CN110462432A - 使用无线通信芯片组进行用于雷达感测的数字波束形成 - Google Patents

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Abstract

描述了使用无线通信芯片组实现雷达感测的数字波束形成的技术和装置。控制器初始化无线通信芯片组或使无线通信芯片组使用多个接收器链来接收由目标反射的雷达信号。数字波束形成器从无线通信芯片组获得基带数据并生成空间响应，该空间响应可用于确定目标的角位置。控制器可以进一步选择哪些天线用于接收雷达信号。以这种方式，控制器可以进一步优化用于数字波束形成的无线通信芯片组。通过利用这些技术，无线通信芯片组可用于无线通信或雷达感测。

Description

使用无线通信芯片组进行用于雷达感测的数字波束形成
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年3月22日提交的美国实用新型申请No.15/928,273的权益，该申请继而要求2017年5月31日提交的美国临时申请No.62/512,943的优先权，它们的公开内容通过引用整体并入于此。
背景技术
雷达是可以检测和跟踪对象、地图表面和识别目标的有用设备。在许多情况下，雷达可以代替笨重且昂贵的诸如相机的传感器，并且在存在不同环境条件(例如，低照明和雾)或移动或重叠目标的情况下提供改进的性能。
尽管使用雷达感测可能是有利的，但是存在与将雷达传感器并入在商业设备中相关联的许多挑战。例如，较小的消费者设备对雷达传感器的尺寸施加限制，这可能限制性能。此外，传统雷达使用定制设计的雷达专用硬件来生成雷达专用信号。这种硬件可能很昂贵，并且如果合并则需要消费设备中的额外空间。结果，由于额外的成本和空间限制，消费者设备不太可能包含雷达传感器。
发明内容
描述了使用无线通信芯片组实现用于雷达感测的数字波束成形的技术和装置。控制器初始化无线通信芯片组或使无线通信芯片组使用多个接收器链来接收由目标反射的雷达信号。多个接收器链中的每一个生成基带数据，其用于数字波束形成。无线通信芯片组可以将基带数据提供给数字波束形成器，数字波束形成器基于基带数据来生成空间响应。通过分析空间响应，可以确定目标的角位置。控制器可以进一步选择哪些天线用于接收雷达信号。以这种方式，控制器可以进一步优化用于数字波束形成的无线通信芯片组。通过利用这些技术，无线通信芯片组可以重新用于或用于无线通信或雷达感测。
下面描述的方面包括无线通信芯片组、处理器和包括计算机可执行指令的计算机可读存储介质，响应于处理器的执行，计算机可执行指令实现数字波束形成器。无线通信芯片组包括分别耦合到至少三个接收器的至少三个天线。无线通信芯片组被配置为经由至少三个天线和至少三个接收器接收由目标反射的雷达信号。无线通信芯片组还被配置为经由至少三个接收器产生基带数据。基带数据基于接收的雷达信号。数字波束形成器被配置为获得由至少三个接收器产生的基带数据。数字波束形成器还通过基于基带数据生成空间响应来执行数字波束形成，以使得能够确定目标的角位置。
下面描述的方面还包括经由无线通信芯片组的多个接收链接收雷达信号的方法。雷达信号由目标反射。该方法还包括经由无线通信芯片组生成与多个接收链中的每一个接收链相关联的基带数据。另外，该方法包括将基带数据提供给数字波束形成器。经由数字波束形成器，该方法包括通过基于基带数据生成空间响应来执行数字波束形成。该方法还包括基于空间响应确定目标的角位置。
下面描述的方面还包括计算机可读存储介质，其包括计算机可执行指令，响应于处理器的执行，该计算机可执行指令实现控制器和数字波束形成器。控制器被配置为使无线通信芯片组使用多个接收链来接收由目标反射的雷达信号。数字波束形成器被配置为从无线通信芯片组获得与多个接收链中的每一个接收链相关联的基带数据。数字波束形成器还被配置为通过基于基带数据生成空间响应来执行数字波束形成，以使得能够确定目标的角位置。
下面描述的方面还包括系统，该系统具有：用于控制无线通信芯片组以使用多个接收链来接收雷达信号的装置；以及，用于从用于数字波束形成的无线通信芯片组获得基带数据的装置。
附图说明
参考以下附图描述了用于使用无线通信芯片组实现用于雷达感测的数字波束形成的装置和技术。在整个附图中使用相同的数字来引用相似的特征和组件：
图1示出了描述使用无线通信芯片组的雷达感测的示例环境。
图2示出了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示出了示例计算设备。
图4示出了示例无线通信芯片组。
图5示出了用于全双工操作的示例通信设备。
图6-1示出了用于连续波雷达的无线通信芯片组的全双工操作。
图6-2示出了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示出了示例数字波束形成器和用于数字波束形成的无线通信芯片组。
图8-1示出了用于数字波束形成的示例无线通信芯片组。
图8-2示出了另一用于数字波束形成的示例无线通信芯片组。
图9示出了示例雷达调制器和用于雷达调制的无线通信芯片组。
图10示出了执行无线通信和雷达感测的示例通信设备。
图11示出了使用无线通信芯片组执行用于雷达感测的全双工操作的示例方法。
图12示出了使用无线通信芯片组执行用于雷达感测的数字波束形成的示例方法。
图13示出了使用无线通信芯片组执行用于雷达感测的雷达调制的示例方法。
图14示出了包含用于雷达感测的无线通信芯片组或者其中可以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
概观
虽然许多计算设备可能没有雷达传感器，但是这些计算设备可能受益于雷达感测。雷达感测可以例如增强通过手势识别的用户界面和通过接近检测的省电技术等。
