CN110998362B - 雷达系统和测量雷达系统中的噪声的方法 - Google Patents

雷达系统和测量雷达系统中的噪声的方法 Download PDF

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Abstract

雷达系统(180)包括发射器(181)，该发射器包括用于将本机振荡器(LO)信号(200)放大的功率放大器(PA)(184)，以生成放大信号(202)。雷达系统(180)还包括接收器(218)，该接收器包括：IQ生成器(182)，该IQ生成器用于基于LO信号(200)生成I信号(210)和基于LO信号(200)生成Q信号(208)；和低噪声放大器(LNA)(188)，该LNA用于将环回的信号(204)放大，以生成接收器信号(206)。接收器(218)还包括：第一混频器(192)，该第一混频器用于将接收器信号(206)和I信号(210)混合，以生成基带I信号(212)；和第二混频器(190)，该第二混频器用于将接收器信号(206)和Q信号(208)混合，以生成基带Q信号(214)。而且，雷达系统(180)包括波导回环(186)，用于将放大信号(202)从发射器(181)引导至接收器(218)作为环回的信号(204)。

Description

雷达系统和测量雷达系统中的噪声的方法
技术领域
本文涉及噪声测量，并且更具体地涉及雷达系统中的噪声测量。
背景技术
受到先进的安全特征驱动，汽车工业越来越多地使用部署在汽车中的传感器以及对应的计算能力。在许多应用中，诸如碰撞警告和避免、自适应巡航控制、车道保持和自主停车，以实时方式精确感知周围事物对于决策制定和行动而言是必要的。雷达系统可用于探知关于汽车的周围事物的信息。
在雷达系统中，发射器发射雷达信号。然后，接收器接收发射信号的回波(echo)，该回波用于感测物体，包括范围、速率、目标大小、目标形状和角方向。接收的回波信号包括噪声，例如振幅噪声、不相关相噪声和相关相噪声。期望在雷达系统中测量振幅噪声和不相关相噪声。
发明内容
实施方案雷达系统包括发射器，该发射器包括用于将本机振荡器(LO)信号放大以生成放大信号的功率放大器(PA)。雷达系统还包括接收器，该接收器包括用于基于LO信号生成I信号并基于LO信号生成Q信号的IQ生成器和用于将环回信号放大以生成接收器信号的低噪声放大器(LNA)。接收器还包括用于将接收器信号和I信号混合以生成基带I信号的第一混频器，和用于将接收器信号和Q信号混合以生成基带Q信号的第二混频器。而且，雷达系统包括用于将放大信号作为环回信号从发射器引导至接收器的波导回环。
测量雷达系统中的噪声的实施方案方法包括设定雷达系统的可变移相器的相移和通过处理器测量具有相移的放大环回相移雷达信号的基带I分量，以生成测量的I信号。该方法还包括通过处理器测量具有相移的放大环回相移雷达信号的基带Q分量，以生成测量的Q信号。
实施方案雷达系统包括功率放大器(PA)和耦接至功率放大器的可变移相器。雷达系统还包括低噪声放大器(LNA)和将PA和LNA耦接的波导回环。而且，雷达系统包括耦接至LNA的第一混频器、耦接至LNA的第二混频器和耦接至第一混频器并耦接至第二混频器的IQ生成器。
附图说明
图1A-B示出示例雷达系统中的振幅噪声和相噪声的示例；
图2A-C示出不具有反射器的示例雷达系统；
图3A-B示出具有反射器的示例雷达系统；
图4示出示例雷达系统，该示例雷达系统具有用于测量振幅噪声和不相关相噪声的波导回环；
图5示出具有波导回环的示例雷达系统中的噪声的曲线图；
图6示出另一示例雷达系统，其具有用于测量振幅噪声和不相关相噪声的波导回环；
图7示出测量具有波导回环的雷达系统中的振幅噪声和相噪声的示例方法的流程图；
图8示出测量具有波导回环的雷达系统中的振幅噪声和相噪声的另一示例方法的流程图；以及
图9示出示例计算装置。
具体实施方式
系统(诸如雷达系统)包含各种类型的噪声，包括振幅噪声(AN)、不相关相噪声(UPN)和相关相噪声(也被称为合成噪声)。包含噪声的信号的示例是：
V(t)＝A(1+ΔA)cos(ω0t+φu(t)+φc(t))，
