相位编码的调频连续波雷达的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月24日提交的第62/749,981号美国临时专利申请的优先权，上述申请通过引用并入本文。

本发明总体上涉及一种电子系统和方法，并且在特定的实施例中，涉及一种相位编码的调频连续波(fmcw)雷达。

背景技术：

由于低成本半导体技术，例如硅锗(sige)和精细几何互补金属氧化物半导体(cmos)工艺的飞速发展，毫米波频率领域中的应用在过去几年中引起了极大关注。高速双极和金属氧化物半导体(mos)晶体管的出现使得对用于24ghz、60ghz、77ghz和80ghz以及高于100ghz毫米波应用的集成电路的需求不断增长。这样的应用包括，例如，汽车雷达系统和多千兆通信系统。

在某些雷达系统中，通过发射调频信号、接收调频信号的反射(也称为回波)以及基于调频信号的发射和接收之间的延迟时间和/或频率差来确定雷达与目标之间的距离。因此，一些雷达系统包括用于发射射频(rf)信号的发射天线、用于接收反射的rf信号的接收天线、以及用于生成发射信号和接收rf信号的相关rf电路系统。在某些情况下，多个天线可以用于使用相控阵技术实现定向波束。具有多个芯片组的多输入多输出(mimo)配置也可以用于执行相干和非相干信号处理。

技术实现要素：

根据一个实施例，一种操作雷达的方法，包括：生成一组啁啾信号；发射该组啁啾信号；接收与发射的该组啁啾信号相对应的啁啾信号；使用有限状态机(fsm)以基于编码向每个发射的啁啾信号或每个接收的啁啾信号施加相移；以及基于编码解调接收的啁啾信号。

根据一个实施例，一种雷达，包括：锁相环(pll)；的发射机相位混合器，耦合到pll；发射机放大器，其输入耦合到发射机相位混合器；接收机相位混合器，耦合到pll；接收机放大器；接收机混合器，其第一输入耦合到接收机放大器的输出，其第二输入耦合到接收机相位混合器的输出，以及其输出被配置为生成中频信号；相位编码块；以及有限状态机(fsm)，被配置为使用发射机相位混合器或接收机相位混合器基于编码向多个啁啾信号施加相移。

根据一个实施例，一种毫米波雷达，包括：锁相环(pll)；发射机相位混合器，耦合到pll；发射机放大器，其输入耦合到发射机相位混合器；发射机天线，耦合到发射机放大器的输出；接收机相位混合器，耦合到pll；接收机天线；接收机放大器，其输入耦合到接收机天线；接收机混合器，其第一输入耦合到接收机放大器的输出，其第二输入耦合到接收机相位混合器的输出，其输出被配置为生成中频信号；相位编码块；以及有限状态机(fsm)，被配置为使用发射机相位混合器或接收机相位混合器基于编码向多个啁啾信号施加相移。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优点，下一部分中的描述将参考下列附图，其中：

图1示出了根据本发明中一个实施例的雷达系统；

图2示出了图1的根据本发明中一个实施例的毫米波雷达系统的示意图；

图3示出了操作图1的根据本发明中一个实施例的雷达系统的一个示例性方法的流程图；

图4示出了根据本发明中一个实施例的图2的fsm的状态图；以及

图5示出了说明图1和图2中毫米波雷达的辐射脉冲发射的示意图。

除非另外指出，否则不同附图中的相应数字和符号通常指代相应的部分。附图的绘制是用于清楚地示出优选实施例的相关方面，并且附图不一定按比例绘制。

具体实施方式

所公开的实施例的制造和使用将在下面详细讨论。但是应当注意，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以在各种各样的特定环境中实施。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本发明的特定方式，并且不限制本发明的范围。

以下描述阐明了各种具体细节以提供对根据该描述的几个示例实施例的深入理解。实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者使用其他方法、组件和材料等的情况下获得。在其他情况下，已知的结构、材料或操作没有被示出或详细描述，以免混淆实施例的不同方面。在本说明书中对“一个实施例”的提及表明描述的与该实施例有关的特定配置、结构或特征包括在至少一个实施例中。因此，可能出现在本说明书中不同处的诸如“在一个实施例中”的短语不一定确切地指代相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中可以以任何适当的方式组合特定的形式，结构或特征。