然而，计算设备可以包括无线通信芯片组，其可以使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收听无线电台。虽然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，例如天线、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频率(例如，S波段、C波段、X波段和毫米波频率等)。
然而，无线通信芯片组通常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设置为使用时分双工技术在发射和接收通信信号之间切换，这可能不便于检测用于雷达感测的近距离目标。另外，无线通信芯片组可以被设置为利用单个发射或接收链，这可能不便于确定用于雷达感测的目标的角位置。此外，无线通信芯片组可以设置为利用通信调制，这可能不便于确定用于雷达感测的目标的范围和多普勒。
这样，该文档描述了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。该技术利用控制器，其使得无线通信芯片组能够发射和接收除无线通信信号之外或代替无线通信信号的雷达信号。特别地，控制器可以使无线通信芯片组执行全双工操作，支持数字波束成形或产生雷达调制。
全双工操作使得发射和接收能够在相同的时间段内发生，从而能够使用连续波雷达或脉冲多普勒雷达技术。数字波束成形使得能够定制波束转向和成形以确定目标的角位置。使用数字波束形成技术，无线通信芯片组可以发射或接收各种雷达场。雷达调制使得雷达信号能够由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，无线通信芯片组可以用于基于雷达的应用，其检测用户的存在，跟踪用户的手势以进行无接触控制，并且为自动驾驶提供碰撞避免等等。根据计算设备的目的，无线通信芯片组可以重新用于雷达感测或提供无线通信和雷达感测。因此，包括无线通信芯片组的计算设备可以利用雷达感测并从中受益，而无需使用雷达传感器或雷达专用硬件。此外，可以针对具有不同配置的各种不同无线通信芯片组定制或优化一些技术。使得雷达感测成本低廉且可用于许多计算设备可以进一步使多个计算设备能够实现有源、无源或双基地雷达技术。该文档现在转向示例环境，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是其中可以实现使用利用无线通信芯片组的雷达感测的技术和包括利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，其包括无线通信芯片组104，该无线通信芯片组104通过无线通信链路108(无线链路108)与基站106通信。在该示例中，计算设备102被实现为智能电话。然而，计算设备102可以被实现为任何合适的计算或电子设备，如关于图2和图3进一步详细描述的。
基站106经由无线链路108与计算设备102通信，无线链路108可以实现为任何合适类型的无线链路。虽然基站106被描述为蜂窝网络的塔，但是基站106可以表示或实现为另一设备，例如卫星、有线电视前端、地面电视广播塔、接入点、对等设备、网状网络节点和物联网(IoT)设备等。因此，计算设备102可以经由无线链路108与基站106或另一设备通信。
无线链路108可以包括从基站106传送到计算设备102的数据或控制信息的下行链路，或者从计算设备102传送到基站106的其他数据或控制信息的上行链路。无线链路108可以使用任何合适的通信协议或标准来实现，任何合适的通信协议或标准包括用于蜂窝网络的那些(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和多输入多输出(MIMO)网络等。
代替具有雷达传感器，计算设备102利用无线通信芯片组104进行雷达感测。如图1所示，示例雷达感测应用包括闭塞手势识别应用110-1，其使得被携带在钱包中的计算设备102能够检测在钱包外部做出的手势。另一个手势识别应用110-2使计算设备102(显示为可穿戴智能手表)能够提供雷达场(显示为虚线立方体)，其中，用户可以在该雷达场内做出手势以与计算设备102交互。示例医学诊断应用110-3使计算设备102能够测量生理特征或评估用户的异常身体运动，例如面部抽搐。这些测量可以帮助诊断各种医学病症(例如，中风或帕金森病的症状)。示例地图绘制应用110-4使计算设备102能够生成用于上下文感知的周围环境的三维地图。使用无线通信芯片组104，计算设备102可以实现有源或无源雷达感测技术，如关于图2进一步详细描述的。
图2示出了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，其中的每一个包括无线通信芯片组104。使用无线通信芯片组104，计算设备102和智能电话202分别通过无线链路108-1和无线链路108-2与基站106通信。同样地，智能冰箱204经由无线链路108-3与计算设备102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以执行雷达感测。使用无线通信芯片组104，计算设备102、智能电话202和智能冰箱可以通过发射和接收它们自己的雷达信号作为单基地雷达操作，雷达信号如雷达场206-1、206-2和206-3分别所示。
在存在多于一个计算设备102的环境中，例如在环境200中，多个计算设备102可以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可以发射雷达信号，并且一个或多个其他计算设备102可以接收雷达信号。对于协作雷达感测，计算设备102可以使用原子钟、全球定位系统(GPS)时间、蜂窝同步和无线通信等在时间上同步。
在一些情况下，可以根据每个设备的能力和位置在计算设备102之间分配雷达感测操作。例如，具有例如最高发射功率或较宽视场的设备可用于发射雷达信号。通过协作或非协作技术收集的雷达数据也可以在所有计算设备102上共享，这可以提高检测概率、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错误警报，执行三角测量或支持干涉测量。
