摘? 要： 介紹了多普勒雷達測速原理和用DSP芯片TMS320VC5402的匯編程序實現FFT算法方案，在DSP芯片中對被檢測車輛運動產生的多普勒頻率進行頻譜分析。針對交通雷達測速系統的原理及測試方法進行了深入分析，并提出了有效改善其性能的方法。對提高國產交通雷達測速系統的精度與可靠性并使其向多功能測試系統發展具有重要的現實意義。
關鍵詞： 數字信號處理器； 雷達測速； 頻譜分析；多普勒效應
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超速行駛是我國道路交通事故的主要原因之一。雷達測速是檢測車輛超速行駛的有效方法之一，但目前大多數雷達測速儀采用的計數鑒頻方法，其測試精度不高、電路復雜、測量功能單一等，限制了其進一步推廣應用。而現在應用的基于數字信號處理器的雷達測速儀幾乎都是進口的，價格十分昂貴。本文所設計的基于DSP的雷達測速儀不僅提高了測試精度、增加了測量功能，而且大大降低了成本，具有很高的推廣價值。
1 雷達測速原理
雷達測速主要利用了雷達的多普勒效應。多普勒效應是指當發射源和接收者之間有相對徑向運動時，接收到的信號頻率將發生變化。
如圖1所示，雷達發出無線電波，無線電波以光速傳播，如果無線電波遇到前方物體，則會被反彈回來。當前方物體相對發射源靜止時，反彈回來的無線電波的頻率不會改變。若物體是朝著天線電波發射的方向前進，所反彈回來的無線電波會被壓縮，電波頻率增加；反之，若前方物體遠離波源運動時，反彈回來的電波頻率降低。雷達接收頻率與發射頻率之間的差稱為多普勒頻率。增加或降低所產生的頻率差為：
式中, fd為多普勒頻率，vr為運動目標的速度，C為光速，f0為發射波頻率。
由式(1)可以得到被測物體的速度為：
因此，只要測出fd，就可以計算出被測車輛的速度[1-2]。
測量fd的方法有時域法和頻域法兩種。由于雷達工作環境會使收到的信號的背景比較復雜，信噪比大大降低，傳統的時域方法對檢測或識別干擾和噪聲中的多普勒信號都比較困難,而且會使測頻精度明顯下降。而采用頻域法，選擇合適的采樣頻率及適當的采樣窗口可以大大提高測頻精度和可靠性。本設計即采用頻域法。
2 系統硬件設計
本系統采用TI公司的定點DSP芯片TMS320VC5402來完成信號處理工作，以滿足系統對精度和速度的要求。TMS320VC5402是TI公司為實現低功耗、高速實時信號處理而專門設計的位定點數字信號處理器，采用改進的哈佛結構,具有高度的操作靈活性和運行速度，可滿足實時嵌入式應用的需要。C54X系列DSP芯片種類很多，但結構基本相同，主要由中央處理器CPU、內部總線控制、特殊功能寄存器、數據存儲器RAM、程序存儲器ROM、I/O接口擴展功能、串行口、主機通信接口HPI、定時器、中斷系統等10個部分組成。TMS320VC54x的結構是以8組16位總線為核心，形成了支持高速指令執行的硬件基礎。8組總線分為1組程序總線、3組數據總線和4組地址總線。系統原理框圖[3-4]如圖2所示。
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本設計要求對雷達接收信號作實時處理，TMS320VC5402的時鐘為100? MHz，可在10? ns內完成一些乘法指令。為提高程序運行速度，不宜用片外存儲器作為程序存儲器，因為相對于DSP的內部處理速度來說，片外存儲器的存取速度都顯得太慢，因此只能利用芯片的上電加載功能,使程序運行時指令全都從DSP內部RAM取出，這樣速度就很快，充分發揮了DSP的高速優勢。而DSP的內部RAM一方面要用作程序空間，另一方面還要用作數據空間，因此必須考慮好芯片的內部RAM容量，而TMS320VC5402中有32 KB的RAM，完全可滿足需要，不需要再用外部存儲器了[5]。
3 系統軟件設計
DSP軟件系統流程圖如圖3所示。系統軟件設計主要包括3個部分：數據采集、處理和傳輸。數據采集是通過DSP的中斷INT0實現。為了便于FFT變換，數據采集個數為2N(N為正整數)，所采集數據滿足要求的個數后，進行數據處理。數據處理主要包括加窗、FFT、動門限信號檢測處理。通過加窗的方法可以對由于截斷效應帶來的頻譜泄露的現象予以限制；而頻譜分辨率可以通過適當增加FFT運算數據點數來加以提高，通過FFT處理可以得到信號頻譜信息；動門限信號檢測是通過檢測信號幅度判斷有用信號與噪聲。最后傳輸數據，主機從DSP中讀取結果，并控制顯示。主機與DSP之間的通信采用的是查詢方式，在DSP的RAM區定一個存儲空間，當DSP得出結果時,DSP向這個地址寫標志并停止運行下一條程序，一旦主機查到標志，即從DSP中讀出結果，并把標志清零，DSP查到零后程序繼續往下運行[6]。
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用TMS320VC5402的匯編程序實現FFT算法主要步驟如下：
(1) 實現輸入數據的比特反轉。輸入數據的比特反轉實際上就是將輸入數據進行位碼倒置，以便在整個運算后的輸出序列是一個自然序列。在用匯編指令進行位碼倒置時，使用位碼倒置尋址可以大大提高程序執行速度和使用存儲器的效率。
(2)實現N點復數FFT。在進行FFT運算時，由于TMS320VC5402是一個定點DSP，因此要考慮溢出和定標問題。
(3) 功率譜的計算。由于本系統主要是對信號鑒頻，不要求信號具體的功率，只需求FFT變換后數據的最大值，不需要平方和開平方，對功率譜的結果沒有影響，所以在實際的DSP編程中省去了開方運算。
(4) 輸出FFT結果。
本文利用TMS320VC5402 DSP實現了交通中對車輛速度的測量，并能穩定、可靠快捷地計算出速度。由于應用了DSP分析多普勒頻譜，頻率估計更加準確可靠，測速誤差在1 %之內。該系統體積小、操作方便，能夠滿足目前國內對交通中車輛速度檢測系統的要求。
參考文獻
[1] ?丁鷺飛，耿富錄.雷達原理.西安：西安電子科技大學出版社，2006.
[2] 張家寧, 張克龍.多普勒效應運用于車輛測速的物理基礎及設計原理[J].專用汽車，1991(3)：31-33.
[3] ?李富偉，翟守忠，胡鳳忠.基于DSP的雷達測速數據處理與通信系統[J].機電與自動控制，2007，28(11)：29-33.
[4] ?張旭峰，賀治華，楊德貴,等.基于并行DSP的雷達測量信號處理系統設計[J].現代雷達，2006，28(9)：45-47.
[5] ?Texas Instruments. TMS320VC5402 datasheet, 2000.
[6] ?周晶晶.雷達測速儀數字信號處理系統的設計. 西北工業大學碩士論文，2006.