CN109085543B - 线性调频信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种线性调频信号发生器，包括：配置区和累加器，配置区和累加器连接；配置区包括多个配置单元，每个配置单元存储有用于定义线性调频信号中一个调频单元的特征参数集合；累加器用于按照多个配置单元的执行顺序，依次根据每个配置单元存储的特征参数集合，生成每个配置单元对应的线性调频控制信号。本发明实施例中，由于每个调频单元可具有不同的波形，并且多个调频单元的线性调频信号能够组合形成完整的线性调频信号，因此通过按照不同顺序对不同波形的调频单元进行组合能够得到任意波形的线性调频信号，满足雷达的使用需求。

Description

线性调频信号发生器

技术领域

本发明实施例涉及雷达技术领域，更具体地，涉及一种线性调频信号发生器。

背景技术

在调频连续波(FMCW)雷达系统中，发射器一般采用线性调频方式发射扫描频率信号，该信号以光速传播，在传播过程中遇到障碍物被反射后，由接收器接收并解调。参见图5，发送信号与被目标物体反射回来的接收信号之间存在电磁波传播延时，该传播延时对应了线性调频系统的频率偏移。解调器通过对偏移频率的检测，可以获取目标障碍物的距离，相对速度等信息。

现有技术中，线性调频波形发生器在FMCW雷达系统中用于产生线性调频信号。其中，以三角波与锯齿波为最常用的两种线性调频信号。其调频扫描带宽与扫描时长等线性调频参数需要灵活可配置，来应对不同的探测距离或不同速度的目标物体，以提高距离与速度检测分辨率，以及对虚假目标的识别与滤除。但是，随着FMCW雷达系统的应用的普及与扩展，对其线性调频方式的需求也日益多样化，只能发出单一三角波与锯齿波的线性调频信号发生器不能满足需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的线性调频信号发生器。

本发明实施例提供一种线性调频信号发生器，包括：配置区和累加器，配置区和累加器连接；配置区包括多个配置单元，每个配置单元存储有用于定义线性调频信号中一个调频单元的特征参数集合；累加器用于按照多个配置单元的执行顺序，依次根据每个配置单元存储的特征参数集合，生成每个配置单元对应的线性调频控制信号。

本发明实施例提供的线性调频信号发生器，通过在配置区设置多个配置单元，每个配置单元存储有用于定义一个调频单元的特征参数集合，并利用累加器按照多个配置单元的执行顺序，依次根据每个配置单元存储的特征参数集合，生成每个配置单元对应的线性调频控制信号。由于每个调频单元可具有不同的波形，并且多个调频单元的线性调频信号能够组合形成完整的线性调频信号，因此通过按照不同顺序对不同波形的调频单元进行组合能够得到任意波形的线性调频信号，满足雷达的使用需求。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述是示例性和解释性的，并不能限制本发明实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的线性调频信号发生器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的配置区的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的线性调频信号的调频单元的示意图；

图4为本发明另一实施例提供的线性调频信号的调频单元的示意图；

图5为现有技术提供的雷达系统测距示意图；

图6为本发明实施例提供的频率综合器的结构示意图。

图中，101：配置区；102：累加器；103：计时器；104：状态机；105：射频前端。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

调频连续波FMCW雷达系统，一般使用线性调频信号作为发射探测信号使用。其中，三角波和锯齿波为最常用的两种线性调频信号。其调频扫描带宽与调频斜率作为线性调频参数，可以事先编程存储在线性调频参数配置文件中，也可以由控制软件在每个线性调频波形在执行发送之前配置在相应缓冲器中。随着FMCW雷达系统的应用的普及与扩展。对其线性调频方式的需求也日益多样化。传统单一的三角波与锯齿波发生器并不能完全满足所有需求。

基于此，本发明实施例提供一种线性调频信号发生器，该线性调频信号发生器能够提供任意波形的线性调频信号。具体地，参见图1，该线性调频信号发生器包括：配置区101包括多个配置单元，每个配置单元存储有用于定义线性调频信号中一个调频单元的特征参数集合；累加器102用于按照多个配置单元的执行顺序，依次根据每个配置单元存储的特征参数集合，生成每个配置单元对应的线性调频控制信号。