将多个计算设备102用于雷达感测使得能够照亮周围环境的大部分并且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也可以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，考虑图3，图3示出了作为计算设备102的一部分的无线通信芯片组104。计算设备102被示为具有各种非限制性示例设备，包括台式计算机102-1、平板102-2、膝上型计算机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。也可以使用其他设备，例如无线路由器、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他家用电器。注意，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、因特网、对等网络、点对点网络和网状网络等来传送数据。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和计算机可读介质306，计算机可读介质306包括存储器介质和存储介质。计算机可读介质306被实现为存储计算设备102的指令、数据和其他信息，因此不包括暂时传播信号或载波。在计算机可读介质306上实现为计算机可读指令的应用和/或操作系统(未示出)可以由计算机处理器304执行以提供本文描述的一些功能。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，例如检测用户的存在、跟踪用户的用于无触摸控制的手势和检测自动驾驶的障碍等等。
控制器310控制无线通信芯片组104的操作以用于无线通信或雷达感测。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。在一些实现中，控制器310包括被传送到无线通信芯片组104或存储在无线通信芯片组104上并且由无线通信芯片组104执行的软件或固件。在其他情况下，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、数字波束成形或雷达调制。控制器310还可以基于优先级、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。无线通信或雷达感测的请求可以由控制器310从与计算设备102相关联的其他应用获得。在一些情况下，控制器310可以使无线通信芯片组104同时提供无线通信和雷达感测，如参考图10进一步详细说明。参考图4进一步描述无线通信芯片组104。
图4示出了示例无线通信芯片组104，其包括通信接口402。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，当无线通信芯片组104集成在计算设备102内时，不需要使用通信接口402。雷达数据可以包括原始同相或正交(I/Q)数据和预处理范围多普勒图等等，其可以由计算机处理器304经由基于雷达的应用308或控制器310进一步处理。
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可以与无线通信芯片组104分离或集成在无线通信芯片组104内。天线404可以包括用于天线分集、发射波束成形或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之间的间隔可以小于、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可以使无线通信芯片组104形成被转向或未被转向、宽或窄或成形(例如，半球、立方体、扇形、锥形、圆柱形)的波束。可以使用数字波束形成技术来实现转向和成形，如下面进一步详细描述的。
收发器406包括电路和逻辑，例如滤波器、开关、放大器和混频器等，用于调节经由天线404发射或接收的信号。收发器406还可以包括执行同相和正交(I/Q)操作的逻辑，该操作例如是合成、编码、调制、解码和解调等。基于无线通信芯片组104支持的无线通信的类型，收发器406可以发射和接收1GHz至400GHz范围、4GHz至100GHz范围和较窄频带(例如，57GHz至63GHz)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还可以包括基带电路，以执行高速率采样过程，其可以包括模数转换、数模转换、快速傅里叶变换(FFT)、增益校正、偏斜校正以及频率转换等等。通常，系统处理器408可以向收发器406提供通信数据以进行传输。系统处理器408还可以处理来自收发器406的基带信号以生成数据，该数据可以经由通信接口402提供给计算设备102以用于无线通信或雷达感测。在一些情况下，控制器310的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使无线通信芯片组104能够提供用于雷达感测的附加特征。具体地，控制器310可以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通过数字波束形成器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。
可以通过控制器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之间的连接来实现全双工操作416，如图5所示。全双工操作416的一些实现使得无线通信芯片组104能够用于连续波雷达，如图6-1中所示。全双工操作416的其他实现使得能够快速交织脉冲多普勒雷达的发射和接收，如图6-2中所示。全双工操作416使无线通信芯片组104能够用于检测近距离目标并用于测量目标的范围和测距速率。
