CN110462431B - 用于使用无线通信芯片组的雷达感测的全双工操作 - Google Patents

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Abstract

描述了使得能够进行用于使用无线通信芯片组的雷达感测的全双工操作的技术和装置。控制器初始化或控制无线通信芯片组中的一个或多个收发器与天线之间的连接。这使得该无线通信芯片组能够被用作连续波雷达或脉冲多普勒雷达。通过利用这些技术，无线通信芯片组可以改换用途或被用于无线通信或雷达感测。

Description

用于使用无线通信芯片组的雷达感测的全双工操作
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年03月22日提交的美国实用申请No.15/928,346的权益，本申请进而要求于2017年05月31日提交的美国临时申请No.62/512,952的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
雷达是可检测和跟踪物体、绘制表面并识别目标的有用设备。在许多情况下，雷达可以替换诸如相机的笨重且昂贵的传感器，并且在诸如低照明和雾的不同环境条件的存在下或者在具有移动或重叠目标情况下提供改进的性能。
尽管使用雷达感测可以是有利的，但是存在与将雷达传感器并入商业设备中相关联的许多挑战。较小的消费者设备例如限制雷达传感器的尺寸，这可能限制性能。此外，常规雷达使用定制设计的雷达专用硬件来生成雷达专用信号。这种硬件可能是昂贵的并且如果被并入，需要消费者设备中的附加空间。因此，由于附加成本和空间约束，消费者设备不太可能并入雷达传感器。
发明内容
描述了使得能够进行用于使用无线通信芯片组的雷达感测的全双工操作的技术和装置。控制器初始化或控制无线通信芯片组中的多个收发器与天线之间的连接。对于包括至少一个收发器和至少两个天线的无线通信芯片组，该控制器可以使至少一个发射链和在至少一个接收链被连接至不同天线。这使该无线通信芯片组能够被用作连续波雷达并且同时发射和接收雷达信号。对于包括至少一个收发器和至少一个天线的无线通信芯片组，该控制器可以使得能够快速切换将发射链或接收链连接至天线。这使得该无线通信芯片组能够被用作脉冲多普勒雷达并且对来自所发射和所接收的雷达信号的脉冲进行交织。通过利用这些技术，无线通信芯片组可以被用于无线通信或雷达感测。
下文所描述的方面包括一种无线通信芯片组、处理器和包括计算机可执行指令的计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令响应于被处理器执行而实现控制器。该无线通信芯片组包括发射器、接收器、至少两个天线和至少两个开关。该无线通信芯片组被配置为经由该发射器发射信号。该无线通信芯片组还被配置为经由该接收器接收信号。该控制器被配置为使该至少两个开关中的一个开关将该发射器连接至该至少两个天线中的一个天线以使得该发射器能够经由一个天线发射信号。该控制器还被配置为使该至少两个开关中的另一个开关将该接收器连接至该至少两个天线中的另一个天线，以使得该接收器能够在该发射器经由天线发射信号的时间的至少一部分期间经由其它天线接收信号。
下文所描述的方面还包括一种无线通信芯片组、处理器和包括计算机可执行指令的计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令响应于被处理器执行而实现控制器。该无线通信芯片组包括发射器、接收器、至少一个天线以及开关。该无线通信芯片组被配置为经由该开关将该发射器或接收器连接至该至少一个天线。该无线通信芯片组还被配置为经由该发射器发射信号。该信号包括多个脉冲。经由该接收器，该无线通信芯片组被配置为接收该多个脉冲。该控制器被配置为使该开关在连接该发射器或接收器之间进行切换，以使得该多个脉冲中的一个脉冲能够在该发射器发射该多个脉冲中的两个其它脉冲的时间之间被该接收器接收。
下文所描述的方面还包括一种使无线通信芯片组的发射器连接至第一天线的方法。该方法还包括使得该无线通信芯片组的接收器连接至第二天线。经由该发射器和该第一方法，该方法包括发射信号。该方法还包括经由该接收器和该第二天线接收被目标反射的信号。该信号的接收发生在该发射器正在发射该信号的时间的至少一部分期间。该方法进一步包括处理被接收的信号以确定该目标的位置。
下文所描述的方面还包括一种系统，具有用于控制无线通信芯片组中的一个或多个发射器、接收器和天线的连接的装置。
附图说明
参考以下附图描述使得能实现用于使用无线通信芯片组的雷达感测的全双工操作的装置和技术。在所有附图中使用相同的标号来引用相似的特征和部件：
图1图示出描述使用无线通信芯片组的雷达感测的示例环境。
图2图示出具有执行无线通信和雷达感测的多个通信设备的示例环境。
图3图示出示例计算设备。
图4图示出示例无线通信芯片组。
图5图示出用于全双工操作的示例通信设备。
图6-1图示出用于连续波雷达的无线通信芯片组的全双工操作。
图6-2图示出用于脉冲多普勒雷达的无线通信芯片组的全双工操作。
图7图示出用于数字波束形成的示例数字波束形成器和无线通信芯片组。
图8-1图示出用于数字波束形成的示例无线通信芯片组。
图8-2图示出用于数字波束形成的另一示例无线通信芯片组。
图9图示出用于雷达调制的示例雷达调制器和无线通信芯片组。
图10图示出执行无线通信和雷达感测的示例通信设备。
图11图示出用于执行用于使用无线通信芯片组的雷达感测的全双工操作的示例方法。
图12图示出用于执行用于使用无线通信芯片组的雷达感测的数字波束形成的示例方法。
图13图示出用于执行用于使用无线通信芯片组的雷达感测的雷达调制的示例方法。
图14图示出具体实现用于雷达感测的无线通信芯片组或者可以在其中实现使得能够使用用于雷达感测的无线通信芯片组的技术的示例计算系统。
具体实施方式
概要
虽然许多计算设备可能不具有雷达传感器，但是这些计算设备可以受益于雷达感测。雷达感测可增强例如借助于手势识别的用户界面、借助于接近检测的节电技术等。
