本系列文章為于振南老師的“工業(yè)之眼”--毫米波雷達(dá)（MMWR）部分，本文內(nèi)容為:?作出自己的MMWR產(chǎn)品（研發(fā)記實(shí)）。

毫米波？也許你只在網(wǎng)上或新聞里有所耳聞，知道華為的5G基站使用了毫米波，或者知道特斯拉的自動(dòng)駕駛有MMWR。其實(shí)前者是毫米波的通信應(yīng)用，它使得通信帶寬得到質(zhì)的飛躍，為所謂的“大上行業(yè)務(wù)”應(yīng)用提供了支撐（實(shí)時(shí)機(jī)器視覺就是最典型的“大上行”應(yīng)用）。不過(guò)，本章并不講毫米波的這種通信應(yīng)用，而是側(cè)重于后者，即在雷達(dá)方面的應(yīng)用。

2021年前后，我的硬件團(tuán)隊(duì)一直在研發(fā)一個(gè)神奇的東西，就是太赫茲MMWR（THz MMWR）。應(yīng)該說(shuō)這項(xiàng)工作還是極具挑戰(zhàn)的。我團(tuán)隊(duì)里有從英國(guó)名校留學(xué)回來(lái)的硬件工程師，精通高頻模擬電路設(shè)計(jì)和無(wú)線系統(tǒng)仿真；另有工程師，包括我在內(nèi)精通數(shù)字信號(hào)處理和嵌入式；這期間甚至還有位高權(quán)重的大佬（不便透露實(shí)名）參與關(guān)鍵部分的研發(fā)。即使這樣，我們?nèi)匀桓杏X到了巨大的研發(fā)阻力。

太赫茲毫米雷達(dá)其實(shí)是MMWR的一個(gè)先進(jìn)分支，或者說(shuō)是新興概念，它象征著最激進(jìn)的MMWR技術(shù)。太赫茲MMWR的諸多優(yōu)異特性使其成為了相關(guān)行業(yè)的聚焦點(diǎn)。

什么？MMWR到底是什么？它到底有多神奇？振南不再啰嗦，直接來(lái)看本章的內(nèi)容。

正文

5、作出自己的MMWR產(chǎn)品（研發(fā)記實(shí)）

自從聽了那次技術(shù)交流會(huì)之后，我們被MMWR的優(yōu)異性能和巨大優(yōu)勢(shì)深深吸引了。在考慮了一段時(shí)間之后，我們決定將MMWR納入到產(chǎn)品戰(zhàn)略規(guī)劃中去。隨后我們就挑選精銳開始投入到MMWR的深入研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)之中。

其實(shí)一開始我們都是門外漢，完全沒有接觸過(guò)MMWR，甚至連基本的雷達(dá)相關(guān)知識(shí)都沒有。振南在本章中所介紹的相關(guān)知識(shí)基本耗費(fèi)了3個(gè)月的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)和消化，很多資料都是晦澀難懂（所以大家應(yīng)該珍惜這一章的內(nèi)容，振南是盡最大努力把它通俗化，把消化好的知識(shí)直接喂給大家，好像有點(diǎn)惡心）。

我們先后調(diào)研了很多的芯片方案，比如TI、AD、Infineon等等，走了很多彎路。最后我們選用了德國(guó)SiliconRadar公司（簡(jiǎn)稱SiR）的芯片，它只提供RFE芯片，即雷達(dá)模擬前端，而DSP、相關(guān)的電路（比如鎖相環(huán)、信號(hào)調(diào)理等）都需要自己來(lái)提供和設(shè)計(jì)。選擇它的主要原因是因?yàn)樵摴緩?qiáng)大的背景和先進(jìn)的技術(shù)。

