基于SIMULINK的FMCW雷达测距功能仿真

全国空气动力测控技术交流会论文集 基于SlMUUNK的FMCW雷达测距功能仿真 也esimulationofFMCWfunction ofmeasuringdistancebasedonSIMUL腿 徐小平 (中国 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 物理研究院电子工程研究所621900) 摘 要奉文阐述了利用MATLAB的SIMULINK实现敷字信号处理算法的仿真，文中阐述了系统测距的基本原理、伤 真模型的建立．对仿真结果进行分析后得出了预期的结论．该算法采用垒敷字化信号处理彤式，性能上满 足测距精度高，稳定性好等技术要求．作为FPGA实现的上层设计，这一方法简单易学、具有很高的实用 价值。 关键词MATLABFMCWSIMULINK信号处理 abstractThepaperexplainthearithmeticofhowtorealizemeasuringdistancethefunctionofFMCWsystembasedon SIMULINKinthisarithmeticweexpatiatetheessentialityofhowtoselectsystem’sparameter．howtoestablish themodelofthesystemandanalysetheresultofsimulatingWeachievetheexpectingresultthroughthese arithmeticbasedonSIMULINKThearithmeticintroducetheidealdigitalsignalprocessinginrespectthatthe methodpossesssuchmeritashighprecisionofmeasuringdistanceandgoodstabilityectAsthesuperstratum designofFPGA，themethodhasmuchvalueinallkindsofapplication keywordFMCWMATLABSIMULINKsignalprocessing SIMULINK是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的软件包，利用它可以方便快捷的实现很 多设计。SIMULINK之所以为设计者所青睬，就在于它的以下几个优点：设计具有清晰的层次性；为 用户提供了一种封装子系统的功能，用户可以自己定义子系统的图标和设置参数对话框；和实际示 波器输出相似的图形化显示结果功能等。对一个简单的设计，就像搭积木块一样方便有趣。对于复 杂的设计，SIMULINK可以成功的实现系统的各种功能。下面我们用实例详细阐述SIMULINK建模实 现FMCW雷达的信号处理的具体过程。 1 基本原理 FMCW雷达的测距原理是利用差拍信号实现对高度的测量。其简单原理框图如下： 图I调频冒达测距塌【理框图 141 出 全国空气动力测控技术交流会论文集 这里发射波形幅度固定，频率随时间呈线性锯齿变化。其作用原理是：发射机发射的信号遇到 目标后返回，通过接收天线接收，与发射信号在混频器混频。由于回波信号相对于发射信号延迟了 一个2h／c时间，混频后，得到差拍信号，差拍信号通过低通放大器放大和滤波器滤波后，经AD变 换后进行相应的信号处理得到瞬时差频，由于瞬时频差与目标距离成正比．测出频差就得到所需要 的距离信息。 采用锯齿波作为调制信号，下图即为锯齿波调制时的时间一频率曲线图，图a为发射和接收信 号的时间一频率曲线，实线为发射信号频率，，虚线为回波信号频率Z，最大频偏为AF，调制周期 为L。图b为混频器输出端差频信号的时间一频率曲线，』为差频频率，Z‘为nL～nL十乃之间的 差频。 ]r △F l —L a锯齿波调制的收发信号 b锯齿波调制的差拍频率 图2锯齿波调制的收发信号和差拍频率曲线图 发射信号为： “，t)：E，·cOSG叽f+兀kt2) (1) 叫波信号为： “，(，)：E，·c。s垂砜t～乃)+n女t—r，)2)(2) 差拍信号为： “，t)：E，·c。sb吮乃+2nkT，r+n々巧](3) 瞬时差拍频率为： ．f：／：，+女乃：／j+—2AF=x—一H (4) o{⋯ 其中，，为多谱勒频移。不考虑多谱勒频率时，即f=D时，差频为： ，：☆t，：—2A_F_xH (5) cl，” 由上式我们可以看出差拍频率和高度H成线性关系，当调制周期和最大频偏一定时，差频和距 随成正比，测出瞬时频率就得到了距离信息。 