TWI894701B - 訊號收發方法及雷達裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種訊號收發方法及雷達裝置。雷達裝置包括發射電路、多個發射天線、多個接收天線、接收電路、選擇控制器及選擇電路。發射電路用以依據偵測訊號產生傳送訊號。接收天線用以接收回波訊號。選擇控制器用以依據偵測訊號的週期產生控制訊號。選擇電路用以依據控制訊號選擇多個發射天線的其中一者來發射傳送訊號，以及選擇多個接收天線的其中一者來接收回波訊號以產生射頻訊號。在一個訊框時間內，不同時間下依據控制訊號所執行的多個收發搭配組合對應至多個分時回波訊號，且至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差相等。

Description

訊號收發方法及雷達裝置

本發明是有關於一種訊號處理技術，且特別是有關於一種訊號收發方法及雷達裝置。

雷達技術已發展多年。其中雷達主要包含脈衝雷達和連續波雷達兩大類。一般而言，脈衝雷達發射具有週期性資訊的高頻脈衝。而連續波雷達發射連續波訊號。隨著科技快速發展，近年來，調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷達已廣泛應用在多種領域。

調頻連續波雷達在掃頻週期內發射頻率變化的連續波。而連續波受物體反射後的回波與發射訊號有一定的頻率差，並可透過基於這頻率差判斷物體與雷達之間的距離。由於調頻連續波雷達能測量活動目標的距離和速度，因此調頻連續波雷達逐漸廣泛應用到諸如道路車輛監測記錄系統、汽車防撞雷達、車流量檢測器、自動駕駛等民用領域。

值得注意的是，調頻連續波雷達系統可使用陣列天線估 算反射訊號的角度(又稱為到達角(Angle of Arrival，AoA))。當雷達系統與物體的距離有微小的變化時，即可導致頻譜峰值處的相位發生明顯的變化，尤其在高頻訊號的情況下更為明顯。因此，可利用物體與相鄰天線的距離差所對應的相位變化估測到達角。

為了使用陣列天線，目前估測到達角的調頻連續波雷達系統使用多接收器的架構。可分別藉由多根接收天線接收傳送訊號經物體反射的回波訊號。

然而，傳統的到達角雷達架構可能遭遇到以下問題：需要多個接收路徑(即，多個接收器)；增加功耗；晶片尺寸隨接收器增加而更大；需校正接收器及傳送器上的本地振盪相位。

本發明實施的雷達裝置包括(但不僅限於)發射電路、多個發射天線、多個接收天線、接收電路、選擇控制器及選擇電路。發射電路用以依據偵測訊號產生傳送訊號，其中偵測訊號具有週期性變化。發射天線用以發射傳送訊號。接收天線用以接收回波訊號，其中回波訊號是傳送訊號受外部物件反射而產生的。接收電路用以依據偵測訊號及射頻訊號產生內部訊號。選擇控制器耦接發射電路。選擇控制器用以依據偵測訊號的週期產生一或多個控制訊號。選擇電路耦接發射天線、接收天線、發射電路、接收電路及選擇控制器。選擇電路用以依據選擇控制器所產生的一或多個控制訊號選擇多個發射天線的其中一者來發射傳送訊號，以及選擇 多個接收天線的其中一者來接收回波訊號以產生射頻訊號。在一個訊框(frame)時間內，不同時間下依據一或多個控制訊號所執行的多個收發搭配組合對應至多個分時回波訊號，這些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差相等，其中多個分時回波訊號包含訊框時間中的不同時間下所接收的回波訊號，每個收發搭配組合包括多個發射天線的其中一者與多個接收天線的其中一者的組合。

本發明實施例的訊號收發方法包括(但不僅限於)下列步驟：依據偵測訊號產生傳送訊號，其中偵測訊號具有週期性變化；依據偵測訊號的週期產生一或多個控制訊號；依據一或多個控制訊號選擇多個發射天線的其中一者來發射傳送訊號，以及選擇多個接收天線的其中一者來接收回波訊號以產生射頻訊號，其中回波訊號是傳送訊後受外部物件反射而產生的；依據偵測訊號及射頻訊號產生內部訊號。在一個訊框時間內，不同時間下依據一或多個控制訊號所執行的多個收發搭配組合對應至多個分時回波訊號，這些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差相等，其中多個分時回波訊號包含訊框時間中的不同時間下所接收的回波訊號，每個收發搭配組合包括多個發射天線的其中一者與多個接收天線的其中一者的組合。

本發明實施的雷達裝置包括(但不僅限於)發射電路、多個發射天線、多個接收天線、接收電路、選擇控制器及選擇電路。發射電路用以依據偵測訊號產生傳送訊號，其中偵測訊號具有週期 性變化。發射天線用以發射傳送訊號。接收天線用以分別接收多個回波訊號以產生多個射頻訊號，其中回波訊號是傳送訊號受外部物件反射而產生的。接收電路用以依據偵測訊號及射頻訊號產生內部訊號。選擇控制器耦接發射電路。選擇控制器用以依據偵測訊號的週期產生控制訊號。選擇電路耦接發射天線、接收天線、發射電路、接收電路及選擇控制器。選擇電路用以依據選擇控制器所產生的控制訊號選擇多個發射天線的其中一者來發射傳送訊號，以及選擇多個接收天線的其中一者來接收回波訊號以產生射頻訊號。發射天線包括兩發射天線，接收天線包括兩接收天線，兩發射天線之間具有一個第一間距，兩接收天線之間具有一個第二間距，第一間距為第二間距的2倍或第二間距為第一間距的2倍。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10~40:雷達裝置

11:發射電路

12、TX1、TX2:發射天線

13、RX1、RX2:接收天線

14:接收電路

15:選擇控制器

16:選擇電路

161、162:切換電路

171:頻率合成器

18:調變器

19:時脈產生器

LPF:濾波器

DAC:數位至類比轉換器

IFA:中頻放大電路

ADC:類比至數位轉換器

TXMIX、RXMIX:混波器

PA:放大器

LNA:低雜訊放大器

IFA-1:中頻放大器

IFA-2:修正電路

IFA-3:濾波器

DO:基頻訊號

172:脈衝產生器

θ、φ:到達角

d:距離

X、Y、Z:軸

L1~L10、B:間距

TRC:收發搭配組合

TXSC、RXSC:控制訊號

R:距離

O:外部物件

vTX1:虛擬發射天線

vRX1~vRX4:虛擬接收天線

B1~B4:輻射場型

173:I/Q檢測電路

1310~1360:步驟

50:運算處理器

x _0,n (t)、x _1,n (t):回波訊號

v _n (m)、V _n (k)、u _0,n (k)、u _1,n (k)、S _0,n (k)、S _1,n (k):基頻訊號

Y _0,n (k)、Y _1,n (k):評估訊號

S1510~S1540:步驟

圖1是依據本發明一實施例的雷達裝置的元件方塊圖。

圖2A是依據本發明一實施例的雷達裝置的元件方塊圖。

圖2B是依據本發明另一實施例的雷達裝置的元件方塊圖。

圖3是依據本發明一實施例的到達角的示意圖。

圖4A是依據本發明第一實施例的天線配置的示意圖。

圖4B是依據本發明第二實施例的天線配置的示意圖。

圖5是依據本發明一實施例的偵測訊號的週期及天線切換的示意圖。

圖6A是依據本發明一實施例的天線配置、發射角及到達角的示意圖。

圖6B是依據本發明一實施例的天線配置與等效虛擬天線的示意圖。

圖6C是依據本發明另一實施例的天線配置與等效虛擬天線的示意圖。

圖7A是依據本發明第三實施例的天線配置的示意圖。

圖7B是依據本發明第四實施例的天線配置的示意圖。

圖8是依據本發明一實施例的天線配置、發射角及到達角的示意圖。

圖9是依據本發明一實施例的偵測訊號的週期及天線切換的示意圖。

圖10A是依據本發明第五實施例的天線配置的示意圖。

圖10B是圖10A的輻射場型的示意圖。

圖11A是依據本發明第六實施例的天線配置的示意圖。

圖11B是圖11A的輻射場型的示意圖。

圖12是依據本發明一實施例的雷達裝置的元件方塊圖。

圖13是依據本發明一實施例的空間資訊決定的流程圖。

圖14是依據本發明一實施例的訊號處理的示意圖。

圖15是依據本發明一實施例的訊號收發方法的流程圖。

圖1是依據本發明一實施例的雷達裝置10的元件方塊圖。請參照圖1，雷達裝置10包括(但不僅限於)發射電路11、多個發射天線12、多個接收天線13、接收電路14、選擇控制器15及選擇電路16。雷達裝置10例如可應用於氣象、測速、倒車、地形、軍事等領域。雷達裝置10可為調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷達或超寬頻(Ultra Wideband，UWB)雷達。

