以做到超低功耗,并提高性能,达到嵌入式可穿戴智能设备的使用需求。

目前Project
Soli仍处于开放研发阶段。谷歌声称将在2017年推出版本的硬件。可以预见的是,在明年的开发者大会上,我们将会看到更加成熟的雷达手势控制芯片以及配套的软件系统,如果其成本可以降低下来,或许那个时候,新的交互时代将会来临。

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