然而，计算设备可以包括无线通信芯片组，所述无线通信芯片组可使得用户能够与朋友交谈、下载信息、共享图片、远程控制家用设备、接收全球定位信息或者收听无线电台。尽管无线通信芯片组被用于发射和接收无线通信信号，但是无线通信芯片组包括许多与雷达传感器类似的组件，诸如天线、收发器和处理器。此外，用于无线通信的频率可以类似于用于雷达感测的那些频率(例如S波段、C波段、X波段、毫米波频率等)。
然而，通常无线通信芯片组被设计用于无线通信而不是雷达感测。例如，无线通信芯片组可以被装配为使用时分双工技术以在发射通信信号与接收通信信号之间切换，对于雷达感测这可能不便于检测近距离目标。另外，无线通信芯片组可以被装配为利用单个发射链或接收链，对于雷达感测这可能不便于确定目标的角位置。此外，无线通信芯片组可以被装配为利用通信调制，对于雷达感测这可能不便于确定目标的距离和多普勒效应。
因此，本文档描述用于使用无线通信芯片组来实现雷达感测技术的技术和设备。该技术利用使得无线通信芯片组能够发射和接收除了无线通信信号之外或代替无线通信信号的雷达信号的控制器。特别地，控制器可使无线通信芯片组执行全双工操作、支持数字波束形成或者产生雷达调制。
全双工操作使得能够在时间的同一部分上发生发射和接收，从而使得能够使用连续波雷达或脉冲多普勒雷达技术。数字波束形成使得能实现用于确定目标的角位置的定制波束导向(beamsteering)和整形(shaping)。使用数字波束形成技术，各种雷达场可被无线通信芯片组发射或者接收。雷达调制使得雷达信号能够被无线通信芯片组发射和接收，从而支持用于雷达感测的频率调制(FM)测距或多普勒感测技术。
使用这些技术，无线通信芯片组可被用于检测用户的存在、跟踪用户的手势以进行无触摸控制、提供碰撞避免以进行自动驾驶等的基于雷达的应用。根据计算设备的目的，无线通信芯片组可被重新目的化以用于雷达感测或者提供无线通信和雷达感测两者。包括无线通信芯片组的计算设备因此可利用雷达感测并从雷达感测中受益而无需使用雷达传感器或雷达专用硬件。此外，可针对具有不同配置的各种不同的无线通信芯片组定制或者优化一些技术。使雷达感测价格低廉并对于许多计算设备可用可以进一步使得多个计算设备能够实现主动、被动或双基地雷达技术。本文档现在转向示例环境，在所述示例环境之后描述示例装置、示例方法和示例计算系统。
示例环境
图1是在其中可以具体实现利用使用无线通信芯片组的雷达感测的技术以及包括使用无线通信芯片组的雷达感测的装置的示例环境100的图示。环境100包括计算设备102，所述计算设备102包括用于通过无线通信链路108(无线链路108)与基站106通信的无线通信芯片组104。在此示例中，计算设备102被实现为智能电话。然而，如参考图2和图3进一步详细地描述的，计算设备102可以被实现为任何适合的计算或电子设备。
基站106经由无线链路108与计算设备102进行通信，所述无线链路108可以被实现为任何适合类型的无线链路。尽管被描绘为蜂窝网络的塔台，然而基站106可以表示或者被实现为另一设备，诸如卫星、有线电视头端、地面电视广播塔台、接入点、对等设备、网状网络节点、物联网(IoT)设备等。因此，计算设备102可以经由无线链路108与基站106或另一设备进行通信。
无线链路108可包括从基站106传送到计算设备102的数据或控制信息的下行链路或从计算设备102传送到基站106的其它数据或控制信息的上行链路。可以使用任何适合的通信协议或标准来实现无线链路108，所述通信协议或标准包括用于蜂窝网络(例如第三代合作伙伴计划长期演进(3GPP LTE)或第五代(5G))、IEEE 802.11(例如802.11n/ac/ad/g/a/b)、Wi-Fi、WiGigTM、WiMAXTM、BluetoothTM、多输入多输出(MIMO)网络等的那些通信协议或标准。
计算设备102利用无线通信芯片组104以进行雷达感测而不是具有雷达传感器。如图1中所示，示例雷达感测应用包括使得被携带在手提包中的计算设备102能够检测在手提包外做出的手势的遮挡手势识别应用110-1。另一手势识别应用程序110-2使得计算设备102(示出为可穿戴智能手表)能够提供在其中用户可以在内部做出手势以与计算设备102交互的雷达场(示出为虚线立方体)。示例医学诊断应用110-3使得计算设备102能够测量生理特性或者评估用户的异常身体运动，诸如面部抽搐。这些测量可帮助诊断各种身体状况(例如中风或帕金森病的症状)。示例绘图应用110-4使得计算设备102能够生成周围环境的三维地图以用于场境感知。如关于图2进一步详细地描述的，计算设备102使用无线通信芯片组104可实现主动或被动雷达感测技术。
图2图示出具有执行无线通信和雷达感测的多个通信设备102的示例环境200。环境200中的计算设备102包括图1的计算设备102、智能电话202和智能冰箱204，其中的每一个均包括无线通信芯片组104。计算设备102和智能电话202使用无线通信芯片组104分别经由无线链路108-1和无线链路108-2与基站106进行通信。同样地，智能冰箱204经由无线链路108-3与计算设备102进行通信。
除了经由无线链路108发射和接收通信信号之外，这些设备中的每一个还可执行雷达感测。使用无线通信芯片组104，计算设备102、智能电话202和智能冰箱可通过发射和接收分别通过雷达场206-1、206-2和206-3示出的它们自己的雷达信号来作为单基地雷达操作。
在存在多于一个计算设备102的环境中，诸如在环境200中，多个计算设备102可一起工作以实现双基地雷达、多基地雷达或网络雷达。换句话说，一个或多个计算设备102可发射雷达信号并且一个或多个其它计算设备102可接收雷达信号。对于协作式雷达感测，计算设备102可使用原子钟、全球定位系统(GPS)时间、蜂窝同步、无线通信等在时间上同步。
在一些情况下，可根据每一个设备的能力和位置来在计算设备102之间分配雷达感测操作。例如，具有最高发射功率或较宽视场的设备例如可用于发射雷达信号。还可跨越所有计算设备102共享通过协作式或非协作式技术收集的雷达数据，这可提高发现概率、目标定位精度、目标跟踪以及目标定向和形状估计。由多个计算设备102提供的雷达数据还可用于减少虚警、执行三角测量或者支持干涉度量。
使用多个计算设备102以进行雷达感测使得能够照射周围环境的大部分并且能够从不同的视角收集雷达数据。与雷达感测相关联的时间或功率成本还可分布在多个计算设备102上，从而使得具有有限资源的计算设备102能够执行雷达感测。