發射電路11用以依據偵測訊號產生傳送訊號。偵測訊號具有週期性變化。在一實施例中，偵測訊號的頻率在其掃頻週期內隨時間變化。例如，偵測訊號為週期性的鋸齒波、三角波或其他應用於調頻連續波的載波訊號(例如，線性、幾何型或其他啁啾訊號(chirp signal))。在週期內，偵測訊號的頻率可能逐漸增加及/或逐漸減少。在另一實施例中，偵測訊號為脈衝訊號。例如，在特定時間區間(例如，2、5或110奈秒(nanoseconds，ns))內有峰(peak)或谷(valley)。每間隔一個週期，可產生一個脈衝訊號。

發射天線12用以發射傳送訊號。即，發射的電磁波乘載雷達裝置10的傳送訊號。在一實施例中，由於偵測訊號具有週期性變化，因此發射訊號也會對應地具有週期性變化。在一實施例中，針對脈衝訊號，發射訊號為在頻譜上具有平坦的頻率響應的展頻訊號。

在一實施例中，多個發射天線12形成天線陣列。天線陣列中的發射天線12的數量例如是2、4或8，但不以此為限。在一實施例中，每個發射天線12可對應一個天線埠(antenna port)。

接收天線13用以接收回波訊號。在一實施例中，雷達裝置100可透過發射天線12向外部物件(例如，人、車、牆或建築)發射傳送訊號。接著，雷達裝置100可透過接收天線13接收從外部物件反射而來的回波訊號。而回波訊號即是傳送訊號受外部物件反射而產生的。

在一實施例中，多個接收天線13形成天線陣列。天線陣列中的接收天線13的數量例如是2、4或8，但不以此為限。在一實施例中，每個接收天線13對應一個天線埠。

接收電路14用以依據偵測訊號及射頻訊號產生內部訊號。在一實施例中，偵測訊號具有週期性變化，射頻訊號是基於回波訊號而產生，並待後續實施例詳述。

選擇控制器15耦接發射電路11。選擇控制器15用以依據偵測訊號的週期產生一或多個控制訊號。控制訊號的切換或變化時間點例如是在偵測訊號的某兩週期的交界處，並待後續實施例詳述。

選擇電路16耦接發射天線12、接收天線13、發射電路11、接收電路14及選擇控制器15。選擇電路16用以依據選擇控制器15所產生的一或多個控制訊號選擇多個發射天線12的其中一者來發射傳送訊號，以及選擇多個接收天線13的其中一者來接 收回波訊號以產生射頻訊號。任一個控制訊號對應於一個收發搭配組合。每個收發搭配組合包括多個發射天線12的其中一者與多個接收天線13的其中一者的組合。

在其他實施例中，選擇控制器15亦可用以依據偵測訊號的週期產生一個控制訊號。選擇電路16亦可用以依據選擇控制器15所產生的控制訊號選擇多個發射天線12的其中一者來發射傳送訊號，但針對多個接收天線13則不進行選擇，而是使多個接收天線13同步接收多個回波訊號以產生多個射頻訊號，其中，這些回波訊號是傳送訊號受外部物件反射而產生的。而接收電路14亦可用以依據偵測訊號及這些射頻訊號產生內部訊號。在這樣的架構下，至少可降低部分功耗及減少部分天線架構或晶片的尺寸。

以下搭配圖2A及圖2B更具體地來說明雷達裝置10的詳細硬體架構。

圖2A是依據本發明一實施例的雷達裝置20的元件方塊圖。請參照圖2A，雷達裝置20包括(但不僅限於)發射電路11、發射天線12、接收天線13、接收電路14、選擇控制器15、選擇電路16。此外，雷達裝置20還可包括(但不僅限於)頻率合成器(frequency synthesizer)171、調變器18、時脈產生器19。

發射電路11包括放大器PA及混波器TXMIX。放大器PA耦接混波器TXMIX。放大器PA用以放大訊號(例如，混波器TXMIX的輸出訊號)。混波器TXMIX用以對訊號進行混波，以產生傳送訊號。此外，發射電路11還可包括(但不僅限於)濾波器LPF 及數位至類比轉換器DAC。

在本實施例中，發射天線12例如包括兩個發射天線TX1、TX2。兩發射天線TX1、TX2形成天線陣列。

在本實施例中，接收天線13例如包括兩個接收天線RX1、RX2。兩接收天線RX1、RX2形成天線陣列。

接收電路14包括低雜訊放大器LNA及混波器RXMIX。低雜訊放大器LNA耦接混波器RXMIX。低雜訊放大器LNA用以放大訊號(例如，回波訊號)。混波器RXMIX用以對訊號(例如，低雜訊放大器LNA的輸出訊號)進行混波，以產生中頻訊號。此外，接收電路14還可包括(但不僅限於)中頻放大電路IFA及類比至數位轉換器ADC。

選擇電路16包括切換電路161、162。切換電路161、162可以是由一個或多個多工器(multiplexer)、開關(switch)等電性元件組合而成，本發明實施例不加以限制。在一實施例中，切換電路161可從兩個發射天線TX1、TX2所分別收到的傳送訊號之間進行切換。在一實施例中，切換電路162可從兩個接收天線RX1、RX2所分別收到的回波訊號之間進行切換。在另一實施例中，選擇電路16也可以是藉由使兩個發射天線TX1、TX2中不使用的發射天線失能的方式，以及，使兩個接收天線RX1、RX2中不使用的接收天線失能的方式，來達到選擇的目的。

在本實施例中，頻率合成器171耦接發射電路11及接收電路14。在一實施例中，選擇控制器15藉由頻率合成器171耦接 發射電路11。在另一實施例中，選擇控制器15直接連接發射電路11。頻率合成器171用以產生偵測訊號，並提供偵測訊號給發射電路11、接收電路14及選擇控制器15。此時，偵測訊號為連續波訊號。

調變器18可透過N階(N為大於零的正整數)過取樣調變器(oversampling modulator)或N-位元(N-bit)奈奎斯特(Nyquist)頻率取樣器來實現。

時脈產生器19耦接頻率合成器171、調變器18及類比至數位轉換器ADC。時脈產生器19用以產生時脈訊號(或是本地震盪訊號)。頻率合成器171依據時脈訊號產生具有週期的偵測訊號。而選擇控制器15依據時脈訊號同步偵測訊號。進一步而言，上述同步偵測訊號的情況可視為，控制訊號持續不變的時間以及偵測訊號的週期具有固定的重疊範圍，舉例而言，可使控制訊號的切換或變化的週期與偵測訊號的週期相同，或者，可使控制訊號的切換或變化時間點同步於偵測訊號的週期的起點或終點向前平移預定時間或向後平移預定時間，或者，可使控制訊號的切換或變化時間點同步於偵測訊號的週期的起點或終點。

在一實施例中，調變器18對時脈訊號過取樣調變以產生類弦波的數位訊號，並驅動數位至類比轉換器DAC產生類比的弦波訊號。濾波器LPF再對類比的弦波訊號進行低通濾波處理後即形成輸入至混波器TXMIX的弦波訊號。混波器TXMIX依據來自頻率合成器171的偵測訊號(例如，連續波訊號)對弦波訊號進行混 波(例如，上變頻(up conversion))以形成傳送訊號。傳送訊號將透過切換電路161所導通/切換的發射天線TX1或TX2發射而出。

另一方面，回波訊號透過切換電路162所導通/切換的接收天線RX1或RX2接收。低雜訊放大器LNA對接收天線RX1或RX2所接收的回波訊號放大，且混波器RXMIX依據頻率合成器171所產生的偵測訊號(例如，連續波訊號)對經放大的訊號混波(例如，下變頻(down conversion))，以產生中頻訊號。

中頻放大電路IFA包括中頻放大器IFA-1、修正電路IFA-2(可選的)及濾波器IFA-3。中頻放大器IFA-1對中頻訊號過濾並放大特定頻帶的訊號，再經由過濾器過濾期望頻帶的訊號，且透過類比至數位轉換器ADC轉換成基頻訊號DO(例如，基頻數位訊號)。修正電路IFA-2可以是總合電路，並可將中頻訊號與反相的弦波訊號加總(即，對中頻訊號減去數位至類比轉換器DAC所產生類比的弦波訊號)。修正電路IFA-2可基於弦波訊號來修正回波訊號所遭遇到的閃爍雜訊(flicker noise)、直流偏差(DC offset)、本地振盪(Local Oscillator)洩漏等問題。在其他實施例中，修正電路IFA-2的位置可能不同。例如，位於中頻放大器IFA-1之前(即，耦接於混波器RXMIX與中頻放大器IFA-1之間)、或設於過濾器IFA-3之後(即，耦接於過濾器IFA-3與類比至數位轉換器ADC之間)。

