TI毫米波雷达（五）—— chirp

🕗 发布于 2024-11-16 14:42 dsp开发硬件架构射频工程

概述

在线性调频连续波(LFMCW)雷达中，发送的信号是频率随着时间线性改变的单音信号，这种频率扫描即为“chirp”。为了满足探测距离、距离分辨率、目标速度、视场角等系统要求，需要雷达发送合适的chirp。

TI毫米波雷达的chirp周期包含空闲时间、启动时间、发送和采样等过程，一系列chirp加上帧间隔组成了帧。

参考

《Programming Chirp Parameters in TI Radar devices》

《mmwave sdk user guide》

系统性能和chirp参数

实际的系统性能与很多方面有关，比如雷达硬件、天线设计、处理的算法等。单纯的分析chirp参数的影响，类似于分析系统在“理想”状况下的表现。

探测距离

最大探测距离与毫米波雷达的最大中频带宽和chirp斜率有关。

$Range_{max} = \frac{IF_{max} \times c}{2 \times S}$

IFmax —— 最大中频带宽

c —— 光速

S —— chirp斜率

最大中频带宽通常在数据手册中可以找到，chirp斜率则是一个可配置的参数。

尽管通过chirp的斜率配置我们可以获取超远的探测距离，但是现实中是不可实现的，因为电磁波在空气中的传播会有衰减。当信号衰减到一定程度后将无法被检测出来，我们用接收信噪比（SNR——接收信号与噪声的比）来衡量信号的可检测性。SNR的影响因素很多：

雷达的射频性能——发送功率、接收机噪声系数、帧内chirp持续时间和数量等
天线参数——增益
目标参数——RCS
算法——目标检测需要的最小SNR

最大探测距离与SNR间的关系见下面的公式，很明显在其他条件不变的情况下，增加chirp的时长或数量可以增大SNR。

$SNR=\sqrt[4]{\frac{P_{t}G_{Rx}G_{Tx}c^{2}\sigma NT_{r}}{{f_{C}}^{2}\left ( 4\pi \right )^3\times kT\times NF\times SNR_{det}}}$

Pt——发射功率

$G_{Rx},G_{Tx}$ —— 收发天线增益

$\sigma$ —— 目标RCS

N —— chirp数量

Tr —— chirp时长

NF —— 接收机噪声系数

SNRdet —— 算法检测目标需要的最小信噪比

k —— Blotzman常数

Tdet —— 环境温度

距离分辨率

距离分辨率是在目标检测中可以将两个目标分别开的最小距离，小于此距离的多个目标通常会被识别为一个目标。此系统参数与chirp扫描带宽有关。

$Range_{resolution}=\frac{c}{2\times B}$

c —— 光速

B —— chirp扫描带宽

更好的分辨率也意味着可以检测到更小的最小距离。

探测速度

最大非模糊速度与chirp的周期（包含空闲+chirp）有关。

$Unambiguous\, max\,velocity = \frac{\lambda }{4Tc}$

Tc —— chirp总时长，包含chirp时间和空闲时间

$\lambda$ —— 信号的波长

速度分辨率

良好的速度分辨率可以分离出速度差异较小的物体。速度分辨率主要取决于传输帧的持续时间，也就是说，增加帧中的chirp数量可以提高速度分辨率。

$Velocity_{resolution}=\frac{\lambda }{2NTc}$

Nc —— 帧内chirp数量

角度范围

为了在2D空间中定位对象，除了目标距离外还需要目标的角度。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。到达每个连续接收器的信号被延迟d*sinθ，这种“延迟”导致相移。每个接收器之间的相移用于估计物体的角度θ。

最大非模糊角度范围取决于波长和接收天线间的距离：

$Max\, unambiguous\,angular\,range=sin^{-1}\left ( \frac{\lambda }{2d} \right )$

d —— 接收天线间距

$\lambda$ —— 波长

当接收天线间距为λ/2时，理论最大非模糊角度范围可达±90°。

角度分辨率

角度分辨率可以帮助我们分辨出不同方位角的目标。天线数量越多，则角度分辨率越高。当同时存在多个接收天线和多个发射天线时，即为MIMO。拥有N个接收天线和M个发送天线的天线阵列，可以组成NxM个虚拟天线，而非N+M个。

$Angular\,resolution\left ( deg \right )=\frac{\lambda }{d\times N_{Rx}N_{Tx}\cos \theta }\times \frac{180}{\pi }$