更详细地，考虑将无线通信芯片组104图示为计算设备102的一部分的图3。以多种非限制性示例设备图示计算设备102，包括台式计算机102-1、平板102-2、膝上型电脑102-3、电视102-4、计算手表102-5、计算眼镜102-6、游戏系统102-7、微波炉102-8和车辆102-9。还可以使用其它设备，诸如无线路由器、无人机、跟踪板、绘图板、上网本、电子阅读器、家庭自动化和控制系统以及其它家用电器。注意的是，计算设备102可以是可穿戴的、不可穿戴但移动的或相对固定的(例如台式机和电器)。
计算设备102可以包括用于通过有线、无线或光网络传送数据的网络接口302。例如，网络接口302可以通过局域网(LAN)、无线局域网(WLAN)、个域网(PAN)、有线区域网(WAN)、内联网、互联网、对等网络、点对点网络、网状网络等传送数据。计算设备102还可以包括显示器(未示出)。
计算设备102还包括一个或多个计算机处理器304和包括存储器介质和存储介质的计算机可读介质306。计算机可读介质306被实现为存储计算设备102的指令、数据和其它信息，因此不包括暂时性传播信号或载波。被具体实现为计算机可读介质306上的计算机可读指令的应用和/或操作系统(未示出)可由计算机处理器304执行以提供本文描述的功能中的一些。计算机可读介质306包括基于雷达的应用308和控制器310。基于雷达的应用308使用由无线通信芯片组104提供的雷达数据来执行雷达感测功能，诸如检测用户的存在、跟踪用户的手势以进行无触摸控制、检测障碍物以进行自动驾驶等。
控制器310控制用于无线通信或雷达感测的无线通信芯片组104的操作。在图3中，控制器310被示出为存储在计算机可读介质306上并由计算机处理器304执行的软件模块。在一些实施方式中，控制器310包括被传输到无线通信芯片组104或者存储在无线通信芯片组104上并由无线通信芯片组104执行的软件或固件。在其它情况下，控制器310是集成在无线通信芯片组104内的控制器。
控制器310启动、设置或者操作无线通信芯片组104以提供用于雷达感测的特征。这些特征包括全双工操作、数字波束形成或雷达调制。控制器310还可基于优先级、基于雷达的应用308或用于雷达感测的预定更新速率来管理用于无线通信或雷达感测的无线通信芯片组104的时间共享。对无线通信或雷达感测的请求可由控制器310从与计算设备102相关联的其它应用获得。在一些情况下，如参考图10进一步详细地描述的，控制器310可使无线通信芯片组104同时地提供无线通信和雷达感测两者。参考图4进一步描述无线通信芯片组104。
图4图示出包括通信接口402的示例无线通信芯片组104。通信接口402向计算设备102或远程设备提供用于无线通信的通信数据或用于雷达感测的雷达数据。然而，在无线通信芯片组104被集成在计算设备102内时，不需要使用通信接口402。雷达数据可包括可由计算机处理器304经由基于雷达的应用308或控制器310进一步处理的原始同相或正交(I/Q)数据、预处理的距离多普勒图等。
无线通信芯片组104还包括至少一个天线404和至少一个收发器406。天线404可与无线通信芯片组104分离或者被集成在无线通信芯片组104内。天线404可包括用于天线分集、发射波束形成或MIMO网络的多个天线404。在一些情况下，多个天线404以二维形状(例如平面阵列)组织。多个天线404之间的间距可以小于、大于或等于雷达信号的中心波长的一半。使用天线404，控制器310可使无线通信芯片组104形成被导向的或非导向的、宽的或窄的、或者被整形(例如半球、立方体、扇形、锥形、圆柱形)的波束。如在下面进一步详细地描述的，可使用数字波束形成技术来实现导向和整形。
收发器406包括诸如滤波器、开关、放大器、混频器等的电路和逻辑以用于控制经由天线404发射或者接收的信号。收发器406还可包括用于执行诸如合成、编码、调制、解码、解调等的同相和正交(I/Q)操作的逻辑。基于无线通信芯片组104支持的无线通信的类型，收发器406可发射和接收1GHz至400GHz范围、4GHz至100GHz范围和诸如57GHz至63GHz的较窄波段内的微波辐射。
无线通信芯片组104还包括一个或多个系统处理器408和系统介质410(例如一个或多个计算机可读存储介质)。系统处理器408还可以包括用于执行高速率采样过程的基带电路，所述高速率采样过程可包括模数转换、数模转换、快速傅里叶变换(FFT)、增益校正、偏斜校正、频率转换等。通常，系统处理器408可向收发器406提供通信数据以用于传输。系统处理器408还可处理来自收发器406的基带信号以生成可经由通信接口402提供给计算设备102以用于无线通信或雷达感测的数据。在一些情况下，控制器310的各部分可以在系统介质410中可用并且由系统处理器408执行。
控制器310使得无线通信芯片组104能够提供用于雷达感测的附加特征。特别地，控制器310可使第一无线通信芯片组104-1提供全双工操作416、使第二无线通信芯片组104-2经由数字波束形成器418支持数字波束形成或者使第三无线通信芯片组104-3实现雷达调制器420。
如图5中所示，全双工操作416可通过控制器310控制无线通信芯片组104中的不同收发器406和不同天线404之间的连接来实现。如图6-1中所示，全双工操作416的一些实施方式使得无线通信芯片组104能够被用于连续波雷达。如图6-2中所示，全双工操作416的其它实施方式使得能实现用于脉冲多普勒雷达的发射和接收的快速交织。全双工操作416使得无线通信芯片组104能够被用于检测近距离目标并且用于测量目标的距离和距离变化率。
如图7、图8-1和图8-2中所示，数字波束形成可通过控制器310使无线通信芯片组104将来自多个接收链(例如，多个收发器406和多个天线404)的基带数据提供给数字波束形成器418来实现。在一些实施方式中，数字波束形成器418由计算设备102经由计算机处理器304和计算机可读介质306来实现。如果无线通信芯片组104包括执行快速傅立叶变换(FFT)的电路和逻辑，则数字波束形成器418可以替换地由系统处理器408和系统介质410实现。此外，数字波束形成器418通过数字方式地执行相移和振幅渐减操作来提供对诸如模拟移相器的附加硬件部件的替换。