圖2B是依據本發明另一實施例的雷達裝置30的元件方塊圖。請參照圖2B，雷達裝置30包括(但不僅限於)發射電路11、發射天線12、接收天線13、接收電路14、選擇控制器15、選擇 電路16。此外，雷達裝置30還可包括(但不僅限於)脈衝產生器172、調變器18、時脈產生器19。圖2B的發射電路11還可包括(但不僅限於)濾波器LPF及數位至類比轉換器DAC。圖2B的接收電路14還可包括(但不僅限於)中頻放大電路IFA及類比至數位轉換器ADC。

圖2B的發射電路11、發射天線12、接收天線13、接收電路14、選擇控制器15、選擇電路16、調變器18、時脈產生器19、濾波器LPF、數位至類比轉換器DAC、中頻放大電路IFA及類比至數位轉換器ADC的說明可參照圖1及圖2A中相同符號的說明，於此不再贅述。

在本實施例中，脈衝產生器172耦接發射電路11及接收電路14。脈衝產生器172用以產生偵測訊號，並提供偵測訊號給發射電路11、接收電路14及選擇控制器15。此時，偵測訊號為脈衝訊號。在一實施例中，選擇控制器15藉由脈衝產生器172耦接發射電路11。在另一實施例中，選擇控制器15直接連接發射電路11，且發射電路11可透過開啟訊號輸出及關閉訊號輸出來產生脈衝訊號。在本實施例中，時脈產生器19耦接脈衝產生器172、調變器18及類比至數位轉換器ADC。時脈產生器19用以產生時脈訊號(或是本地震盪訊號)。脈衝產生器172依據時脈訊號產生具有週期的偵測訊號。而選擇控制器15依據時脈訊號同步偵測訊號。進一步而言，上述同步偵測訊號的情況可視為，控制訊號持續不變的時間以及偵測訊號的週期具有固定的重疊範圍，舉例而言，可使 控制訊號的切換或變化的週期與偵測訊號的週期相同，或者，可使控制訊號的切換或變化時間點同步於偵測訊號的週期的起點或終點向前平移預定時間或向後平移預定時間，或者，可使控制訊號的切換或變化時間點同步於偵測訊號的週期的起點或終點。

圖3是依據本發明一實施例的到達角θ的示意圖。請參照圖3，雷達裝置20、30可透過發射天線TX1向外部物件(又稱為目標)發射傳送訊號。接收天線RX1、RX2接收從外部物件反射而來的回波訊號。假設在X-Y平面上，兩接收天線RX1、RX2間隔距離d(例如，偵測訊號的波長的一半)，其中接收天線RX2相較於接收天線RX1更遠離發射天線TX1。因此，由發射天線TX1經外部物件並抵達接收天線RX1的往返距離與由發射天線TX1經外部物件並抵達接收天線RX2的往返距離相差dsin θ。dsin θ的距離差異將反映在兩接收天線RX1、RX2的回波訊號之間的相位差，並可據以估測出到達角θ。

例如，發射天線TX1傳送一個訊框(frame)(對應於一個或多個週期)的連續波訊號。透過對兩接收天線RX1、RX2對應的基頻訊號分別進行二維快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform，FFT)，可得出兩個在相同距離(對應於外部物件的位置)但不同相位的兩個峰值。接著，這兩峰值的相位差(ω)可用於估測外部物件的到達角θ：

λ為波長，d為兩接收天線RX1、RX2之間的距離。

圖4A是依據本發明第一實施例的天線配置的示意圖。請參照圖4A，多個發射天線12包括位於X-Y/Y-X平面的兩個發射天線TX1、TX2。兩發射天線TX1、TX2之間具有間距L1(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。多個接收天線13包括位於X-Y/Y-X平面的兩個接收天線RX1、RX2。兩接收天線RX1、RX2之間具有間距L2(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。發射天線TX1、TX2及接收天線RX1、RX2皆沿平行於X-Y平面的X軸或沿平行於Y-X平面的Y軸的方向排列。即，發射天線TX1、TX2及接收天線RX1、RX2沿同一方向排列。相較於發射天線TX2，發射天線TX1更接近接收天線RX1、RX2；並且，相較於接收天線RX2，接收天線RX1更接近發射天線TX1、TX2。發射天線TX1與接收天線RX2之間具有間距B(可依據設計者需求而定義)。在平行於X-Y平面的Y軸或沿平行於Y-X平面的X軸的方向上，發射天線TX1/TX2與接收天線RX1/RX2之間的距離為零(即，沿平行於X-Y平面的X軸或沿平行於Y-X平面的Y軸的假想直線排列)。

在一實施例中，間距L1等於/相同於間距L2。在另一實施例中，間距L1為間距L2的2倍。再一實施例中，間距L2為間距L1的2倍。在其他實施例中，間距L1與間距L2還可能成其他比例。

須說明的是，X-Y/Y-X平面是由X軸(在X-Y平面對應於 水平方向，且在Y-X平面對應於垂直方向)與Y軸所形成的(在X-Y平面對應於垂直方向，且在Y-X平面對應於水平方向)，且X軸垂直於Y軸。

圖4B是依據本發明第二實施例的天線配置的示意圖。請參照圖4B，與圖4A的第一實施例的天線配置不同處在於，在平行於X-Y平面的Y軸或沿平行於Y-X平面的X軸的方向上，發射天線TX1/TX2與接收天線RX1/RX2之間具有間距(可依據設計者需求而定義)。如圖所示，天線RX1/RX2相較於發射天線TX1/TX2遠離平行於X-Y平面的X軸或Y-X平面的Y軸。

在一實施例中，一個訊框(frame)時間包括多個收發週期，這些收發週期對應於偵測訊號的週期。例如，圖5是依據本發明一實施例的偵測訊號TS1、TS2的週期及天線切換的示意圖。請參照圖5，偵測訊號例如為連續波訊號，並以啁啾訊號(頻率隨時間變化)的形式表現，而在本實施例中，偵測訊號的週期例如是偵測訊號的頻率變化週期。其中，範例的偵測訊號TS1以頻率變化來呈現為三角波。在三角波的一個週期內，其頻率在上升段隨時間增加/上升，且其頻率在下降段隨時間減少/下降。或者，另一範例的偵測訊號TS2以頻率變化來呈現為鋸齒波。在鋸齒波的一個週期內，其頻率在上升段隨時間增加/上升，且其頻率在下降段直接降至波谷。一個訊框時間包括三個收發週期。每個收發週期例如可包括偵測訊號TS1的兩個週期，或者可包括偵測訊號TS2的四個週期。

選擇電路16的切換電路161、162用以依據一或多個控制訊號在訊框時間中分別在每個收發週期僅選擇多個發射天線12(在本實施例中也就是發射天線TX1、TX2)中的一者來發射傳送訊號，以及在訊框時間中分別在每個收發週期僅選擇多個接收天線13(在本實施例中也就是接收天線RX1、RX2)中的一者來接收回波訊號。也就是說，在一個收發週期內，選擇電路16的切換電路161僅導通/選擇一個發射天線12(即選擇TX1或TX2)，也就是，中斷發射電路11傳送至其他發射天線的訊號，且選擇電路16的切換電路162僅導通/選擇/使用一個接收天線13(即選擇接收天線RX1或RX2)，也就是，中斷其他接收天線傳送至接收電路14的訊號。在這一個收發週期中受導通/選擇/使用的發射天線12(TX1或TX2)及接收天線13(RX1或RX2)即形成一個收發搭配組合。

以圖5為例，用於發射天線TX1、TX2的控制訊號TXSC的編碼為「1」表示僅導通/選擇/使用發射天線TX1(傳送訊號僅經由發射天線TX1發射且中斷發射電路11傳送至發射天線TX2的訊號)，且編碼為「2」表示僅導通/選擇/使用發射天線TX2(傳送訊號僅經由發射天線TX2發射且中斷發射電路11傳送至發射天線TX1的訊號)。另一方面，用於接收天線RX1、RX2的控制訊號RXSC的編碼為「1」表示僅導通/選擇/使用接收天線RX1(僅經由接收天線RX1的回波訊號受接收電路14接收且中斷接收天線RX2傳送至接收電路14的訊號)，且編碼為「2」表示僅導通/選擇/使用 接收天線RX2(僅經由接收天線RX2的回波訊號受接收電路14接收且中斷接收天線RX1傳送至接收電路14的訊號)。在本實施例中，可視為由控制訊號TXSC控制選擇發射天線TX1或TX2，且由控制訊號RXSC控制選擇接收天線RX1或RX2，但在其他實施例中，也可以是由同一個控制訊號來控制選擇發射天線TX1或TX2以及選擇接收天線RX1或RX2。

「TX1+RX1」代表發射天線TX1與接收天線RX1的收發搭配組合TRC；「TX1+RX2」代表發射天線TX1與接收天線RX2的收發搭配組合TRC；「TX2+RX1」代表發射天線TX2與接收天線RX1的收發搭配組合TRC；「TX2+RX2」代表發射天線TX2與接收天線RX2的收發搭配組合TRC。

