基于Ti-AWR2944雷达开发板的BPM发射与处理实践

说明

    我在之前的博文中有说过如下观点：MIMO体制下，有两个核心的问题需要解决：一是天线如何排布；二是天线如何发射。天线的排布问题主要涉及到测角，它与射频面板尺寸要求、单天线尺寸、最大无模糊测角范围、角度分辨率以及测角算法等有关，关于角度测量我之前有过一篇博文：车载毫米波雷达DOA估计综述 -CSDN博客。天线的发射问题主要是考虑到正交性：如何在后端将各个收发通道给分离出来，现阶段有TDM、BPM、FDM、DDM，以及PMCW等发射方式和体制，关于MIMO体制下的发射问题，我之前也写过一篇博文：车载毫米波雷达MIMO阵列的天线发射问题-CSDN博客。

    TDM的发射方式是最经典也是最简单的，我此前在车载毫米波雷达的系列专题中所上传的资料和数据基本都是基于TDM的发射模式。最近刚好有时间和资源可以做点实验，于是想着尝试一下BPM和DDM的发射方式：采集数据并对数据进行解析和处理。本篇文章基于Ti的AWR2944开发板实践BPM(Ti其它的开发板实践的方法基本一致)，后续有机会再出一篇DDM的。本博文算是对车载毫米波雷达MIMO阵列的天线发射问题-CSDN博客博文的补充。

    BPM原理比较简单，也不是主流的发射方式(主流的是TDM、DDM)，关于其原理和比较优势我已在前述博文中给出说明，本文不再重复。本文主要提供：实验说明、雷达参数说明、BPM下的雷达数据处理结果及其与TDM的简单对比、以及相对应的数据和解析&处理的Matlab代码。

Blog

20240116  博文第一次撰写

目录

说明

目录

一、实验所涉及资料

二、实验说明

2.1 实验目的

2.2 实验场景与雷达参数设计

三、实验结果

3.1 BPM&TDM下的时域、频域、测角结果对比(基于实验一数据)

3.2 不同节点下进行通道分离的结果对比(基于实验二数据)

3.3 微弱形变测量结果(基于实验二数据)

3.4 本章小结

四、总结

五、参考资料

六、本文数据&code

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一、实验所涉及资料

1、关于AWR2944相关说明资料：

AWR2944EVM 评估板 | TI.com.cn、DCA1000EVM 评估板 | TI.com.cn

在连接好射频&数字板后，本实验通过在Ti提供的mmwavestudio上位机上配置参数，采集数据。得到的原始Bin文件自建Matlab代码进行解析和处理。

2、BPM发射方法&通道分离原理：

车载毫米波雷达MIMO阵列的天线发射问题-CSDN博客

二、实验说明

2.1 实验目的

    本博文的目的在于实践BPM的发射模式，打通BPM发射模式下从参数配置、数据采集到信号处理的整个流程。更具体地：

1、提供了TDM和BPM两种发射模式在相同的雷达参数和实验场景下的测量结果对比(包括时域、距离FFT结果、速度FFT结果(RD图)、测角结果)。

2、针对BPM的通道分离可以在DOA之前各个节点(包括在时域、距离FFT后、速度FFT后)实现，本文分别在这些节点进行了通道分离，并对比了在不同节点下进行通道分离的信号处理结果。

3、针对BPM的发射模式，设计了一个简单的微弱形变测量雷达(的处理代码)。

2.2 实验场景与雷达参数设计

    本文实验在实验室内进行(不方便拍照…)，不过场景很简单：雷达天线面板近乎竖直朝向房间天花板（雷达面板离房间天花板的间隔约2.7m）。设计了两个实验：

    实验一：雷达4T4R，分别使用TDM和BPM的发射模式进行发射和数据采集。该实验所采集数据用以提供两种发射模式在相同的雷达参数和实验场景下的测量结果对比。

    实验二：雷达2T4R，使用BPM的模式发射。对采集的数据分别在不同的节点进行通道分离，并比较其后续的处理结果。此外，编写了一套微弱形变测量的处理代码(因为数据量比较多，所以放在了2T4R这里一起实现了)。

    一些与计算相关的雷达参数设计列表如下：

表2.1  实验一雷达参数设计列表

	TDM	BPM
参数	值	值
收发通道数	4T4R	4T4R
发射起始频率	77GHz	77GHz
Chirp斜率	30MHz/us	30MHz/us
单chirp发射时长	40us	40us
Idle time	10us	10us
ADC采样率	10MHz	10MHz
ADC采样点数	256	256
Loop数	64	64*4
帧数	10	10

表2.2  实验二雷达参数设计列表

参数	值
收发通道数	2T4R
发射起始频率	77GHz
Chirp斜率	30MHz/us
单chirp发射时长	40us
Idle time	10us
ADC采样率	10MHz
ADC采样点数	256
Loop数	64
帧数	100

在前述参数设计下，实验一和实验二所得数据量应该分别是：

实验一: 256*64*4*4*10*16/8/1024 = 5120KB

实验二：256*64*4*2*100*16/8/1024 = 25600KB

实验所采集数据量如下：

数据量与所设计的雷达收发参数吻合。

BPM配置参考：(可以在mmwavedtudio上配置或者用Lua)

（4T4R BPM配置参考）

三、实验结果

3.1 BPM&TDM下的时域、频域、测角结果对比(基于实验一数据)

【注：本小节的结果是在时域对BPM进行解析】

    其时域结果对比如下：

图3.1  TDM&BPM两种发射模式下的时域数据对比

（选取了其中一个chirp下的数据）

    可以看到在未解析之前，BPM下单通道接收的时域数据的幅值相比TDM下是有比较显著的增加(不过整体上没到4倍，理想情况下应该是4倍的？：BPM相较于TDM的主要优势在于使用了更多的发射通道，使得发射能量提高，从而会提高SNR：提高了10*log10(Ntx)dB，而本实验使用了4个发射通道同时发射)。【我没有一一去比较全部的通道和全部的chirp，可能是我选取的通道并不是很好。感兴趣的读者可以在我给的数据和代码的基础上做一些更深入和细节的探讨】

