CN104300974B - 用于射频系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于射频系统的系统和方法。根据实施例，一种方法包括产生基带可变频率信号并且通过将振荡器相位锁定至基本固定的基准频率而产生基本固定频率信号。该方法进一步包括通过将可变频率信号与基本固定频率信号混合以产生RF可变频率信号而对基带可变频率信号进行升频转换。

Description

用于射频系统的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及一种电子设备，尤其涉及一种用于射频(RF)传输系统的系统和方法。
背景技术
由于诸如硅锗(SiGe)和细致几何形状的互补金属氧化物半导体(CMOS)过程之类的低成本半导体技术的快速发展，毫米波频率体系中的应用在过去数年间已经赢得了广泛的兴趣。高速双极和金属氧化物半导体(MOS)晶体管的可用性已经导致了对用于60GHz、77GHz和80GHz以及还超过100GHz的毫米波应用的集成电路的需求有所增长。这样的应用例如包括汽车雷达和数千兆比特的通信系统。
在一些雷达系统中，雷达和目标之间的距离通过发射频率调制信号、接收频率调制信号的反射，并且基于频率调制信号的传输和接收之间的时间延迟和/或频率差异确定距离。雷达系统的分辨率、准确性和敏感度可以部分取决于相位噪声性能以及雷达的频率生成电路的频率捷变，上述频率生成电路总体上包括RF振荡器以及对该RF振荡器的频率进行控制的电路。
然而，随着RF系统的操作频率继续增加，以这样的高频率生成信号则提出了重大的挑战。以高频进行操作的振荡器会受到一些系统中不良的相位噪声性能和低输出功率的影响。在雷达系统中保持低相位噪声和高的频率捷变是特别困难的，因为用来提高频率捷变的技术可以包括相位噪声性能并且用来降低相位噪声的设计技术可能使得频率捷变有所折扣。
发明内容
根据一个实施例，一种方法包括产生基带可变频率信号、以及通过将振荡器相位锁定至基本固定的基准频率而产生基本固定频率信号。该方法进一步包括通过将可变频率信号与基本固定频率信号混合以产生RF可变频率信号而对基带可变频率信号进行升频转换。
附图说明
为了更为全面地理解本发明及其优势，现在参考以下结合附图所进行的描述，其中：
图1a-b图示了示例的汽车雷达系统的操作；
图2a-c图示了射频传输系统的实施例；
图3a-c图示了实施例的雷达系统；
图4图示了实施例的方法的框图。
除非另外指出，否则不同附图中相对应的数字和符号总体上指代相对应的部分。附图被绘制为清楚地图示出优选实施例的相关方面而并非必然依比例进行绘制。为了更清楚地图示出某些实施例，可以在附图编号之后跟有指示相同结构、材料或处理步骤的变化形式的字母。
具体实施方式
以下对当前优选实施例的制造和使用进行详细讨论。然而，应当意识到的是，本发明提供了能够在各种具体环境中体现的许多可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅是制作和使用本发明的具体方式的说明而并不对本发明的范围进行限制。
将参考优选实施例以具体环境、用于雷达系统的系统和方法而对本发明进行描述，该雷达系统诸如汽车雷达系统。本发明还可以应用于使用RF振荡器的其它系统和应用，诸如一般雷达系统和无线通信系统。
图1a图示了示例汽车雷达情形100，其中汽车102具有汽车雷达系统104。汽车雷达系统104发射和接收例如频率调制连续波(FMCW)信号，并且检测该发射信号的反射以便确定汽车雷达104和道路上的其它车辆或物体之间的距离。在所图示的情形中，诸如卡车之类的大型车辆106与诸如摩托车之类的小型车辆108相比更为接近汽车102。在正常操作条件下，大型车辆106所发出的回声或反射将比小型车辆108所发出的回声的量级更高，这是因为大型车辆106比小型车辆108更大且更为接近。
图1b针对图1a的情形图示了接收的信号水平相比接收的频率的图形120。信号水平相对频率的曲线122对应于从大型车辆106所接收的反射，并且信号水平峰值130的频率f1对应于雷达104和大型车辆106之间的距离。同样，信号水平相对频率的曲线126对应于从小型车辆108接收的反射，并且信号水平峰值132的频率F2对应于雷达104和小型车辆108之间的距离。因此，大型车辆106和小型车辆108之间的距离与频率F1和F2之间的间隔成比例。