本发明的实施例将在特定上下文(即，相位编码的fmcw毫米波雷达)中描述。本发明的实施例可以用于其他类型的雷达中，例如，不同于毫米波雷达的雷达。

在本发明的一个实施例中，毫米波雷达在fmcw上使用相位编码调制来改善角分辨率。相位扩展通过毫米波雷达内部的有限状态机(fsm)注入。在一些实施例中，外部处理器用特定编码对fsm进行编程，并且fsm将所编程的相位编码调制应用于fmcw信号，而无需来自外部处理器的额外干预。因此，在一些实施例中，毫米波雷达可以有益地以自主方式操作，同时将相位编码调制应用于fmcw信号。

毫米波雷达可用于，例如检测视野中的移动或静止的物体。例如，图1示出了根据本发明的一个实施例的毫米波雷达系统100。毫米波雷达系统100包括毫米波雷达102和处理器104。

在正常工作期间，毫米波雷达102向场景108发射多个辐射脉冲106，例如，啁啾信号(例如，线性啁啾信号)。发射的辐射脉冲106被场景108中的物体反射。反射的辐射脉冲(未在图1中示出)，也称为回波信号，由毫米波雷达102检测到，并由处理器104处理以探测，例如场景108中物体的位置、多普勒速度和其他特征。

毫米波雷达102操作为调频连续波(fmcw)雷达或脉冲多普勒雷达，其包括毫米波雷达传感器电路、发射天线和接收天线。毫米波雷达102发射和接收20ghz至122ghz范围内的信号。或者也可以使用该范围之外的频率，例如1ghz至20ghz之间的频率，或者122ghz至300ghz之间的频率。

在一些实施例中，毫米波雷达102的接收天线所接收的回波信号被例如毫米波雷达102使用带通滤波器(bpfs)、低通滤波器(lpfs)、混频器、低噪声放大器(lnas)和中频(if)放大器以本领域已知的方式进行滤波和放大。然后，使用一个或多个模数转换器(adc)将回波信号数字化以进行进一步处理，例如由处理器104处理。其他实现方式也是可能的。

在一些实施例中，毫米波雷达102使用通信接口110与处理器104通信。通信接口110可以是例如串行外围设备接口(spi)、内部集成电路(i²c)或者通用异步收发器(uart)类型。也可以使用其他通信接口。

处理器104可以以通用处理器、控制器或者数字信号处理器(dsp)实现，其包括，例如耦合至存储器的组合电路。例如在一些实施例中，处理器104可以以arm架构实现。在一些实施例中处理器104可以以定制专用集成电路(asic)实现。在一些实施例中，处理器104包括多个处理器，每个处理器具有一个或多个处理核。在其他实施例中，处理器104包括具有一个或多个处理核的单个处理器。其他实现方式也是可能的。例如，一些实施例可以使用在通用微控制器或处理器中运行的软件来实现，该通用微控制器或处理器具有，例如耦合到存储器并以arm或x86架构实现的cpu。一些实施例可以以硬件加速器和在dsp或通用微控制器上运行的软件的组合实现。

毫米波雷达可用于确定一个或多个已识别目标的位置。所识别目标的范围分量可以被确定，例如使用范围fft。例如，可以使用例如单脉冲算法确定到达角度来确定所识别目标的方位分量。

确定fmcw毫米波雷达中方位分量的分辨率和精度可以通过例如调整接收器天线之间的距离和/或毫米波雷达使用的信道数来优化。

在一些实施例中，角分辨率通过在fmcw上使用相位编码调制来改善。fsm用于在啁啾信号的发射或者接收期间向帧中至少一部分的啁啾信号中注入相位。在一些实施例中，巴克码被用作用于生成相位扩展的编码。通过使用诸如根据巴克码的相位扩展可以在后处理时减小雷达的旁瓣(例如，通过根据特定编码进行解调)，从而帮助将雷达波束转向特定方向。

图2示出了根据本发明中一个实施例的毫米波雷达系统100的示意图。毫米波雷达102包括fsm202、相位编码块204、锁相环(pll)206、开关208、混合器210、220和222、放大器212和218、发射天线214、接收天线216、基带放大器和滤波电路224和spi228。处理器104包括模数转换器(adc)226和spi230。