此外，控制訊號TXSC、RXSC的任一編碼(例如，「1」或「2」)對應的訊號的期間對應於偵測訊號的週期。例如，兩個編碼對應於一個三角波的偵測訊號TS1或對應於一個鋸齒波的偵測訊號TS2。控制訊號TXSC、RXSC的相鄰兩編碼的切換時間例如是位於偵測訊號TS1、TS2的週期的起始點、終點或結尾點，或者，控制訊號TXSC、RXSC的相鄰兩編碼的切換時間也可以是位於偵測訊號TS1、TS2的週期的起始點、終點或結尾點向前平移預定時間或向後平移預定時間。如圖2A或圖2B所示，控制訊號的產生是依據頻率合成器171或脈衝產生器172的偵測訊號，且偵測訊號的產生是依據時脈產生器19所提供的時脈訊號。因此，控制訊號的切換時間點與週期皆可同步於時脈訊號。

在一實施例中，在第一操作模式下，訊框時間包括三個收發週期。這三個收發週期包括第一收發週期、第二收發週期及第三收發週期。這些收發週期分別對應於多個收發搭配組合TRC。一個收發週期對應於一個收發搭配組合TRC。選擇電路16的切換電路161、162依據一或多個控制訊號TXSC、RXSC，在第一收發週期選擇發射天線TX1與接收天線RX1(對應於「TX1+RX1」的收發配對組合TRC)，在第二收發週期選擇發射天線TX1與接收天線RX2或發射天線TX2與接收天線RX1(對應於「TX1+RX2」或「TX2+RX1」的收發配對組合TRC)，以及在第三收發週期選擇發射天線TX2與接收天線RX2(對應於「TX2+RX2」的收發配對組合TRC)。在其他實施例中，依據元件配置、訊號傳輸或資料運算等需求，上述三個收發週期的操作在時序上也可以調換順序。

藉此，發射天線TX1、TX2輪流分時發射傳送訊號，接收天線RX1、RX2輪流分時接收回波訊號，並據以達到接近於一個發射天線與三個接收天線的效果。一個收發期間只有經過一個接收器的路徑，可降低電流量及本地震盪相位校正的需求。雙發射天線及雙接收天線的對稱架構也可縮小收發模組的尺寸，進而讓整體系統模組更加緊湊。此外，本實施例架構可得到較多個外部物件的空間資訊，也就是說，可以較精確地判斷外部物件的空間資訊，舉例而言，針對在同一時間點相對於接收天線為相同距離的多個不同外部物件，本實施例架構可分辨的外部物件數量能增加。

在另一實施例中，每個收發週期可以是偵測訊號TS1的 半個週期(即，對應一個三角波上升段或下降段)或偵測訊號TS2的一個週期(即，對應一個鋸齒波)。以圖5為例，最下方的控制訊號TXSC、RXSC為每個偵測訊號TS2的週期切換成另一組收發搭配組合。一個訊框週期包括四個收發週期。例如，時序上排列的第一收發週期、第二收發週期、第三收發週期及第四收發週期。選擇電路16的切換電路161、162依據一或多個控制訊號，在第一收發週期選擇發射天線TX1與接收天線RX1(對應於「TX1+RX1」的收發配對組合TRC)，在第二收發週期選擇發射天線TX1與接收天線RX2(對應於「TX1+RX2」的收發配對組合TRC)，在第三收發週期選擇發射天線TX2與接收天線RX1(對應於「TX2+RX1」的收發配對組合TRC)，以及在第四收發週期選擇發射天線TX2與接收天線RX2(對應於「TX2+RX2」的收發配對組合TRC)。

然而，收發週期與偵測訊號的週期還可能成其他比例。

在一實施例中，在一個訊框時間內，不同時間(例如，不同收發週期)下依據一或多個控制訊號所執行的多個收發搭配組合對應至多個分時回波訊號。「分時」代表，不同時間下接收天線RX1、RX2輪流「分時」接收回波訊號。分時回波訊號包含這訊框時間中的不同時間(例如，不同收發週期)下所接收的回波訊號。以圖5為例，一個訊框時間包括四個收發週期(對應於最下方的控制訊號TXSC、RXSC)，且任一個收發週期下所收到的回波訊號稱為分時回波訊號。

在一實施例中，這些分時回波訊號中至少兩組時序上相 鄰的兩分時回波訊號之間的相位差相等。具體而言，圖6A是依據本發明一實施例的天線配置、發射角及到達角的示意圖。請參照圖4A及圖6A，發射天線TX1、發射天線TX2、接收天線RX1與接收天線RX2在空間上沿同一方向(例如圖面水平方向)排列成一列，圖4A的間距L1為圖6A的距離2d，且圖4A的間距L2為圖6A的距離d。即，間距L1為間距L2的2倍。因此，發射天線TX1與發射天線TX2到達(外部)物件O的距離相差2dsin θ，且物件O到達接收天線RX1與接收天線RX2的距離相差dsin θ。到達角θ為物件O相對於雷達裝置10、20、30的角度。

兩發射天線TX1、TX2及兩接收天線RX1、RX2可形成4種收發搭配組合，每個收發搭配組合包括兩發射天線TX1、TX2的其中一者與兩接收天線RX1、RX2的其中一者的組合。例如，圖5所示的「TX1+RX1」、「TX1+RX2」、「TX2+RX1」及「TX2+RX2」。

不同收發週期內所收到的分時回波訊號具有距離上的差異。如圖6A所示的dsin θ。這距離上的差異可形成一種虛擬天線配置。圖6B是依據本發明一實施例的天線配置與等效虛擬天線的示意圖。請參照圖6B，若兩發射天線TX1、TX2之間的間距L1(例如，距離2d)為兩接收天線RX1、RX2之間的間距L2(例如，距離d)的2倍或兩接收天線RX1、RX2之間的間距L2(例如，距離2d)為兩發射天線TX1、TX2之間的間距L1(例如，距離d)的2倍，則這些發射天線TX1、TX2與接收天線RX1、RX2等效於沿同一方向(例如圖面水平方向)排列的虛擬發射天線vTX1、虛擬接收天線 vRX1、虛擬接收天線vRX2、虛擬接收天線vRX3與虛擬接收天線vRX4，且虛擬接收天線vRX1與虛擬接收天線vRX2之間具有第一虛擬間距(例如，距離d)、虛擬接收天線vRX2與虛擬接收天線vRX3之間具有第二虛擬間距(例如，距離d)、以及該第三虛擬接收天線與虛擬接收天線vRX4之間具有第三虛擬間距(例如，距離d)。此外，第一虛擬間距、第二虛擬間距與第三虛擬間距相等。例如，皆為距離d。d可以是偵測訊號的波長的一半，但不以此為限。

因此，在第一個時間(例如，第一個收發週期)，由虛擬發射天線vTX1至虛擬接收天線vRX1的分時回波訊號會有一個距離上的相位。在第二個時間(例如，第二個收發週期)，由虛擬發射天線vTX1至虛擬接收天線vRX2的分時回波訊號的傳遞距離相較於第一個時間的分時回波訊號的傳遞距離多一個距離dsin θ。上述兩分時回波訊號的相位上相差。依此類推，在第三個時間(例如，第三個收發週期)，由虛擬發射天線vTX1至虛擬接收天線vRX3的分時回波訊號的傳遞距離相較於第二個時間的分時回波訊號的傳遞距離多一個距離dsin θ；在第四個時間(例如，第四個收發週期)，由虛擬發射天線vTX1至虛擬接收天線vRX4的分時回波訊號的傳遞距離相較於第三個時間的分時回波訊號的傳遞距離多一個距離dsin θ。因此，在四個時間(例如，四個收發週期)所收到的四個分時回波訊號中在時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差為。這些相鄰分時回波訊號的相位差可定義成一個均勻線性陣列(Uniform Linear Array，ULA)的向量a(θ)：

此外，當兩發射天線TX1、TX2之間的間距L1(例如，2d)為兩接收天線RX1、RX2之間的間距L2(例如，d)的2倍時，這些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號到達對應虛擬接收天線的距離之間的距離差(例如，dsin θ)與兩接收天線RX1、RX2之間的間距L2(例如，d)的比值為sin θ，或者，當兩接收天線RX1、RX2之間的間距L2(例如，2d)為兩發射天線TX1、TX2之間的間距L1(例如，d)的2倍，這些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號到達對應虛擬接收天線的距離之間的距離差(例如，dsin θ)與兩發射天線TX1、TX2之間的間距L1(例如，d)的比值為sin θ。其中，且到達角θ為外部物件相對於雷達裝置10、20、30的角度。