5.1 說(shuō)一下SiR

很多人可能不知道SiR這個(gè)公司，其實(shí)它是一個(gè)超級(jí)牛的公司。

在全球范圍內(nèi)，毫米波雷達(dá)芯片核心廠商主要包括Infineon、NXP、TI、SiR等。2021年，全球第一梯隊(duì)廠商主要有Infineon、NXP、TI和SiR，第一梯隊(duì)占有大約70%的市場(chǎng)份額。其中SiR是專門作MMWR的，它的技術(shù)積累極為雄厚（因?yàn)閷Ｋ跃?。它總部位于德?guó)法蘭克福，一直在為各種雷達(dá)市場(chǎng)領(lǐng)域開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的芯片產(chǎn)品和針對(duì)客戶的解決方案。它參與歐洲的很多智能交通相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目，它的產(chǎn)品基本上代表了MMWR這方面的最先進(jìn)水平。

千字不如一圖，來(lái)看一下SiR的東西，如圖18.39。

看到上圖，是不是又明白了為什么頻率越高越好（其實(shí)也不能這么說(shuō)，主要是看適用場(chǎng)景）。頻率越低，所需要的天線體積就越大，頻率越高，天線就可以作得比較小，甚至直接集成到芯片里（主要是高頻毫米波的波長(zhǎng)更短），上圖右邊的芯片就是采用了AiP工藝（Ant in Package）把天線封裝到了芯片之中。

“122GHz那個(gè)塑料罩是什么？”那個(gè)是透鏡，也是一種波導(dǎo)，主要是用來(lái)收窄波束用的，這樣測(cè)量距離就可以更遠(yuǎn)。（透鏡的形狀和材料都是有嚴(yán)格要求的，通常是拋物面，材料是PTFE，即聚四氟乙烯，這種材料對(duì)電磁波的衰減比較?。?/p>

5.2 與德國(guó)SiliconRadar的論戰(zhàn)

我們了解到很多作MMWR的公司都有專門的團(tuán)隊(duì)來(lái)專門從事這方面的研發(fā)，而且有的團(tuán)隊(duì)規(guī)模還不小。像前面給我們作交流會(huì)的ZGZL，他們有10人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，而且40%是雷達(dá)專業(yè)的博士；SiliconRadar的研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)力就更加雄厚了，它們包括雷達(dá)系統(tǒng)、硬件設(shè)計(jì)、射頻設(shè)計(jì)、測(cè)試等人數(shù)超過(guò)40人，其中有15-20是行業(yè)專家。再回過(guò)頭來(lái)看看我們，我們只有3個(gè)人，還有一個(gè)是上位機(jī)軟件工程師，其它兩個(gè)是嵌入式和電路設(shè)計(jì)，而且起初完全沒有MMWR的基礎(chǔ)。但是產(chǎn)品一定是要作的，怎么辦？這就是我這個(gè)研發(fā)總監(jiān)要考慮的事情了。以下是我起初為MMWR研發(fā)而考慮的一些解決方案。

1、招毫米波相關(guān)的人才。針對(duì)于這個(gè)問(wèn)題我向高層申請(qǐng)解釋了很多次但是都沒有得到批準(zhǔn)。老板的話是：毫米波這個(gè)東西沒那么難，硬件部現(xiàn)有的這些人難道搞不了嗎？這就是典型的讓驢拉磨又不給驢吃飽。一氣之下：“不招了，我們自己搞！”

2、尋找技術(shù)支持來(lái)指導(dǎo)研發(fā)。本來(lái)我考慮可以通過(guò)渠道找到一些雷達(dá)方面的專家來(lái)進(jìn)行請(qǐng)教，或者在研發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)上給于指導(dǎo)，甚至是代調(diào)。公司背后是有高校資源的，但是我發(fā)現(xiàn)這些高校的老師完全是學(xué)院派，在實(shí)際工程方面并給不了什么有價(jià)值的建議。還得欠人情，說(shuō)好話，流于虛套。

3、尋求SiR官方的技術(shù)支持。考慮SiR為了推廣芯片，會(huì)向用戶提供必要的技術(shù)支持。但是后來(lái)我發(fā)現(xiàn)，SiR根本不關(guān)心我們這樣的小規(guī)模應(yīng)用。它有限的技術(shù)支持還是留給頭部大客戶的。說(shuō)白了，它根本不鳥你。他們推薦了一種可行的方案，即委托開發(fā)。

