CN104880705B - 一种基于数控振荡器的调频连续波雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数控振荡器的调频连续波雷达，属于集成电路技术领域。该调制频率连续波雷达包括低噪音放大器、混频器、中频放大器、滤波器、信号处理器、功率放大器，还包括锁相环，锁相环包括数字控制模块、数控振荡器、鉴相器、低通滤波器。本发明利用由数控振荡器等组成的锁相环开环结构作为雷达系统信号源，有效提高了信号源频率扫描的速度，可以使频率改变时间间隔达到纳秒量级，提高了系统性能，具有信号源频率变化快，通用性强，结构简单利于实现，单元面积小，可集成密度高，适合芯片SOC等特点。

Description

一种基于数控振荡器的调频连续波雷达

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种调频连续波雷达，具体涉及一种基于数控振荡器的调频连续波雷达。

背景技术

FMCW Radar(调频连续波雷达，Frequency Modulated Continuous Wave Radar)技术是常见的测距雷达技术。其基本原理为，发射波为连续波，其频率随时间按照三角波规律变化。雷达接收的回波的频率与发射的频率变化规律类似，都是三角波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差可进一步得出频率偏移量，最终计算出目标距离。它相对于脉冲雷达技术而言，具有结构较为简单，可靠性好，适合做近距离探测用途等优势。由于FMCW Radar具有如上特点，常被应用于物位计、汽车防撞雷达等实际应用当中。

如图1所示，Tang-Nian Luo等人所著“A77-GHz CMOS Automotive RadarTransceiver With Anti-Interference Function”中，提到的传统FMCW Radar结构，提供FMCW信号源是采用一个整数分频锁相环(Phase Locked Loop，PLL)+直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesizer，DDFS)或者小数分频PLL结构予以实现。FMCWRadar系统的信号由发射器通过天线发射，经过目标物体反射后由天线接收将信号送入接收器处理。对于FMCW Radar，其发射信号以三角波的形式进行线性扫描，然后通过比较反射信号与发射信号频率间的差别可以计算出目标物体与雷达的距离和速度。但实际上的三角波并不是完全理想的连续波形，而是由若干台阶状波形近似得到，因此频率跳变最小时间间隔也将影响着雷达的探测精度。对于FMCW Radar系统，考虑提高雷达的性能与可靠性，如通过整数分频PLL+DDFS或者小数分频PLL技术做信号发生源或跳频随机线性调频(Frequency-Hopping Random Chirp，FHRC)技术降低误报率，例如文献“Tang-Nian Luo；Chi-Hung Evelyn Wu；Yi-Jan Emery Chen,A77-GHz CMOS Automotive RadarTransceiver With Anti-Interference Function,Circuits and Systems I:RegularPapers,IEEE Transactions on,vol.60,no.12,pp.3247-3255,Dec2013”和“Mitomo,T.；Ono,N.；Hoshino,H.；Yoshihara,Y.；Watanabe,O.；Seto,I.；A77GHz90nm CMOSTransceiver for FMCW Radar Applications,Solid-State Circuits,IEEE Journal of,vol.45,no.4,pp.928-937,April2010”。这些文献中信号源频率跳变的时间间隔已经可以达到微秒量级。但是，这些FMCW Radar结构仍然存在着信号源频率跳变速度不够快，不易改变信号源频率，在高精度要求下结构极为复杂，不利于实现等缺点。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明公开一种基于数控振荡器的调频连续波雷达，具有信号源频率跳变快，模块通用性强，单元面积小，集成密度高、适合芯片SOC等优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于数控振荡器的调频连续波雷达，包括低噪声放大器、混频器、中频放大器、滤波器、信号处理器、功率放大器，所述低噪声放大器的输出端与所述混频器的输入端相连，所述混频器的输出端与所述中频放大器的输入端相连，所述中频放大器的输出端与所述滤波器的输入端相连，所述滤波器的输出端与所述信号处理器的输入端相连；还包括锁相环，所述锁相环采用数控振荡器作为信号源，所述信号处理器的输出端与所述锁相环的输入端相连，所述锁相环的输出端分别与所述功率放大器的输入端、所述混频器的输入端相连。

进一步地，所述锁相环包括数字控制模块、数控振荡器、鉴相器、低通滤波器，所述信号处理器的输出端与所述数字控制模块的输入端相连，所述数字控制模块的输出端与所述数控振荡器的输入端相连，所述数控振荡器的输出端分别与所述功率放大器的输入端、所述鉴相器的输入端、所述混频器的输入端相连，所述鉴相器的输出端与所述低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与所述数字控制模块的输入端相连。