圖6C是依據本發明另一實施例的天線配置與等效虛擬天線的示意圖。請參照圖4A及圖6C，若兩發射天線TX1、TX2之間的間距L1(例如，距離d)相同於兩接收天線RX1、RX2之間的間距L2(例如，距離d)，則這些發射天線TX1、TX2與接收天線RX1、RX2等效於沿同一方向(例如圖面水平方向)排列的虛擬發射天線vTX1、虛擬接收天線vRX1、虛擬接收天線vRX2與虛擬接收天線vRX3，且虛擬接收天線vRX1與虛擬接收天線vRX2之間具有第一虛擬間距(例如，距離d)、以及虛擬接收天線vRX2與虛擬接收天線vRX3之間具有第二虛擬間距(例如，距離d)。此外，第一虛擬間距與第二虛擬間距相等。例如，皆為距離d。d可以是 偵測訊號的波長的一半，但不以此為限。

同理地，在第一個時間(例如，第一個收發週期)，由虛擬發射天線vTX1至虛擬接收天線vRX1的分時回波訊號會有一個距離上的相位。在第二個時間(例如，第二個收發週期)，由虛擬發射天線vTX1至虛擬接收天線vRX2的分時回波訊號的傳遞距離相較於第一個時間的分時回波訊號的傳遞距離多一個距離dsin θ。在第三個時間(例如，第三個收發週期)，由虛擬發射天線vTX1至虛擬接收天線vRX3的分時回波訊號的傳遞距離相較於第二個時間的分時回波訊號的傳遞距離多一個距離dsin θ。因此，在三個時間(例如，三個收發週期)所收到的三個分時回波訊號中在時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差為。這些相鄰分時回波訊號的相位差可定義成一個均勻線性陣列的向量a2(θ)：

圖7A是依據本發明第三實施例的天線配置的示意圖。請參照圖7A，多個發射天線12包括位於X-Y/Y-X平面的兩個發射天線TX1、TX2。兩發射天線TX1、TX2之間具有間距L3(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。多個接收天線13包括位於X-Y/Y-X平面的兩個接收天線RX1、RX2。兩接收天線RX1、RX2之間具有間距L4(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。發射天線TX1、TX2沿平行於X-Y平面的X軸或沿平行於Y-X平面的Y軸的方向排列。而接收天線RX1、RX2沿平行於X-Y平面的Y軸或沿平行於Y-X平面的X 軸的方向排列。即，發射天線TX1、TX2及接收天線RX1、RX2沿相互垂直的方向排列。在圖7A的實施例中，接收天線RX1、RX2不與發射天線TX1或TX2對齊，如此一來，發射天線TX1、TX2及接收天線RX1、RX2例如是呈現為T字型的排列方式。

圖7B是依據本發明第四實施例的天線配置的示意圖。請參照圖7B，多個發射天線12包括位於X-Y/Y-X平面的兩個發射天線TX1、TX2。兩發射天線TX1、TX2之間具有間距L5(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。多個接收天線13包括位於X-Y/Y-X平面的兩個接收天線RX1、RX2。兩接收天線RX1、RX2之間具有間距L6(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。發射天線TX1、TX2沿平行於X-Y平面的Y軸或沿平行於Y-X平面的X軸的方向排列。而接收天線RX1、RX2沿平行於X-Y平面的X軸或沿平行於Y-X平面的Y軸的方向排列。即，發射天線TX1、TX2及接收天線RX1、RX2沿相互垂直的方向排列。在圖7B的實施例中，接收天線RX1、RX2可與發射天線TX1在同一方向上排列，如此一來，發射天線TX1、TX2及接收天線RX1、RX2例如是呈現為L字型的排列方式。

圖8是依據本發明一實施例的天線配置、發射角及到達角的示意圖。請參照圖8，雷達裝置20、30可透過發射天線TX1向外部物件(又稱為目標)發射傳送訊號。接收天線RX1、RX2接收從外部物件反射而來的回波訊號。假設在X-Z平面上，兩接收天 線RX1、RX2間隔距離d(例如，偵測訊號的波長的一半)，其中，相較於接收天線RX1，接收天線RX2更遠離發射天線TX1。因此，由發射天線TX1經外部物件並抵達接收天線RX1的往返距離與由發射天線TX1經外部物件並抵達接收天線RX2的往返距離相差dsin φ。dsin φ的距離差異將反映在兩接收天線RX1、RX2的回波訊號之間的相位差，並可據以估測出到達角φ。也就是說，相較於圖4A及圖4B的天線配置，圖7A及圖7B的天線配置還能感測另一維度的位置資訊(例如，距離、方位(即，到達角φ))。

圖9是依據本發明一實施例的偵測訊號TS1、TS2的週期及天線切換的示意圖。請參照圖9，偵測訊號例如為連續波訊號，並以啁啾訊號的形式表現，其中範例的偵測訊號TS1為三角波。或者，另一範例的偵測訊號TS2為鋸齒波。一個訊框時間包括四個收發週期。每個收發週期例如可包括偵測訊號TS1的兩個週期，或者可包括偵測訊號TS2的四個週期。

同理地，選擇電路16的切換電路161、162用以依據一或多個控制訊號在訊框時間中分別在每個收發週期僅選擇多個發射天線12(在本實施例中也就是發射天線TX1、TX2)中的一者來發射傳送訊號，以及在訊框時間中分別在每個收發週期僅選擇多個接收天線13(在本實施例中也就是接收天線RX1、RX2)中的一者來接收回波訊號。也就是說，在一個收發週期內，選擇電路16的切換電路161僅導通/選擇一個發射天線12(即選擇TX1或TX2)，也就是，中斷發射電路11傳送至其他發射天線的訊號，且選擇電 路16的切換電路162僅導通/選擇/使用一個接收天線13(即選擇接收天線RX1或RX2)，也就是，中斷其他接收天線傳送至接收電路14的訊號。在這一個收發週期中受導通/選擇/使用的發射天線12(TX1或TX2)及接收天線13(RX1或RX2)即形成一個收發搭配組合。

在一實施例中，在第二操作模式下，訊框時間包括四個收發週期。這四個收發週期包括第一收發週期、第二收發週期、第三收發週期及第四收發週期。這些收發週期分別對應於多個收發搭配組合TRC。一個收發週期對應於一個收發搭配組合TRC。選擇電路16的切換電路161、162依據一或多個控制訊號TXSC、RXSC，在第一收發週期選擇發射天線TX1與接收天線RX1(對應於「TX1+RX1」的收發配對組合TRC)，在第二收發週期選擇發射天線TX1與接收天線RX2(對應於「TX1+RX2」的收發配對組合TRC)，在第三收發週期選擇發射天線TX2與接收天線RX2(對應於「TX2+RX2」的收發配對組合TRC)，以及在第四收發週期選擇發射天線TX2與接收天線RX1(對應於「TX2+RX1」的收發配對組合TRC)。在其他實施例中，依據元件配置、訊號傳輸或資料運算等需求，上述四個收發週期的操作在時序上也可以調換順序。

藉此，發射天線TX1、TX2輪流分時發射傳送訊號，接收天線RX1、RX2輪流分時接收回波訊號，並據以達到一個發射天線與四個接收天線的效果。

圖10A是依據本發明第五實施例的天線配置的示意圖。 請參照圖10A，多個發射天線12包括位於X-Y/Y-X平面的兩個發射天線TX1、TX2。兩發射天線TX1、TX2之間具有間距L7(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。多個接收天線13包括位於X-Y/Y-X平面的兩個接收天線RX1、RX2。兩接收天線RX1、RX2之間具有間距L8(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。發射天線TX1、TX2及接收天線RX1、RX2皆沿平行於X-Y平面的X軸或沿平行於Y-X平面的Y軸的方向排列。即，發射天線TX1、TX2及接收天線RX1、RX2沿同一方向排列。相較於發射天線TX2，發射天線TX1更接近接收天線RX1、RX2；並且，相較於接收天線RX2，接收天線RX1更接近發射天線TX1、TX2。在平行於X-Y平面的Y軸或沿平行於Y-X平面的X軸的方向上，發射天線TX1/TX2與接收天線RX1/RX2之間的距離為零(即，沿平行於X-Y平面的X軸或沿平行於Y-X平面的Y軸的假想直線排列)。在一實施例中，間距L7為間距L8的2倍。在其他實施例中，依據使用情境的需求，間距L7與間距L8還可能成其他比例。

與圖4A的實施例之間的不同處在於，圖10B是圖10A的輻射場型的示意圖，請參照圖10B，發射天線TX1所形成的波束場型B1與發射天線TX2所形成的波束場型B2不相同。如圖所示，波束場型B1略朝圖面左下方，且波束場型B2略朝圖面右下方。然而，波束場型的形狀及朝向仍可依據實際需求而調整。