“你具體要作一個(gè)什么樣的產(chǎn)品？”

“毫米波物位計(jì)。（其實(shí)就是測(cè)距儀）”

“具體指標(biāo)需求？”

“50米測(cè)量范圍，0.01mm的測(cè)量精度。”

“你這個(gè)需求還是比較高的，委托開發(fā)的話，我給你擬一個(gè)報(bào)價(jià)。”

后來(lái)SiR發(fā)來(lái)了委托開發(fā)報(bào)價(jià)，這也不是什么機(jī)密，報(bào)價(jià)單如圖18.40。

圖18.40?毫米波物位計(jì)委托開發(fā)協(xié)議書

委托開發(fā)的價(jià)格已經(jīng)近百萬(wàn)了，這肯定有敲竹杠的意思。下面就是論戰(zhàn)的開始。

“你這價(jià)格也太高了，超出我們的預(yù)算！”

“這個(gè)研發(fā)投入還是很大的，不是那么簡(jiǎn)單的東西！”

“你們作的話，多長(zhǎng)時(shí)間能看到東西？”

SiR的人小聲討論了一下，應(yīng)該是在問(wèn)研發(fā)的負(fù)責(zé)人?！鞍肽?，我們作的話最快也得半年！”

其實(shí)我們已經(jīng)打消了委托開發(fā)的念頭，這個(gè)價(jià)格就算砍掉一半老板也是不可能同意的。而且，說(shuō)實(shí)話，這個(gè)委托開發(fā)可能還是個(gè)坑，如果花了錢最終還沒有作好，或者被他們牽制后期小錢不斷，我們就掉進(jìn)無(wú)底洞了。到時(shí)候，老板可不會(huì)對(duì)你那么客氣。

“別猶豫了，你們自己作不出來(lái)的！你們就沒有作雷達(dá)這塊的人，自己研究的話，沒有意義！”這頗有點(diǎn)蘇聯(lián)專家撤退銷毀原子彈資料的意思。

我還不敢把關(guān)系搞得太僵“這樣，我們先作著看，如果有不能攻克的問(wèn)題，我們?cè)傧蚰袃斦?qǐng)教。”

然后，就沒有然后了。

5.3 自研MMWR（主力硬件研發(fā)工程師親自講述，曾留學(xué)英國(guó)）

后來(lái)，我們對(duì)毫米波物位計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行了內(nèi)部立項(xiàng)，確定走完全自研的路線。我所帶領(lǐng)的硬件團(tuán)隊(duì)也抽調(diào)了近半數(shù)人員參與了這個(gè)項(xiàng)目。包括電路設(shè)計(jì)、天線仿真、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、嵌入式、上位機(jī)開發(fā)以及硬件測(cè)試。甚至把一些其它項(xiàng)目停掉來(lái)為這個(gè)項(xiàng)目讓路。

以下是一些工程技術(shù)干貨，有些是我們具體的一些研發(fā)成果。

5.3.1??SiR毫米波芯片剖析

自研120GHz毫米波射頻前端這個(gè)工作估計(jì)可以培養(yǎng)好幾位博士了，我們顯然沒有這樣的實(shí)力和時(shí)間，經(jīng)過(guò)了前期大量的調(diào)研工作，最后決定直接使用SiR的射頻前端芯片，好處是可以直接跳過(guò)射頻部分，把更多的精力放在應(yīng)用上。

SiR芯片內(nèi)置片上天線，可以自己產(chǎn)生119GHz至125GHz的毫米波信號(hào)，以完成發(fā)射、接收和混頻的功能。此芯片直接輸出中頻信號(hào)，濾波后的中頻信號(hào)的頻率等于發(fā)射以及接收信號(hào)的頻率差。下面我們拆開芯片，看一看它的內(nèi)部究竟有什么樣的結(jié)構(gòu)。

