TWI909783B - 分時雙工調頻連續波雷達系統及用於分時雙工調頻連續波雷達系統的方法 - Google Patents

Abstract

分時雙工調頻連續波（FMCW）雷達系統包含P個發射電路及M個接收電路。P個發射電路用於發射複數個FMCW訊號，第p個發射電路耦接到單刀Qp擲(SPQpT)射頻開關，SPQpT射頻開關耦接到Qp天線，Qp和P是正整數，且p為不大於P的正整數。M個接收電路用以接收複數個反射的FMCW訊號，第m個接收電路耦接至單刀Nm擲(SPNmT)射頻開關，SPNmT射頻開關耦接至Nm個天線，Nm和M為正整數，m為不大於M的正整數。

Description

分時雙工調頻連續波雷達系統及用於分時雙工調頻連續波雷達系統的方法

本發明涉及一種調頻連續波(frequency modulation continuous wave; FMCW)雷達系統，尤其涉及一種分時雙工(time division duplexed; TDD)的FMCW雷達系統。

調頻連續波(frequency modulation continuous wave; FMCW)雷達系統是一種特殊類型的雷達系統，可測量移動物體的距離和速度。此測量是透過調變訊號在固定時間段內以已知斜率連續改變發射訊號的頻率來實現。 FMCW雷達系統可採用鋸齒波調變、三角波調變、正弦波調變、方波調變、步進調變等多種調頻技術。其中，鋸齒波和三角波調變最廣泛地用於改變FMCW雷達系統的頻率。

FMCW 雷達系統測量發射和接收的回波訊號之間的頻率差（Δf，由電磁波的飛行時間造成）以計算距離，並且還測量物體運動的相位差以計算物體的速度。

在1T1R(一發射天線及一接收天線)的FMCW雷達系統中，發射天線發射FMCW訊號，目標反射的FMCW訊號由接收天線接收。接收天線的輸出透過低雜訊放大器提供給接收電路的混頻器。在混頻器中，發射的FMCW訊號的一部分與反射的FMCW訊號混合，產生中頻(intermediate frequency; IF)訊號，可用以根據頻率差及/或相位差來確定物體的距離及/或速度。其中，IF訊號的頻率是發射的FMCW訊號與反射的FMCW訊號的頻率差。

然而，1T1R的FMCW雷達系統不足以分析物體的角度。複數個發射天線和複數個接收天線為分析物體的方向提供更好的角度資訊。傳統的多發射和多接收天線採用多發射電路和多接收電路，每個發射路徑都有專用的發射電路，每個接收路徑都有專用的接收電路，因此FMCW雷達系統的電路消耗大量的電力並佔用大量的面積。

分時雙工（time division duplexed; TDD）調頻連續波（frequency modulation continuous wave; FMCW）雷達系統包含P個發射電路及M個接收電路。P個發射電路用於發射複數個FMCW訊號，第p個發射電路耦接到單刀Qp擲(single pole Qp throw; SPQpT)射頻(radio frequency; RF)開關，SPQpT射頻開關耦接到Qp天線，Qp和P是正整數，且p為不大於P的正整數。M個接收電路用以接收複數個反射的FMCW訊號，第m個接收電路耦接至單刀Nm擲(single pole Nm throw; SPNmT)射頻開關，此SPNmT射頻開關耦接至Nm個天線，Nm和M為正整數，m為不大於M的正整數。

本發明實施例提供一種用於分時雙工（time division duplexed; TDD）調頻連續波（frequency modulation continuous wave; FMCW）雷達系統的方法。此方法包括透過P個發射電路發射複數個FMCW訊號，透過M個接收電路接收複數個反射的FMCW訊號。其中第p個發射電路耦接到一單刀Qp擲(single pole Qp throw; SPQpT)射頻(Radio Frequency; RF)開關，該SPQpT射頻開關耦接到Qp個天線，Qp及P為正整數，p為不大於P的正整數，第m個接收電路耦接到一單刀Nm擲(single pole Nm throw; SPNmT)射頻開關，該SPNmT射頻開關耦接到Nm個天線，Nm及M是正整數，m是不大於M的正整數。