圖11A是依據本發明第六實施例的天線配置的示意圖。 請參照圖11A，多個接收天線13包括位於X-Y/Y-X平面的兩個接收天線RX1、RX2。兩接收天線RX1、RX2之間具有間距L9(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。多個發射天線12包括位於X-Y/Y-X平面的兩個發射天線TX1、TX2。兩發射天線TX1、TX2之間具有間距L10(例如，偵測訊號的波長的一半或相同於波長，但不以此為限)。發射天線TX1、TX2及接收天線RX1、RX2皆沿平行於X-Y平面的X軸或沿平行於Y-X平面的Y軸的方向排列。在平行於X-Y平面的Y軸或沿平行於Y-X平面的X軸的方向上，發射天線TX1/TX2與接收天線RX1/RX2之間具有間距(可依據設計者需求而定義)。如圖11A所示，相較於發射天線TX1/TX2，天線RX1/RX2例如是更遠離平行於X-Y平面的X軸或Y-X平面的Y軸。在一實施例中，間距L10為間距L9的2倍。在其他實施例中，依據使用情境的需求，間距L9與間距L10還可能成其他比例。

與圖4A的實施例之間的不同處在於，圖11B是圖11A的輻射場型的示意圖，請參照圖11B，發射天線TX1所形成的波束場型B3、B4與發射天線TX2所形成的波束場型(例如，全向)不相同。如圖所示，波束場型B3略朝圖面左下方，且波束場型B3呈瘦長狀，涵蓋範圍較遠較窄，而波束場型B4略朝圖面右方，且波束場型B4呈扁胖狀，涵蓋範圍較近較寬。然而，波束場型的形狀及朝向仍可依據實際需求而調整。

須說明的是，圖10A及圖11A可適用於圖9所示的第二 操作模式，於此不再贅述。藉此，可達成輻射場型的多樣性。

圖12是依據本發明一實施例的雷達裝置40的元件方塊圖。請參照圖12，與圖1的雷達裝置10之間的不同處在於雷達裝置40更包括I/Q(同相/正交)檢測電路173。檢測電路173耦接接收電路14。例如，檢測電路173可接收圖2A或圖2B的接收電路14中的類比至數位轉換器ADC所輸出的基頻訊號DO。

分別經由兩接收天線13(例如，圖2A或圖2B的接收天線RX1、RX2)所得出的中頻訊號(例如，圖2A或圖2B的混波器RXMIX的輸出訊號)的頻率為f _IF1=f _IF2=｜f _RF -f _LO ｜，且其相位分別為及。其中，且，f _IF1為接收天線RX1對應的中頻訊號的頻率，f _IF2為接收天線RX2對應的中頻訊號的頻率，f _RF 為射頻訊號的頻率，f _LO 為偵測訊號的頻率，為接收天線RX1對應的中頻訊號的相位，為接收天線RX2對應的中頻訊號的相位，為接收天線RX1對應的射頻訊號的相位，為接收天線RX2對應的射頻訊號的相位，為偵測訊號的相位，為射頻訊號的相位，且為中頻訊號的相位(可選地，並可在相對短距離的偵測下忽略)。接著，檢測電路173可對中頻訊號經另一個伴隨著I/Q格式的下變頻，即可決定其相位資訊。或者，針對FMCW訊號，可透過進行快速傅立葉轉換，而基於時間延遲取得相位資訊。

值得注意的是，發射天線TX1/TX2及接收天線RX1/RX2 的相位誤差可透過既有的中頻自洩漏(IF self leakage)量測，且可儲存這相位誤差以供相位誤差補償。以圖2A為例，透過接收端迴送(loopback)架構來模擬洩漏情況，並透過修正電路IFA-2對混波器RXMIX所輸出的中頻訊號使用對應於洩漏情況的相位之弦波訊號進行修正，以降低相位誤差。

圖13是依據本發明一實施例的空間資訊決定的流程圖。請參照圖13，雷達裝置10、20、30、40可發射傳送訊號(步驟1310)。依據圖4A、圖4B、圖7A、圖7B、圖10A及圖11A的天線配置及對應的操作模式(例如，上述第一操作模式及第二操作模式)，選擇對應收發搭配組合中的發射天線12發射傳送訊號，選擇對應收發搭配組合中的接收天線13接收回波訊號，並據以建立虛擬收發組合(步驟1320)。虛擬收發組合例如是圖6B及圖6C所示的虛擬發射天線vTX1及虛擬接收天線vRX1~vRX4或虛擬接收天線vRX1~vRX3的組合。也就是，透過實體的兩發射天線TX1、TX2及兩接收天線RX1、RX2搭配分時的多個收發搭配組合達成是一個虛擬發射天線與四個虛擬接收天線的虛擬收發組合或一個虛擬發射天線與三個虛擬接收天線的虛擬收發組合。

接著，雷達裝置10、20、30、40可將每個分時回波訊號轉換成頻譜資訊，以決定距離資訊(步驟1330)。針對不同收發期間對應的分時回波訊號可產生不同的射頻訊號，接收電路14可依據偵測訊號及這些不同的射頻訊號產生對應的內部訊號(例如，上述基頻訊號DO)。

以包括四個收發週期的訊框為例，接收電路14可對應第一收發週期產生第一內部訊號，接收電路14可對應第二收發週期產生第二內部訊號，接收電路14可對應第三收發週期產生第三內部訊號，且接收電路14可對應第四收發週期產生第四內部訊號。

以包括三個收發週期的訊框為例，接收電路14可對應第一收發週期產生第一內部訊號，接收電路14可對應第二收發週期產生第二內部訊號，且接收電路14可對應第三收發週期產生第三內部訊號。

圖14是依據本發明一實施例的訊號處理的示意圖。請參照圖14，雷達裝置10~40更可包括運算處理器50。運算處理器50例如可耦接圖1、圖2A或圖2B的接收電路14。以圖2A及圖2B為例，運算處理器50耦接接收電路14中的類比至數位轉換器ADC，並接收基頻訊號DO。運算處理器50可以是晶片、處理器、微控制器、特殊應用積體電路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)、或任何類型的數位電路。須說明的是，圖14中示意的切換電路161與運算處理器50之間省略發射電路11，切換電路162與運算處理器50之間省略接收電路114。其中，x _0,n (t)是經由接收天線RX1所接收的回波訊號(時域)，x _1,n (t)是經由接收天線RX2所接收的回波訊號(時域)，v _n (m)為基頻訊號(時域)(即，內部訊號)，FFT代表快速傅立葉轉換，且V _n (k)為基頻訊號(頻域)。此外，u _0,n (k)為對應於接收天線RX1的基頻訊號(頻域)，u _1,n (k)為對應於接收天線RX2的基頻訊號(頻域)。運算處理器50對基頻訊號u _0,n (k)、 u _1,n (k)分別進行高通濾波處理，以取正頻率部分(0ω<π)的基頻訊號S _0,n (k)、S _1,n (k)。接著，運算處理器50對基頻訊號S _0,n (k)、S _1,n (k)進行共軛運算、乘積及線性組合，以得出評估訊號Y _0,n (k)、Y _1,n (k)。

在一實施例中，針對包括四個收發週期的訊框(即，對應於分時的四個收發搭配組合)，運算處理器50可依據第一內部訊號、第二內部訊號、第三內部訊號及第四內部訊號決定外部物件的空間資訊。在另一實施例中，針對包括三個收發週期的訊框(即，對應於分時的三個收發搭配組合)，運算處理器50可依據第一內部訊號、第二內部訊號及第三內部訊號決定外部物件的空間資訊。

在一實施例中，外部物件的空間資訊包括距離資訊。運算處理器50可透過快速傅立葉轉換、離散傅立葉轉換(Discrete Fourier Transform，DFT)或其他時域至頻域轉換取得不同內部訊號對應的基頻訊號DO的頻譜資訊。頻譜資訊的振幅對應於距離資訊。頻譜資訊以功率頻譜圖為例，假設回波訊號是透過一個外部物件反射所得，則每一個內部訊號在這外部物件的位置(或與這外部物件的距離)上會有一個峰值。

以四個收發搭配組合為例，若有K個外部物件(K為正整數)位於相同位置(即，相同拍頻(beat frequency)，且拍頻所在頻率為頻譜中的峰值所在位置)，則對應於四個收發搭配組合的內部訊號依序經時域至頻域轉換(例如，離散或快速傅立葉轉換)、共軛運算、乘積及線性組合所得出的評估訊號、、 、分別為：

，其中ω ^(B)為拍頻(假設位於相同距離，故其值相同)，A為關聯於外部物件的反射功率的振幅，R為外部物件與發射天線12或接收天線13的距離(可作為距離資訊，如圖6A所示)，θ為外部物件相對於接收天線13的角度，H₀(ω)、H₁(ω)為，M為一個偵測訊號的週期內的取樣訊號的個數，E(θ)為天線波束的輻射場型對應參數，N₀及N₁為雜訊，Y_0,t1為在收發週期t1經由接收天線RX1所得出的內部訊號，Y_1,t2為在收發週期t2經由接收天線RX2所得出的內部訊號，Y_0,t3為在收發週期t3經由接收天線RX1所得出的內部訊號，且Y_1,t4為在收發週期t4經由接收天線RX2所得出的內部訊號。