圖18.41 SiR毫米波芯片外觀

我們當(dāng)時(shí)使用的SiR芯片從外部可以直接看到天線，這款芯片的焊接可是難壞了我們的工程師。因?yàn)樘炀€附著的白色基底無(wú)法承受高溫，天線會(huì)直接翹起來(lái)。后來(lái)在損失了幾個(gè)芯片之后才摸索出了快速有效的焊接方法。

圖18.41中的天線一個(gè)用來(lái)發(fā)送毫米波，另一個(gè)用來(lái)接收。后來(lái)SiR又出了一款天線內(nèi)置在硅片上的版本，無(wú)法直接觀察到天線，應(yīng)該會(huì)容易焊接一些。這兩個(gè)芯片的輻射方向圖有一些差異，天線可見的芯片發(fā)射角度要更小一些。

SiR芯片的內(nèi)部主要是壓控振蕩器（VCO: Voltage-Controlled Oscillator），功率放大器（PA: Power Amplifier），混頻器，低噪聲放大器（LNA: Low Noise Amplifier）等。

VCO根據(jù)輸入電壓可以產(chǎn)生兩路成倍數(shù)關(guān)系的振蕩信號(hào)，比如，一路60GHz和一路120GHz。120GHz的信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖器、放大器和天線被發(fā)射到了空間中；反射回來(lái)的信號(hào)則被天線接收，通過(guò)LNA放大之后，與此時(shí)正在發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行混頻；另一路60GHz信號(hào)，經(jīng)過(guò)32分頻后輸出至外部，用于形成頻率控制環(huán)。頻率控制環(huán)需要外部的分頻和鑒頻電路參與，共同形成PLL回路。如圖18.42所示。

圖18.42?SiR毫米波芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SiR毫米波芯片的輸出信號(hào)，則是一對(duì)IQ信號(hào)。距離測(cè)量的場(chǎng)景下，只需要解析其中一路的頻率和相位即可。一般輸出的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)阻抗變換，濾波和放大之后才能被ADC采集。

至此，可以繪制出毫米波物位計(jì)大概的整體結(jié)構(gòu)了。如圖18.43所示。需要說(shuō)明的是我們研發(fā)的毫米波物位計(jì)一般用來(lái)測(cè)量移動(dòng)速度較慢的物體，否則多普勒效應(yīng)就需要增加額外的信號(hào)處理了。

圖18.43?毫米波物位計(jì)總體結(jié)構(gòu)

5.3.2 ?“啁啾”--chirp信號(hào)的產(chǎn)生

射頻信號(hào)的收發(fā)，少不了類似于分頻器、PLL、鑒頻鑒相器等部件對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。一方面要維持頻率的穩(wěn)定性，否則信號(hào)就會(huì)“跑調(diào)”；另外還需要對(duì)載波的頻率或者相位進(jìn)行調(diào)制，這樣才能傳遞信息。

那么PLL是如何實(shí)現(xiàn)頻率的穩(wěn)定呢？請(qǐng)看圖18.44，一個(gè)典型的PLL環(huán)路由VCO，分頻器，鑒頻鑒相器以及參考頻率信號(hào)構(gòu)成。參考頻率信號(hào)一般是穩(wěn)定性較高的固定頻率時(shí)鐘源，比如晶體振蕩器。鑒頻鑒相器類似于一種差分放大器，當(dāng)其輸入的兩個(gè)頻率有差異時(shí)，它會(huì)輸出一個(gè)和差異信號(hào)成比例的電壓。VCO則是執(zhí)行器，負(fù)責(zé)把電壓轉(zhuǎn)換為目標(biāo)頻率。然而有時(shí)目標(biāo)頻率會(huì)非常高，或者不容易找到匹配的晶振作為參考頻率信號(hào)，這時(shí)候就需要分頻器把VCO的輸出進(jìn)行降頻。

這個(gè)環(huán)路可以很好地解決VCO的各種漂移問(wèn)題，并且能使用一個(gè)比較容易實(shí)現(xiàn)的低頻電路，搭配一個(gè)高頻的VCO實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高頻信號(hào)。