数字波束形成提供许多优点。例如，将数字波束形成技术应用于接收使得能够使用更少的天线404来发射雷达信号(例如，减少对用于雷达感测的发射波束形成的依赖)。还通过使得多个波束在接收期间能够数字方式地形成而不是随着时间发射多个窄笔形波束来高效地利用可用的时间资源。另外，数字波束形成器418使得能够生成多种方向图，这提供了用于支持跨不同的无线通信芯片组104的天线404的不同布置的灵活性。
如图9中所示，雷达调制可通过控制器310使无线通信芯片组104将同相和正交(I/Q)调制器和解调器作为雷达调制器420操作来实现。例如，I/Q调制器可由控制器310编程来数字方式地生成使得能够确定目标的距离和多普勒效应的雷达专用调制。这些雷达调制还可减少对其它雷达信号或通信信号的干扰。在一些情况下，如图10中所示，雷达调制器420可使得能实现并发的无线通信和雷达感测。
尽管被单独地示出，但是全双工操作416、数字波束形成器418和雷达调制器420的不同组合可被一起实现以用于使用无线通信芯片组104的雷达感测。参考图5-图10进一步描述这些特征。
全双工操作
图5图示出用于全双工操作的示例通信设备102。无线通信芯片组104包括多个收发器406-1、406-2...406-N，其中“N”表示正整数。每一个收发器406包括发射链和接收链，分别通过发射器502-1、502-2...502-N和接收器504-1、504-2...504-N来表示。无线通信芯片组104还包括开关506-1、506-2...和506-N以及天线404-1、404-2....404-N。开关506和天线404可在无线通信芯片组104内部或外部。在图5中，天线404、开关506和收发器406的数目被示出为相同的，然而不同的数量也是可能的。在一些情况下，收发器406可以耦接到多于一个天线404或者天线404可以耦接到多于一个收发器406。
在所描绘的实施方式中，每一个开关506将对应的发射器502或接收器504耦接到对应的天线404。在一些针对无线通信的情形下，无线通信芯片组104可使用时分双工(TDD)以在不同的时间发射或者接收。因此，在任何给定时间，开关506将发射器502或者接收器504耦接到天线404。
然而，对于雷达感测，使得无线通信芯片组104能够提供收发器406的全双工操作416是有利的，从而使得能实现近距离雷达感测。可通过控制器310经由双工操作信号508设置开关506的状态来实现全双工操作416。以这种方式，如参考图6-1和图6-2进一步详细地描述的，控制器310可使得无线通信芯片组104能够执行连续波雷达或脉冲多普勒雷达。开关506的使用进一步使得无线通信芯片组104能够容易地在用于雷达感测的全双工操作或用于无线通信的半双工操作之间切换。
图6-1图示出用于连续波雷达操作的无线通信芯片组104的全双工操作416。在所描绘的实施方式中，控制器310使发射器502的一部分和接收器504的一部分同时地连接到相应的天线404。例如，双工操作信号508使开关506-1将发射器502-1连接到天线404-1并且使开关506-2将接收器504-2连接到天线404-2。以这种方式，发射器502-1经由天线404-1发射雷达信号602，同时接收器504-2经由天线404-2接收被目标604反射的雷达信号602的一部分。
在一些情况下，如图606中所示，雷达信号602可包括频率调制信号。图606绘制发射雷达信号602-1和反射雷达信号602-2随着时间的频率。图606图示出全双工操作416，由此发射器502-1在接收器504-2接收反射雷达信号602-2的时间的一部分期间生成发射雷达信号602-1。通过测量发射雷达信号602-1与反射雷达信号602-2之间的随着时间的频率偏移，可通过基于雷达的应用308来确定目标604的距离和距离变化率。
对于共享用于发射链和接收链两者的部件的收发器406(例如，可在任何给定时间执行发射或接收的收发器406)，可使用至少两个收发器406来实现用于连续波雷达的全双工操作416，由此来自收发器406中的每一个的发射链或接收链分别连接到天线404。或者，对于包括单独的发射链和接收链的收发器406(例如，可同时地执行发射和接收的收发器406)，可通过将收发器406的发射器502和接收器504分别连接到天线404来实现用于连续波雷达的全双工操作416(如图8-2中所示)。
图6-2图示出用于脉冲多普勒雷达操作的无线通信芯片组104的全双工操作416。在所描绘的实施方式中，控制器310使得能实现发射器502与接收器504之间的快速切换。使用双工操作信号508，控制器310可进一步协调跨多个开关506的切换。对于脉冲多普勒雷达，控制器310使发射操作和接收操作交织，使得发射雷达信号602-1的脉冲可由发射器502-1和502-2发射并且反射雷达信号602-2的脉冲可由接收器504-1和504-2接收。作为优点，脉冲多普勒雷达操作使得具有单个收发器406或单个天线404的无线通信芯片组104能够执行雷达感测。与图6-1中描述的连续波雷达技术相比较，还可使用脉冲多普勒雷达通过使得能实现用于发射和接收两者的天线404的双重使用来增加灵敏度。
图608绘制发射雷达信号602-1和反射雷达信号602-2随着时间的频率。如所示出的，发射雷达信号602-1包括多个发射脉冲610-1、610-2...610-P，其中“P”表示正整数。每一个发射脉冲610之间的时间被称作脉冲间周期(IPP)。在每一个发射脉冲610期间，控制器310使发射器502连接到天线404。在每一个发射脉冲610之间，控制器310使接收器504连接以用于接收反射脉冲612，诸如反射脉冲612-1和612-2。尽管图608图示出未同时发射和接收的单独的脉冲，但是快速切换使得能够跨同一时间段发射或者接收雷达信号602的各部分，从而实现全双工操作416的版本。
尽管在图6-1和图6-2中明确示出了两个收发器406、两个天线404和两个开关506，但是可将用于连续波雷达或脉冲多普勒雷达的技术应用于任何数目的收发器406、天线404和开关506。对于使用循环器而不是开关506的无线通信芯片组104，也可执行连续波雷达操作和脉冲多普勒雷达操作两者。
数字波束形成
