一种毫米波雷达信号频率测量设备及方法与流程

1.本发明涉及毫米波雷达测试技术，具体涉及一种毫米波雷达信号频率测量设备及方法。


背景技术：

2.调频连续波(fmcw)雷达的原型验证和测试面临着许多挑战，在开发阶段，需要通过一些验证和确认测试，来确保fmcw雷达能够提供预期的功能。其中掌握其发射频率核心测试方法对于开发出性能优异、质量可靠的产品具有重要价值。
3.目前，毫米波雷达的频率测试设备主要是国外供应商，国外供应商的测试设备大多可以对毫米波雷达的发射机、接收机进行全方面的性能评估，能够对多目标进行距离、速度、角度等方面的测试，而大量的国内企业有时候只需要测试毫米波雷达的发射频率，并不需要对其发射机、接收机等进行全面的测试，目前缺乏相应的测试设备及方法。
4.另外，目前车载毫米波雷达应用主要集中在24ghz及77ghz，一般的国产的频率计测量范围可达到24g，但能测量24ghz以上频率的设备需要借助于高端的频谱分析仪进行测量。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中存在的问题，本技术提供一种毫米波雷达信号频率测量设备和测量方法，不仅可以降低成本，还可以填补高频测试仪器的空缺，为中小微企业研发毫米波雷达提供测试技术设备支持。
6.本发明采取的技术方案如下：
7.一种毫米波雷达信号频率测量设备，包括前端处理装置、后端处理装置；
8.所述前端处理装置包括混频器、ad采样单元、存储器、中央处理器，
9.所述混频器接收被测毫米波雷达的发射信号，将该发射信号与其自身的混频信号，经混频处理成中频信号后发送给所述ad采样单元；
10.所述ad采样单元将上述中频信号送入所述存储器，同时发送给所述中央处理器；
11.所述中央处理器用于设定混频器的混频信号的工作频率，同时通过通讯接口将上述中频信号发送给所述后端处理装置；
12.所述混频器、ad采样单元、存储器、中央处理器四个设备之间通过有线或无线连接，并通过网络协议进行通讯；
13.所述后端处理装置包括绘图单元、显示单元、第一计算单元、第二计算单元、频率确定单元，
14.所述绘图单元接收中央处理器发送来的中频信号，按顺序依次以图形的方式表示出来，横轴为采样时间，纵轴为ad采样单元对中频信号采样获得的采样电压值；
15.所述显示单元用于将绘图单元绘制的图形进行显示(显示单元在中频信号的频率处于采样带宽范围10mhz内时才显示图形)；
16.所述第一计算单元，用于当所述混频信号以设定步长从起始工作频率逐渐增大至第一混频信号工作频率扫描时，显示单元开始显示时域的正弦波信号，计算此时的中频信号的频率，获得被测毫米波雷达发射信号的第一组可能发射频率；
17.所述第二计算单元，用于所述混频信号在第一混频信号工作频率上增大一个偏差频率并再次扫描时，再计算此时的中频信号的频率，获得被测毫米波雷达的发射信号的第二组可能发射频率；
18.所述频率确定单元，用于比较第一组可能发射频率和第二组可能发射频率，选出两组可能发射频率相同的数值，则该相同的数值即为被测毫米波雷达的实际发射频率；
19.所述绘图单元、显示单元、第一计算单元、第二计算单元、频率确定单元之间通过有线或无线连接，并通过网络协议进行通讯。
20.一种毫米波雷达信号频率测量方法，包括以下步骤：
21.a、中央处理器设定好混频器的混频信号s2的起始工作频率f0，以及工作频率发生变化的步长
△
f；中央处理器通过依次增加混频信号s2的频率变化步长来调整混频器的混频信号的工作频率；
22.b、被测毫米波雷达工作于连续波发射模式，以一固定频率f
x
发射毫米波信号s1(该信号s1频率f
x
未知，正是需要测试计算出的数值)，该信号s1与混频器的混频信号s2，经混频处理成中频信号s后，发送给ad采样单元，其中，s的频率记为f
s
，f
s
＝f
x
‑
(f0 n
△
f)，n表示步长的个数；
23.c、ad采样单元对当前的中频信号s进行采样，并将采样后的中频信号送入绘图单元，绘图单元将接收到的中频信号按顺序依次以图形的方式表示出来，横轴为采样时间，纵轴为ad采样单元对中频信号采样获得的采样电压值；
24.当中频信号的频率不在采样带宽范围10mhz内时，显示单元不显示图形(通过显示单元观察绘图单元的绘图结果，若无法观测到采样的时域的正弦波信号，说明中频信号的频率不在采样带宽范围内)；
25.当显示单元上能观测到时域的正弦波信号，此时混频信号s2的工作频率为第一混频信号工作频率f
s2
；(f
s2
表示在起始工作频率f0的基础上，改变了若干个步长
△
f后的频率，即f
s2
＝f0 n
△
f)
26.d、第一计算单元对步骤c中的中频信号s(能观测到时域的正弦波时)进行fft(快速傅里叶变换)运算，获得此刻中频信号s的频域信号x
(s)
，计算方法如下：