那么如何對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制呢？參考頻率信號(hào)肯定是不能動(dòng)的，鑒頻鑒相器的“增益”也不容易隨意改變，那么只能改變分頻器的分頻倍數(shù)，也只有分頻器可以做成純數(shù)字電路。

問(wèn)題就出在分頻器這里。一般分頻就是直接2分頻，4分頻，8分頻等等，分頻系數(shù)為2的指數(shù)倍。如果只產(chǎn)生一個(gè)固定的頻率輸出，可能整數(shù)分頻還好使，但是如果想要產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)調(diào)頻波，難度就會(huì)很大。因?yàn)橐话阏{(diào)制帶寬相對(duì)于載波頻率會(huì)小得多。如果一會(huì)使用2分頻，發(fā)射了2GHz的信號(hào)，一會(huì)又改成了4分頻發(fā)射1GHz的信號(hào)，那豈不是浪費(fèi)了大量帶寬？

圖18.44?一個(gè)典型的PLL環(huán)路

那么如何產(chǎn)生2GHz和2.1GHz呢？

相信很多人應(yīng)該聽說(shuō)過(guò)微積分，也一定聽老師說(shuō)過(guò)數(shù)學(xué)不僅僅是如何計(jì)算而是學(xué)會(huì)數(shù)學(xué)的思想。使用數(shù)學(xué)的思想去解決問(wèn)題。那么分頻器里面也是利用了微積分的思想。

分頻器內(nèi)部有一個(gè)控制器，會(huì)以參考頻率信號(hào)作為工作時(shí)鐘，根據(jù)用戶對(duì)寄存器的設(shè)置，控制整數(shù)分頻的分頻數(shù)，比如可以控制第一秒進(jìn)行N分頻，第二秒進(jìn)行N+1分頻。靈活控制兩個(gè)不同分頻數(shù)的占比，可以在使鑒頻鑒相器輸出類似于PWM波的信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波器處理形成電壓信號(hào)，最終控制VCO。

有些鎖相環(huán)芯片具有內(nèi)部控制器，可以根據(jù)用戶的設(shè)置自動(dòng)控制分頻器的分頻比，實(shí)現(xiàn)控制VCO輸出調(diào)制信號(hào)的目的。小數(shù)N分頻里的控制器是核心部件之一，直接關(guān)系到VCO輸出頻率的穩(wěn)定性和噪聲水平。

我們團(tuán)隊(duì)使用了ADF4159構(gòu)成鎖相環(huán)。該芯片內(nèi)部集成了斜坡發(fā)生器，可以控制VCO產(chǎn)生連續(xù)調(diào)頻波，連續(xù)調(diào)頻波的頻域圖形就是鋸齒形，或者三角波。ADF4159還附帶有一系列的控制信號(hào)，來(lái)觸發(fā)chirp信號(hào)和指示信號(hào)的結(jié)束。利用這些控制信號(hào)，可以和ADC聯(lián)動(dòng)進(jìn)行采樣等操作。關(guān)于這個(gè)芯片的具體信息，可以去參考芯片的手冊(cè)，有時(shí)候仔細(xì)研究手冊(cè)也可以學(xué)到很多的知識(shí)。

圖18.45?一個(gè)典型的鋸齒斜坡

圖18.45為ADF4159手冊(cè)里的一個(gè)典型鋸齒斜坡，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)為頻率。鋸齒斜坡代表一個(gè)個(gè)持續(xù)時(shí)間為50us的連續(xù)調(diào)頻波，調(diào)頻波的頻率從12GHz至12.05GHz。這個(gè)鋸齒斜坡可以由ADF4159自動(dòng)循環(huán)產(chǎn)生。通過(guò)設(shè)置每一個(gè)循環(huán)的步長(zhǎng)以及每一步之間的時(shí)間間隔，可以實(shí)現(xiàn)改變斜坡的時(shí)長(zhǎng)（即斜率）。