在正常工作期间，具有多个啁啾信号(例如，线性啁啾信号)的帧由放大器212通过发射天线214发射。对应的回波经由接收天线216接收，并由放大器218放大，使用混合器220将其混入中频if，然后在使用基带放大器和滤波电路224的基带放大和滤波后通过adc226采样。具有多个发射天线214的实施例可以具有对应的多个放大器212。具有多个接收天线216的实施例可以具有对应的多个放大器218和对应的多个混合器220。

每个发射的帧包括，例如，2ⁿ个啁啾信号，其中n可以是例如2、3、4、5、6、7、8、9、10或更大。基于编码将相移引入到帧中的至少一些啁啾信号中。例如，啁啾信号基于相位编码块204的输出可能具有180°(反相信号)或0°(无相移)的相移。

fsm202通过控制相位编码块204来控制将哪个相位施加到每个啁啾信号。fsm202还通过使用开关208来控制是否将相移施加到发射的啁啾信号(通过混合器210)或者接收的回波(通过混频器222)。解调根据编码(例如，通过处理器104)执行。

在一些实施例中，编码由外部用户(例如，由处理器104)使用与fsm202相关联的存储器(例如，寄存器或非易失性存储器)编程到fsm202中。外部用户还可以对是否将相位扩展施加到发射器路径中(通过混合器210)或者接收器路径中(通过混合器222)进行编程。在外部用户编程之后，fsm202自主操作，将相应的相移(根据编程的编码)施加到帧中的对应啁啾信号(在发射器或接收器路径上)。

fsm202可以由任意编码编程。使用诸如巴克码的编码可以有益地带来改善的角分辨率。例如，在每帧有8个啁啾信号的实施例中，外部用户可以对fsm202进行编程，以将长度为7的巴克码用于发射机路径。长度为7的巴克码(即，+1；+1；+1；-1；-1；+1；-1)向帧中8个啁啾信号中的7个啁啾信号施加对应相移(即，0°；0°；0°；180°；180°；0°；180°)。第八个啁啾信号(可以位于帧的开头、帧的结尾或中间)可以是一个假(dummy)啁啾信号、一个未被施加相移的啁啾信号、或者一个被施加了轮循相移的啁啾信号。

作为另一非限制性的示例，在每帧有32个啁啾信号的实施例中，fsm202可以向帧中32个啁啾信号中的7个啁啾信号施加长度为7的巴克码。帧中其他的25个啁啾信号可以没有被施加的相移。通过将基于巴克码的相移仅施加到帧中的啁啾信号的子集中，可以实现更低的旁瓣并且不会大幅提高本底噪声。在一些实施例中，编码的长度可以是一个质数。在其他实施例中，编码的长度可以是任意一个正数。

在一些实施例中，fsm202将相同的相位编码施加到每一帧。在其他实施例中，fsm202将不同的(例如由外部用户预先编写的)相位编码施加到每一帧。在其他实施例中，fsm202将相位编码施加到一组帧中的某些帧，而不是所有帧。例如，在一些实施例中，fsm202将预编写的相位编码施加到有八个帧的一组帧中的第一帧，并且不将相位编码施加到随后的七个帧。通过将相位编码施加到部分帧，在施加了相位编码的帧中可以实现更低的旁瓣，并且在未施加相位编码的帧中可以实现更低的本底噪声。

相位编码块204可以使用例如可编程线性反馈移位寄存器(lfsr)205来实现。例如，在相位编码块204中使用lfsr的实施例中，外部用户(例如，处理器104)使用例如spi228将一个多项式编程到lfsr中。在编程后，fsm202控制lfsr以根据编程的多项式改变每个啁啾信号的相位(即，给lfsr计时)。也可以使用其他实现方式，例如使用(易失性或非易失性)存储器和指针。

fsm202可以通过自定义逻辑来实现。一些实施例可以使用诸如arm核的控制器来实现fsm202。其他实施方式也是可能的。

例如在一些实施例中，spi228被用于对fsm202进行编程。在一些实施例中，可以使用一次性可编程(otp)存储器来对fsm202进行预编程。也可以使用其他编程方法。

开关208用于选择是将(基于对应的相位编码的)相移施加到发射器路径(经由混合器210)还是施加到接收器路径(经由混合器222)。在一些实施例中，fsm202对每一帧选择路径，并且相同的路径(发射或接收路径)用于整个帧。在其他实施例中，fsm202对每一个啁啾信号或每一个帧组选择路径。解调(例如，在处理器104中的后处理期间)可能不受相移是否施加到发射器路径或者接收器路径的影响。