连同所期望的输出信号，还发射并反射雷达发射器的相位噪声。从大型车辆所反射的相位噪声被表示为虚线124。如图形120中所见到的，相位噪声124对雷达接收从小型车辆108所反射的信号的能力有所影响。由于小型车辆108的信号水平峰值132与由于从大型车辆106反射的相位噪声的相对应本底噪声之间的信噪比被表示为长度134。从图1B的图形能够看出，相位噪声对雷达104区分小型和远距离物体的能力有所影响。雷达发射器的相位噪声越高，就使得雷达系统越发不能区分小型和远距离物体。
图2a图示了实施例的雷达传输系统200，其包括微控制器单元(MCU)202和RF集成电路(RFIC)204。在一个实施例中，MCU202包括雷达处理器270和可变频率生成器272，并且RFIC204包括升频转换器218、固定频率生成器222和功率放大器220。作为使用由雷达处理器270所控制的可变频率生成器272产生基带可变频率信号BB的结果，在节点OUT处生成RF可变频率信号。升频转换器218将基带可变频率信号BB混合至高频率，其输出被功率放大器220进行放大。在一些实施例中，升频转换器218的输出频率大于10GHz或24GHz。在一些情况下，该输出频率可以为大约60GHz、77GHz和80GHz以及高于100GHz的频率。可替换地，可以使用其它输出频率。固定频率生成器222向升频转换器218提供局部振荡器信号LO。在一个实施例中，固定频率生成器使用其频率由低带宽锁相环所控制的RF振荡器，该低带宽锁相环的带宽可以处于大约1KHz和大约10KHz之间，虽然其它带宽在可替换实施例中也是可能的。雷达处理器270可以对可变频率生成器272进行控制而使得频率调制连续波(FMCW)信号或频移键控(FSK)信号得以产生。在一些实施例中，FMCW信号可以是快速斜坡调制，其可以被用来检测目标情形并且在接收端处生成三维输出。可替换地，可以使用其它调制方案，诸如正交幅度调制(QAM)、正交相移键控(QPSK)和正交正交频分复用(OFDM)。除了控制可变频率生成器272的输出频率之外，雷达处理器还可以基于由接收器(未示出)接收的反射信号来确定到目标的距离以及雷达和目标之间的相对速度。
通过使用固定频率生成器222和可变频率生成器272，偏移量超过固定频率生成器222的回路带宽的输出信号OUT的相位噪声可以被保持为低。此外，通过经由可变频率生成器272改变升频转换器218的输出频率而可能进行高频捷变。在一些实施例中，功率放大器220被用来对升频转换器204的输出进行放大。耦合至正交升频转换器218的输出的功率放大器220可以使用本领域已知的电路设计技术来实施。
图2b图示了包括微控制器单元(MCU)202和RF集成电路(RFIC)204的实施例雷达传输系统更为详细的实施方式示例260。MCU202包括控制器206、串行接口208、存储器209和正交频率生成电路，正交频率生成电路包括同相直接数字合成器(DDS)210和正交DDS214。数模转换器(DAC)212和216将DDS210和214的输出转换至模拟域以产生同相和正交信号250和252。在一个实施例中，DDS210和DDS214的输出产生数字频率调制连续波(FMCW)信号。
DDS210和214可以使用本领域已知的技术来实施。在一个实施例中，DDS210和214均产生表示在大约10μs和大约50μs之间从50MHz到250MHz的正弦频率扫描的12位信号。应当意识到的是，在可替换实施例中，可以使用不同于12位的数位宽度和/或不同于50MHz到250MHz的频率扫描范围。可替换地，可以使用其它频率范围和扫描时间。DAC212和216也可以使用本领域已知的方法来实施。在一些实施例中，MCU202进一步包括耦合至输入管脚CLK和DATA的串行接口208。该串行接口例如可以使用串行外设接口(SPI)、内部集成电路(I2C)接口、移动行业处理器接口/RF前端(MIPI/RFFE)或者本领域已知的其它串行接口。在本发明的可替换实施例中，接口208还可以使用并行接口来实施。
RFIC204包括升频转换器218、功率放大器220和频率生成电路222。在一个实施例中，升频转换器218可以使用如所示出的正交升频转换器架构来实施。在所图示的实施例中，升频转换器218包括同相混频器230、正交混频器232，以及将同相混频器230和正交混频器232的输出进行相加的求和电路236。移相块234提供局部振荡器信号LO的90°相移。混频器230和232例如可以通过使用吉尔伯特(Gibert)混频器或其它混频器架构来实施，并且相移模块234可以使用多相滤波器或其它相移电路来实施。