其中，配置区101是由存储器构成的存储空间，具体可由寄存器、动态存储器或静态存储器中的一种实现。配置区101被分成多个配置单元，例如，参见图2，配置区101被分成配置单元0至配置单元n+1，每个配置单元内存储有特征参数集合，利用该特征参数集合能够定义或描述线性调频信号中的一个调频单元。其中，每个调频单元均为整个线性调频信号中的一部分，每个调频单元的线性调频信号可具有不同的波形。由于多个调频单元的线性调频信号能够组合形成完整的线性调频信号，因此通过按照不同顺序对不同波形的调频单元进行组合能够得到任意波形的线性调频信号。应当说明的是，本发明实施例对特征参数集合如何定义一个调频单元的线性调频信号的方式不作限定。

其中，在生成线性调频信号之前，可预先设定需要生成的线性调频信号，并可基于该线性调频信号获得配置单元的执行顺序。本发明实施例对获得配置单元的执行顺序的方式不作限定，包括但不限于：将需要生成的线性调频信号按照时间顺序划分为多个连续的调频单元，每个调频单元均为线性调频信号的一部分。由于配置区101中的每个配置单元中的特征参数集合均能够定义一个调频单元的线性调频信号，因此每个划分得到的调频单元都可以匹配到对应的一个配置单元。因此，基于划分得到的调频单元的顺序，可以获得匹配得到的配置单元的执行顺序。

在生成线性调频信号的过程中，具体地，累加器102按照配置单元的执行顺序，依次读取每个配置单元的特征参数集合，基于该特征参数集合能够生成该调频单元对应的线性调频控制信号，多个配置单元对应的线性调频控制信号按照执行顺序的先后组合起来即为需要生成的线性调频信号对应的线性调频控制信号。基于该线性调频控制信号，可以生成相应的线性调频信号。

本发明实施例提供的线性调频信号发生器，通过在配置区设置多个配置单元，每个配置单元存储有用于定义一个调频单元的特征参数集合，并利用累加器按照多个配置单元的执行顺序，依次根据每个配置单元存储的特征参数集合，生成每个配置单元对应的线性调频控制信号。由于每个调频单元可具有不同的波形，并且多个调频单元的线性调频信号能够组合形成完整的线性调频信号，因此通过按照不同顺序对不同波形的调频单元进行组合能够得到任意波形的线性调频信号，满足雷达的使用需求。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，每个调频单元由至少一段线性调频信号组成；每个配置单元存储有至少一组特征参数集合，每组特征参数集合用于定义一段线性调频信号，每组特征参数包括步进频率和步进时长；相应地，累加器102用于按照多个配置单元的执行顺序，依次根据每一段线性调频信号的步进频率和步进时长，对线性调频信号的频率进行累加或累减以生成每一段线性调频信号对应的线性调频控制信号。

具体地，每一调频单元的线性调频信号可被进一步划分为至少一段线性调频信号，例如图3和图4中，一个调频单元可以被划分为3段，段数具体可根据实际情况合理设置，本发明实施例对此不作限定。为了对每一段线性调频信号进行描述或定义，本发明实施例采用步进频率和步进时长组合的方式来定义每一段线性调频信号的波形。相应地，根据每个调频单元的线性调频信号中的段数，在配置单元中存储相应组数的特征参数集合。例如，当一个调频单元被划分为3段(A₀、B₀、C₀)时，相应的配置单元0中存储的特征参数集合有3组，分别用于描述A₀、B₀和C₀段线性调频信号。应当说明的是，对同一调频单元进行分段的依据是将步进频率不同的连续两段波形划分为两段线性调频信号。

基于上述配置区101，累加器102在生成线性调频控制信号时，按照配置单元的执行顺序，依次根据配置单元中存储的步进频率和步进时长生成每一段线性调频控制信号。其中，步进频率即为单位时长的步进频率，步进时长(例如图3中的T_A0)即为这一段线性调频信号持续的时长。步进频率计时器103＝调频带宽。将每一段线性调频控制信号按照执行顺序组合起来即为最终需要得到的线性调频控制信号。应当说明的是，步进频率可以是正的也可以是负的。