27.其中
28.其中，x
(s)
是指中频信号s的离散傅里叶变换后的频谱，n表示傅里叶变换的点数，j是指虚数单位，k表示傅里叶变换的第k个频谱；
29.提取频域信号x
(s)
的峰值点位置，即是中频信号s的频率f
s
；
30.由于此时混频信号的工作频率f
s2
已知，可推导出被测毫米波雷达的第一组可能发射频率：f
s2
f
s
，f
s2
‑
f
s
，即被测毫米波雷达的发射频率要么为f
s2
f
s
，或者为f
s2
‑
f
s
；
31.e、中央处理器再次调整混频器的混频信号的工作频率为f
s2
＇，其中，f
s2
＇＝第一混频信号工作频率f
s2
偏差频率δf
s2
(即上文所述的增大一个偏差频率)，再次按照步骤c的方式混频处理、采样；
32.f、第二计算单元对步骤e中的中频信号s(能观测到时域的正弦波时)进行fft运算，可同理得出被测毫米波雷达的第二组可能发射频率：(f
s2
δf
s2
) f
s
＇，(f
s2
δf
s2
)
‑
f
s
＇，即被测毫米波雷达的发射频率要么为(f
s2
δf
s2
) f
s
＇，或者为(f
s2
δf
s2
)
‑
f
s
＇；其中，f
s
＇为步骤e中此刻的中频信号s的频率，其计算方法与步骤d相同；
33.g、由于被测毫米波雷达的发射频率未变，因此第一组可能发射频率中的一数据和第二组可能发射频率中的一数据必然相同；
34.若f
s2
f
s
＝(f
s2
δf
s2
) f
s
＇，则被测毫米波雷达的发射频率f
s1
＝f
s2
f
s
＝(f
s2
δf
s2
) f
s
＇；
35.若f
s2
‑
f
s
＝(f
s2
δf
s2
)
‑
f
s
＇，则被测毫米波雷达的发射频率f
s1
＝f
s2
‑
f
s
＝(f
s2
δf
s2
)
‑
f
s
＇。
36.进一步的，所述步长
△
f＝0.1ghz。
37.进一步的，所述偏差频率δf
s2
取值0.01ghz。
38.本发明的有益效果：
39.本发明通过设置混频器、中央处理器、第一计算单元、第二计算单元等，通过网线使其与被测毫米波雷达连接在同一个局域网内，各设备之间通过网络协议进行通讯，使得被测毫米波雷达的频率测试更加的方便，成本也大大降低。另外，依靠第一计算单元、第二计算单元等，根据连续两次的频谱分析计算得出被测毫米波雷达的实际发射频率，方法快速、准确。
40.本发明首先通过频率的扫描找出发射频率的大致工作频率范围，然后通过1次的变频操作即可准确的测量出被测信号的发射频率。
41.本发明具有的优点是：所述的测频方法是将空域的77ghz毫米波通过接收机下变频为10mhz范围内的采样信号，通过cpu对10mhz的频率信号进行采样，低频信号的采样对cpu的运算速度等硬件要求不高，这样就可以以低成本的处理器进行信号采样处理。大大降低中小企业对频率测试的资金压力。
42.采用的是2048点的采样，采样频率是20mhz，所以能够分辨的频率分辨率为20m/2048≈10khz，相对于g赫兹的工作频率，误差为10
‑
6～10
‑
7，测量精度可满足雷达性能测试测量的需求。
附图说明
43.图1为本发明中的毫米波雷达信号频率测量设备框架示意图；
44.图2为本发明中的混频器工作示意图；
45.图3为本发明中的毫米波雷达信号频率测量方法流程图；
具体实施方式
46.为使本实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实施方式中的附图，对本实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。
47.参考图1和图2，一种毫米波雷达信号频率测量设备，包括前端处理装置、后端处理
装置；
48.所述前端处理装置包括混频器、ad采样单元、存储器、中央处理器，
49.所述混频器接收被测毫米波雷达的发射信号，将该发射信号与其自身的混频信号，经混频处理成中频信号后发送给所述ad采样单元；
50.所述ad采样单元将上述中频信号送入所述存储器，同时发送给所述中央处理器；
51.所述中央处理器用于设定混频器的混频信号的工作频率，同时通过通讯接口将上述中频信号发送给所述后端处理装置；
52.所述混频器、ad采样单元、存储器、中央处理器四个设备之间通过有线或无线连接，并通过网络协议进行通讯；
53.所述后端处理装置包括绘图单元、显示单元、第一计算单元、第二计算单元、频率确定单元，
54.所述绘图单元接收中央处理器发送来的中频信号，按顺序依次以图形的方式表示出来，横轴为采样时间，纵轴为ad采样单元对中频信号采样获得的采样电压值；
55.所述显示单元用于将绘图单元绘制的图形进行显示(显示单元在中频信号的频率处于采样带宽范围10mhz内时才显示图形)；