上述公式(5)~(8)可轉換成矩陣形式： ，其中，a(θ)= ，n為雜訊。藉此，運算處理器 50可估算出距離R，並據以得出距離資訊。而由於本實施例的方法將分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差設定為相等，因此使得運算更為簡潔方便，減少運算處理器50的運算時間，提升雷達裝置10~40的效率。

另一方面，運算處理器50可透過設定振幅臨界值決定是否有外部物件的存在(步驟1340)，並據以決定外部物件的數量(步驟S1350)。在一實施例中，可依據頻譜資訊決定一或多個外部物件的數量。頻譜資訊以功率頻譜圖為例，若任一個距離對應的峰值大於振幅臨界值，則決定有一個外部物件的存在。分別決定對應於不同距離的峰值是否大於振幅臨界值，並統計大於振幅臨界值的所有峰值的數量。這些大於振幅臨界值的峰值的數量即可作為外部物件的數量。

此外，運算處理器50可將多個分時回波訊號轉換成空間譜資訊，以決定方位資訊(步驟1360)。空間譜資訊中的一個峰值對應於方位資訊，且空間資訊包括方位資訊。方位資訊例如是上述到達角θ或到達角φ。以公式(9)為例，其共變異數矩陣(covariance matrix)可表示為： ，其中σ²為雜訊的變異數(或稱雜訊功率)，I為單位矩陣。藉此，運算處理器50可估算出第1至第K外部物件的到達角θ₁~θ _K ，並據以得出方位資訊。

以K=2(即，兩個外部物件)為例， ，θ₁、θ₂分別為對應兩個外部物件的方位資訊(例如，到達角)。

到達角(AoA)估算演算法例如是多重訊號分類演算法(Multiple Signal Classification Algorithm，MUSIC)、根值多重訊號分類演算法(Root-MUSIC algorithm)或是旋轉不變技術訊號參數估測(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques，ESPRIT)演算法。

以MUSIC為例，假設K=1(即，一個外部物件)，公式(10)可轉換成：

4×4的對稱矩陣H具有一個正特徵值(eigenvalue)λ₁。定義q ₁為對應於特徵值λ₁的特徵向量(eigenvector)，可得出：H．q₁=λ₁．q₁...(13)，其中在訊號空間中R_uu對應於特徵向量q ₁的最大特徵值為(λ₁+ σ²)。

定義其他特徵值λ₂、λ₃、λ₄，並賦予相同雜訊的變異數σ²，則其對應特徵向量q ₂、q ₃、q ₄可滿足：H．[q₂ q₃ q₄]=[0 0 0]...(14)，其中a^H(θ₁)．[q₂ q₃ q₄]=[0 0 0]。

這些特徵向量q ₂、q ₃、q ₄位於訊號的空空間(null space)。將這些與向量a(θ)內積：L(θ)=｜a^H(θ)．[q₂ q₃ q₄]｜²...(15)。

定義評估函數L(θ)在θ=θ₁時的值為0，其特徵集合(eigenspectrum)可定義成： ，且S(θ)在θ=θ₁時有峰值。

圖15是依據本發明一實施例的訊號收發方法的流程圖。請參照圖1及圖15，依據偵測訊號產生傳送訊號(步驟S1510)，其中偵測訊號具有週期性變化。例如，圖5的偵測訊號TS1以頻率變化來呈現為三角波，而偵測訊號TS2以頻率變化來呈現為鋸齒波。又例如，偵測訊號為週期性的脈衝訊號。依據偵測訊號的週期產生一或多個控制訊號(步驟S1520)。例如，圖5或圖9所示的控制訊號TSSC、RXSC。依據一或多個控制訊號選擇多個發射天線的其中一者來發射傳送訊號，以及選擇多個接收天線的其中一者來接收回波訊號以產生射頻訊號(步驟S1530)。回波訊號是傳送訊後受外部物件反射而產生的。依據偵測訊號及射頻訊號產生內部 訊號(步驟S1540)。

在一實施例中，在一個訊框時間內，不同時間(例如，不同收發週期)下依據一或多個控制訊號所執行的多個收發搭配組合對應至多個分時回波訊號。每個收發搭配組合包括多個發射天線12的其中一者與多個接收天線13的其中一者的組合。例如，圖5所示的「TX1+RX1」、「TX1+RX2」、「TX2+RX1」及「TX2+RX2」。分時回波訊號包含這訊框時間中的不同時間(例如，不同收發週期)下所接收的回波訊號。這些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差相等。例如，相位差為。

關於圖15中的各步驟的實施細節在前述的實施例及實施方式都有詳盡的說明，於此不再贅述。除了以電路的形式實施，本發明實施例的各步驟與實施細節亦可由處理器以軟體的方式實施，本發明實施例並不加以限制。

綜上所述，在本發明實施例的雷達裝置及訊號收發方法中，透過分時的收發搭配組合依序收發訊號。應用於兩個發射天線及兩個接收天線的架構，可達成一個虛擬發射天線及三個虛擬接收天線或一個虛擬發射天線及四個虛擬接收天線的效果。藉此，可降低功耗，減少天線架構或晶片的尺寸，且降低相位誤差。相較於一個發射天線及兩個接收天線的架構，還能明確辨識相對於接收天線為相同距離的不同外部物件。此外，在分時使用多個發射天線及同時使用多個接收天線的實施例中，也能達到降低部分功耗及減少部分天線架構或晶片的尺寸的功效。再者，將分時回波訊號中 至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差設定為相等的實施例中，可使運算更為簡潔方便，減少運算時間，提升雷達裝置的效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10: 雷達裝置 11: 發射電路 12: 發射天線 13: 接收天線 14: 接收電路 15: 選擇控制器 16: 選擇電路

Claims (20)