2．系统模型建立 在基本原理清楚后，用SIMULINK；对系统建模，具体框图如下图所示。 142 全国空气动力测控技术交流会论文集 比较输出 图3 sIMULINK仿真框图 在系统框图中，我们看到，系统分为三大部分：信号输入，FFT变换和信号输出。系统输入信 号为实信号，虚部为零。Reset信号为复位信号，开始前使系统复位；FFT变换部分主要是对输入的 差频信号进行处理，以期得出需要的距离信息。在FFT变换中采用了Xilink公司的IP核，Ip复用 技术让我们节约很多时间用于考虑系统能达到的精度，系统的结构的完整性等更为宏观的问题。IP’ 是一个经过验证的集成电路设计，从实现形式和应用层次上分IP有三种不同的表现形式：软核． (Soft—Core)，固核(Firm-Core)和硬核(Hard-Core)。IP使用包括测试、验证、模拟、低功耗 等。IP的使用是SOC技术的发展趋势，它使设计者从高度复杂的系统功能和设计时效上解放出来． 有更多的时间考虑设计的其他问题。信号输出部分是SIMULINK的一个优势所在，通过一个示波器 (Scope)就可以清楚的看到处理后的输出信号仿真图，可供我们分析理解信号处理的结果 系统采用1024点FFT变换，采样频率为2MHz。外部ROM配置有三种配置方式 SMS(Single—Memory—Space)配置、DMS(Dual—Memory—Space)配置和TMS(triple-memory—space)配 置，这里我采用TMS配置，在输入数据存入Y存储器中时，FFT从x存储器中取出数据进行处理， 其结果经过数据线送入z存储器：当Y中数据写满了的同时，x中的数据读完了。这时，输入数据 便写入X存储器，而从Y中读出数据至FFT处理器，同样，处理结果由输出数据线送入z存储器。 FFT便这样不停的从x，Y存储器中读写数据，象乒乓一样不停的转换。TMS配置方式的好处是不会丢 失数据，数据处理及时。当然，其中的读写功能和FFT处理功能的时序是很重要的，它的配置方式 如下。 Xf 输入 图4 TMS配置框图 143 X(k) 输出数据 全国空气动力测控技术交流会论文集 3．系统仿真 模型建立并设置好每个参数就可以进行仿真了。SIMULINK仿真是很方便的。这也是它得到广泛 应用的原因之一。下面是它的波形仿真图。 理论上，输入信号的频率为100KHz，根据式(5)可知距离为15m，对应的滤波器号为： ”=易×警=半阍z蚓2 ㈦ ／2 1’一～⋯⋯～⋯⋯⋯⋯⋯。一一一⋯～⋯’’⋯’’ ⋯’ ’ 。，～一’“一一“ 聃f { j 。；^。．．．，，．．．．．．，，，．．。。．．．，．，，．一——一⋯⋯⋯。～⋯』_。．．．．．．．。。++++．．．．．．．+．．．+．。。。。—．—／ 固5 SIMULINK仿真结果 abs为FFT变换后取模的结果，当abs超过门限值时，输出对应的滤波器号以及距离值，由仿 真结果知，仿真结果不唯一，出现了三个距离值，这是由于系统延迟以及FFT变换的量化所引起的， 但并不影响系统功能和精度要求。因为对1024点的FFT变换，量化误差为： 埘，=鲁×可=告×五N—oz咖朋 ㈩2B 。 2曰 由此知，输出的三个距离值中，对应50号滤波器的值14．6484m相对于实际距离超出了量化误 差，可以排除这个值；对应于5l号滤波器的两个值相对于实际距离，其误差都不超过量化误差，而 系统最大误差由频偏 决定 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 ，由此可以计算出系统误差为：AH=c／2B=15m，由此我们可以选择最佳 值作为输出结果。 由上面的结果知道，通过SIBEUI。INK建模可以精确实现FMcw体制的测距功能，并且实现简单， 原理易懂。 4．结束语 FMcw雷达采用全数字化的信号处理方式，实现了简单原理r精确的测距功能。而SIMULINK的 简单实用性使得这一方法得到了广泛的应用。SIMULINK的模型建立仿真结果完全满足系统盼计数要 求，达到了低成本，短周期实现FMCW雷达测距功能算法的仿真实现。 参考文献 il]朱启明雷达高度表设计理论基础国防工业出版社1992年 i2]钥广书数字信号处理理论，算法与实现清华大学出版社1997年8月 [3]范影乐，杨胜天，李轶MATLAB仿真应用详解人民邮电出版社2001年7月 144 基于SIMULINK的FMCW雷达测距功能仿真 作者： 徐小平 作者单位： 中国工程物理研究院电子工程研究所,621900 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6092391.aspx