第1圖係根據本發明實施例的1T1R(一發射天線及一接收天線)調頻連續波（frequency modulation continuous wave; FMCW）雷達系統100的方塊圖。1T1R的FMCW雷達系統100包括振盪器102、功率放大器104、發射天線106、接收天線110、低雜訊放大器112、混頻器114、類比數位轉換器(analog to digital converter; ADC) 116、數位訊號處理(digital signal processing; DSP)處理器118和機器學習(machine learning; ML)處理器120。振盪器102為混頻器114和功率放大器104產生具有鋸齒調變、三角調變、正弦波調變、方波調變或步進調變的FMCW訊號。功率放大器104放大FMCW訊號以產生放大的FMCW訊號並傳到發射天線106。發射天線106使用放大的FMCW訊號來發射一發射訊號以偵測物體108。物體108反射該發射訊號以產生到接收天線110的一反射訊號。接收天線110接收該反射訊號以產生接收訊號並傳至低雜訊放大器112。低雜訊放大器112放大接收訊號以產生放大的接收訊號供混頻器114使用。混頻器114將FMCW訊號與放大的接收訊號混合以產生用於ADC116的中頻(intermediate frequency; IF)訊號。ADC116接收IF訊號並將其轉換為數位原始資料供DSP處理器118使用。DSP處理器118對數位原始資料執行DSP以產生用於ML處理器120的特徵圖。ML處理器120透過ML模型分析特徵圖以產生分析結果。

第2圖係根據本發明實施例的1T1R調頻連續波(FMCW)雷達系統100的測距方法200的示意圖。在本實施例中，FMCW訊號為線性調頻訊號，其頻寬為B，線性調頻週期為T。在第2圖中，由於1T1R的FMCW雷達系統100和物體108之間的距離為R，在發射訊號202和反射訊號204之間存在延遲時間t _d。因此，延遲時間t _d可以被定義如下：

其中c是光速。

在1T1R的FMCW雷達系統100中，透過以下方法計算出延遲時間t _d。由於訊號被調變為線性調頻，所以延遲時間t _d導致發射訊號202和反射訊號204之間的頻率偏移f _b(拍頻)。因此，透過混頻器114將發射訊號202與反射訊號204混頻以產生中頻(IF)訊號206，可以透過DSP處理器118對IF訊號206進行快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform; FFT)來獲得拍頻f _b。線性調頻波的斜率是一個常數，因此延遲時間t _d也可以計算如下：

因此，距離R可以被計算如下：

其中c是光速，f _b是從IF訊號206測量到的拍頻，T是線性調頻的週期，且B是線性調頻的頻寬。

透過使用這個公式，可以確定物體到雷達的距離。如果FMCW雷達系統偵測到複數個不同距離的物體，則中頻訊號的FFT頻譜中會出現多個峰值。每個峰值可以產生一個 的距離，從而DSP處理器118會產生所有物體的對應距離。

另外，FMCW雷達系統100的距離解析度和最大距離可以被DSP處理器118估計如下：

其中c是光速，B是線性調頻的頻寬，T是線性調頻的週期，F _s是類比數位轉換器(ADC)的取樣頻率。因此，可以根據頻寬B來設計距離解析度，並且可以透過ADC的取樣頻率F _s來定義最大偵測距離。

第3圖係根據本發明實施例的1T1R調頻連續波(FMCW)雷達系統100的速度測量方法300的示意圖。發射器發射該發射訊號202中的N個線性調頻訊號，且接收器接收反射訊號204中的N個線性調頻訊號。當物體移動時，IF訊號206在N個線性調頻之間的相位差可以被DSP處理器118計算為：

其中， 是相位差，T是線性調頻的週期，v是物體的速度（方向為遠離雷達系統），λ是FMCW訊號的波長。

因此，計算相位差 就是計算物體的速度v。在第3圖中，IF訊號206可以根據IF取樣資料302所示的線性調頻被DSP處理器118封裝成數據包。每個欄位各自包含一反射訊號204的線性調頻訊號。然後，DSP處理器118對中頻取樣資料302在縱軸(y軸方向)上進行快速傅立葉變換(FFT)，得到頻譜304中物體的距離。頻譜304的橫軸(x軸)表示慢時間，而縱軸(y軸)表示距離。在頻譜304中，可以從FFT運算分析出兩個距離，因此雷達系統偵測到至少有兩個物體。最後，DSP處理器118對橫軸(x軸方向)上的頻譜304進行FFT，得到分析圖306中物體的速度。分析圖306的x軸表示速度，而y軸則表示距離。透過分析圖306的x軸上的相位差，可以如下計算物體的速度：

其中， 為第n個物體的相位差，T為線性調頻的週期，v _n為第n個物體的速度（方向為遠離雷達系統），λ為FMCW訊號的波長。

此外，FMCW雷達系統的速度解析度和最大測量速度可以估計如下：

其中λ是FMCW訊號的波長，T是線性調頻的週期，T _f是多個線性調頻的總測量時間。因此，速度解析度可以根據總測量時間T _f來設計，最大測量速度可以根據線性調頻的週期T來設計。