进一步地，所述数控振荡器与所述鉴相器之间设有一开关，所述低通滤波器与所述数字控制模块之间设有一开关，该两个开关由所述数字控制模块产生的控制信号控制。

进一步地，所述数控振荡器包括交叉耦合晶体管、偏置电流管、LC振荡网络，所述交叉耦合晶体管与偏置电流管串联、所述交叉耦合晶体管与所述LC振荡网络并联。

进一步地，所述LC振荡网络包括调频电容网络和电感网络，所述调谐电容网络与所述电感网络并联。

进一步地，所述调谐电容网络包括多个(例如可以是4个)由不同数字控制码控制的调谐电容阵列，所述多个调谐电容阵列相互并联。上述调谐电容阵列包括多个电容单元，所述多个电容单元相互并联。电容单元数目由控制码位数决定，N位控制码通常包括2N个电容单元。控制码常见在20位以内，即1～20比特(bits)，极端一些地也可以取1～100位(比特、bits)。

进一步地，所述数控振荡器是所述调频连续波雷达的信号源，信号的中心频率是24GHz，也可以通过调整LC谐振网络实现其他工作频率。

本发明的原理是通过使用数控振荡器作为雷达系统的信号源，可以使得雷达系统信号源频率跳变速度得到极大提升，提高了系统性能。以锁相环等闭环结构为核心作为信号源的传统调频连续波雷达，由于传统的锁相环存在闭环结构，环路影响频率变化的速度，导致不能有效实现快速扫频。本发明利用由数控振荡器等组成的锁相环开环结构作为雷达系统信号源，有效提高了信号源频率扫描的速度，可以使频率改变时间间隔达到纳秒量级，提高了系统性能。例如雷达信号源会以类似三角波形式进行扫描，而信号源的频率在闭环结构下改变较为缓慢，本发明中的做法由于不存在闭环结构，而直接采用数字控制模块控制信号频率变化，因此相对于传统以锁相环为核心模块作信号源的雷达结构，本发明可以极大增加频率扫描速度，从而可以增大信号源的扫频范围，提高信号源频率的带宽以及降低结构复杂度等。

本发明具有以下有益效果：

1)信号源频率变化速度快：本发明采用数控振荡器作为信号源，由于数控振荡器在工作状态下，仅由数字控制模块控制，因此改变信号源的频率只需改变其控制码，可实现快速频率跳变。

2)模块通用性强：本发明采用本发明采用数控振荡器作为调频连续波雷达的信号源，对于此数控振荡器来说，不仅可用于工作在较低频率的雷达系统，也同样可以用于工作在高频率的雷达系统，独立于所在系统其他电路结构，具有模块化以及很强的通用性。

3)兼容性好：全套雷达系统可采用片上工艺实现，不局限于某一种特定工艺。本发明实现建立在标准CMOS或SiGe BiCMOS工艺的基础之上，亦可以通过其他片上工艺实现。

附图说明

图1为传统调频连续波雷达结构框图。

图2为本发明基于数控振荡器的调频连续波雷达结构框图。

图3为数控振荡器结构图。

图4为锁相环工作状态时序图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

如图2所示为本发明在CMOS工艺下实现的一种基于数控振荡器的调频连续波雷达，其包括低噪声放大器、混频器、中频放大器、滤波器、信号处理器、功率放大器，低噪声放大器的输出端与混频器的输入端相连，混频器的输出端与中频放大器的输入端相连，中频放大器的输出端与滤波器的输入端相连，滤波器的输出端与信号处理器的输入端相连，还包括锁相环结构，如图2中虚线框所示，信号处理器的输出端与锁相环的输入端相连，锁相环的输出端分别与功率放大器的输入端、混频器的输入端相连。调频连续波雷达的信号源由一个数控振荡器提供，其工作中心频率为24GHz。

如图2所示，锁相环包括数字控制模块、数控振荡器、鉴相器和低通滤波器，信号处理器的输出端与数字控制模块的输入端相连，数字控制模块的输出端与数控振荡器的输入端相连，数控振荡器的输出端分别与功率放大器的输入端、鉴相器的输入端、混频器的输入端相连，鉴相器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与数字控制模块的输入端相连。数控振荡器与鉴相器之间设有开关1，低通滤波器与数字控制模块之间设有开关2。

如图3所示是本实施例的数控振荡器的结构图。数控振荡器包括交叉耦合晶体管、偏置电流管和LC振荡网络，交叉耦合晶体管与偏置电流管串联，交叉耦合晶体管与LC振荡网络并联。LC振荡网络包括调频电容网络和电感网络，调谐电容网络与电感网络并联。调谐电容网络包括多个由不同数字控制码控制的调谐电容阵列，多个调谐电容阵列相互并联。调谐电容阵列包括多个电容单元，多个电容单元相互并联，电容单元数目由控制码位数决定。