图7图示出用于数字波束形成的示例数字波束形成器418和无线通信芯片组104。使用数字波束形成技术，可发射或者接收各种雷达场，包括宽场、窄场、整形场(半球、立方体、扇形、锥形、圆柱形)、导向场、非导向场、近距离场、远距离场等。虽然在下面参考接收雷达信号602讨论数字波束形成，但是数字波束形成还可被实现以用于发射雷达信号602。在所描绘的配置中，接收器504-1至504-N分别处理经由天线404-1至404-N接收到的反射雷达信号602-2以生成基带数据702-1至702-N。通常，来自天线404的响应由单独的接收链单独地处理。基带数据702可包括跨一个时间段并针对与雷达信号602相关联的不同波数收集的数字I/Q数据。
数字波束形成器418从无线通信芯片组104(例如，如果数字波束形成器418被实现为与无线通信芯片组104分离，则经由通信接口402)获得基带数据702并且将基带数据702乘以复数加权值704-1至704-N。数字波束形成器418执行求和706以组合来自接收链中的每一个的结果以形成空间响应708。可将空间响应708提供给基于雷达的应用308以用于确定目标604的角位置。通常，空间响应708包括角度、距离和时间的集合的振幅和相位信息。
在一些实施方式中，控制器310可设置或者提供复数加权值704以控制用于生成空间响应708的天线方向图的形状。复数加权值704可基于预定值并且可使得能够同时地形成数千个波束。复数加权值704还可由控制器310实时地动态调整以减少来自干扰源或噪声源的干扰(例如，通过在干扰方向上将天线方向图导向零)。如参考图8-1和图8-2进一步详细地描述的，控制器310还可配置无线通信芯片组104以改进数字波束形成。
图8-1图示出用于数字波束形成的无线通信芯片组104的示例配置。无线通信芯片组104包括具有多个天线404的天线阵列802。在所描绘的配置中，天线阵列802是具有天线404的二维布置(例如，三角形、矩形、圆形或六边形布置)的平面阵列，这使得能够确定与反射雷达信号602-2的到达角相关联的二维向量(例如，使得能够确定目标604的方位角和仰角两者)。天线阵列802可包括沿着角度空间的一个维度(例如，方位角或水平维度)放置的两个天线404以及沿着天线空间的相对于所述两个天线404中的一个的另一维度(例如，仰角或垂直维度)放置的另一天线404。天线阵列802的其它实施方式可包括线性阵列(例如，一维布置)，使得可确定目标604的方位角或仰角。通常，二维天线阵列使得能实现两个平面(例如，方位角(azimuth)和仰角(elevation))中的波束导向并且与相同数目的天线和天线间距的一维天线阵列相比较具有较高的方向性。
在所描绘的配置中，天线阵列802被示出为具有N×M矩形布置，其中N和M是大于一的正整数并且彼此可以相等或者可以不相等。示例布置包括2×2阵列、2×3阵列、4×4阵列等。对于数字波束形成，控制器310可实现用于全双工操作416的技术以使得收发器406-1至406-NM的一部分能够使用天线阵列802中的天线404-1至404-NM的一部分来接收反射雷达信号602-2以进行数字波束形成。
在一些实施方式中，控制器310可选择天线404中的哪一个被用于数字波束形成。这可通过控制天线阵列802中的天线404中的哪一个被连接到接收器504来实现(例如，经由上面所描述的用于全双工操作416技术)。这使得控制器310能够通过选择实现预定间距的天线404来促进经由无线通信芯片组104的雷达感测，所述预定间距减少相互耦合的影响，增强方向性等。为了控制角度模糊，控制器310还可基于雷达信号602的中心波长来选择天线404以实现有效的天线间距。示例天线间距可包括近似的雷达信号602的中心波长、中心波长的一半或中心波长的三分之一。此外，控制器310可通过选择在天线阵列802内等间距的天线404来降低数字波束形成的复杂度。在一些实施方式中，如图8-2中所示，可选取天线404使得形成二维阵列以用于发射和接收。
图8-2图示出用于数字波束形成的另一示例无线通信芯片组104。无线通信芯片组104包括八个天线404-1至404-8和四个收发器406-1至406-4。天线404-1至404-4形成发射天线阵列802-1并且天线404-5至404-8形成接收天线阵列802-2。在所描绘的配置中，发射器502-1至502-4分别耦接到发射天线阵列802-1中的天线404-1至404-4，并且接收器504-1至504-4分别耦接到接收天线阵列802-2中的天线404-5至404-8。以这种方式，可实现数字波束形成以用于雷达信号602的发射和接收两者。在其它实施方式中，发射天线阵列802-1可以具有与接收天线阵列802-2相同或不同的天线布置、天线404的数目或天线间距。
雷达调制
图9图示出用于雷达调制的示例雷达调制器420和无线通信芯片组104。在所描绘的配置中，无线通信芯片组104的收发器406包括I/Q调制器902和I/Q解调器904。对于无线通信，I/Q调制器902和I/Q解调器904可以被分别用于将通信数据调制到载波信号上或者将载波信号解调以提取通信数据。示例调制包括振幅、频率或相位调制。作为另一示例，正交频分复用(OFDM)可以由I/Q调制器902和I/Q解调器904执行。
对于雷达感测，控制器310可生成调制操作信号906以使I/Q调制器902和I/Q解调器904作为雷达调制器420而操作并且利用预定的雷达调制类型。示例雷达调制包括频率调制(例如线性频率调制(LFM)、锯齿频率调制或三角频率调制)、步进频率调制、相移键控(PSK)、伪噪声调制、扩频调制等。作为示例，控制器310针对频率调制的连续波(FMCW)雷达可使I/Q调制器902产生啁啾信号(chirp signal)并且使I/Q解调器904解调所述啁啾信号。
控制器310还可使用调制操作信号906来进一步指定用于发射和接收雷达信号602的影响雷达信号602的频率和带宽的无线通信信道。在一些方面中，不同的无线通信频率信道可被捆绑(bond)以增加雷达信号的带宽。利用较大的带宽增强经由无线通信芯片组104的雷达感测的距离分辨率(例如，增加距离精度并且使得能够在距离内分辨多个目标)。如参考图10进一步详细地描述的，I/Q调制器902和I/Q解调器904还可用于支持同时地执行多个雷达感测操作或者同时地执行无线通信和雷达感测两者。