在一个实施例中，频率生成电路222包括由锁相环电路224所控制的RF振荡器226。在实施例中，频率生成电路222的回路带宽处于大约1kHz或大约10kHz之间。通过具有低的回路带宽，高于该回路带宽的相位噪声接近于RF振荡器226自身的相位本底噪声，由此以更大的频率偏移量而允许更低的本地噪声。参考框228生成大约40MHz和大约80MHz之间的低频时钟信号，RF振荡器226使用锁相环电路224针对该低频时钟信号进行相位锁定。参考框228例如可以使用晶体振荡器电路来实施。在一些实施例中，使得锁相环(PLL)带宽足够大而遵循RF振荡器的推动和拉动以及RF振荡器226的温度。由于RF振荡器226以基本固定的频率进行操作，所以大的调谐范围并非是必需的，这是因为RF振荡器被用作载体。然而，可以使得RF振荡器226的调谐范围足够大以覆盖温度漂移中的过程变化。RF振荡器226可以使用本领域已知的振荡器电路来实施，例如，诸如柯比兹(Colpitts)振荡器的LC谐振回路振荡器。由于RF振荡器226以基本固定的频率进行操作，所以可以使用高Q谐振回路，由此允许更低的相位噪声。在一个实施例中，RF振荡器206可以以毫米波频率进行操作，诸如60GHz、77GHz和80GHz以及高于100GHz的频率。然而，应当意识到的是，该操作频率可以在可替换实施例中使用。
由于FMCW信号使用DDS框210和214所生成，所以频率生成电路222的回路带宽可以相对低。在一个实施例中，RFIC204例如可以在诸如SiGe双极或BiCMOS工艺、RF CMOS工艺的高频工艺或者其它高频工艺上实施。另一方面，MCU集成电路202可以以细致几何形状的CMOS工艺来实施。例如，在一些实施例中，随1.5V电源使用40nm的CMOS工艺。
在其它实施例中，RFIC204还包括用于在RF振荡器226的反馈回路中使用的峰值检测器(未示出)，并且MCU202包括可以被用来对DDS210和214进行调节的各种校准模块。通过对DDS210和214的相位进行调节，RFIC204所输出信号的边带抑制有所提升和/或优化。
图2c图示了单芯片的雷达传输系统280，雷达传输系统280包括雷达处理器270以及可变频率生成器272、升频转换器218、固定频率生成器222和功率放大器220。RF可变频率信号作为使用由雷达处理器270所控制的可变频率生成器272产生基带可变频率信号BB的结果而在节点OUT处生成。在一些实施例中，RF可变频率信号在节点OUT处以大于约24GHz生成。
图3a-c图示了各种实施例的雷达系统。图3a图示了雷达系统300，其包括具有雷达处理器301和RF发射器电路304的MCU302。在一些实施例中，MCU302和RF发射器304可以以与如参考图2a-b的实施例所描述的MCU202和RFIC204相类似的方式来实施。雷达处理器301例如可以使用处理器、处理器上运行的软件或定制逻辑来实施。此外，雷达系统300还包括接收电路306、天线接口308和天线310。在一些实施例中，天线310可以是根据本领域已知的电路技术和方法所实施的雷达天线。天线接口308例如可以包括天线匹配网络。在一些实施例中，天线接口308包括可调节的或可编程的匹配网络，其能够在制造时进行校准和/或由MCU302所控制。接收块306也可以使用本领域已知的技术来实施。在图3a所图示的实施例中，MCU304、发射器电路304和接收器306可以在具有单独衬底的单独集成电路上实施。可替换地，如图3b所示，发射器电路和接收器电路306可以被部署在相同集成电路322上，或者如图3c所示，被部署在与MCU302相同的集成电路上。应当意识到的是，图3a-c的实施例仅是许多可能的实施例雷达系统的具体示例。
图4图示了实施例方法的框图400。在步骤402中，在第一集成电路上产生基带可变频率信号。该可变频率基带信号例如可以使用DDS或其它数字信号生成技术来生成。在一些实施例中，DDS的输出使用模数转换器而被转换至模拟域。DDS例如可以通过使用两个DDS电路产生同相和正交信号。可替换地，基带可变频率信号可以使用模拟信号处理技术而产生。在雷达系统中，基带可变频率信号可以是诸如线性调频信号(chirp signal)的FMCW信号，或者诸如频移键控(FSK)的其它可变频率信号。在实施例中，产生基带可变频率信号的第一集成电路例如可以在诸如40nm工艺的细致几何形状CMOS工艺上得以实施。