其中V(t)是信号，A是信号的振幅，ΔA是振幅噪声，ω0是载波频率，t是时间，φu是不相关相噪声，并且φc是相关相噪声。
图1A-B示出示例雷达系统中的振幅噪声和相噪声的示例。图1A示出曲线图100，其描绘示例雷达系统的振幅噪声102。AgilentTM 5052B Signal Source AnalyzerTM(信号源分析器)测量振幅噪声102。利用由VDITM头限制的1MHz偏移和底噪进行测量，振幅噪声102为-136dBc/Hz。不同的雷达系统可具有不同数量的振幅噪声。如上所述，由AgilentTM 5052BSignal Source AnalyzerTM测量的振幅噪声不是系统振幅噪声的真指示符，因为测量受到用于下变换的VDI头的底噪的限制。
图1B示出曲线图110，其描绘相噪声，包括相关相噪声112和不相关相噪声114。AgilentTM 5052B Signal Source AnalyzerTM测量相关相噪声112。因为相关相噪声主导不相关相噪声，所以不能测量不相关相噪声114，而是推导或计算得到不相关相噪声。
在雷达系统中，振幅噪声和不相关相噪声可以对于性能尤其重要。由于有限的发射(TX)/接收(RX)隔离，所以保险杠反射可以导致TX振幅噪声和泄露到接收器中的不相关相噪声，这劣化接收的底噪。而且，在大信号状况下接收可以导致底噪被闪烁上变换严重劣化。期望精确测量雷达系统中的振幅噪声和不相关相噪声以理解问题的大小以及减少噪声。
一种类型的雷达系统是连续波(CW)雷达系统。在CW雷达系统中，发射器发射连续波无线电能量，并且接收器从物体接收反射。CW雷达使用多普勒移位，并且将功率最大化，因为发射是连续的。CW雷达可以为未调制的或频率调制的。未调制的CW雷达检测物体的移动，但是无法测量物体的距离。频率调制的连续波(FMCW)雷达是用于确定物体的距离和速率的短程/中程/长程测量雷达。在FMCW雷达中，发射信号是线性FMCW调频脉冲序列，其具有锯齿图案的时频特征，FMCW雷达在高级驾驶辅助系统(ADAS)中是有用的。在FMCW雷达系统中，预定的稳定频率的发射信号通过调制信号而在固定的时间段上发生频率变化。接收信号和发射信号之间的频率差随着延迟而增加，并且因此随着距离增加。
示例雷达系统利用波导回环来测量振幅噪声和不相关相噪声。示例测量振幅噪声和不相关相噪声，而不需要外部设备。实施方案被FMCW雷达通信收发器利用，其发射具有毫米范围内的波长的雷达信号。
图2A-C示出不存在反射器的FMCW雷达系统的特征。图2A示出雷达系统120，其不包含反射器126。雷达系统120包括本机振荡器(LO)133、功率放大器(PA)122、TX天线124、RX天线128、低噪声放大器(LNA)130和混频器132。LO 133生成LO信号134。LO信号134的形式为：
LO＝sin1t+φ1)，
其中t是时间，ω1是载波频率，并且φ1是LO 133的相噪声。PA 122放大LO信号134以生成放大信号136。PA 122可以是多级PA，例如包含多个缓冲器的5级PA。PA的多个级增加了增益和带宽，同时维持适当的输入和/或输出阻抗匹配。在图2B中描绘示例雷达系统的输出功率、不相关PN和振幅噪声的值。图2B示出曲线图140，其描绘放大信号136中的噪声。放大信号136的发射功率(PT)是10dBm。不相关相噪声142是与发射功率148之差146(-140dBc/Hz)，发射功率148是-130dBm/Hz，并且在频率144处具有峰。TX天线124发射放大信号136。在示例中，TX天线124是高增益窄带宽天线，其具有相对于波长相对大的天线尺寸。这些值是基于示例雷达系统的示例，并且可针对不同的雷达系统而有所不同。
RX天线128接收接收信号138。当没有反射时，接收信号138仅包含噪声。图2C示出接收信号138的曲线图152。曲线图152描绘了物体154、Pv，其为在雷达查看单个感兴趣物体时来自雷达操作的信号。物体154具有-164dBm/Hz的RX噪声，其中RX底噪156为14dB。
LNA 130将接收信号138放大，以生成放大的接收信号139。LNA 130放大低功率接收信号，而不显著劣化信噪比(SNR)。LNA 130可为多级LNA，例如3级LNA。放大的接收信号139的形式为：