56.所述第一计算单元，用于当所述混频信号以0.1ghz的步长从起始工作频率逐渐增大至第一混频信号工作频率扫描时，显示单元开始显示时域的正弦波信号，计算此时的中频信号的频率，获得被测毫米波雷达发射信号的第一组可能发射频率；
57.所述第二计算单元，用于所述混频信号在第一混频信号工作频率上增大一个偏差频率再次扫描时，再计算此时的中频信号的频率，获得被测毫米波雷达的发射信号的第二组可能发射频率；
58.所述频率确定单元，用于比较第一组可能发射频率和第二组可能发射频率，选出两组可能发射频率相同的数值，则该相同的数值即为被测毫米波雷达的实际发射频率；
59.所述绘图单元、显示单元、第一计算单元、第二计算单元、频率确定单元之间通过有线或无线连接，并通过网络协议进行通讯。
60.如图3所示，一种毫米波雷达信号频率测量方法，包括以下步骤：
61.a、中央处理器设定好混频器的混频信号s2的起始工作频率f0，以及工作频率发生变化的步长
△
f；中央处理器通过依次增加混频信号s2的频率变化步长来调整混频器的混频信号的工作频率；
62.b、被测毫米波雷达工作于连续波发射模式，以一固定频率f
x
发射毫米波信号s1(该信号s1频率f
x
未知，正是我们需要测试计算出的数值)，该信号s1与混频器的混频信号s2，经混频处理成中频信号s后，发送给ad采样单元，其中，s的频率记为f
s
，f
s
＝f
x
‑
(f0 n
△
f)，n表示步长的个数；
63.c、ad采样单元对当前的中频信号s进行采样，并将采样后的中频信号送入绘图单元，绘图单元将接收到的中频信号按顺序依次以图形的方式表示出来，横轴为采样时间，纵轴为ad采样单元对中频信号采样获得的采样电压值；
64.当中频信号的频率不在采样带宽范围10m内时，显示单元不显示图形(通过显示单元观察绘图单元的绘图结果，若无法观测到采样的时域的正弦波信号，说明中频信号的频率不在采样带宽范围内)；
65.当显示单元上能观测到时域的正弦波信号，此时混频信号s2的工作频率为第一混频信号工作频率f
s2
；(f
s2
表示在起始工作频率f0的基础上，改变了若干个步长
△
f后的频率，即f
s2
＝f0 n
△
f)
66.d、第一计算单元对步骤c中的中频信号s(能观测到时域的正弦波时)进行fft(快速傅里叶变换)运算，获得此刻中频信号s的频域信号x
(s)
，计算方法如下：
67.其中
68.其中，x
(s)
是指中频信号s的离散傅里叶变换后的频谱，n表示傅里叶变换的点数，j是指虚数单位，k表示傅里叶变换的第k个频谱；
69.提取频域信号x
(s)
的峰值点位置，即是中频信号s的频率f
s
；
70.由于此时混频信号的工作频率f
s2
已知，可推导出被测毫米波雷达的第一组可能发射频率：f
s2
f
s
，f
s2
‑
f
s
，即被测毫米波雷达的发射频率要么为f
s2
f
s
，或者为f
s2
‑
f
s
；
71.e、中央处理器再次调整混频器的混频信号的工作频率为f
s2
＇，其中，f
s2
＇＝第一混频信号工作频率f
s2
偏差频率δf
s2
(即上文所述的增大一个偏差频率)，再次按照步骤c的方式混频处理、采样；
72.f、第二计算单元对步骤e中的中频信号s(能观测到时域的正弦波时)进行fft运算，可同理得出被测毫米波雷达的第二组可能发射频率：(f
s2
δf
s2
) f
s
＇，(f
s2
δf
s2
)
‑
f
s
＇，即被测毫米波雷达的发射频率要么为(f
s2
δf
s2
) f
s
＇，或者为(f
s2
δf
s2
)
‑
f
s
＇；其中，f
s
＇为步骤e中此刻的中频信号s的频率，其计算方法与步骤d相同；
73.g、由于被测毫米波雷达的发射频率未变，因此第一组可能发射频率中的一数据和第二组可能发射频率中的一数据必然相同；
74.若f
s2
f
s＝
(f
s2
δf
s2
) f
s
＇，则被测毫米波雷达的发射频率f
s1
＝f
s2
f
s＝
(f
s2
δf
s2
) f
s
＇；
75.若f
s2
‑
f
s＝
(f
s2
δf
s2
)
‑
f
s
＇，则被测毫米波雷达的发射频率f
s1
＝f
s2
‑
f
s＝
(f
s2
δf
s2
)
‑
f
s
＇。
76.举例说明，设定步长
△
f＝0.1ghz，偏差频率δf
s2
取值0.01ghz。
77.中央处理器设定混频器的混频信号s2的起始工作频率为76ghz；第一次测试时设f
s2
＝77.01ghz，中频信号的频率f
s
＝0.01ghz，推导被测毫米波雷达的发射频率为77ghz或77.02ghz；
78.第二次测试时设f
s2
＇＝77.01ghz 0.01ghz，中频信号的频率f
s
＇＝0.02ghz，推导被测毫米波雷达的发射频率为77ghz或77.04ghz；
79.根据被测毫米波雷达的发射频率不变，两次测试结果应相等，故确定被测毫米波雷达的实际发射频率为77ghz。