图10图示出使用控制器310和无线通信芯片组104来执行无线通信和雷达感测的计算设备102。在此示例中，无线通信芯片组104支持MIMO和OFDM。基于调制操作信号906，无线通信芯片组104经由通过发射器502-1、502-2...502-N表示的单独的发射链生成信号1000-1、1000-2...1000-N。信号1000-1、1000-2和1000-N分别被调制以用于雷达感测、无线通信以及雷达感测和无线通信两者。可通过使用雷达调制来对包含通信数据的信号进行调制而实现信号1000-N。以这种方式，接收到信号1000-N的其它计算设备102可处理信号1000-N以用于无线通信或者用于雷达感测(例如，使用如图3中所描述的双基地、多基地或网络雷达的技术)。
为了避免多个信号1000之间的干扰，控制器310可使得I/Q调制器902使信号1000变为彼此正交。在其它方面中，可使用不相交(disjoint)的无线通信信道来发射信号1000-1、1000-2和1000-3。不同的无线通信信道还可被用于不同的雷达调制，从而使得能够同时地发射不同的雷达信号602。如果在无线通信芯片组104中时间、天线或收发器资源是有限的，则控制器310可基于优先级、预定的更新速率或来自另一应用的请求来调度无线通信和雷达感测以在不同的时间发生。
示例方法
图11-图13描绘用于使用无线通信芯片组104的雷达感测的示例方法1100、1200和1300。方法1100、1200和1300被示出为执行的操作(或行为)的集合，但是不一定限于在本文中示出这些操作的次序或组合。进一步地，可以重复、组合、重组或者连接这些操作中的一个或多个中的任一个以提供多种附加的和/或替换的方法。在以下讨论的各部分中，可以参考图1和图2的环境100和200以及图3-图10中详述的实体，对它们的参考仅用于示例。技术不限于由在一个设备上操作的一个实体或多个实体执行。
图11图示出用于执行用于使用无线通信芯片组的雷达感测的全双工操作的示例方法。在1102处，使无线通信芯片组的发射器连接到第一天线。例如，控制器310可使无线通信芯片组104将发射器502连接到天线阵列802中的天线404中的至少一个。
在1104处，使无线通信芯片组的接收器连接到第二天线。例如，控制器310可使无线通信芯片组104将接收器504连接到天线阵列802中的至少一个其它天线404。发射器502和接收器504可以与无线通信芯片组104中的相同的收发器406或不同的收发器406相关联。
在1106处，经由发射器和第一天线发射信号。例如，发射器502-1和天线404-1可发射雷达信号602。在一些情况下，雷达信号602可以是如图6-1中所示的连续波雷达信号或如图6-2中所示的脉冲雷达信号。
在1108处，经由接收器和第二天线接收被目标反射的信号。信号的接收发生在发射器正在发射信号的时间的至少一部分期间。例如，雷达信号602可被目标604反射并且经由接收器504-2和第二天线404-2接收。在一些实施方式中，接收器504-1可与第一天线404-1一起使用。对于连续波雷达，可以同时地发射雷达信号602的各部分，同时接收信号的其它部分。对于脉冲多普勒雷达，雷达信号602的不同脉冲可以在发射的其它脉冲之间被接收。
在1110处，处理接收到的信号以确定目标的位置。例如，系统处理器408或计算机处理器304可处理雷达信号602以确定目标604的距离或角位置。
图12图示出用于执行用于使用无线通信芯片组的雷达感测的数字波束形成的示例方法。在1202处，经由无线通信芯片组的多个接收链来接收被目标反射的雷达信号。例如，如图7中所示，可经由无线通信芯片组104的接收器504-1至504-N的至少一部分和天线404-1至404-N的至少一部分来接收反射雷达信号602-2。通常，每一个接收链与收发器406和一个或多个天线404相关联。在一些情况下，控制器310可通过双工操作信号508来初始化或者设置无线通信芯片组104以用于接收反射雷达信号602-2。控制器310还可进一步选择哪些接收链被用于接收反射雷达信号602-2，这可以进一步优化无线通信芯片组104以进行数字波束形成。
在1204处，经由无线通信芯片组生成与多个接收链中的每一个相关联的基带数据。例如，基带数据702-1至702-N由无线通信芯片组104生成。基带数据702-1至702-N可包括由接收器504-1至504-N产生的数字I/Q数据。
在1206处，基带数据被提供给数字波束形成器。例如，可将数字波束形成器418实现在无线通信芯片组104或计算设备102内。在一些实施方式中，可经由通信接口402将基带数据702传送到数字波束形成器418。
在1208处，经由数字波束形成器通过基于基带数据生成空间响应来执行数字波束形成。数字波束形成器418例如可根据复数加权值来缩放基带数据702并且组合来自接收链中的每一个的数据以产生空间响应708。通常，空间响应708表示不同角度的振幅和相位信息。
在1210处，基于空间响应来确定目标的角位置。可经由基于雷达的应用308基于空间响应708来确定角位置。在一些情况下，角位置可以包括目标604的方位角和仰角。
图13图示出用于执行用于使用无线通信芯片组的雷达感测的雷达调制的示例方法。在1302处，选择第一调制类型以使得能够确定目标的位置。例如，第一调制类型可包括雷达调制，诸如线性频率调制、步进频率调制、相移键控等。
在1304处，选择第二调制类型以使得能够以无线方式传送通信数据。通信调制类型可以包括正交频分复用。
在1306处，经由无线通信芯片组基于第一调制类型对信号进行调制以产生雷达信号。例如，无线通信芯片组104可包括I/Q调制器902。控制器310可经由调制操作信号906使I/Q调制器902使用雷达调制来产生雷达信号602、信号1000-1或信号1000-N。
在1308处，经由无线通信芯片组基于第二调制类型对另一信号进行调制以产生通信信号。例如，控制器130可经由调制操作信号906使I/Q调制器902使用通信调制来产生信号1000-2或信号1000-N。
在1310处，控制雷达信号和通信信号的发射使得能实现经由无线通信芯片组的雷达感测和无线通信。例如，如果无线通信芯片组104具有有限的资源(例如，有限数目的收发器406和天线404)，则控制器310可使无线通信芯片组104在不同的时间发射雷达信号1000-1和通信信号1000-2。或者，控制器310可使无线通信芯片组104同时地发射雷达信号1000-1和通信信号1000-2，诸如在无线通信芯片组104支持MIMO的情况下。在一些情况下，雷达信号1000-1和通信信号1000-2的发射可基于相应的优先级、雷达感测的预定更新速率或者按照由与无线通信芯片组104相关联的诸如基于雷达的应用308的应用的请求。