學(xué)習(xí)了ADF4159之后，便可以靈活地控制chirp信號(hào)的帶寬和長(zhǎng)度了。那么到底該多長(zhǎng)呢？我們?cè)谧鲈O(shè)計(jì)的時(shí)候使用了SiR芯片的全部帶寬，以獲取足夠多的采樣點(diǎn)數(shù)。但是斜坡的斜率到底應(yīng)該是多少呢？

通過(guò)前面的章節(jié)可以知道，如果目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，回波和發(fā)射波之間的頻率差就越大，那么如果ADC的采樣頻率有限，就無(wú)法正常測(cè)量遠(yuǎn)距離的物體。這個(gè)時(shí)候就需要改變斜坡的斜率，控制發(fā)射波的頻率增速。反之，如果目標(biāo)距離太近，頻率差太小的時(shí)候可能信噪比會(huì)不夠理想，無(wú)法正常解析有用信號(hào)。

5.3.3 ?從中頻獲取距離

SiR芯片輸出的中頻信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)阻抗變換、濾波和放大才能被ADC采集。也可以把阻抗變換和低通濾波器集成在一起。

中頻信號(hào)的帶寬可以達(dá)到幾百兆赫茲，而對(duì)于我們當(dāng)時(shí)的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)實(shí)際可以使用的只有前面的幾兆赫茲，這時(shí)候就需要低通濾波器把高頻信號(hào)濾掉。同時(shí)，低通濾波器的截止頻率還應(yīng)該兼顧ADC的采樣頻率或者ADC的架構(gòu)。Σ-△架構(gòu)的ADC自帶過(guò)采樣屬性，有一定的抗混疊能力。不過(guò)還是建議把濾波器截止頻率設(shè)計(jì)為符合奈奎斯特采樣定理。工程上，采樣頻率一般為截止頻率的3至4倍。

一般低通濾波器設(shè)計(jì)為單位增益，不過(guò)為了提高集成度減輕后級(jí)放大壓力，也可以根據(jù)選用的運(yùn)放適當(dāng)設(shè)計(jì)幾倍的增益。關(guān)于先放大還是先濾波，會(huì)有一些爭(zhēng)議，在本項(xiàng)目的應(yīng)用中，中頻信號(hào)并不是一個(gè)非常小的信號(hào)，另外中頻信號(hào)中可用的頻帶確實(shí)比較窄，所以最后選擇了使用兩倍增益的低通濾波器。

低通濾波器有很多種可以選擇，但是需要知道中頻信號(hào)的哪個(gè)參數(shù)對(duì)我們是最重要的。幅值信號(hào)只需要在ADC的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)即可。最終的還是頻率和相位信號(hào)。濾波器對(duì)不同頻率的信號(hào)具有不同的移相特性，需要明確所設(shè)計(jì)濾波器的相移特性或者直接設(shè)計(jì)在通帶內(nèi)相移特性平坦的濾波器。

圖18.46?一個(gè)典型的信號(hào)調(diào)理電路

選擇ADC的時(shí)候需要綜合考慮很多因素。首先是具體的研發(fā)指標(biāo)，相同的信號(hào)，采樣頻率越高，在做FFT時(shí)頻率分辨率就越高，同時(shí)造價(jià)也就越貴。高速率的采樣不僅會(huì)導(dǎo)致ADC價(jià)格增高，數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膹?fù)雜度都會(huì)增高。

圖18.47?處理器內(nèi)部各模塊結(jié)構(gòu)

我們團(tuán)隊(duì)選用FFT作為核心算法，來(lái)獲得中頻信號(hào)的頻率和相位信息。ARM官方有FFT庫(kù)可以直接調(diào)用，如果選用的處理器帶有浮點(diǎn)乘法加速器（FPU），可以很快速地完成FFT的計(jì)算。我們當(dāng)時(shí)使用的庫(kù)最多只支持到4096點(diǎn)，后期做算法需要插值運(yùn)算，最多要處理8192點(diǎn)，后來(lái)又基于原庫(kù)的算法，進(jìn)行了升級(jí)。有些處理器帶有cache和SRAM組成的多級(jí)緩存，F(xiàn)FT的數(shù)據(jù)可以分級(jí)存放，把需要頻繁存取的數(shù)據(jù)放入cache中。而有些處理器cache比較少，需要一定的策略去完成數(shù)據(jù)的調(diào)用。