RX＝sin(ω2t+φ2)，
其中t是时间，ω2是接收信号的频率，并且φ2是接收信号的相噪声。然后，混频器132将放大的接收信号139与LO信号134组合，以生成组合信号131，其为拍频信号。组合信号131的形式为：
sin((ω1-ω2)t+(φ1-φ2))，
其中t是时间，ω1是载波频率，ω2是接收信号的频率，φ1是LO 133的相噪声，并且φ2是接收信号的相噪声。可将组合信号131数字化并随后例如通过滤波器、模数转换器(ADC)和数字信号处理器(DSP)(未绘出)进行处理。对应于每个物体的拍频信号是具有与物体距雷达收发器的距离成比例的频率的音调。可以通过对拍频信号进行快速傅里叶变换(FFT)并识别从底噪突出的峰来识别物体。对于移动物体而言，拍频信号还具有多普勒分量，该多普勒分量取决于雷达收发器和物体之间的相对速率。多普勒信号通过对线性调频脉冲执行第二FFT获得。
图3A-B示出存在反射器的FMCW雷达系统的特征。图3B示出具有反射器162的雷达系统160。PA 122将由LO 133生成的LO信号134放大，以生成放大信号136。然后，TX天线124将放大信号136作为发射信号发射。发射信号被反射器162(强反射器，例如车辆的保险杠)反射。RX天线128接收反射信号并生成接收信号164。LNA 130将接收信号164放大，以生成放大的接收信号166。混频器132将放大的接收信号166与LO信号134组合，以生成组合信号168。
RX天线128接收接收信号164。图3B示出曲线图170，其描绘了接收信号164的功率。线172示出最大接收功率(PR)，其为-10dBm。线172是UPN之上的距离174或-140dBc/Hz，UPN是-150dBm/Hz。线176示出接收底噪(RX NF)，其为14dB。而且，曲线178(其示出接收功率)具有峰171，指示由物体反射的接收功率。-140dBc/hz的噪声会从发射信号传播出去，导致-150dBm/Hz的底噪。相应地，RX NF为24dB。作为对比，当不存在强反射器时，RX的底噪由于系统振幅/不相关相噪声而降低10dB。该10dB劣化在小物体的最大可检测范围和在小物体附近存在较大物体的情况下检测小物体(例如在存在10cm且反射系数为-20dB的保险杠的情况下检测距离100m处的摩托车)的能力方面对雷达系统造成严重影响。
图4示出雷达系统180，其为用于测量振幅噪声和不相关相噪声的FMCW雷达系统。雷达系统180包括发射器181、回环和移相器186以及接收器218。发射器181包括LO 216和PA184。LO 216生成LO信号200，其被表示为LO(t)。LO信号为：
LO(t)＝cos(ω0t+φc(t))，
其中ω0是LO的载波频率，t是时间，φc是LO的相关相噪声。
PA 184将信号LO(t)放大，以生成放大信号202，其由PA(t)给出。PA 184将振幅噪声和不相关相噪声添加至信号，同时将信号放大。放大信号202由下式给出：
PA(t)＝ApA(1+ΔAPA)cos(ω0t+φupa(t)+φc(t))，
其中APA是PA信号的振幅，t是时间，ΔAPA是来自PA 184的振幅噪声，ω0是LO 216的载波频率，φupa是PA 184的不相关相噪声，并且φc是LO 216的相关相噪声。
回环和移相器186(其具有可变相移和延迟τ)将信号从发射器181的PA184回环至接收器218的LNA 188。回环和移相器186将信号以预定的延迟和预定的可变相移从发射器181引导至接收器218。环回的信号204以功率Pin_lua进入LNA 188。
接收器218包括LNA 188、IQ生成器182、混频器190和混频器192。LNA 188将环回的信号204放大，以生成接收器信号206。LNA 188将低功率接收信号放大而不使SNR显著劣化。LNA 130可以为多级LNA，例如两级、三级、四级或五级LNA。LNA 130还可包括缓冲器和其他元件。接收器信号由下式给出：
RX(t)＝A(1+ΔA)cos(ω0(t-τ)-θ+φu(t)+φc(t-τ))，
其中A是信号振幅，ΔA是振幅噪声，t是时间，τ是回环和移相器186的延迟，ω0是载波频率，θ是来自回环和移相器186的相移，φu是不相关相噪声，并且φc是相关相噪声。