数字波束成形可以通过控制器310使得无线通信芯片组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，如图7、图8-1和图8-2中所示。在一些实现中，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可以替代地由系统处理器408和系统介质410实现。此外，数字波束形成器418通过数字地执行相移和幅度渐减操作来提供对诸如模拟移相器的附加硬件组件的替代。
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成形的依赖)。通过使得能够在接收期间以数字方式形成多个波束而不是随时间发射多个窄笔形波束，也可以有效地利用可用的定时资源。另外，数字波束形成器418使得能够生成各种模式，这提供了跨越不同无线通信芯片组104支持天线404的不同布置的灵活性。
雷达调制可以通过控制器310使得无线通信芯片组104操作同相和正交(I/Q)调制器和解调器作为雷达调制器420实现，如图9所示。例如，I/Q调制器可以由控制器310编程，以数字方式生成雷达专用调制，其使得能够确定目标的范围和多普勒。这些雷达调制还可以减少对其他雷达信号或通信信号的干扰。在一些情况下，雷达调制器420可以实现并发无线通信和雷达感测，如图10所示。
尽管分开示出，但是全双工操作416、数字波束形成器418和雷达调制器420的不同组合可以一起实现，以使用无线通信芯片组104进行雷达感测。将参考图5至图10进一步描述这些特征。
全双工操作
图5示出了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。每个收发机406包括发射和接收链，其分别由发射器502-1、502-2......502-N和接收机504-1、504-2......504-N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可以在无线通信芯片组104的内部或外部。在图5中，天线404、开关506和收发器406的数量被示出为相同，然而，不同的数量也是可能的。在一些情况下，收发器406可以耦合到多于一个天线404，或者天线404可以耦合到多于一个收发器406。
在所描述的实现中，每一开关506将对应的发射器502或接收器504耦合到对应的天线404。在用于无线通信的一些情况下，无线通信芯片组104可使用时分双工(TDD)来在不同的时间发射或接收。因此，开关506在任何给定时间将发射器502或接收器504耦合到天线404。
然而，对于雷达感测，使无线通信芯片组104能够提供收发器406的全双工操作416是有利的，从而实现近距离雷达感测。全双工操作416可以通过控制器310经由双工操作信号508设置开关506的状态来实现。这样，控制器310可以使无线通信芯片组104能够执行连续波雷达或脉冲多普勒雷达，如关于图6-1和图6-2进一步详细描述的。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示出了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。在所描述的实现中，控制器310使得发射器502的一部分和接收器504的一部分同时连接到相应的天线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，而接收机504-2经由天线404-2接收由目标604反射的雷达信号602的一部分。
在一些情况下，雷达信号602可以包括频率调制信号，如曲线图606所示。曲线图606绘制了发射的雷达信号602-1和反射的雷达信号602-2随时间的频率。曲线图606示出了全双工操作416，由此发射器502-1在接收机504-2接收反射的雷达信号602-2的一部分的时间期间生成发射的雷达信号602-1。通过测量在发射的雷达信号602 1和反射的雷达信号602-2之间的频率随时间的变化，可以由基于雷达的应用308确定目标604的范围和测距速率。
对于共享发射链和接收链的组件的收发器406(例如，可以在任何给定时间执行发射或接收的收发器406)，可以使用至少两个收发器406实现用于连续波雷达的全双工操作416，借此来自每个收发器406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，可以同时执行发射和接收的收发器406)，可以通过分别将收发器406的发射器502和接收器504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所示)。
图6-2示出了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。在所描述的实现中，控制器310使得能够在发射器502和接收器504之间快速切换。使用双工操作信号508，控制器310可以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交错发射并且接收操作，使得可以由发射器502-1和502-2发射发射的雷达信号602-1的脉冲，并且可以由接收机504-1和504-2接收反射的雷达信号602 2的脉冲。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，通过使能天线404的用于发送和接收的双重用途，使用脉冲多普勒雷达也可以提高灵敏度。
