如何测量FMCW扫频的时间

目录

• FMCW信号形式与雷达结构
• 用测距的方式测量$T_{Chirp}$TChirp​

FMCW雷达的信号频率随时间线性变化，扫频的周期$T_{Chirp}$TChirp​和频率的带宽BW决定了雷达的中频频率的范围，在制作FMCW信号源的时候，需要做的就是确定扫频的时间$T_{Chirp}$TChirp​和带宽BW，笔者接了几个小项目，很多客户都希望能够展示扫频时间是否按照规定完成了，本文就探讨下如何测量扫频周期$T_{Chirp}$TChirp​。

FMCW信号形式与雷达结构

图1，图2分别展示了FMCW信号形式和雷达结构。

图1: FMCW 锯齿扫频 [1]

图2: FMCW雷达收发机结构[1]

基本原理和频谱分析参见博文《FMCW频谱》https://blog.csdn.net/mzldxf/article/details/100938254。

从图1可以看出，周期$T_{Chirp}$TChirp​和带宽BW决定了波形的斜率，$T_{Chirp}$TChirp​越小，斜率越大，同样的距离回来的的中频频率也越高。FMCW的时域信号很像FM信号，如图3所示，所以最简单的想法就是使用示波器观察，由于现代雷达的工作频率越来越高，这样做需要很高频率的示波器，根据奈奎斯特定理，采样率至少两倍以上，而实际中需要示波器具备被测最高频的5倍左右的采样率。

图3：FM信号示意图[2]

因此，如果想测量最高频率1GHz的信号，需要采样率5GHz的示波器，很多实验室没有这么高的频率的示波器，也就很难观测FMCW的时域波形。那么如何测量$T_{Chirp}$TChirp​呢？

用测距的方式测量$T_{Chirp}$TChirp​

找一根已知其参数的高频同轴电缆，然后我们用卷尺测量出电缆的长度$L$L，根据其参数算出电磁波在电缆中的传输速度，按照图4搭建一个测试平台，将电缆的一端连接到功分器的一端，另一端作为射频信号输入到混频器中，在频谱仪上可以读出中频的频率数值，这个频率$f_{IF}$fIF​和$T_{Chirp}$TChirp​、带宽$BW$BW成比例关系，如图4中的公式所示。

图4：搭建测量扫频时间的测量系统

其中电缆长度$L$L、$f_{IF}$fIF​和$BW$BW是已知量，由这几个参数就可以计算出$T_{Chirp}$TChirp​。举例，笔者设计了一款1.5GHz带宽，扫频周期4ms的FMCW信号源[3]，现在验证其扫频时间是否为4ms。

首先找到一根同轴电缆，其长度约为180cm，电磁波在其中传播的速度约为光速的三分之二，扫频带宽为1.5GHz，频谱仪观测到的信号如图5所示，频率为3.345kHz，按照图4中的公式计算可得$T_{Chirp}=4.036ms$TChirp​=4.036ms，由于这其中还有测量误差，整体来讲与预期的4ms相符。

图5：频谱仪检测中频信号频率 [4]

综上，测量FMCW信号的扫频周期时，在没有高速示波器的条件下，可以搭建频域测试系统，通过测量中频信号的频率计算出扫频周期。水平有限，请多多指教、交流。

作者：潇洒的电磁波（专业：射频芯片设计、雷达系统、嵌入式。欢迎大家项目合作交流。）
微信：GuoFengDianZi

引用：
[1]: Using a complex-baseband architecture in FMCW radar systems, TI, Karthik Ramasubramanian
[2]: https://electricalvoice.com/frequency-modulation-advantages-disadvantages/
[3]: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c.w4002-21305537586.13.608c5045RHlQMY&id=596037468670
[4]: https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.3-c.w4002-21305537581.17.313e6be6HDGIPl&id=613016424211