本发明实施例提供的方法，通过采用了步进频率和步进时长的组合来定义每一段线性调频信号，可以实现在段与段之间，调频单元与调频单元之间线性调频信号的频率走向的连续任意可变，使得对线性调频的控制更加灵活。同时可以采用多段或者多单元级联拼接的方式实现线性调频频率带宽与时长的任意扩展。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，线性调频信号发生器还包括：计时器103，计时器103分别与配置区101及累加器102连接；计时器103用于根据配置单元中每一段线性调频信号对应的步进时长，通过输入时钟进行计时控制。具体地，计时控制是指：计时器103从配置区101中获取每个配置单元中用于定义每一段线性调频信号的特征参数集合中的步进时长，并基于每一步进时长，在累加器102开始生成每一段线性调频控制信号时，通过输入时钟开始进行计时。并在累加器102持续累加或累减的时长达到步进时长时，使累加器102停止，从而完成一段线性调频信号的生成。

本发明实施例提供的方法，利用计时器根据配置单元中存储的步进时长对累加器进行累加或累减进行计时控制，能够准确控制累加器的累加或累减的时长，生成准确的线性调频信号。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，线性调频信号发生器还包括：状态机104，状态机104分别与配置区101及计时器103连接；状态机104内存储有多个配置单元的执行顺序；相应地，状态机104用于根据执行顺序控制计时器103进行计时控制，并基于计时器103的计时控制，控制累加器102开始或停止生成每一段线性调频信号对应的线性调频控制信号。

具体地，状态机104相当于线性调频信号发生器的控制中心，能够对配置区101、计时器103和累加器102进行控制。配置单元的执行顺序可直接存储于状态机104中，状态机104根据执行顺序依次控制计时器103和累加器102。其中，在对一段线性调频信号生成的过程中，在控制累加器102开始根据步进频率在当前频率上进行累加或累减的同时，控制计时器103根据输入时钟开始对累加器102累加或累减的持续时长进行计时。当持续时长达到步进时长时，状态机104控制累加器102和计时器103停止，并重复上述流程，生成下一段线性调频信号。可以理解的是，执行顺序可以包括循环生成同一配置单元对应的调频单元。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，线性调频信号发生器还包括射频前端105的频率综合器，频率综合器与累加器102连接；累加器102还用于将线性调频控制信号发送至频率综合器；频率综合器用于根据线性调频控制信号生成对应的线性调频信号。具体地，射频前端105可以为FMCW雷达系统的射频前端105，频率综合器为射频前端105的一个部件，频率综合器能够根据累加器102生成的线性调频控制信号，生成相应的线性调频信号。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，射频前端105与计时器103连接；相应地，计时器103还用于在累加器102开始生成每一段线性调频信号对应的线性调频控制信号时，生成对应的同步信号，并将同步信号发送至射频前端105，以使雷达系统在处理接收到的与线性调频信号对应的解调信号时，根据同步信号滤除解调线性调频信号时斜率转折点造成的误差。

具体地，在线性调频控制信号中每一段的初始，线性调频信号发生器中的计时器103会输出同步信号，该同步信号用于标识处于线性调频信号中各段间的频率转折区。利用该同步信号，雷达系统可以更加灵活的处理接收到的解调信号，滤除由于调频调谐斜率转折点频率突变造成的误差扩大，降低雷达系统的误判率，提高系统灵敏度。同时，同步信号标识的频率调谐斜率转折点可以用于加速频率综合器实现频率转折点处频率综合器的快速跟进，缩短有频率调谐突变造成的频率误差扩大所占据的时间。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，每一组特征参数集合还包括同步信号脉冲宽度，同步信号脉冲宽度由每一组的特征参数集合中的步进频率确定；相应地，计时器103具体用于根据同步信号脉冲宽度生成对应的同步信号。

具体地，参见图3和图4，同步信号的脉冲宽度可以通过配置单元中存储的同步信号脉冲宽度来进行配置，当脉冲宽度配置为0时，即不输出同步信号，表明此时的信号不处于频率转折期。另外，同步信号的时长(例如图3中的T_A0)可根据步进频率确定，例如步进频率越大，时长越长。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，每一组特征参数集合还包括射频前端关键参数，射频前端关键参数由每一组特征参数集合中的步进频率及步进时长确定；相应地，累加器102还用于在将每一段线性调频信号发送至频率综合器的同时，将根据射频前端关键参数生成的对应的关键参数控制信号发送至射频前端，关键参数控制信号用于指示射频前端基于射频前端关键参数对射频前端的电气参数进行调整。