接下来，在步骤404中，在第二集成电路上生成基本固定的频率信号。在一些实施例中，该基本固定的频率信号可以使用在基准信号上锁定的低带宽锁相环来生成。锁相环内的压控振荡器(VCO)例如可以使用诸如Colpitts振荡器的低相位噪声架构来实施。在步骤406中，基带可变频率信号在第二集成电路上被升频转换以产生RF可变频率信号。在一些实施例中，步骤406的升频转换是正交升频转换。通过连同同相和正交基带可变频率信号一起使用正交升频转换，可以生成单个边带的输出信号。接下来，在步骤408中，RF可变频率信号被耦合至天线，并且该RF可变信号在步骤410进行测量。
在一些实施例中，第二集成电路例如可以使用适用于RF电路的高频工艺来实施，例如SiGe双极、SiGe CMOS或其它高速工艺。
根据一个实施例，一种操作射频(RF)系统的方法包括产生基带可变频率信号，并且通过将振荡器相位锁定至基本固定的基准频率而产生基本固定频率信号。该方法进一步包括将可变频率信号与基本固定频率信号混合以产生RF可变频率信号而对基带可变频率信号进行升频转换，向目标发射该RF可变频率信号，并且基于接收反射的RF可变频率信号而确定目标的距离和速度中的至少一个。在一个实施例中，产生基带可变频率信号的步骤在第一集成电路上执行，而产生基本固定频率信号以及对基带可变频率信号进行升频转换则在具有独立于第一集成电路的衬底的第二集成电路上执行。
产生可变频率信号可以包括生成数字可变频率信号，并且将该数字可变频率信号转换至模拟域以产生基带可变频率信号。生成数字可变频率信号可以包括使用直接数字合成器(DDS)和/或生成扫频正弦波。
在一个实施例中，该方法可以进一步包括在天线上耦合该RF可变频率信号，并且测量该RF可变频率信号从目标的反射。在一些实施例中，产生基带可变频率信号包括产生同相基带可变频率信号和正交基带可变频率信号，并且产生基本固定频率信号进一步包括产生同相基本固定频率信号和正交基本固定频率信号。对基带可变频率信号进行升频转换可以包括混合同相基带可变频率信号与同相基本固定频率信号以产生升频同相信号，将正交基带可变频率信号与正交基本固定频率信号进行混合以产生升频正交信号，并且对升频同相信号与升频正交信号进行求和以产生RF可变频率信号。
根据另外的实施例，一种射频(RF)系统包括数字信号生成器，其被配置为提供数字可变频率信号；数模转换器(DAC)，其具有耦合至该数字信号生成器的输出的输入；雷达控制电路，其被配置为对该数字信号生成器进行控制并且分析反射的信号；升频转换器，其具有耦合至该DAC的输出的输入；和频率生成电路，其包括具有耦合至该升频转换器的输出的振荡器以及耦合至该振荡器的锁相环电路。该锁相环电路被配置为将振荡器相位锁定至基本固定的频率，该升频转换器被配置为将模拟基带可变频率信号转换为具有大于24GHz的频率的RF可变频率信号，并且该DAC被配置为提供模拟基带可变频率信号。该数字信号生成器可以使用直接数字合成器(DDS)来实施。
在一个实施例中，升频转换器包括正交升频转换器，并且该数字信号生成器被配置为提供同相数字可变频率信号和正交数字可变频率信号。
在一个实施例中，该RF系统进一步包括具有耦合至该升频转换器的输出的输入的RF功率放大器，并且还可以包括耦合至该RF功率放大器的输出的天线。该RF系统还可以包括耦合至数字信号生成器的控制器，其可以被配置为使得该数字信号生成器产生扫频信号。
在一个实施例中，该数字信号生成器、DAC、雷达控制单元、升频转换器和频率生成电路被部署在单个半导体衬底上。在另外的实施例中，该数字信号生成器、DAC和雷达控制单元被部署在第一集成电路上，而该升频转换器和频率生成电路则被部署在第二集成电路上，以使得该第一集成电路部署在独立于该第二集成电路的半导体衬底上。该第一集成电路可以在数字CMOS集成电路上实施，而该第二集成电路可以在RF集成电路上实施。
根据另外的实施例，一种雷达系统包括第一集成电路，第一集成电路具有正交可变频率数字信号生成器以及耦合至该正交可变频率数字信号生成器的数模转换器(DAC)。该雷达系统进一步包括第二集成电路，第二集成电路具有耦合至DAC的输出的正交升频转换器、被配置为控制该数字信号生成器并分析反射的信号的雷达控制电路，以及被配置为将基本固定频率信号提供至正交升频转换器的输出的PLL电路。该第一集成电路被部署在独立于第二集成电路的半导体衬底上。