曲线形608绘制了发射的雷达信号602-1和反射的雷达信号602-2随时间的频率。如图所示，发射的雷达信号602-1包括多个发射的脉冲610-1、610-2......610-P，其中，“P”表示正整数。每个发射的脉冲610之间的时间称为脉冲间周期(IPP)。在每个发射的脉冲610期间，控制器310使发射器502连接到天线404。在每个发射的脉冲610之间，控制器310使接收器504连接以接收反射的脉冲612，例如反射的脉冲612-1和612-2。尽管曲线图608示出了不同时发射和接收各个脉冲，但是快速切换使得能够在相同的时间段内发送或接收部分雷达信号602，从而实现全双工操作416的版本。
虽然在图6-1和6-2中明确地示出了两个收发器406、两个天线404和两个开关506，用于连续波雷达或脉冲多普勒雷达的技术可以应用于任何数量的收发器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，也可以执行连续波和脉冲多普勒雷达操作。
数字波束成形
图7示出了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，可以发射或接收各种雷达场，包括宽场、窄场、成形场(半球、立方体、扇形、锥形、圆柱形)、转向场、非转向场、近距离场和远距离场等。虽然下面关于接收雷达信号602讨论数字波束形成，但是也可以实现数字波束形成以发射雷达信号602。在所描述的配置中，接收机504-1至504-N分别处理经由天线404-1至404-N接收到的反射的雷达信号602-2，以生成基带数据702-1至702-N。通常，来自天线404的响应由各个接收链分开处理。基带数据702可以包括在一段时间内收集以及用于与雷达信号602相关联的不同波数的数字I/Q数据。
数字波束形成器418从无线通信芯片组104获得基带数据702(例如，如果数字波束形成器418与无线通信芯片组104分开地实现，则通过通信接口402)，并且将基带数据702乘以复合权重704-1至704-N。数字波束形成器418执行求和706以组合来自每个接收链的结果以形成空间响应708。可以将空间响应708提供给基于雷达的应用308以确定目标604的角位置。通常，空间响应708包括一组角度、范围和时间的幅度和相位信息。
在一些实现中，控制器310可设置或提供复合权重704以控制用以生成空间响应708的天线图案的形状。复合权重704可基于预定值且可使得能够同时形成数千个波束。复合权重704也可以由控制器310实时动态调整，以减少来自干扰源或噪声源的干扰(例如，通过在干扰方向上转向天线图案的零点)。控制器310还可以配置无线通信芯片组104以改进数字波束成形，如参考图8-1和图8-2进一步详细描述的。
图8-1示出了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。优选地，无线通信芯片组104包括分别耦合到至少三个接收器504的至少三个天线404。在所描述的配置中，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，其使得能够确定与反射的雷达信号602-2的到达角相关联的二维矢量(例如，使得能够确定目标604的方位角和仰角)。天线阵列802可以包括沿着角度空间的一个维度(例如，方位角或水平维度)定位的两个天线404，以及沿着相对于两个天线404中的一个的天线空间的另一个维度(例如，海拔或垂直维度)定位的另一个天线404。这种二维布置需要至少三个天线。天线阵列802的其他实现可以包括线性阵列(例如，一维布置)，使得可以确定目标604的方位角或仰角。通常，与具有相同的数量的天线和天线间隔的一维天线阵列相比，二维天线阵列使得能够在两个平面(例如，方位角和仰角)中进行波束转向并且具有更高的方向性。
在所描述的配置中，天线阵列802被示出具有N×M矩形布置，其中，N和M是大于1的正整数并且可以彼此相等或不相等。示例布置包括2×2阵列、2×3阵列和4×4阵列等。对于数字波束成形，控制器310可以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到404-NM的一部分接收用于数字波束成形的反射的雷达信号602-2。
在一些实现中，控制器310可选择将天线404中的哪个用于数字波束成形。这可以通过控制天线阵列802中的哪个天线404连接到接收器504来实现(例如，通过上述用于全双工操作416的技术)。这使得控制器310能够通过选择实现预定间隔的天线404来促进经由无线通信芯片组104的雷达感测，该预定间隔减小了相互耦合的影响，并且增强了方向性等。为了控制角度模糊度，控制器310还可以选择天线404以基于雷达信号602的中心波长实现有效的天线间隔。示例天线间距可以近似包括雷达信号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可以通过选择在天线阵列802内等间隔的天线404来降低数字波束成形的复杂度。在一些实现中，可以选择天线404，使得形成二维阵列用于发射和接收，如图8-2所示。
图8-2示出了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，天线404-5至404-8形成接收天线阵列802-2。在所描述的配置中，发射器502-1至502-4分别耦合到发射天线阵列802-1中的天线404-1至404-4，并且接收器504-1至504-4分别耦合至接收天线阵列802-2中的天线404-5到404-8。以这种方式，可以实现数字波束成形以用于雷达信号602的发射和接收。在其他实现中，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、天线数量404或天线间隔。
雷达调制
图9示出了用于雷达调制的示例雷达调制器420和无线通信芯片组104。在所描述的配置中，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，可以分别将I/Q调制器902和I/Q解调器904用于将通信数据调制到载波信号上或解调载波信号以提取通信数据。示例调制包括幅度、频率或相位调制。作为另一示例，可以由I/Q调制器902和I/Q解调器904执行正交频分复用(OFDM)。