示例计算系统
图14图示出示例计算系统1400的各种部件，所述示例计算系统1400可被实现为如参考前面的图1-图10所描述的任何类型的客户端、服务器和/或计算设备以使用无线通信芯片组104(无线通信芯片组104)来实现雷达感测。
计算系统1400包括通信设备1402，所述通信设备1402使得能实现设备数据1404(例如，接收到的数据、正在接收的数据、被调度以用于广播的数据、数据的数据分组)的有线和/或无线通信。设备数据1404或其它设备内容可包括设备的配置设置、存储在设备上的媒体内容和/或与设备的用户相关联的信息。存储在计算系统1400上的媒体内容可包括任何类型的音频、视频和/或图像数据。计算系统1400包括一个或多个数据输入1406，可经由所述一个或多个数据输入1406接收任何类型的数据、媒体内容和/或输入，诸如人类发言、基带数据702、空间响应708、其它类型的雷达数据(例如，数字基带数据或距离多普勒图)、用户可选输入(显式的或隐式的)、消息、音乐、电视媒体内容、录制的视频内容以及从任何内容和/或数据源接收到的任何其它类型的音频、视频和/或图像数据。
计算系统1400还包括通信接口1408，所述通信接口1408可被实现为串行和/或并行接口、无线接口、任何类型的网络接口、调制解调器中的任何一个或多个以及被实现为任何其它类型的通讯接口。通信接口1408提供计算系统1400与通信网络之间的连接和/或通信链路，其它电子、计算和通信设备通过所述通信接口1408向计算系统1400传送数据。
计算系统1400包括一个或多个处理器1410(例如，微处理器、控制器等中的任一个)，所述一个或多个处理器1410处理多种计算机可执行指令以控制计算系统1400的操作并且以使得能实现用于使用无线通信芯片组104的雷达感测的技术或者可以在所述计算系统1400中具体实现使用无线通信芯片组104的雷达感测。或者或此外，可用连接通常在1412处标识的处理和控制电路实现的硬件、固件或固定逻辑电路中的任何一个或组合来实现计算系统1400。尽管未示出，但是计算系统1400可包括耦合设备内的各种部件的系统总线或数据传输系统。系统总线可包括不同的总线结构中的任何一种或组合，诸如存储器总线或存储器控制器、外围总线、通用串行总线和/或利用各种总线架构中的任一种的处理器或局部总线。
计算系统1400还包括计算机可读介质1414，诸如使得能实现持久和/或非暂时性数据存储(即，与仅信号发射相反)的一个或多个存储器设备，所述计算机可读介质1414的示例包括随机存取存储器(RAM)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、闪速存储器、EPROM、EEPROM等中的任何一个或多个)和磁盘存储设备。可以将磁盘存储设备实现为任何类型的磁或光学存储设备，诸如硬盘驱动器、可记录和/或可重写光盘(CD)、任何类型的数字通用盘(DVD)等。计算系统1400还可包括大容量存储介质设备(存储介质)1416。
计算机可读介质1414提供用于存储设备数据1404和各种设备应用1418以及与计算系统1400的操作方面有关的任何其它类型的信息和/或数据的数据存储机制。例如，操作系统1420可作为计算机应用与计算机可读介质1414一起被维护并在处理器1410上执行。设备应用1418可以包括设备管理器，诸如任何形式的控制应用、软件应用、信号处理和控制模块、特定设备产生的代码、用于特定设备的硬件抽象层等。
设备应用1418还包括用于实现使用无线通信芯片组104的雷达感测的任何系统部件、引擎或管理器。在此示例中，设备应用1418包括基于雷达的应用308、控制器310和数字波束形成器418。
结论
尽管已经用特定于特征和/或方法的语言描述了利用使用无线通信芯片组的雷达感测的技术以及包括使用无线通信芯片组的雷达感测的装置，但是应该理解的是，所附权利要求的主题不一定限于所描述的特定特征或方法。相反，特定特征和方法作为使用无线通信芯片组的雷达感测的示例实施方式被公开。

Claims (20)

1.一种用于全双工操作和半双工操作的装置，包括：
无线通信芯片组，所述无线通信芯片组包括：
至少两个天线，所述至少两个天线包括第一天线和第二天线；
发射器，所述发射器耦接到所述第一天线并且被配置为选择性地：
发射无线通信信号；或者
发射雷达信号；
接收器，所述接收器被配置为接收所述雷达信号的反射版本；以及
至少一个第一开关，所述至少一个第一开关耦接在所述接收器与所述第二天线之间，所述至少一个第一开关被配置为选择性地处于以下状态：
将所述接收器连接到所述第二天线的闭合状态；或者
将所述接收器从所述第二天线断开连接的打开状态；以及计算机可读存储介质包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令响应于由处理器执行而实现控制器，所述控制器被配置为使所述至少一个第一开关：
在所述发射器发射所述无线通信信号的时间的第一部分期间处于所述打开状态；以及
在所述发射器发射所述雷达信号的时间的至少第二部分期间处于所述闭合状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述控制器使得所述无线通信芯片组能够在所述时间的第二部分期间作为连续波雷达被操作。
3.根据权利要求2所述的装置，其中：
所述无线通信芯片组包括至少一个第二开关，所述至少一个第二开关耦接在所述发射器与所述第一天线之间，所述至少一个第二开关被配置为选择性地处于以下状态：
将所述发射器连接到所述第一天线的闭合状态；或者
将所述发射器从所述第一天线断开连接的打开状态；
所述接收器被配置为在时间的第三部分期间接收另一通信信号；以及
所述控制器被配置为使所述至少一个第二开关：
在所述时间的第一部分和所述时间的第二部分期间处于所述闭合状态；以及