在一些实施例中，通过使用可编程/可配置的fsm，毫米波雷达102有益地允许将不同的相位扩展施加到不同的帧，并且允许动态地改变这些相位扩展。通过动态地改变相位扩展(例如，根据环境的变化)，外部用户可以通过例如在需要较低旁瓣时施加较长的巴克码，或在需要较低本底噪声时施加较短的巴克码来优化性能。

一些实施例的额外优点包括可编程/可配置的fsm可以用于毫米波雷达以通过使用根据预编写的编码的相位调制来自动减轻干扰。

图3示出了根据本发明中一个实施例操作雷达系统100的示例性方法300的流程图。图4示出了根据本发明的实施例的fsm202的状态图400。图3和图4可以结合起来理解。

在步骤302中，外部用户(例如处理器104)根据所需的相位编码对fsm202进行编程。外部用户可以编程(例如，通过spi228使用配置指令)，例如以下一项或多项：编码长度、编码类型(例如，巴克码)、应用路径(发射器或者接收器路径)、是否将相同的编码施加到所有帧、将哪些编码应用于每一帧、是否以轮循方式应用施加编码、以及是否将编码施加到一帧中的啁啾信号的子集。在一些实施例中，对fsm202编程包括对相位编码块204进行编程。在步骤302中，fsm202处于初始状态402。

在步骤304中，开始标志被断言(assert，也称为“激活”，例如，开始标志从例如低的非活动状态转变为例如高的活动状态)。一旦开始标志被断言，fsm202就转变为操作状态404，并引起辐射脉冲，例如啁啾信号(例如，线性啁啾信号)，例如根据(步骤302中的)编程被发射和被接收。例如，在开始发射帧中的啁啾信号之前，fsm202使用开关208选择是否将相位编码施加到发射器路径或者接收器路径。fsm202也可以初始化相位编码块204。fsm202然后启动pll206，用于发射第一个啁啾信号。第一个啁啾信号可以基于相位编码块204的输出被施加相移。在发射/接收第一个啁啾信号之后，fsm202从相位编码块204选择下一个编码(例如，通过对相位编码块204计时)，选择开关208的状态(如果可以适用的话)，然后启动pll206以发射第二个啁啾信号。当fsm202处于操作状态404时，上述过程将根据(步骤302中的)预编程继续进行。

在一些实施例中，fsm202持续操作直到外部用户(例如，处理器104)断言复位标志，导致fsm202转变为非操作状态406。在其他实施例中，当帧中所有的啁啾信号或者帧组中的所有帧均已被发射/接收时，fsm202断言复位信号。在这样的实施例中，fsm202可以使用内部计数器来计数所发射的啁啾信号/帧的数目并且在该数目达到一个阈值时断言复位标志。

在步骤306中，外部用户(例如，处理器104)从毫米波雷达102接收数据。在步骤308中，外部用户对接收到的数据(根据fsm202使用的相位编码)进行解调。

图5示出了由毫米波雷达102发射辐射脉冲的示意图。如图5所示，帧的发射(例如，当fsm202处于操作状态404时)可以被休眠间隔(例如，当fsm202处于非操作状态406时)分开。在一些实施例中，fsm202自主地(例如，基于外部用户的预编程)控制帧之间的时间tsleep。

这里总结了本发明的示例实施例。其他的实施例也能够从这里提交的整个说明书和权利要求书中理解。

示例1：一种操作雷达的方法，该方法包括：生成一组辐射脉冲；发射该组辐射脉冲；接收与发射的该组辐射脉冲相对应的辐射脉冲；使用有限状态机(fsm)以基于编码向每个发射的辐射脉冲或每个接收的辐射脉冲施加相移；以及根据编码解调接收的辐射脉冲。