对于雷达感测，控制器310可以生成调制操作信号906，以使I/Q调制器902和I/Q解调器904作为雷达调制器420操作并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)、伪噪声调制和扩频调制等等。作为示例，控制器310可以使I/Q调制器902产生啁啾信号，并使I/Q解调器904解调啁啾信号以用于频率调制连续波(FMCW)雷达。
控制器310还可以使用调制操作信号906来进一步指定用于发射和接收雷达信号602的无线通信信道，其影响雷达信号602的频率和带宽。在一些方面，可以绑定不同的无线通信频率信道以增加雷达信号的带宽。利用更大的带宽增强了经由无线通信芯片组104进行雷达感测的距离分辨率(例如，增加了距离精度并且使得能够在范围内解析多个目标)。I/Q调制器902和I/Q解调器904还可以用于支持同时执行多个雷达感测操作或同时执行无线通信和雷达感测，如关于图10进一步详细描述的。
图10示出了使用控制器310和无线通信芯片组104执行无线通信和雷达感测的计算设备102。在该示例中，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经由由发射器502-1、502-2......502-N表示的单独发射链生成信号1000-1、1000-2......1000-N。信号1000-1、1000-2和1000N分别被调制用于雷达感测、无线通信、以及雷达感测和无线通信二者。可以通过使用雷达调制来调制包含通信数据的信号来实现信号1000-N。以这种方式，接收信号1000-N的其他计算设备102可以处理信号1000-N以用于无线通信或用于雷达感测(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可以使I/Q调制器902让信号1000彼此正交。在其他方面，可以使用不相交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也可以用于不同的雷达调制，使得能够同时发射不同的雷达信号602。如果在无线通信芯片组104中限制定时、天线或收发器资源，则控制器310可以基于优先级、预定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在不同时间发生。
示例方法
图11至图13描述了使用无线通信芯片组104进行雷达感测的示例方法1100、1200和1300。方法1100、1200和1300被示为执行的操作(或动作)的集合，但不一定限于在本文中示出操作的顺序或组合。此外，可以重复、组合、重组或链接一个或多个操作中的任何一个，以提供多种附加和/或替代方法。在以下讨论的部分中，可以参考图1和2的环境100和200和在图3至图10中详细描述的实体，对其的参考仅作为示例。这些技术不限于由在一个设备上操作的一个实体或多个实体的执行。
图11示出了使用无线通信芯片组执行用于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可以使无线通信芯片组104将发射器502连接到在天线阵列802中的至少一个天线404。
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可以使无线通信芯片组104将接收器504连接到天线阵列802中的至少一个其他天线404。发射器502和接收器504可以与在无线通信芯片组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可以发射雷达信号602。在一些情况下，雷达信号602可以是如图6-1所示的连续波雷达信号或如图6-2所示的脉冲雷达信号。
在1108处，经由接收器和第二天线接收由目标反射的信号。在发射器正在发射信号的至少一部分时间期间发生信号的接收。例如，雷达信号602可以由目标604反射并经由接收器504-2和第二天线404-2被接收。在一些实现中，接收器504-1可以与第一天线404-1一起使用。对于连续波雷达，可以同时发射部分雷达信号602，同时接收信号的其他部分。对于脉冲多普勒雷达，可以在发射的其他脉冲之间接收雷达信号602的不同脉冲。
在1110处，处理所接收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可以处理雷达信号602以确定目标604的范围或角位置。
图12示出了用于使用无线通信芯片组来执行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接收由目标反射的雷达信号。例如，可以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的雷达信号602-2，如图7所示。通常，每个接收链与收发器406和一个或多个天线404相关联。在一些情况下，控制器310可以初始化或设置无线通信芯片组104，用于通过双工操作信号508接收反射的雷达信号602-2。控制器310还可以进一步选择哪些接收链用于接收反射的雷达信号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，由无线通信芯片组104生成基带数据702-1到702-N。基带数据702-1到702-N可以包括由接收器504-1到504-N生成的数字I/Q数据。
在1206处，将基带数据提供给数字波束形成器。例如，数字波束形成器418可以在无线通信芯片组104或计算设备102内实现。在一些实现中，基带数据702可以经由通信接口402传送到数字波束形成器418。