具体地，由于设计的线性调频信号发生器可以实现相当宽的调谐频率范围，以及相当大调频斜率配置范围。面对大范围的频率调谐带宽和极快速与极慢速的线性调频速度变化。可能需要对射频前端中关键模块(例如频率综合器、发射模块、接收模块和压控振荡器等)的电气参数(例如相应时间、调频速率等)进行调整，以使其性能在每一段线性调频信号的线性调谐过程中一直处于性能最优状态。例如：频率综合器的响应时间及频率响应带宽需要根据不同的调频速率进行调整；发射模块与接收模块的最优谐振频率需要适应大带宽调频频率调谐；压控振荡器的振荡频率调谐频带也需要不同调频频率范围进行选取。通过根据每一段线性调频信号的步进频率和步进时长确定射频前端关键参数，并根据关键参数来调整射频前端的电气参数，能够使射频前端发射每一段线性调频信号时都有最优的射频性能。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，配置区101上设置有编程接口。利用该编程接口可以对配置区101内存储的内容进行修改，满足各种波形的线性调频信号的发生需求。每个调频单元由三段线性调频信号组成，配置单元采用三段式组织结构。具体地，配置单元采用级联三段式组织结构，每段组织结构对应一段线性调频信号。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，参见图6，频率综合器包括：混合型数字锁相环和倍频器，其中，混合型数字锁相环包括压控振荡器、分频器、计数器、时间数字转换器、微分器、数字滤波器、电流数模转换器和积分器；压控振荡器用于产生预设频率的初始信号；分频器用于对初始信号进行分频，生成分频信号；计数器用于输出参考相位的整数部分，参考相位以分频信号为量化单位；时间数字转换器用于输出经过解码之后的参考相位的小数部分；微分器用于根据参考相位获得量化的频率信息，参考相位通过参考相位的整数部分和参考相位的小数部分相加得到；量化的频率信息与线性调频控制信号做差，获得频率偏差信息；频率偏差信息经过数字滤波器、电流数模转换器和积分器，最后产生控制电压；压控振荡器根据控制电压产生目标振荡信号；倍频器用于改变目标振荡信号的频率，以获得预设频段的目标振荡信号。

其中，压控振荡器(voltage-controlled oscillator,简称VCO)产生频率为38.5-GHz的信号，该信号被一连串的分频器32分频，产生分频信号(div)。分频信号被送入高频计数器和时间数字转换器，参考时钟用于同步采样，计数器将输出以分频信号div周期为量化单位的量化的参考信号ref相位信息整数部分。

时间数字转换器(time-to-digital converter,简称TDC)结果经过解码之后将输出量化的参考信号ref相位信息的小数部分。

相位信息合并后经过微分将得到量化的频率信息，量化的频率信息与波形发生器(即累加器)产生的频率控制字(frequency command word,简称FCW)(即线性调频控制信号)做差，从而得到频率偏差信息。频率偏差经过数字滤波，经过一个电流数模转换器(current DAC)输出电流给片外的积分电容，再经过片外的抗混叠RC滤波产生VCO的控制电压。

最后，压控振荡器产生的信号将进入一个倍频器，倍频器的具体倍频倍数与振荡器的工作频率以及最终需要输出的工作频段相关，当振荡器工作在38.5GHz频率附近时，选用一个乘2倍频器可以产生77GHz附近的输出信号。

本发明实施例提供的频率综合器，基于一个超宽带鉴相范围的时间数字转换器的混合型数字锁相环，利用鉴别连续的两个高频时钟上升沿之间的时间差来获取信号周期的机制彻底避免了时间失配的问题，大大提高了产生调频信号的性能，本发明实施例在这个混合型数字锁相环的基础上，结合波形发生器模块和倍频器，构建了一个完整的调频连续波信号产生装置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种线性调频信号发生器，其特征在于，包括：配置区、累加器、射频前端的频率综合器和计时器，