示例2：根据示例1所述的方法，其中基于编码施加相移包括：确定相位编码块的下一输出；以及根据下一输出施加相移。

示例3：根据示例1或2所述的方法，其中确定相位编码块的下一输出包括对移位寄存器计时以在移位寄存器的输出处产生下一输出。

示例4：根据示例1至3中任一示例所述的方法，其中移位寄存器是线性反馈移位寄存器。

示例5：根据示例1至4中任一示例所述的方法，进一步包括用编码对fsm进行编程。

示例6：根据示例1至5中任一示例所述的方法，其中用编码对fsm进行编程包括将多项式编程到线性反馈移位寄存器中。

示例7：根据示例1至6中任一示例所述的方法，其中用编码对fsm进行编程包括使用串行外围接口(spi)。

示例8：根据示例1至7中任一示例所述的方法，进一步包括：使用耦合到发射机混合器的开关来选择发射路径；以及基于编码相每个发射的辐射脉冲施加相移。

示例9：根据示例1至8中任一示例所述的方法，进一步包括：发射多个帧，每个帧均包括2^k个辐射脉冲，k是大于1的正整数，其中该组辐射脉冲包括n个辐射脉冲，n是小于或等于2^k的正整数；以及向多个帧的每个帧中的对应辐射脉冲施加相同的相移。

示例10：根据示例1至9中任一示例所述的方法，其中n小于2^k。

示例11：根据示例1至10中任一示例所述的方法，其中所述编码是巴克码。

示例12：根据示例1至11中任一示例所述的方法，其中所述编码的长度等于一个质数(primarynumber)。

示例13：根据示例1至12中任一示例所述的方法，其中该组辐射脉冲具有n个辐射脉冲，n是大于1的正整数，并且其中一帧具有k个辐射脉冲，k是大于n的正整数。

示例14：根据示例1至13中任一示例所述的方法，其中基于编码施加相移包括基于编码施加0°相移或180°相移。

示例15：根据示例1至14中任一示例所述的方法，其中该组辐射脉冲中的每个辐射脉冲均包括线性啁啾信号。

示例16：根据示例1至15中任一示例所述的方法，其中所述雷达是毫米波雷达。

示例17：一种雷达，包括：锁相环(pll)；发射机相位混合器，耦合到pll；发射机放大器，其输入耦合到发射机相位混合器；接收机相位混合器，耦合到pll；接收机放大器；接收机混合器，其第一输入耦合到接收机放大器输出，其第二输入耦合到接收机相位混合器的输出，以及其输出被配置为生成中频信号；相位编码块；以及有限状态机(fsm)，被配置为使用发射机相位混合器或接收机相位混合器基于编码向多个辐射脉冲施加相移。

示例18：根据示例17所述的雷达，其中所述相位编码块包括移位寄存器，其输出耦合到发射机相位混合器和接收机相位混合器，并且其中fsm被配置为针对多个辐射脉冲中的每个辐射脉冲对移位寄存器进行计时。

示例19：根据示例17或18所述的雷达，其中移位寄存器是线性反馈移位寄存器。

示例20：根据示例17至19中任一示例所述的雷达，进一步包括耦合到发射机相位混合器和接收机相位混合器的开关，并且其中fsm被配置为使用开关选择是向发射机相位混合器还是向接收机相位混合器施加相移。

示例21：根据示例17至20中任一示例所述的雷达，进一步包括耦合到发射机放大器的输出的发射机天线。

示例22：根据示例17至21中任一示例所述的雷达，进一步包括耦合到接收机放大器的输入的接收机天线。

示例23：根据示例17至22中任一示例所述的雷达，进一步包括耦合到发射机放大器的输出的多个发射机天线。

示例24：根据示例17至23中任一示例所述的雷达，进一步包括耦合到相应接收机放大器的相应输入的多个接收机天线。

示例25：根据示例17至24中任一示例所述的雷达，进一步包括放大和滤波电路，其输入耦合到接收机混合器，并且其输出被配置为耦合到模数转换器(adc)。

示例26：一种毫米波雷达，包括：锁相环(pll)；发射机相位混合器，耦合到pll；发射机放大器，其输入耦合到发射机相位混合器；发射机天线，耦合到发射机放大器的输出；接收机相位混合器，耦合到pll；接收机天线；接收机放大器，其输入耦合到接收机天线；接收机混合器，其第一输入耦合到接收机放大器的输出，其第二输入耦合到接收机相位混合器的输出，并且其输出被配置为生成中频信号；相位编码块；以及有限状态机(fsm)，被配置为使用发射机相位混合器或接收机相位混合器基于编码向多个辐射脉冲施加相移。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是该描述并非旨在以限制性的意义来解释。参考说明书对示例性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合对于本领域技术人员将是显而易见的。