為了測量物體的角度θ，接收天線的數量應大於1。第4圖係根據本發明實施例的1T2R調頻連續波(FMCW)雷達系統的角度測量方法400的示意圖。在本實施例中，發射天線為一根，接收天線為兩根。由於到達角(angle of arrival; AoA) θ和兩個接收天線之間的距離d，電磁波路徑差為 ，導致接收天線Rx1 402及接收天線Rx2 404之間產生相位差。相位差 可表示為：

其中，λ是FMCW訊號的波長，d是兩個接收天線之間的距離，θ是從物體到FMCW雷達系統的到達角(AoA)。因此，當在分析圖306中獲得物體的距離和速度時，可以計算接收天線Rx1 402及接收天線Rx2 404中的訊號的相位差。接著，到達角（AoA）可由下式計算產生：

對於具有多個接收天線(大於等於2個)的FMCW雷達系統，可以透過DSP處理器118使用FFT運算來分析分析圖306中的訊號的相位差以獲得到達角θ。分析圖306中的峰值代表具有不同速度和距離的物體。對分析圖306中同一峰值的多個接收天線中的訊號應用FFT運算的結果代表了多個接收天線之間的相位差。因此，到達角(AoA)可以用以下式估算：

其中λ是FMCW訊號的波長，d是兩個接收天線之間的距離， 是第n個物體到FMCW雷達系統的到達角(AoA)， 是第n 個物體中兩個接收天線之間的相位差。

另外，多天線FMCW雷達系統的角度解析度和最大測量角度可以估計如下：

其中，λ是FMCW訊號的波長，n是接收天線的數量，d是兩兩接收天線之間的距離，θ是到達角。因此，天線的距離通常設定為λ/2以獲得最大測量角度為90度。而到達角的解析度 主要取決於接收天線的數量及到達角θ。

第5圖係根據本發明實施例的4T4R(四發射天線及四接收天線)分時雙工FMCW雷達系統的射頻前端電路500的示意圖。在本實施例中，射頻前端電路500包括兩個功率放大器502、504，兩個低雜訊放大器506、508，四個單刀雙擲(single pole double throw; SPDT)射頻開關510、512、514、516，四個發射天線Txl、Tx2、Tx3、Tx4 和四個接收天線 Rx1、Rx2、Rx3、Rx4。本發明不限於4T4R，且射頻開關不限於SPDT射頻開關。本發明包括PTMR(P發射M接收)分時雙工FMCW雷達系統，射頻開關可以是SPQT射頻開關，其中P、M、Q皆為正整數。

第6圖係根據本發明實施例的4T4R分時雙工FMCW雷達系統的時序圖600。首先，SPDT射頻開關510耦接到發射天線Tx1，SPDT射頻開關512耦接到發射天線Tx3，SPDT射頻開關514耦接到接收天線Rx1，且SPDT射頻開關516耦接到發射天線Rx3。由兩個發射天線Tx1、Tx3發射的FMCW訊號透過第6圖中的1和-1所表示的二進位相位調變(binary phase modulation; BPM)進行調變。反射訊號Sa及Sb是由發射天線Tx1和Tx3發射的發射訊號的反射訊號S1和S3組合而成的，並且反射訊號Sa'和Sb'係根據由發射天線Tx1和Tx3發射的發射訊號的反射訊號S1'和S3'組合而成的。這些訊號之間的關係可以寫成下式：

因此，接收訊號S1、S3、S1'、S3'可以計算如下式：

採用 BPM 調變的發射天線Tx1及Tx3同時發射訊號的好處是將訊號雜訊比 (signal to noise ratio; SNR) 提高 3dB，而接收天線Rx1和Rx3同時接收反射訊號的好處是可以透過兩個接收天線Rx1和Rx3之間的相位差來估計物體的到達角(AoA)。接著，SPDT射頻開關510耦接到發射天線Tx2，SPDT射頻開關512耦接到發射天線Tx4，SPDT射頻開關514耦接到接收天線Rx1，且SPDT RF開關516耦接到接收天線Rx3。由兩個發射天線Tx2和Tx4發射的FMCW訊號透過第6圖中的1和-1所表示的二進位相位調變(binary phase modulation; BPM)進行調變。反射訊號Sc及反射訊號Sd由發射天線Tx2和Tx4發射的發射訊號的反射訊號S2和S4組合而成，並且反射訊號Sc'和Sd'由發射天線Tx2和Tx4發射的發射訊號的反射訊號S2'和S4'組合而成。他們之間的關係可以寫成下式：