所述配置区和所述累加器连接，所述计时器分别与所述配置区及所述累加器连接，所述频率综合器与所述累加器连接，所述射频前端与所述计时器连接；

所述配置区包括多个配置单元，每个所述配置单元存储有用于定义线性调频信号中一个调频单元的特征参数集合；

所述累加器用于按照多个所述配置单元的执行顺序，依次根据每个所述配置单元存储的所述特征参数集合，生成每个所述配置单元对应的线性调频控制信号；

每个所述调频单元由至少一段线性调频信号组成；每个所述配置单元存储有至少一组所述特征参数集合，每组所述特征参数集合用于定义一段所述线性调频信号，每组所述特征参数集合包括步进频率和步进时长；相应地，

所述累加器用于按照多个所述配置单元的执行顺序，依次根据每一段所述线性调频信号的所述步进频率和所述步进时长，对所述线性调频信号的频率进行累加或累减以生成每一段所述线性调频信号对应的所述线性调频控制信号；对同一调频单元进行分段的依据是将步进频率不同的连续两段波形划分为两段线性调频信号；

所述计时器用于根据所述配置单元中每一段线性调频信号对应的所述步进时长，通过输入时钟进行计时控制；

所述累加器还用于将所述线性调频控制信号发送至所述频率综合器；

所述频率综合器用于根据所述线性调频控制信号生成对应的所述线性调频信号；

所述计时器还用于在所述累加器开始生成每一段所述线性调频信号对应的所述线性调频控制信号时，生成对应的同步信号，并将所述同步信号发送至所述射频前端，以使雷达系统在处理接收到的与所述线性调频信号对应的解调信号时，根据所述同步信号滤除解调所述线性调频信号时斜率转折点造成的误差；由所述同步信号标识的频率调谐斜率转折点用于加速频率综合器；其中，同步信号的脉冲宽度是通过配置单元中存储的同步信号脉冲宽度来进行配置的；

每一组所述特征参数集合还包括射频前端关键参数，所述射频前端关键参数由每一组所述特征参数集合中的所述步进频率及所述步进时长确定；

相应地，所述累加器还用于在将每一段所述线性调频信号发送至所述频率综合器的同时，将根据所述射频前端关键参数生成的对应的关键参数控制信号发送至所述射频前端，所述关键参数控制信号用于指示所述射频前端基于所述射频前端关键参数对所述射频前端的电气参数进行调整。

2.根据权利要求1所述的线性调频信号发生器，其特征在于，还包括：状态机，所述状态机分别与所述配置区及所述计时器连接；所述状态机内存储有多个所述配置单元的执行顺序；

相应地，所述状态机用于根据所述执行顺序控制所述计时器进行计时控制，并基于所述计时器的计时控制，控制所述累加器开始或停止生成每一段所述线性调频信号对应的所述线性调频控制信号。

3.根据权利要求1所述的线性调频信号发生器，其特征在于，每一组所述特征参数集合还包括同步信号脉冲宽度，所述同步信号脉冲宽度由每一组的所述特征参数集合中的所述步进频率确定；相应地，所述计时器具体用于根据所述同步信号脉冲宽度生成对应的同步信号。

4.根据权利要求1所述的线性调频信号发生器，其特征在于，所述配置区上设置有编程接口；每个所述调频单元由三段线性调频信号组成，所述配置单元采用三段式组织结构。

5.根据权利要求1所述的线性调频信号发生器，其特征在于，所述频率综合器包括：混合型数字锁相环和倍频器，其中，所述混合型数字锁相环包括压控振荡器、分频器、计数器、时间数字转换器、微分器、数字滤波器、电流数模转换器和积分器；

所述压控振荡器用于产生预设频率的初始信号；

所述分频器用于对所述初始信号进行分频，生成分频信号；

所述计数器用于输出参考相位的整数部分，所述参考相位以所述分频信号为量化单位；

所述时间数字转换器用于输出经过解码之后的所述参考相位的小数部分；

所述微分器用于根据所述参考相位获得量化的频率信息，所述参考相位通过所述参考相位的整数部分和所述参考相位的小数部分相加得到；

所述量化的频率信息与所述线性调频控制信号做差，获得频率偏差信息；所述频率偏差信息经过所述数字滤波器、所述电流数模转换器和所述积分器，最后产生控制电压；

所述压控振荡器根据所述控制电压产生目标振荡信号；

所述倍频器用于改变所述目标振荡信号的频率，以获得预设频段的目标振荡信号。

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