信号振幅由下式给出：
A＝ApALG，
其中APA是放大信号202的振幅，G是接收器218的增益，包括迹线损失，并且L是回环和移相器186中的损失。雷达系统知道G的值，该值为常数值。RX(t)的振幅噪声ΔA与PA 184的振幅噪声ΔAPA相同。而且，RX(t)的不相关相噪声由下式给出：
φu(t-τ)＝φu(t)＝φupa(t)+φlna(t)，
其中φupa是PA 184的不相关噪声，并且φlna是LNA 188的不相关相噪声。
IQ生成器182生成LO信号200(即LO(t))的同相(I)信号210(即LOI(t))和正交(Q)信号208(即LOQ(t))。Q信号208由下式给出：
LOQ(t)＝sin(ω0t+φc(t))，
其中ω0是LO 216的载波频率，t是时间，并且φc是LO 216的相关相噪声。同样地，I信号210由下式给出：
LOI(t)＝cos(ω0t+φc(t))，
混频器192将I信号210与接收器信号206组合，以生成基带I信号212(即BBI(t))，该信号由下式给出：
BBI(t)＝A(1+ΔA)cos(ωoτ+θ+φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))，
其中A是信号振幅，ΔA是振幅噪声，t是时间，τ是回环和移相器186的延迟，ω0是载波频率，θ是来自回环和移相器186的相移，φu是不相关相噪声，并且φc是相关相噪声。同样地，混频器190将Q信号208与接收器信号206组合，以生成信号基带Q信号214(即BBQ(t))，该信号由下式给出：
BBQ(t)＝A(1+ΔA)sin(ω0τ+θ+φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))，
其中A是信号振幅，ΔA是振幅噪声，t是时间，τ是回环和移相器186的延迟，ω0是载波频率，θ是来自回环和移相器186的相移，φu是不相关相噪声，并且φc是相关相噪声。回环和移相器186包括可变移相器，其可由用户进行调节。
通过配置回环和移相器186，(ω0τ+θ)的值可被改变。在示例中，为将相噪声和振幅噪声分离，回环和移相器186的相移被选择为使得：
ω0τ+θ＝0。
在这种相移的情况下，I信道的基带输出由下式给出：
BBI(t)＝A(1+ΔA)cos(ω0τ+θ+φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))。
当：
ω0τ+θ＝0时，
I信道的基带输出为：
BBI(t)＝A(1+ΔA)cos(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))。
由于(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))的值是非常小的值，所以
cos(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))＝1。
相应地，I信道的基带输出为：
BBI(t)≈A(1+ΔA)，
其仅为振幅噪声。
类似地，Q信道的基带输出由下式给出：
BBQ(t)＝A(1+ΔA)sin(ω0τ+θ+φu(t)+φc(t)-φc(t-τ)。
当
ω0τ+θ＝0时，
Q信道的基带输出为：
BBQ(t)＝A(1+ΔA)sin(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))。
由于(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))的值是非常小的值，所以
sin(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))＝(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))。
相应地，Q信道的基带输出大约为：
A(1+ΔA)(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))。