因此，對應的接收訊號S2、S4、S2'、S4'可以計算如下：

接著，SPDT射頻開關510耦接到發射天線Tx1，SPDT射頻開關512耦接到發射天線Tx3，SPDT射頻開關514耦接到接收天線Rx2，且SPDT射頻開關516耦接到接收天線Rx4。兩個發射天線Tx1、Tx3發射的FMCW訊號透過第6圖中的1和-1表示的二進位相位調變(BPM)進行調變。反射訊號Sa和Sb是由發射器天線Tx1和Tx3發射的發射訊號的反射訊號S1和S3組合而成的，並且反射訊號Sa'和Sb'是根據由發射器天線Tx1和Tx3發射的發射訊號的反射訊號S1'和S3'組合而成的。他們之間的關係可以寫成下式：

因此，對應的接收訊號S1、S3、S1'、S3'可以計算如下：

最後，SPDT射頻開關510耦接到發射器天線Tx2，SPDT射頻開關512耦接到發射天線Tx4，SPDT射頻開關514耦接到接收天線Rx2，且SPDT射頻開關516耦接到接收天線Rx4。兩個發射天線Tx2及Tx4發射的FMCW訊號透過第6圖中的1和-1表示的二進位相位調變(BPM)進行調變。反射訊號Sc和Sd由發射天線Tx2和Tx4發射的發射訊號的反射訊號S2和S4組合而成，並且反射訊號Sc'和Sd'由發射天線Tx2和Tx4發射的發射訊號的反射訊號S2'和S4'組合而成。他們之間的關係可以寫成下式：

因此，對應的接收訊號S2、S4、S2'、S4'可以計算如下：

透過對兩個發射訊號應用BPM，SNR可以增加3dB，並且可以透過在兩個接收天線中應用兩個接收訊號來計算到達角AoA。然而，本發明不限於BPM，當P個發射天線同時發射FMCW訊號時，可以對P個發射電路應用P相位調變(P phase modulation; PPM)。

總而言之，與現有技術相比，4T4R分時雙工FMCW雷達系統降低了功耗和電路面積以獲得更好的性能。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100:雷達系統 102:震盪器 104:功率放大器 106:發射天線 108:物體 110:接收天線 112:低雜訊放大器 114:混頻器 116:類比數位轉換器 118:數位訊號處理處理器 120:機器學習處理器 200:測距方法 202:發射訊號 204:反射訊號 206:拍頻訊號 300:速度測量方法 302:中頻取樣資料 304:頻譜 306:分析圖 400:角度測量方法 402、404:接收天線 500:射頻前端電路 502、504:功率放大器 506、508:低雜訊放大器 510、512、514、516:單刀雙擲射頻開關 Tx1、Tx2、Tx3、Tx4:發射天線 Rx1、Rx2、Rx3、Rx4:接收天線 600:時序圖

第1圖係根據本發明實施例的1T1R調頻連續波（frequency modulation continuous wave; FMCW）雷達系統的方塊圖。 第2圖係根據本發明實施例的1T1R調頻連續波(FMCW)雷達系統的測距方法的示意圖。 第3圖係根據本發明實施例的1T1R調頻連續波(FMCW)雷達系統的速度測量方法的示意圖。 第4圖係根據本發明實施例的1T2R調頻連續波(FMCW)雷達系統的角度測量方法的示意圖。 第5圖係根據本發明實施例的4T4R分時雙工FMCW雷達系統的射頻前端電路的示意圖。 第6圖係根據本發明實施例的4T4R分時雙工FMCW雷達系統的時序圖。

500:射頻前端電路

502、504:功率放大器

506、508:低雜訊放大器

510、512、514、516:單刀雙擲射頻開關

Tx1、Tx2、Tx3、Tx4:發射天線

Rx1、Rx2、Rx3、Rx4:接收天線

Claims (20)