在一个实施例中，该PLL电路具有小于10KHz的回路带宽，和/或该正交可变频率数字信号生成器包括直接数字合成器(DDS)。该雷达系统还可以包括控制器，其被配置为使得该正交可变频率数字信号生成器产生具有随时间变化的频率的扫频正弦波。在一个实施例中，该第二集成电路进一步包括RF功率放大器，其耦合至该正交升频转换器的输出。天线耦合至正交升频转换器的输出。
本发明的实施例的优势包括由于一些实施例系统的高相位噪声性能而能够检测多个同时的雷达目标。实施例系统进一步的优势包括能够提供具有高相位噪声性能的迅捷频率调制。
虽然已经参考说明性实施例对本发明进行了描述，但是该描述并非意在以限制的含义进行理解。在参考该描述时，说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。

Claims (15)

1.一种射频(RF)系统，包括
数字信号生成器，所述数字信号生成器被配置为提供数字可变频率信号；
数模转换器(DAC)，所述数模转换器(DAC)具有耦合至所述数字信号生成器的输出的输入，其中所述数模转换器被配置为提供模拟基带可变频率信号；
雷达控制电路，所述雷达控制电路被配置为对所述数字信号生成器进行控制并且分析反射的信号；
升频转换器，所述升频转换器具有耦合至所述数模转换器的输出的输入，其中所述升频转换器被配置为将所述模拟基带可变频率信号转换为射频可变频率信号；以及
频率生成电路，所述频率生成电路包括具有耦合至所述升频转换器的输出的振荡器、以及耦合至所述振荡器的锁相环电路，其中所述锁相环电路被配置为将所述振荡器相位锁定至基本固定的频率；
其中，所述数字信号生成器、所述数模转换器和所述雷达控制电路被部署在第一集成电路上；并且所述升频转换器和所述频率生成电路被部署在第二集成电路上，其中所述第一集成电路部署在独立于所述第二集成电路的半导体衬底上。
2.根据权利要求1所述的射频(RF)系统，其中所述射频可变频率信号具有大于24GHz的频率。
3.根据权利要求1所述的射频(RF)系统，其中所述数字信号生成器包括直接数字合成器(DDS)。
4.根据权利要求1所述的射频(RF)系统，其中：
所述升频转换器包括正交升频转换器；以及
所述数字信号生成器被配置为提供同相数字可变频率信号和正交数字可变频率信号。
5.根据权利要求1所述的射频(RF)系统，进一步包括具有耦合至所述升频转换器的输出的输入的射频功率放大器。
6.根据权利要求5所述的射频(RF)系统，进一步包括耦合至所述射频(RF)功率放大器的输出的天线。
7.根据权利要求1所述的射频(RF)系统，进一步包括耦合至所述数字信号生成器的控制器。
8.根据权利要求7所述的射频(RF)系统，其中所述控制器被配置为使得所述数字信号生成器产生扫频信号。
9.根据权利要求1所述的射频(RF)系统，其中所述第一集成电路包括数字CMOS集成电路，以及所述第二集成电路包括射频(RF)集成电路。
10.一种雷达系统，包括：
第一集成电路，所述第一集成电路包括：
正交可变频率数字信号生成器；以及
数模转换器(DAC)，所述数模转换器(DAC)耦合至所述正交可变频率数字信号生成器；以及
第二集成电路，所述第二集成电路包括：
正交升频转换器，所述正交升频转换器耦合至所述数模转换器的输出，
雷达控制电路，所述雷达控制电路被配置为控制所述数字信号生成器并且分析反射的信号，以及
锁相环(PLL)电路，所述锁相环(PLL)电路被配置为将基本固定频率信号提供至所述正交升频转换器的输出，其中所述第一集成电路被部署在独立于所述第二集成电路的半导体衬底上。
11.根据权利要求10所述的雷达系统，其中所述锁相环电路具有小于10KHz的回路带宽。
12.根据权利要求10所述的雷达系统，其中所述正交可变频率数字信号生成器包括直接数字合成器(DDS)。
13.根据权利要求12所述的雷达系统，进一步包括控制器，所述控制器被配置为使得所述正交可变频率数字信号生成器产生具有随时间变化的频率的扫频正弦波。
14.根据权利要求10所述的雷达系统，其中所述第二集成电路进一步包括耦合至所述正交升频转换器的输出的射频功率放大器。
15.根据权利要求10所述的雷达系统，进一步包括耦合至所述正交升频转换器的输出的天线。
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