θ —— 目标所在方位角

$N_{Rx}$ —— 接收天线数量

$N_{Tx}$ —— 发射天线数量

这里出现了cosθ，预示着针对不同方位的目标角度分辨率是不同的。很明显，正对着的目标对应着最高角度分辨率，在4收3发系统中约为10°。

典型应用中的chirp配置

配置chirp

弄清楚了chirp参数与系统性能的大致关系后，就要通过配置chirp来验证效果了。

配置概述

TI的毫米波雷达可以通过定义chirp配置文件来控制一帧中的chirp参数，而且可以在chirp RAM中修改这些配置文件。Chirp配置文件可以作为基础的chirp时序模板，用来生成参数各异的chirp。TI的毫米波雷达可以接收四个不同的chirp配置文件，但是chirp可配置RAM中可以预编程512个独特的chirp。每个chirp都可以引用四个配置文件之一，然后按需要进行细调。

一个帧由chirp可配置RAM中起始索引到结束索引间的chirp序列组成，最大可循环255次。

在每个配置文件中，可以配置：

（Start Frequency）起始频率
（Frequency Slope）调频斜率
（Idle time）空闲时间
（ADC start time）ADC采样起始时间
（Ramp end time）调频结束时间

结合下图可以更好的理解这当中的概念。

Chirp可配置RAM中保存的是基于配置文件（通过索引来指定基于哪个配置文件）的变动：

Start Frequency variable（起始频率变量）
Frequency slope variable（调频斜率变量）
Idle time variable（空闲时间变量）
ADC start time variable（ADC采样起始时间变量）

关键参数

在配置一个chirp时，如下参数需要考量。

Idle Time

空闲时间取决于频率合成器需要多久下降到下一个chirp的起始频率并恢复稳定。下表可以在ADC采样率≥5Mbps时做参考。ADC采样率低于5Mbps时因为Σ-Δ ADC特性需要稍长的延时。建议使用Radar Studio tool —— chirp parameter configuration calculator来计算。

ADC Start Time

此参数没有硬性规定的最小值，需要综合考虑一些因素。例如chirp的信号质量、期望目标的最大往返时间、chirp间隙等。建议使用计算器chirp parameter configuration calculator来计算。

Ramp End Time

此时间应该包含ADC采样起始时间、ADC采样时间、额外的斜坡时间，对额外的斜坡时间没有硬性要求。同样需要综合考虑一些因素，例如信号稳定性、低通滤波器延迟等。建议使用计算器chirp parameter configuration calculator来计算。

Chirp基本编程顺序

典型的chirp配置顺序如下图所示。

Device manager APIs

rlDevicePowerOn() 初始化驱动程序并为驱动程序进行必要的资源分配。

DeviceFileDownload() 将二进制文件从主机下载到雷达设备的内部RAM。此文件可以是固件补丁文件、应用程序代码、校准数据或配置数据。

rlDeviceRfStart() 初始化雷达设备中的RF（BIST）子系统，用户应用程序在调用任何雷达传感器控制API之前应等待此事件。

Radar RF control APIs

        rlSetChannelConfig() 配置要使用的TX天线的数量（3个天线中的一个）和RX天线的数量。它还允许选择他们是以独立模式还是级联模式使用传感器。
        rlSetAdcOutConfig() 配置每个样本的位数（12/14/16）。它还允许选择ADC数据是仅为实数、复数-1x还是复数-2x。
        rlSetLowPowerModeConfig() 设置低功耗ADC模式以实现节能。在此模式下，最大ADC采样率受到限制。
        rlSetProfileConfig() 配置chirp“配置文件”。
        rlSetChirpConfig() 配置chirp。
        rlSetFrameConfig() 选择形成帧的chirp序列、需要传输的帧的数量以及帧的周期性。

Data Control APIs

数据控制API允许配置需要传输的ADC数据和高速接口（LVDS/CSI）配置。与ADC数据一起，还可以传输与chirp和chirp参数的质量相关的一些附加信息（分别称为CQ（chirp quality）和CP（chirp parameter））。LVDS/CSI配置、通道配置等可以使用这些API完成。有关这些API和参数的详细信息，请参阅“毫米波雷达接口控制文档”（DFP包的一部分）。