在1208处，通过基于基带数据生成空间响应，经由数字波束形成器执行数字波束形成。例如，数字波束形成器418可以根据复合权重来缩放基带数据702，并组合来自每个接收链的数据以产生空间响应708。通常，空间响应708表示不同角的幅度和相位信息。
在1210处，基于空间响应来确定目标的角位置。可以基于空间响应708经由基于雷达的应用308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示出了用于使用无线通信芯片组来执行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，第一调制类型可以包括雷达调制，诸如线性频率调制、步进频率调制和相移键控等。
在1304处，选择第二调制类型以使得能够无线地传送通信数据。通信调制类型可以包括正交频分复用。
在1306处，基于第一调制类型经由无线通信芯片组调制信号以产生雷达信号。例如，无线通信芯片组104可以包括I/Q调制器902。控制器310可以经由调制操作信号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，基于第二调制类型经由无线通信芯片组调制另一信号以产生通信信号。例如，控制器130可以经由调制操作信号906使I/Q调制器902使用通信调制来产生信号1000-2或信号1000N。
在1310处，控制雷达信号和通信信号的传输以经由无线通信芯片组实现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，有限数量的收发器406和天线404)，则控制器310可以使无线通信芯片组104在不同时间发射雷达信号1000-1和通信信号1000-2。或者，例如在无线通信芯片组104支持MIMO的情况下，控制器310可以使无线通信芯片组104同时发射雷达信号1000-1和通信信号1000-2。在一些情况下，雷达信号1000-1和通信信号1000-2的发射可以基于相应的优先级、雷达感测的预定更新速率，或者根据与无线通信芯片组104相关联的应用的请求，该应用例如是基于雷达的应用308。
示例计算系统
图14示出了示例计算系统1400的各种组件，其可以被实现为参考先前附图1-图10描述的任何类型的客户端、服务器和/或计算设备，以实现使用无线通信芯片组104的雷达感测。
计算系统1400包括通信设备1402，其实现设备数据1404的有线和/或无线通信(例如，接收的数据、正在接收的数据、为广播调度的数据、数据的数据分组)。设备数据1404或其他设备内容可以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，通过它们可以接收任何类型的数据、媒体内容和/或输入，例如人类话语、基带数据702、空间响应708、其他类型的雷达数据(例如，数字基带数据或距离多普勒地图)、用户可选输入(显式或隐式)、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/或数据源接收的任何其他类型的音频、视频和/或图像数据。
计算系统1400还包括通信接口1408，其可以实现为串行和/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任何其他类型的通讯接口。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，通过该通信网络，其他电子、计算和通信设备与计算系统1400传输数据。
计算系统1400包括一个或多个处理器1410(例如，微处理器和控制器等中的任何一个)，其处理各种计算机可执行指令以控制计算系统1400的操作并且能够实现用于使用无线通信芯片组104的雷达感测的技术或其中可以包含于使用无线通信芯片组104的雷达感测的技术。可选地或另外地，计算系统1400可以利用结合通常在1412处被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。虽然未示出，但是计算系统1400可以包括耦合在设备内的各种组件的系统总线或数据传输系统。系统总线可以包括总线结构的任何一个或不同组合，总线结构例如是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何总线架构的处理器或本地总线。
计算系统1400还包括计算机可读介质1414，诸如一个或多个存储器设备，其实现持久和/或非暂时数据存储(即，与仅仅信号传输相反)，其示例包括随机访问存储器(RAM)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、闪存、EPROM、EEPROM等中的任何一个或多个)和磁盘存储设备。磁盘存储设备可以实现为任何类型的磁或光存储设备，例如硬盘驱动器、可记录和/或可重写光盘(CD)和任何类型的数字通用光盘(DVD)等。计算系统1400还可以包括大容量存储介质设备(存储介质)1416。
计算机可读介质1414提供数据存储机制以存储设备数据1404，并且提供各种设备应用1418以及与计算系统1400的操作方面有关的任何其他类型的信息和/或数据。例如，操作系统1420可以使用计算机可读介质1414保存为计算机应用并在处理器1410上执行。设备应用1418可以包括设备管理器，例如任何形式的控制应用、软件应用、信号处理和控制模块、特定设备本机的代码和特定设备的硬件抽象层等等。
设备应用1418还包括用于使用无线通信芯片组104实现雷达感测的任何系统组件、引擎或管理器。在该示例中，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使用利用无线通信芯片组的雷达感测和使用包括利用无线通信芯片组的雷达感测的装置，但是应该理解，所附权利要求的主题不必限于所描述的特定的特征或方法。而是，公开了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现。

