基于USRP的FMCW雷达¶
0. 前言¶
软件无线电除了能用来通信，当然也能用来感知。我们的目标是设计某种波形，使它能有效地携带环境信息，然后想办法从相位、幅度里把信息提取出来。FMCW雷达是一种常用的雷达波形，它会发射一个chirp波形并收到一个delay后的回波，通过两者混频形成的拍频来计算距离。
本文会介绍基于软线无线电的FMCW雷达，通过仿真和USRP实测验证可行性。
2. FMCW雷达的基础原理¶
TI的这份文档是个很好的参考资料[1]。想象一个固定频率的正弦波，通过测量回波的delay推算目标的距离。但是这有两个问题，首先，这个delay是纳秒级的，难以直接测量，然后，如果有不止一个目标，几个回波可能会互相叠加难以分辨。FMCW解决了这些问题，把直接测量时间的delay转换成测量拍频的频率，并用拍频的频率来区分不同目标。
在一个chirp之内做FFT能得到拍频频率即距离信息，称为“快”维度，如果连续发送好几个chirp，还能在chirp之间做FFT得到速度信息，称为“慢”维度或多普勒维度。简而言之，“快”维度得到距离，“慢”维度得到速度。chirp的带宽决定距离分辨率，一帧之内连续chirp的总时长决定速度分辨率。
FMCW雷达原本在车载毫米波雷达上有广泛应用，因为毫米波频段的可用带宽很宽，能达到十几GHz的带宽和厘米级的距离分辨率。由于USRP最高只支持6GHz频率和56MHz带宽，分辨率自然差很多，但是用在室内环境也是够了。
3. 仿真¶
在GNU Radio里，用Signal Source产生一个锯齿波，作为控制电压去控制VCO，从而得到chirp信号。再用Delay模块模拟信号来回所需的时间，delay之后和delay之前的chirp混频得到拍频信号。这里所用的参数是，chirp带宽10MHz，chirp周期40us，基带采样率1.6MHz。
每个chirp会有40us * 1.6MHz = 64个采样点，拍频的频率分辨率是1.6MHz/64 = 25kHz，对应的距离分辨率是\(R_{res}=\frac{2cf_{res} T_{chirp}}{BW}=\frac{2\times 3\times 10^8\times 25kHz\times 40us}{10MHz} = 15m\)。做距离FFT的时候可以补0使FFT的结果更平滑，但不会使距离分辨率变得更小，因为距离分辨率其实只和chirp带宽有关而\(f_{res}\)和\(T_{chirp}\)会抵消。实际上，
接着，假设每32个chirp是一个frame，这样每个frame会有64 * 32 = 2048个采样点。在流图里，有FFT模块用来看频谱，同时我还把采样点2048个一组通过UDP发给我用Python写的另一个接收端，接收端会集齐2048个点以后做一次2D FFT。
在仿真设定里，delay模块delay一个采样周期，相当于目标距离\(\frac{t_d}{2c}=\frac{\frac{1}{1.6MHz}}{2\times 3\times 10^8 m}=93.75m\)，拍频频率\(\frac{t_d BW}{T_c}=\frac{\frac{10MHz}{1.6MHz}}{40us}=156.25kHz\)。结果如图，1D和2D频谱里都能看到156kHz左右有个峰值，代表那里有目标，和计算是吻合的。
4. 自干扰¶
挖坑 实际的USRP收发机 self interference cancellation
参考资料¶
GNU Radio + Radar https://blog.csdn.net/weixin_45010335/article/details/135487066 https://blog.csdn.net/RICEresearchNOTE/article/details/151315467
OFDM Radar https://blog.csdn.net/qq_41839588/article/details/138617244
USRP HW https://www.ettus.com/wp-content/uploads/2019/01/b200-b210_spec_sheet.pdf
SDR + Radar https://pubs.gnuradio.org/index.php/grcon/article/download/67/49/