等效地，Q信道的基带输出大约为：
A(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))+ΔA(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))。
由于ΔA和(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))二者均是小的数，所以二者的乘积是非常小的数。相应地，Q信道的基带输出大约为：
A(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))，
其为相噪声。在该示例中，振幅噪声由下式给出：
AN＝ΔA＝ΔAPA，
其中ΔAPA为PA 184的振幅噪声。而且，在该示例中，相噪声为：
PN＝φu(t)+φc(t)-φc(t-τ)。
而且，在该示例中，基带I信号仅具有相噪声，并且基带Q信号仅具有振幅噪声。
在另一示例中，回环和移相器186的相移被选择为使得：
ω0τ+θ＝90°。
那么，振幅噪声将与BBQ(t)有关，并且相噪声将与BBI(t)有关。I信道的基带输出大约为：
A(φu(t)+φc(t)-φc(t-τ))。
而且，Q信道的基带输出大约为：
A(1+ΔA)。
在该示例中，基带I信号仅具有相噪声，并且基带Q信号仅具有振幅噪声。如上述示例中所示，相移每旋转90°，振幅噪声状况和相噪声状况就在I信道和Q信道之间交替。
回环和移相器186的相移可以以有规律的间隔改变，例如以小于五度的阶跃(step)改变，以测量各种相移期间基带I噪声和基带Q噪声水平。在一些实施方案中，较小的相移阶跃(例如一度)可被使用。基带I信道和基带Q信道的噪声功率谱密度(以dBFs/Hz为单位)相对相移被绘制图。I信道或Q信道的噪声功率谱密度(PSD)的最大值是Nmax，并且噪声PSD的最小值是Nmin。
不相关相噪声由下式给出：
UPNtotal＝Pin_lna-Nmax+10-G-6，
其中Pin_lna是环回的信号204的功率，Nmax是PSD的最大值，10表示从dbM至dbFs的换算，减去G以获得接收器的输入处的噪声，并且由于当接收器将音调相对双侧带噪声(诸如振幅噪声和相噪声)下变换时为2的缩放系数差而减去6。而且，振幅噪声由下式给出：
AN＝Pin_lna-Nmin+10-G-6。
合成器不相关相噪声由下式给出：
UPNSYNTH＝PNSYNTH+20log10(2sin(ω0τ/2))，
其中PNSYNTH是LO信号200的测量的相噪声，ω0是LO信号216的频率，并且τ是由回环和移相器186引入的延迟。
UPNtotal是由于UPNSYNTH和UPNmmwave引起的总噪声功率。毫米波不相关相噪声可通过下式计算：
UPNmmwave＝UPNtotal-UPNSYNTH。
下面的表1示出了示例雷达系统的相移、相位值、I噪声值、Q噪声值和I+jQ噪声值。而且，图5示出了I值、Q值和I+jQ噪声值相对相移的曲线图220。曲线222示出I噪声值，曲线224示出Q噪声值，并且曲线226示出I+jQ噪声值。I信道或Q信道上的噪声PSD的最大值Nmax对应于相噪声，并且I信道或Q信道上的噪声PSD的最小值Nmim对应于振幅噪声。Nmax的值为-125.03dBFs/Hz，并且Nmin的值为-108.4dBFs/Hz。在该示例中，Pin_lna为-13.333dBm，其中载波频率ω0为78GHZ。测量的合成噪声值PNSYNTH为-92dBc/Hz。而且，振幅APA的值为8dBm。在接收器波导端口处测量的增益G(包括迹线损失，其中对LNA 250设定42dB增益)为36dB。而且，对于50MH/μs的斜率和2千兆赫兹带宽线性调频脉冲而言，范围被测量为0.2622。由斜坡测试测量的延迟τ为1.748ns。相关系数(CF)由下式给出：