1. 一種雷達裝置，包括： 一發射電路，用以依據一偵測訊號產生一傳送訊號，其中該偵測訊號具有週期性變化； 多個發射天線，用以發射該傳送訊號； 多個接收天線，用以接收一回波訊號，其中該回波訊號是該傳送訊號受一外部物件反射而產生的； 一接收電路，用以依據該偵測訊號及一射頻訊號產生一內部訊號； 一選擇控制器，耦接該發射電路，並用以依據該偵測訊號的週期產生一或多個控制訊號；以及 一選擇電路，耦接該些發射天線、該些接收天線、該發射電路、該接收電路及該選擇控制器，並用以依據該選擇控制器所產生的該一或多個控制訊號選擇該些發射天線的其中一者來發射該傳送訊號，以及選擇該些接收天線的其中一者來接收該回波訊號以產生該射頻訊號；其中 在一訊框時間內，不同時間下依據該一或多個控制訊號所執行的多個收發搭配組合對應至多個分時回波訊號，該些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差相等，其中該些分時回波訊號包含該訊框時間中的不同時間下所接收的該回波訊號，每個該收發搭配組合包括該些發射天線的其中一者與該些接收天線的其中一者的組合。
2. 如申請專利範圍第1項所述的雷達裝置，其中該訊框時間包括多個收發週期，該些收發週期分別對應該些收發搭配組合，該些收發週期對應於該偵測訊號的週期，該選擇電路用以依據該一或多個控制訊號在該訊框時間中分別在每個該收發週期僅選擇該些發射天線中的一者來發射該傳送訊號，以及在該訊框時間中分別在每個該收發週期僅選擇該些接收天線中的一者來接收該回波訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述的雷達裝置，其中該些發射天線與該些接收天線沿同一方向排列。
4. 如申請專利範圍第3項所述的雷達裝置，其中該些發射天線包括一第一發射天線及一第二發射天線，該些接收天線包括一第一接收天線及一第二接收天線，該第一發射天線與該第二發射天線之間具有一第一間距，該第一接收天線與該第二接收天線之間具有一第二間距，該第一間距為該第二間距的2倍或該第二間距為該第一間距的2倍。
5. 如申請專利範圍第4項所述的雷達裝置，其中該第一發射天線、該第二發射天線、該第一接收天線與該第二接收天線等效產生沿同一方向排列的一第一虛擬發射天線、一第一虛擬接收天線、一第二虛擬接收天線、一第三虛擬接收天線與一第四虛擬接收天線，且該第一虛擬接收天線與該第二虛擬接收天線之間具有一第一虛擬間距、該第二虛擬接收天線與該第三虛擬接收天線之間具有一第二虛擬間距、以及該第三虛擬發射天線與該第四虛擬接收天線之間具有一第三虛擬間距，該第一虛擬間距、該第二虛擬間距與第三虛擬間距相等。
6. 如申請專利範圍第5項所述的雷達裝置，其中當該第一間距為該第二間距的2倍，該些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號到達對應的虛擬接收天線的距離之間的距離差與該第二間距的比值為sinθ，或者，當該第二間距為該第一間距的2倍，該些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號到達對應的虛擬接收天線的距離之間的距離差與該第一間距的比值為sinθ，其中θ為該外部物件相對於該雷達裝置的角度。
7. 如申請專利範圍第4項所述的雷達裝置，其中該第一發射天線、該第二發射天線、該第一接收天線與該第二接收天線在空間上依序沿同一方向排列成一列，該訊框時間包括時序上排列的一第一收發週期、一第二收發週期、一第三收發週期及一第四收發週期，該選擇電路用以依據該一或多個控制訊號在該第一收發週期選擇該第一發射天線與該第一接收天線，在該第二收發週期選擇該第一發射天線與該第二接收天線，在該第三收發週期選擇該第二發射天線與該第一接收天線，以及在該第四收發週期選擇該第二發射天線與該第二接收天線。
8. 如申請專利範圍第7項所述的雷達裝置，還包括一運算處理器，耦接該接收電路，其中該接收電路對應該第一收發週期產生一第一內部訊號，該接收電路對應該第二收發週期產生一第二內部訊號，該接收電路對應該第三收發週期產生一第三內部訊號，該接收電路對應該第四收發週期產生一第四內部訊號，該內部訊號包括該第一內部訊號、該第二內部訊號、該第三內部訊號及該第四內部訊號，該運算處理器用以依據該第一內部訊號、該第二內部訊號、該第三內部訊號及該第四內部訊號決定該外部物件的一空間資訊。
9. 如申請專利範圍第3項所述的雷達裝置，其中該些發射天線包括一第一發射天線及一第二發射天線，該些接收天線包括一第一接收天線及一第二接收天線，該第一發射天線與該第二發射天線之間具有一第一間距，該第一接收天線與該第二接收天線之間具有一第二間距，該第一間距相同於該第二間距，其中該第一發射天線、該第二發射天線、該第一接收天線與該第二接收天線等效產生沿同一方向排列的一第一虛擬發射天線、一第一虛擬接收天線、一第二虛擬接收天線與一第三虛擬接收天線，且該第一虛擬接收天線與該第二虛擬接收天線之間具有一第一虛擬間距、以及該第二虛擬接收天線與該第三虛擬接收天線之間具有一第二虛擬間距，該第一虛擬間距與該第二虛擬間距相等。
10. 如申請專利範圍第1項所述的雷達裝置，還包括： 一頻率合成器，用以產生該偵測訊號，該偵測訊號為載波訊號，其中該選擇控制器藉由該頻率合成器耦接該發射電路；或者 一脈衝產生器，用以產生該偵測訊號，該偵測訊號為脈衝訊號，其中該選擇控制器藉由該脈衝產生器耦接該發射電路。
11. 一種訊號收發方法，包括 依據一偵測訊號產生一傳送訊號，其中該偵測訊號具有週期性變化； 依據該偵測訊號的週期產生一或多個控制訊號； 依據該一或多個控制訊號選擇多個發射天線的其中一者來發射該傳送訊號，以及選擇多個接收天線的其中一者來接收一回波訊號以產生一射頻訊號，其中該回波訊號是該傳送訊號受一外部物件反射而產生的；以及 依據該偵測訊號及該射頻訊號產生一內部訊號；其中 在一訊框時間內，不同時間下依據該一或多個控制訊號所執行的多個收發搭配組合對應至多個分時回波訊號，該些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號之間的相位差相等，其中該些分時回波訊號包含該訊框時間中的不同時間下所接收的該回波訊號，每個該收發搭配組合包括該些發射天線的其中一者與該些接收天線的其中一者的組合。
12. 如申請專利範圍第11項所述的訊號收發方法，其中該訊框時間包括多個收發週期，該些收發週期分別對應該些收發搭配組合，該些收發週期對應於該偵測訊號的週期，且其中依據該一或多個控制訊號選擇該些發射天線的其中一者來發射該傳送訊號，以及選擇該些接收天線的其中一者來接收該回波訊號的步驟包括： 依據該一或多個控制訊號在該訊框時間中分別在每個該收發週期僅選擇該些發射天線中的一者來發射該傳送訊號，以及在該訊框時間中分別在每個該收發週期僅選擇該些接收天線中的一者來接收該回波訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述的訊號收發方法，還包括將該些發射天線與該些接收天線沿同一方向排列。
14. 如申請專利範圍第13項所述的訊號收發方法，其中該些發射天線包括一第一發射天線及一第二發射天線，該些接收天線包括一第一接收天線及一第二接收天線，該第一發射天線與該第二發射天線之間具有一第一間距，該第一接收天線與該第二接收天線之間具有一第二間距，其中該訊號收發方法還包括使該第一間距為該第二間距的2倍或該第二間距為該第一間距的2倍。
15. 如申請專利範圍第14項所述的訊號收發方法，還包括使該第一發射天線、該第二發射天線、該第一接收天線與該第二接收天線等效產生沿同一方向排列的一第一虛擬發射天線、一第一虛擬接收天線、一第二虛擬接收天線、一第三虛擬接收天線與一第四虛擬接收天線，其中該第一虛擬接收天線與該第二虛擬接收天線之間具有一第一虛擬間距、該第二虛擬接收天線與該第三虛擬接收天線之間具有一第二虛擬間距、以及該第三虛擬發射天線與該第四虛擬接收天線之間具有一第三虛擬間距，該第一虛擬間距、該第二虛擬間距與第三虛擬間距相等。
16. 如申請專利範圍第15項所述的訊號收發方法，還包括當該第一間距為該第二間距的2倍，使該些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號到達對應的虛擬接收天線的距離之間的距離差與該第二間距的比值為sinθ，或者當該第二間距為該第一間距的2倍，使該些分時回波訊號中至少兩組時序上相鄰的兩分時回波訊號到達對應的虛擬接收天線的距離之間的距離差與該第一間距的比值為sinθ，其中θ為該外部物件相對於該雷達裝置的角度。
17. 如申請專利範圍第14項所述的訊號收發方法，其中該第一發射天線、該第二發射天線、該第一接收天線與該第二接收天線在空間上依序沿同一方向排列成一列，該訊框時間包括時序上排列的一第一收發週期、一第二收發週期、一第三收發週期及一第四收發週期，且其中依據該一或多個控制訊號在該訊框時間中分別在每個該收發週期僅選擇該些發射天線中的一者來發射該傳送訊號，以及在該訊框時間中分別在每個該收發週期僅選擇該些接收天線中的一者來接收該回波訊號以產生該射頻訊號的步驟包括： 依據該一或多個控制訊號在該第一收發週期選擇該第一發射天線與該第一接收天線，在該第二收發週期選擇該第一發射天線與該第二接收天線，在該第三收發週期選擇該第二發射天線與該第一接收天線，以及在該第四收發週期選擇該第二發射天線與該第二接收天線。
18. 如申請專利範圍第17項所述的訊號收發方法，還包括： 對應該第一收發週期產生一第一內部訊號，對應該第二收發週期產生一第二內部訊號，對應該第三收發週期產生一第三內部訊號，對應該第四收發週期產生一第四內部訊號，該內部訊號包括該第一內部訊號、該第二內部訊號、該第三內部訊號及該第四內部訊號，用以依據該第一內部訊號、該第二內部訊號、該第三內部訊號及該第四內部訊號決定該外部物件的一空間資訊。
19. 如申請專利範圍第11項所述的訊號收發方法，還包括： 將該些分時回波訊號的每一個轉換成一頻譜資訊，其中該頻譜資訊的振幅對應於一距離資訊，且一空間資訊包括該距離資訊； 依據該頻譜資訊決定一或多個該外部物件的數量；以及 將該些分時回波訊號轉換成一空間譜資訊，其中該空間譜資訊中的一峰值對應於一方位資訊，且該空間資訊包括該方位資訊。
20. 一種雷達裝置，包括： 一發射電路，用以依據一偵測訊號產生一傳送訊號，其中該偵測訊號具有週期性變化； 多個發射天線，用以發射該傳送訊號； 多個接收天線，用以接收一回波訊號，其中該回波訊號是該傳送訊號受一外部物件反射而產生的； 一接收電路，用以依據該偵測訊號及一射頻訊號產生一內部訊號； 一選擇控制器，耦接該發射電路，並用以依據該偵測訊號的週期產生一或多個控制訊號；以及 一選擇電路，耦接該些發射天線、該些接收天線、該發射電路、該接收電路及該選擇控制器，並用以依據該選擇控制器所產生的該一或多個控制訊號選擇該些發射天線的其中一者來發射該傳送訊號，以及選擇該些接收天線的其中一者來接收該回波訊號以產生該射頻訊號；其中 該些發射天線包括一第一發射天線及一第二發射天線，該些接收天線包括一第一接收天線及一第二接收天線，該第一發射天線與該第二發射天線之間具有一第一間距，該第一接收天線與該第二接收天線之間具有一第二間距，該第一間距為該第二間距的2倍或該第二間距為該第一間距的2倍。