Claims (20)

1.一种用于雷达感测的装置，包括：
无线通信芯片组，包括分别耦合到至少三个接收器的至少三个天线，所述无线通信芯片组被配置用于：
经由所述至少三个天线和所述至少三个接收器接收由目标反射的雷达信号；以及
经由所述至少三个接收器产生基带数据，所述基带数据基于接收到的所述雷达信号；
数字波束形成器，被配置为：
获得由所述至少三个接收器产生的所述基带数据；以及
通过基于所述基带数据生成空间响应来执行数字波束形成，以使得能够确定所述目标的角位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述无线通信芯片组被配置为经由所述至少三个天线和所述至少三个接收器接收用于无线通信的通信信号。
3.根据权利要求2所述的装置，还包括控制器，所述控制器被配置为使得所述无线通信芯片组接收用于无线通信的所述通信信号或者接收用于雷达感测的所述雷达信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其中：
所述无线通信芯片组包括天线阵列，所述天线阵列包括在所述天线阵列内以二维布置排列的所述至少三个天线；
所述无线通信芯片组包括分别耦合在所述至少三个天线和所述至少三个接收器之间的至少三个开关；以及
所述控制器被配置为通过使所述至少三个开关将所述至少三个天线连接到所述至少三个接收器来使所述无线通信芯片组使用所述至少三个天线接收所述雷达信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制器被配置为基于以下中的至少一个来选择所述天线阵列中的所述至少三个天线：
所述至少三个天线之间的间隔；
所述雷达信号的中心波长；以及
所述天线阵列内的所述至少三个天线的二维布置。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述至少三个天线的所述二维布置使能由所述数字波束形成器生成的所述空间响应以使得能够确定所述目标的方位角和仰角。
7.根据权利要求4至6中的任一项所述的装置，其中：
所述天线阵列包括第四天线；以及
所述无线通信芯片组被配置为使用所述第四天线发射所述雷达信号。
8.根据权利要求3至6中的任一项所述的装置，其中：
所述控制器被配置为：
从所述至少三个接收器获得所述基带数据；
通过分析所述基带数据确定噪声源的角位置；以及
生成复合权重，所述复合权重在所述噪声源的所述角位置附近定位天线图案的零点；以及
所述数字波束形成器被配置为：
从所述控制器获得所述复合权重；以及
通过基于所述复合权重生成所述空间响应来执行数字波束形成，以衰减在所述空间响应中的所述噪声源。
9.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述基带数据包括同相和正交数据。
10.一种用于雷达感测的方法，包括：
经由无线通信芯片组的多个接收链接收由目标反射的雷达信号；
经由所述无线通信芯片组生成与所述多个接收链中的每一个接收链相关联的基带数据；
将所述基带数据提供给数字波束形成器；
经由所述数字波束形成器，通过基于所述基带数据生成空间响应来执行数字波束形成；以及
基于所述空间响应来确定所述目标的角位置。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：从一组多个接收链中选择所述多个接收链，以控制与确定所述目标的所述角位置相关联的角度模糊度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述目标是用户的手；以及
所述方法包括以下中的至少一个：
确定与所述手的所述角位置相关联的手势；或者
基于所述手的所述角位置来检测所述用户的接近度。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，进一步包括经由所述无线通信芯片组发射无线通信信号以与设备无线通信。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括使所述无线通信芯片组在发射所述无线通信信号和接收所述雷达信号之间切换。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括使所述无线通信芯片组同时发射所述无线通信信号和接收所述雷达信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述无线通信信号和所述雷达信号与不同的无线通信信道相关联。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述无线通信信号和所述雷达信号彼此正交。
18.一种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处理器的执行而实现：
控制器，被配置为使无线通信芯片组使用多个接收链来接收由目标反射的雷达信号；以及
数字波束形成器，被配置为：
从所述无线通信芯片组获得与所述多个接收链中的每一个接收链相关联的基带数据；以及
通过基于所述基带数据生成空间响应来执行数字波束形成，以使得能够确定所述目标的角位置。
19.根据权利要求18所述的计算机可读存储介质，其中：
所述数字波束形成器被配置为通过将所述基带数据与复合权重相乘来生成所述空间响应；以及
所述控制器被配置为：
从一组接收链中选择所述多个接收链；
基于对所述多个接收链的选择来确定所述复合权重；以及
向所述数字波束形成器提供所述复合权重。
20.根据权利要求19所述的计算机可读存储介质，其中：
所述多个接收链与相应的多个天线相关联；以及
所述控制器被配置为选择所述多个接收链，使得所述多个天线之间的相应间隔彼此近似相等。
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