在所述时间的第三部分期间处于所述打开状态。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述控制器使得所述无线通信芯片组能够在所述时间的第一部分和所述时间的第三部分期间执行时分双工以进行无线通信。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述雷达信号包括线性频率调制信号。
6.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述无线通信芯片组包括：
所述至少两个天线中的第三天线；
另一接收器，所述另一接收器被配置为接收所述雷达信号的所述反射版本；并且
至少一个第三开关，所述至少一个第三开关耦接在所述另一接收器与所述第三天线之间，所述至少一个第三开关被配置为选择性地处于以下状态：
将所述另一接收器连接至所述第三天线的所述闭合状态；或者
将所述另一接收器从所述第三天线断开连接的打开状态；以及所述控制器被配置为使所述至少一个第三开关：
在所述发射器发射所述无线通信信号的所述时间的第一部分期间处于所述打开状态；以及
在所述发射器发射所述雷达信号的所述时间的至少第二部分期间处于所述闭合状态以使得所述无线通信芯片组能够支持数字波束形成。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述发射器和所述接收器与所述无线通信芯片组内的相同收发器相关联。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述发射器和所述接收器与所述无线通信芯片组内的不同收发器相关联。
9.一种用于全双工操作和半双工操作的装置，包括：
无线通信芯片组，所述无线通信芯片组包括：
至少一个天线，所述至少一个天线包括第一天线；
发射器，所述发射器被配置为选择性地：
发射无线通信信号；或者
发射雷达信号，所述雷达信号包括多个脉冲；
接收器，所述接收器被配置为接收所述雷达信号的所述多个脉冲；
至少一个开关，所述至少一个开关耦接到所述发射器、所述接收器和所述第一天线，所述至少一个开关被配置为选择性地处于以下状态：
将所述发射器连接到所述第一天线并且将所述接收器从所述第一天线断开连接的第一状态；或者
将所述发射器从所述第一天线断开连接并且将所述接收器连接到所述第一天线的第二状态；以及
计算机可读存储介质包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令响应于由处理器执行而实现控制器，所述控制器被配置为使所述至少一个开关：
处于所述第一状态以使得所述发射器在时间的第一部分期间发射所述无线通信信号；以及
在时间的第二部分期间在所述第一状态与所述第二状态之间交替，以便使得所述多个脉冲中的一个脉冲能够在所述发射器发射所述多个脉冲中的两个其它脉冲的时间之间被所述接收器接收。
10.根据权利要求9所述的装置，其中：
所述控制器使得所述无线通信芯片组在所述时间的第二部分期间作为脉冲多普勒雷达被操作。
11.根据权利要求10所述的装置，其中：
所述多个脉冲被目标所反射；并且
所述计算机可读存储介质包括其他计算机可执行指令，所述计算机可执行指令响应于被所述处理器执行而实现基于雷达的应用，所述基于雷达的应用被配置为基于接收到的所述多个脉冲而确定所述目标的距离或距离变化率。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述发射器和所述接收器与所述无线通信芯片组内的相同收发器相关联。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述发射器和所述接收器与所述无线通信芯片组内的不同收发器相关联。
14.一种用于全双工操作和半双工操作的方法，包括：
使无线通信芯片组的发射器被连接至第一天线；
经由所述发射器和所述第一天线，发射无线通信信号；
使在所述发射器发射所述无线通信信号的时间的第一部分期间耦接在所述无线通信芯片组的接收器与第二天线之间的至少一个第一开关处于打开状态以使得所述接收器被从所述第二天线断开连接；
经由所述发射器和所述第一天线发射雷达信号；
使在所述发射器发射所述雷达信号的时间的至少第二部分期间所述至少一个第一开关处于闭合状态以使得所述无线通信芯片组的所述接收器被连接至所述第二天线；
经由所述接收器和所述第二天线接收被目标反射的所述雷达信号；并且
处理被接收的所述雷达信号以确定所述目标的位置。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，使在时间的所述第二部分期间所述接收器被连接至所述第二天线使得用于雷达感测的所述无线通信芯片组能够进行全双工操作。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述雷达信号是连续波雷达信号。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述雷达信号是脉冲雷达信号。
18.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
使所述至少一个第一开关处于所述闭合状态，使得所述接收器被连接至所述第二天线；
在时间的第三部分期间，经由所述接收器接收另一通信信号；并且
使在时间的所述第三部分期间耦接在所述发射器与所述第一天线之间的至少一个第二开关处于打开状态以使得所述发射器被从所述第一天线断开连接。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，使在时间的所述第三部分期间所述至少一个第二开关处于所述打开状态以及使在时间的所述第一部分期间所述至少一个第一开关处于所述打开状态使得用于无线通信的所述无线通信芯片组能够进行半双工操作。
20.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
使在时间的所述第二部分期间耦接在所述无线通信芯片的另一接收器与第三天线之间的至少一个第三开关处于所述闭合状态以使得所述另一接收器被连接至所述第三天线；
经由其他接收器接收被所述目标反射的所述雷达信号；并且
基于经由所述接收器和所述其他接收器接收的所述雷达信号来执行数字波束形成，以确定所述目标的角位置。
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