我們當(dāng)時(shí)充分使用了DMA控制器實(shí)現(xiàn)并行處理。首先使用DMA將ADC的原始數(shù)據(jù)搬入SRAM，同時(shí)內(nèi)核在進(jìn)行FFT運(yùn)算。一次采樣結(jié)束之后，F(xiàn)FT也基本上已經(jīng)完成了處理，然后對(duì)ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換防止做FFT時(shí)溢出，轉(zhuǎn)換的結(jié)果直接存入cache，然后開始后續(xù)的FFT運(yùn)算，同時(shí)開始采樣。

整個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的部分沒有使用操作系統(tǒng)，而是充分發(fā)揮處理器的DMA和硬件總線的性能。另外硬件上還設(shè)計(jì)了一個(gè)處理器專門用于處理數(shù)據(jù)發(fā)送，云端指令等業(yè)務(wù)邏輯。它們之間通過(guò)共享RAM的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令交互。

5.3.4?巧妙的機(jī)動(dòng)雷達(dá)測(cè)距

上文中提到使用FFT對(duì)中頻信號(hào)的頻率和相位進(jìn)行解算，獲得中頻信號(hào)的頻率之后就可以知道頻率差，以此推算時(shí)間差，獲得飛行時(shí)間之后就可以知道距離。

但是FFT，或者說(shuō)我們的這套處理系統(tǒng)有一個(gè)致命缺陷。FFT是離散傅里葉變換，但是我們的宏觀世界，距離變化是連續(xù)的。所以這一套系統(tǒng)必然會(huì)因?yàn)镕FT的頻率分辨率而存在一個(gè)距離分辨率。

同時(shí)，如果距離變化在一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)，中頻信號(hào)只會(huì)表現(xiàn)為相位的變化。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，有很多思路。我們當(dāng)時(shí)提出了一個(gè)非常大膽而又有效的思路，使用內(nèi)置機(jī)械結(jié)構(gòu)（電機(jī)）在一個(gè)確定范圍內(nèi)移動(dòng)測(cè)距儀，使FFT的頻點(diǎn)跳動(dòng)一格，同時(shí)解算和記錄相位。當(dāng)頻點(diǎn)發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，意味著我們跨越了一格；只需要記錄起始的機(jī)械位移就可以把頻點(diǎn)及相位與真實(shí)的距離對(duì)應(yīng)上。類似于進(jìn)行一次對(duì)焦，焦點(diǎn)處的圖像最清晰，而且可以根據(jù)鏡頭的參數(shù)獲得焦點(diǎn)的準(zhǔn)確距離，之后可以推算出被測(cè)物理距離焦點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。

圖18.48?使用機(jī)械“對(duì)焦”的毫米波雷達(dá)

如圖18.48，雷達(dá)在導(dǎo)軌的初始位置，只能“看到”一個(gè)模糊的粗影。這時(shí)這個(gè)粗影可能在FFT刻度的左邊，也可能在右邊（未聚焦）。這時(shí)候雷達(dá)在電動(dòng)的作用下往右側(cè)開始移動(dòng)，假設(shè)移動(dòng)了15mm，粗影突然在FFT的某一個(gè)刻度上出現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候我們終于看清楚了，模糊的粗影變成了一個(gè)清晰的人影。因?yàn)槔走_(dá)對(duì)于外殼測(cè)距基準(zhǔn)點(diǎn)的位置是已知的，這時(shí)候人影的位置也可以直接計(jì)算出來(lái)。值得一提的是，傳統(tǒng)透鏡的焦點(diǎn)也許只有一個(gè)，而毫米波雷達(dá)“焦點(diǎn)”實(shí)際上是FFT頻譜上的每一個(gè)刻度。所以，雷達(dá)只需要向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)即可。（這種方法，我們稱之為機(jī)動(dòng)毫米波雷達(dá)）