    在时域完成通道分离后，进行距离FFT并丢掉一半的数据(因为AWR2944是单路采样)，下图同样也是选择了其中一个通道下的其中一个chirp:

图3.2  距离FFT的结果对比

    首先可以看到，在距离索引值为14处，都有一个明显的峰，该位置也便对应着目标所在位置：由收发参数，本实验所用带宽为： B = 256/10MHz*30MHz/us = 768MHz，对应距离分辨率为：res = c/B/2 = 0.1953m，索引值14对应的目标距离为：14*0.1953 = 2.7342m，与实验场景是吻合的。此外，这里以索引值为100处的幅度值作为噪底来估测SNR，可以得到BPM下相较于TDM有约1.26倍的提升，类似前面时域的结果，这个值并没有达到理想的情况，具体原因这里不做深纠，感兴趣的读者可以基于我提供的数据和代码试试别的通道。

    随后，进行速度维度的压缩并做非相干积累。因为后面还有测角，而AWR2944的第二个发射通道是在俯仰向有偏移，如下图所示：

图3.3  AWR2944射频板天线排布实物图

    后续的处理我只拿出了其中水平向12个通道的数据。得到二维压缩后的结果如下：

图3.4  二维压缩对比

    速度压缩后，目标处在零频，与实验场景吻合。同样，选取(101，33)处的数据(meshz函数的索引是从0开始的，所以要加1)作为噪底参考，额.. 可是得到BPM下的SNR反而要小于TDM下的SNR.. 不过在速度索引值为32处会远大于TDM下的SNR。（原因可能是？：发射得不对？数据分离得不对？… ）

    最后，取出目标所在位置下水平方向12个通道的数据进行测角，得到结果如下：

图3.5   测角结果对比

    两种模式下的目标角度基本一致，且都在0°左右位置(板子可能有一点点倾斜)，结果吻合实验场景。

3.2 不同节点下进行通道分离的结果对比(基于实验二数据)

    本节只分析BPM发射模式下所采集的数据，且在不同的节点(时域、距离FFT后、速度FFT后)进行通道分离，对比在这些不同节点进行通道分离时的信号处理结果。

图3.6   时域通道分离前后对比

    时域结果是符合预期的，通道分离后的幅值差不多是通道分离前的1/2，随后进行速度压缩：

图3.7   在不同节点进行通道分离时二维压缩结果对比

    一个比较明显的区别是：在速度FFT后再做通道分离时可以看到在速度索引为1处有一个很大的虚假尖峰，(这应该是相位偏差没有做校准而累积的结果？)。

    随后对不同节点下进行通道分离的数据进行测角：

图3.8  在不同节点进行通道分离时测角结果对比

    从图中可以看到，在时域以及距离FFT后进行通道分离的结果是一致的。而在速度FFT后再做通道分离其测角与前两者有一点偏差。

    以上结果论证了在不同节点进行通道分离的可行性和正确性。

3.3 微弱形变测量结果(基于实验二数据)

    实验二中，我以50ms为帧周期，采集了100帧的数据，实验过程中缓缓抬升桌面(幅度很小)，观察形变随帧的变化曲线。该形变的测量原理很简单：在同一个距离门下，目标与雷达相对距离的微弱变化(实验时是使雷达板的位置发生微弱变化)会产生微弱的相位差：dphi = 2*dr/λ*（2*pi）。得到前后帧的相位差也就得到了前后帧的距离差。

    分别在时域以及距离FFT后对数据进行通道分离，并选择其中一个通道的一个chirp下的数据完成形变测量：

图3.9   在时域进行通道分离时形变测量结果

图3.10   在距离FFT后进行通道分离时形变测量结果

    两者一致，且吻合实验场景。

3.4 本章小结

    本章设计实验，实践了BPM的发射、数据解析和基本处理的整个流程。完成了前文2.1节所提的三个主要的实验目标。

四、总结

    本博文的主要目的在于实践BPM的发射模式，走通从发射、通道分离、数据处理的整个流程。本文设计了两个实验，实验一采用4T4R，分别实践了TDM 和BPM两种发射模式，并对其所采集的数据进行了对比。实验二采用2T4R的BPM发射模式采集了100帧的数据，对在不同节点下进行通道分离做了对比，此外还实现了一个简单的微弱形变测量demo。

    需要说明的是：本文的内容中还有一些需要做更深入研究的点：比如BPM下目标的SNR并没有比TDM下高多少(不符合10*10log10(Ntx)的增益预期、在速度FFT后再做通道分离出现了虚假的尖峰。这些现象背后的原因是需要做更深入探讨的。在后文第六章的连接中，我给出了本文实验的数据以及自编的代码供感兴趣的读者参考。

五、参考资料

主要的参考资料见第一章。

六、本文数据&code

链接：

基于Ti-AWR2944雷达开发板的BPM发射与处理实践博文相对应的数据和代码资源-CSDN文库

    相关代码基本都有很好/详细的注释（时间较短，可能一些地方可以进一步优化），并随附所采集的原始数据供读者参考。

    上图中DataParsing为bin文件解析函数、DataSeperate为通道分离函数、RadarParamentConfig为雷达参数设置函数。这三个函数可以被两个主函数分别调用，读者在使用代码时，需要更改自己的文件路径，此外由于使用了同一个RadarParamentConfig.m函数来配置两个实验的参数，所以读者在复现时需要注意更改该函数内部的NumTx参数。