CF＝20log10(2sin(πfτ))，为-39.19dB。这导致UPNtotal的值为-131.19dBc/Hz。LNA处的振幅噪声为-151.63dBm/Hz，并且LNA处的不相关相噪声为-135dBm/Hz。噪声折叠系数(即在基带处折叠到1MHz的其他载波上的噪声)为6。而且，从dBFs/Hz到dBm/Hz的换算系数为10。振幅噪声为-144.296dBc/Hz。总不相关相噪声为-127.666dBc/Hz，合成不相关相噪声为-131.19dBc/Hz，并且毫米波不相关相噪声为-130.217dBc/Hz。
表1
在示例中，对类似于图4中所示雷达系统180的雷达系统执行模拟。在模拟中，φc为-92dBc/Hz。PA振幅APA为8dBm，PA振幅噪声ΔAPA的值为-144.5dBc/Hz，PA的不相关相噪声φupa的值为-140dBc/Hz，并且相关噪声φc的值为-92dBc/Hz。在回环248中，损失L为-21.3dB并且延迟τ为1.7ns。相应的，APAL的值为-13.3dBm，并且APALΔAPA的值为-157.18dBm/Hz。在LNA 188中，UPNLNA为-143.5dBm/Hz并且CF为-39.19dB。而且，ApALφUPA为-153.3dBm/Hz并且APALφc为-105.3dBm/Hz。而且，增益G为36.6，并且接收器和IQ发生器的低底噪为30.5。接收器信号由下式给出：
RX(t)＝A(1+ΔA)cos(ω0(t-τ)-θ+φu(t)+φc(t-τ))，
其中A＝APALG且ΔA＝ΔAPA。而且：
φu(t-τ)＝φu(t)＝φupa(t)+φlna(t)。
振幅噪声被计算为-125.2dBFs/Hz，并且不相关相噪声被计算为-108.4dBFs/Hz。那么合成的UPN被计算为111.9dBFs/Hz，并且毫米波UPN被计算为-110.9dBFs/Hz。
图6示出雷达系统240。雷达系统240包括发射器241、回环248和接收器278。在雷达系统240中，外部LO(未绘出)和内部移相器(移相器244)被使用。外部LO(其为低相噪声LO，例如20GHz外部LO)生成输入LO信号258。使用外部LO降低或消除相关相噪声，改善不相关相噪声测量的精确度。当本机LO被使用时，在小数量之间执行减法，潜在地导致在计算不相关相噪声时的大误差。发射器241包括移相器244和PA 246。移相器244(内部可变移相器)使输入LO信号258相移以生成LO信号262。而且，移相器是从噪声功率估计器256接收控制信号260的可变移相器。PA 246将LO信号262放大，以生成放大信号264，由PA(t)表示该放大信号。
回环248使环回的信号266从发射器241回环至接收器278。回环248具有预定延迟τ。
接收器278包括LNA 250、IQ发生器242、混频器252、混频器254和噪声功率估计器256。LNA 250从回环248接收环回的信号266，并且将环回的信号266放大，以生成接收器信号268，由RX(t)表示该接收器信号。
IQ发生器242从LO信号258生成I信号272(即LOI(t))和Q信号270(LOQ(t))。然后，混频器254将I信号272与接收器信号268混合，以生成基带I信号276(BBI)。类似地，混频器252将Q信号270与接收器信号268组合，以生成基带Q信号274(BBQ)。
噪声功率估计器256针对多个相移测量基带I信号276和基带Q信号274。针对每个相移，噪声功率估计器256测量I噪声值和Q噪声值，并且确定I+jQ噪声值，其中I是I噪声值，并且Q是Q噪声值。而且，噪声功率估计器256使用控制信号260来控制移相器244的相移，以阶跃通过相移或选择最优的相移。而且，噪声功率估计器256确定最大噪声、对应最大噪声的相移、最小噪声和对应于最小噪声的相移。噪声功率估计器256可以循环穿过各种相移以找出具有最高SNR的相移。
在其他实施方案中，数字移相通过移相器244执行。数字移相器被数字编程以向信号施加相移。
回环和移相器186的相移可以以有规律的间隔改变，例如以小于五度的阶跃改变，以测量各种相移期间基带I噪声和基带Q噪声水平。在一些实施方案中，较小的相移阶跃(例如一度)可被使用。基带I信道和基带Q信号的噪声功率谱密度(以dBFs/Hz为单位)相对相移被绘制图。噪声PSD的最大值是Nmax，并且噪声PSD的最小值是Nmin。
与前一示例类似，BBI(t)和BBI(t)的方程可针对由图6例示的雷达系统240而被推导出。I信道的基带输出的值由下式给出：