另外還有一些人在研究FFT的頻率估計(jì)算法，以求獲得高于FFT頻率分辨率的測(cè)量精度。但是這些算法大部分計(jì)算比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算。另外受制于項(xiàng)目周期，還有一些優(yōu)秀的算法我們沒有來(lái)得及進(jìn)行測(cè)試。

另外通過(guò)完整利用IQ信號(hào)是否可以獲得更多的信息，我們也沒有再去深入研究。

5.3.5?那些“天坑”

搞射頻離不開天線。官方給的DEMO使用了一個(gè)透鏡天線。我們后來(lái)為了設(shè)計(jì)輻射窗口，分別測(cè)試了高密度聚乙烯（HDPE）、聚四氟乙烯（PTFE）、尼龍、聚醚醚酮和玻璃纖維等很多材料的透射率。這些材料的可見光透射率比較低，但是對(duì)于120GHz的毫米波來(lái)說(shuō)，有些材料透射率非常高，比如聚四氟乙烯板基本上不會(huì)產(chǎn)生明顯損耗，而且它的密封性能和加工性能都很優(yōu)秀。

透鏡天線則是一種類似于凸透鏡的天線，毫米波在材料中會(huì)發(fā)生折射，根據(jù)折射率不同可以制成不同的透鏡天線。透鏡天線具有很好的方向性，對(duì)于其它方向入射的雜波也具有很好的抑制作用，而且制造精度要求不高，易于批量。

但是我們當(dāng)時(shí)苦于沒有找到很好的透鏡天線設(shè)計(jì)人員，轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)了拋物面天線（如卡薩格倫天線，如圖18.49所示）。后來(lái)為了提高電路的集成度，改成了偏心拋物面天線，如圖18.30。整體使用鋁合金制作，反射面上打磨光滑，電路板安裝在偏心位置。調(diào)試的時(shí)候在目標(biāo)位置放一個(gè)明亮的光源，可以很明顯地看到光線經(jīng)過(guò)反射之后匯聚到了毫米波芯片的內(nèi)置天線位置上。

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圖18.48?毫米波雷達(dá)拋物面+雙曲面天線（卡薩格倫天線）與原理

中頻信號(hào)處理也是一個(gè)大坑。尤其對(duì)于這個(gè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，中頻信號(hào)并不是連續(xù)的，而且還會(huì)受到各種環(huán)境干擾。搞毫米波一定要在專業(yè)的環(huán)境中，否則各種空間噪聲還有看不見的電磁波會(huì)讓人覺得在一個(gè)充滿量子幽靈的玄學(xué)世界。另外，調(diào)模電一定要有專業(yè)的儀器和專業(yè)的模擬電路工程師，如果連運(yùn)放最基本的參數(shù)都看不懂，那還是先把基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)好吧。否則，肯定會(huì)覺得這個(gè)世界上沒有幾家靠譜的芯片公司，會(huì)覺得ADI的芯片都有問(wèn)題。此時(shí)ADI的FAE肯定想說(shuō)：“是你的腦子有問(wèn)題?！?/p>

總而言之，可以很大膽地去規(guī)劃一個(gè)產(chǎn)品，但是在研發(fā)過(guò)程中一定要對(duì)技術(shù)保持敬畏。

謝謝我的海歸寶貝工程師（馬崇琦）的親自講解?？赡苡行﹥?nèi)容說(shuō)得有點(diǎn)專業(yè)。正所謂高處不勝寒，水平越高，說(shuō)話越接近天書。

“馬工，介紹給你一個(gè)電影《天書奇譚》，看一下！”

“南哥，別開玩笑了。這個(gè)講通俗不容易的。”

說(shuō)了這么多，來(lái)看看我們最終的產(chǎn)品吧，如圖18.49-50所示。

通過(guò)本文的描寫，毫米波雷達(dá)是否刷新了你的認(rèn)知？希望您能有所收獲。OK，這一章就寫到這里。

編輯：黃飛

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