Frame Trigger APIs

一旦配置了啁啾和帧，就可以通过软件API或使用数字SYNC_IN信号触发的硬件来触发它们。触发帧的软件API是rlSensorStart()。

Chirp配置命令

在之前的学习中，分析命令行配置文件时发现out of box示例中对有些指令未做处理。

TI毫米波雷达（三）—— out of box示例解析（二）

现在我们结合《mmwave sdk user guide》来看看其中的几个指令。

profileCfg

向RadarSS和数据路径发送配置文件配置消息。

序号	参数	说明
1	profileId 配置文件标识符	传统帧模式（defOutputMode=1）支持所有允许值，但仅有一个配置文件会生效高级帧模式（defOutputMode=3）支持所有值，一个子帧仅有一个配置生效，但不同子帧可以使用不同配置
2	startFreq 起始频率，单位GHz，支持小数	doxgen和数据手册中支持的任意值
3	idleTime 空闲时间，单位us，支持小数	doxgen和数据手册中支持的任意值
4	adcStartTime ADC有效起始时间，单位us，支持小数	doxgen和数据手册中支持的任意值
5	rampEndTime 斜坡结束时间，单位us，支持小数	doxgen和数据手册中支持的任意值
6	txOutPower 发送天线的发送功率回馈代码	仅“0”值在毫米波示例中被测试过
7	txPhaseShifter 发送天线的发送相移	仅“0”值在毫米波示例中被测试过
8	freqSlopeConst 频率斜率，单位MHz/us，支持小数	doxgen和数据手册中支持的任意大于0的值
9	txStartTime 发送起始时间，单位us，支持小数	doxgen和数据手册中支持的任意值
10	numAdcSample ADC采样阶段采样的点数	doxgen和数据手册中支持的任意值
11	digOutSampleRate ADC采样率，单位ksps	numAdcSamples / digOutSampleRate = ADC采样时间 doxgen和数据手册中支持的任意值
12	hpfCornerFreq1 高通滤波器1频率拐点 0 - 175 KHz 1 - 235 KHz 2 - 350 KHz 3 - 700 KHz	doxgen和数据手册中支持的任意值
13	hpfCornerFreq2 高通滤波器2频率拐点 0 - 350 KHz 1 - 700 KHz 2 - 1.4 MHz 3 - 2.8 MHz	doxgen和数据手册中支持的任意值
14	rxGain 射频增益和接收增益	doxgen和数据手册中支持的任意值

chirpCfg

向RadarSS和数据路径发送Chirp配置消息。

序号	参数	说明
1	chirp start index	doxgen和数据手册中支持的任意值
2	chirp end index	doxgen和数据手册中支持的任意值
3	profile identifier	与profileCfg中的profileId匹配
4	start frequency variation in Hz 支持小数	示例中仅测试了“0”值
5	frequency slope variation in kHz/us 支持小数	示例中仅测试了“0”值
6	idle time variation in us 支持小数	示例中仅测试了“0”值
7	ADC start time variation in us 支持小数	示例中仅测试了“0”值
8	tx antenna enable mask	详见“ChannelCfg” 单个chirp仅能使用一个发射天线

frameCfg

向RadarSS和数据路径发送帧配置消息。要使用此命令，应将dfeOutputMode设置为1。

序号	参数	说明
1	chirp start index 0-511
2	chirp end index chirp start index-511
3	number of loops 1-255	mmwavelink doxgen/数据手册允许的任何值，必须大于或等于4。对于使用DSP版本的多普勒DPU的xwr16xx/xwr68xx演示，由于窗口要求，多普勒chirp（即环路数量）应为4的倍数。如果多普勒chirp数需要值2，则必须更新演示/对象检测DPC源代码，以使用多普勒DPU的矩形窗口而不是汉宁窗口。
4	number of frames 0-65535	0表示无限
5	frame periodicity in ms 支持小数	帧的占空比不应超过50%（即活动chirp时间应≤帧周期的50%）。此外，它应该为选定的UART输出留出足够的时间（基于guiMonitor命令的选择），用户可以使用统计TLV的输出来调整此参数。
6	trigger select 1 - 软件触发 2 - 硬件触发	仅支持软件触发
7	Frame trigger delay 单位ms，支持小数

advFrameCfg

向RadarSS和数据路径发送高级配置消息，要使用此命令，应将dfeOutputMode设置为3。

序号	参数	说明
1	numOfSubFrames 子帧数量
2	forceProfile 强制配置	仅支持0
3	numFrames 要发送的帧数
4	triggerSelect 1 - 软件触发 2 - 硬件触发	仅支持软件触发
5	frameTrigDelay 帧触发延时，单位ms，支持小数

总结

完成了chirp配置的分析后就可以着手验证不同配置的效果，通过不断的设计和验证来积累实际的经验，系统设计时也就可以做到快速和准确。

原文地址：https://blog.csdn.net/slyywd/article/details/143687660

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