本实例中在电容网络中，将电容阵列细分为四个电容阵列——SwCap阵列、粗调阵列、细调阵列及微调阵列。根据实际数字控制位要求，电容阵列由开关电容单元并联而成，如图3右边所示。SwCap电容阵列负责控制LC振荡网络的振荡频率，而其他电容阵列则进一步提高电容调节精度，因此使得振荡频率变化量可以下降到千赫兹量级，实现精细调控。其中，所有电容阵列由数字控制码控制，实现数字控制振荡功能，从而进一步实现频率快速调节。电感网络包括双端口电感结构，一端与OUTN连接，另一端与OUTP连接，与上述电容阵列结构并联。OUTN和OUTP是电路的两个输出端端口名称。

本实例作为信号源的是一个基本的锁相环结构，在系统开始工作初期，锁相环结构中两个开关均处于闭合状态，锁相环形成环路，通过其环路来校准数控振荡器扫频的起点和终点；在系统工作时，结构中两个开关均断开，断开锁相环环路，此时该结构中仅有数字控制模块与数控振荡器连入雷达电路，数控振荡器产生频率信号的调节仅由其数字控制模块完成。

由于数控振荡器在工作时会受到温度等因素影响，从而产生误差，因此需利用雷达系统工作间隙恢复锁相环环路，对数控振荡器进行校准，保证数控振荡器始终工作在正常的工作状态。

图4为锁相环工作状态时序图。通过图4可知，在雷达工作期间，两个开关(开关1、开关2)均处于断开状态(状态0)，此时环路断开，用于校准数控振荡器的锁相环电路处在雷达系统工作状态；在雷达工作间的某段时间Δtpll(这个时间足够长使得数控振荡器能够完成校准，为微秒量级)，两个开关均处于闭合状态(状态1)，此时锁相环环路闭环，锁相环电路处在雷达信号源校准状态，锁定在相应频率，完成对数控振荡器的校准。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (7)

1.一种基于数控振荡器的调频连续波雷达，包括低噪声放大器、混频器、中频放大器、滤波器、信号处理器、功率放大器，所述低噪声放大器的输出端与所述混频器的输入端相连，所述混频器的输出端与所述中频放大器的输入端相连，所述中频放大器的输出端与所述滤波器的输入端相连，所述滤波器的输出端与所述信号处理器的输入端相连，其特征在于，还包括锁相环，所述锁相环采用数控振荡器作为信号源，所述信号处理器的输出端与所述锁相环的输入端相连，所述锁相环的输出端分别与所述功率放大器的输入端、所述混频器的输入端相连；所述锁相环包括数字控制模块、数控振荡器、鉴相器和低通滤波器，所述信号处理器的输出端与所述数字控制模块的输入端相连，所述数字控制模块的输出端与所述数控振荡器的输入端相连，所述数控振荡器的输出端分别与所述功率放大器的输入端、所述鉴相器的输入端、所述混频器的输入端相连，所述鉴相器的输出端与所述低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与所述数字控制模块的输入端相连；所述数控振荡器与所述鉴相器之间设有一开关，所述低通滤波器与所述数字控制模块之间设有一开关，该两个开关由所述数字控制模块产生的控制信号控制。

2.如权利要求1所述的基于数控振荡器的调频连续波雷达，其特征在于，所述数控振荡器包括交叉耦合晶体管、偏置电流管和LC振荡网络，所述交叉耦合晶体管与偏置电流管串联，所述交叉耦合晶体管与所述LC振荡网络并联。

3.如权利要求2所述的基于数控振荡器的调频连续波雷达，其特征在于，所述LC振荡网络包括调谐电容网络和电感网络，所述调谐电容网络与所述电感网络并联。

4.如权利要求3所述的基于数控振荡器的调频连续波雷达，其特征在于，所述调谐电容网络包括多个由不同数字控制码控制的调谐电容阵列，所述多个调谐电容阵列相互并联。

5.如权利要求4所述的基于数控振荡器的调频连续波雷达，其特征在于，所述调谐电容阵列包括多个电容单元，所述多个电容单元相互并联，电容单元数目由控制码位数决定。

6.如权利要求4所述的基于数控振荡器的调频连续波雷达，其特征在于，所述调谐电容阵列包括SwCap阵列、粗调阵列、细调阵列及微调阵列，其中SwCap电容阵列负责控制LC振荡网络的振荡频率，其它电容阵列用于进一步提高电容调节精度。

7.如权利要求1所述的基于数控振荡器的调频连续波雷达，其特征在于，利用雷达系统工作间隙恢复锁相环环路以对数控振荡器进行校准：在雷达工作期间，两个开关均处于断开状态，此时环路断开，用于校准数控振荡器的锁相环电路处在雷达系统工作状态；在雷达工作间隙的某段时间，两个开关均处于闭合状态，此时锁相环环路闭环，锁相环电路处在雷达信号源校准状态，锁定在相应频率，完成对数控振荡器的校准。