1. 一種分時雙工（time division duplexed; TDD）調頻連續波（frequency modulation continuous wave; FMCW）雷達系統，包括： P個發射電路，用以發射複數個FMCW訊號，其中第p個發射電路耦接到一單刀Qp擲(single pole Qp throw; SPQpT)射頻(radio frequency; RF)開關，該SPQpT 射頻開關耦接到Qp個天線，Qp和P為正整數，p為不大於P的正整數；及 M個接收電路，用以接收複數個反射的FMCW訊號，其中第m個接收電路耦接到一單刀Nm擲(single pole Nm throw; SPNmT)射頻開關，該SPNmT 射頻開關耦接到Nm個天線， Nm及M為正整數，m為不大於M的正整數。
2. 如請求項1所述的分時雙工FMCW雷達系統，另包括： 一射頻鎖相環，耦接至該P個發射電路和該M個接收電路，用以為該些FMCW訊號及該些反射的FMCW訊號產生相位匹配的一射頻訊號。
3. 如請求項1所述的分時雙工FMCW雷達系統，其中該M個接收電路包括M個混頻器，用以將該些反射的FMCW訊號與該些FMCW訊號混合以產生複數個拍頻(beat frequency)訊號。
4. 如請求項3所述的分時雙工FMCW雷達系統，另包括一處理器，用以分析該些拍頻訊號以產生複數個物體的距離、速度和角度。
5. 如請求項4所述的分時雙工FMCW雷達系統，其中該處理器另用以在該些拍頻訊號的垂直軸上執行快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform; FFT）來產生該些拍頻訊號的複數個頻譜圖，且根據該些頻譜圖產生該些物體的距離。
6. 如請求項5所述的分時雙工FMCW雷達系統，其中該處理器另用以在該些拍頻訊號的該些頻譜圖的水平軸上執行快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform; FFT）來產生該些物體的速度。
7. 如請求項4所述的分時雙工FMCW雷達系統，其中該處理器另用以根據該些反射的FMCW訊號的相位差，對該些M個接收電路接收的該些反射的FMCW訊號執行快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform; FFT）來產生該些物體的角度。
8. 如請求項1所述的分時雙工FMCW雷達系統，其中該P個發射電路基於一P相位調變（P Phase Modulation; PPM）方法發射該些FMCW訊號。
9. 如請求項1所述的分時雙工FMCW雷達系統，其中P為2，Q1為2，Q2為2，M為2，N1為2，N2為2。
10. 如請求項9所述的分時雙工FMCW雷達系統，其中該些P個發射電路基於一二進位相位調變（Binary Phase Modulation; BPM）方法發射該些FMCW訊號。
11. 一種用於分時雙工（time division duplexed; TDD）調頻連續波（frequency modulation continuous wave; FMCW）雷達系統的方法，包括： 透過P個發射電路發射複數個FMCW訊號，其中第p個發射電路耦接到一單刀Qp擲(single pole Qp throw; SPQpT)射頻(Radio Frequency; RF)開關，該SPQpT射頻開關耦接到Qp個天線，Qp及P為正整數，p為不大於P的正整數；及 透過M個接收電路接收複數個反射的FMCW訊號，其中第m個接收電路耦接到一單刀Nm擲(single pole Nm throw; SPNmT)射頻開關，該SPNmT射頻開關耦接到Nm個天線，Nm及M是正整數，m是不大於M的正整數。
12. 如請求項11所述的方法，另包括： 透過一射頻鎖相環為該些FMCW訊號和該些反射的FMCW訊號產生相位匹配的一射頻訊號。
13. 如請求項11所述的方法，其中該M個接收電路包括M個混頻器，該方法另包括該M個混頻器將該些反射的FMCW訊號與該些FMCW訊號混合以產生複數個拍頻訊號。
14. 如請求項13所述的方法，另包括分析該些拍頻訊號以產生複數個物體的距離、速度及角度。
15. 如請求項14所述的方法，另包括： 在該些拍頻訊號的垂直軸上進行快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform; FFT）以產生該些拍頻訊號的複數個頻譜圖；及 根據該些頻譜圖產生該些物體的距離。
16. 如請求項15所述的方法，另包括在該些拍頻訊號的該些頻譜圖的水平軸上執行快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform; FFT）以產生該些物體的速度。
17. 如請求項14所述的方法，另包括根據該些反射的FMCW訊號的相位差，對該M個接收電路接收到的該些反射的FMCW訊號執行快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform; FFT）以產生該些物體的角度。
18. 如請求項11所述的方法，其中透過該P個發射電路發射該些FMCW訊號是透過該P個發射電路基於一P相位調變(P Phase Modulation; PPM)方法發射該些FMCW訊號。
19. 如請求項11所述的方法，其中P為2，Q1為2，Q2為2，M為2，N1為2，且N2為2。
20. 如請求項19所述的方法，其中透過該P個發射電路發射該些FMCW訊號是透過該P個發射電路基於一二進位相位調變(Binary Phase Modulation; BPM)方法發射該些FMCW訊號。