BBI(t)＝A(1+ΔA)cos(ω0τ+θ+φu(t))。
当：
ω0τ+θ＝0时，
I信道的基带输出由下式给出：
BBI(t)＝A(1+ΔA)cos(φu(t))。
因为φu(t)是非常小的值，所以的cos(φu(t))值近似为小。相应地，I信道的基带输出大约为：
A(1+ΔA)，
其仅为振幅噪声。
类似地，Q信道的基带输出为：
BBQ(t)＝A(1+ΔA)sin(ω0τ+θ+φu(t))。
当
ω0τ+θ＝0时，
Q信道的基带输出为：
BBQ(t)＝A(1+ΔA)sin(φu(t))。
因为φu(t)是非常小的值，所以
sin(φu(t))≈φu(t)。
相应地，Q信道的基带输出大约为：
A(1+ΔA)(φu(t))。
那么，Q信道的基带输出可被近似为：
A(φu(t))+ΔA(φu(t))。
因为ΔA和φu(t)二者均是小数目，所以二者的乘积是非常小的。那么，Q信道的基带输出可被进一步近似为：
A(φu(t))，
其仅为相噪声。
当
ω0τ+θ＝90°时，
I信道的基带输出大约为：
Aφu(t)，
并且Q的基带输出大约为：
A(1+ΔA)。
不相关相噪声由下式给出：
UPNtotal＝Pin_lna-Nmax+10-G-6，
其中Pin_lna是环回的信号204的功率，Nmax是PSD的最大值，10表示从dBm至dBFs的换算，减去G以获得接收器的输入处的噪声，并且由于当接收器将音调相对双侧带噪声(诸如振幅噪声和相噪声)下变换时为2的缩放系数差而减去6。而且，振幅噪声由下式给出：
AN＝Pin_lna-Nmin+10-G-6。
因为LO信号由外部信号提供，所以PNSYNTH是可忽略的，并且因此来自SYNTH的不相关相噪声也是可忽略的。合成器无关相噪声由下式给出：
UPNSYNTH～0。
在这种情况下，总的不相关相噪声就是毫米波不相关相噪声，由下式给出：
UPNmmwave＝UPNtotal。
图7示出测量FMCW雷达系统中的噪声的示例方法的流程图280。在框281中，雷达系统设定可变移相器的相移。这可通过噪声功率估计器向可变移相器发送控制信号或者通过手动或以其他方式自动调节可变移相器的相移来完成。
在框282中，雷达系统生成LO信号。LO信号可以由嵌入在雷达系统的发射器中的LO本地生成。在另一个示例中，LO信号在外部被生成，并且可被称为输入LO信号。LO信号可具有相关相噪声。
在框284中，雷达系统的发射器的PA将LO信号放大，以生成放大信号。在实施方案中，PA为多级PA，例如两级PA、三级PA、四级PA、五级PA、六级PA或具有更高级数的PA。PA可包括缓冲器和其他元件。而且，除了增益之外，PA还可以生成振幅噪声和不相关相噪声。
在框286中，雷达系统的移相器使放大信号的相位移位预定的相移，以生成移相信号。在实施方案中，移相器是可调节的，并且使用多个预定移相值。在一些实施方案中，移相在框284中的放大之前在雷达系统的发射器中被执行，生成LO信号。在其他实施方案中，移相在框284中的放大之后被执行，并且放大由在发射器外部的移相器在雷达系统的波导回环中执行。在一个示例中，移相器是模拟移相器。在另一个示例中，移相器是数字移相器。
在框288中，波导回环使用毫米波波导回环，将移相信号作为环回的信号从雷达系统的发射器回环至雷达系统的接收器。除了预定的相移之外，环回的信号还具有预定的延迟。波导回环还将损失引入信号。
在框290中，雷达系统的接收器的LNA将在框288中生成的环回的信号放大，以生成接收器信号。LNA可以是多级LNA。例如，LNA可以是两级LNA、三级LNA、四级LNA、五级LNA或具有更高级数的LNA。LNA可包括附加元件，诸如缓冲器。除了附加的增益之外，LNA还将附加的不相关相噪声引入信号。
在框292中，IQ生成器将I分量从LO信号分离，以生成I信号。IQ生成器还将Q分量从LO信号分离，以生成Q信号。
在框298中，混频器将在框290中被LNA放大的接收器信号与在框292中生成的Q信号混合，以生成基带Q信号。然后，在框302中，系统将基带Q信号测量为测量的Q信号。测量可以由雷达系统执行，例如由雷达系统的噪声功率估计器执行。在另一个示例中，信号在外部例如由信号分析仪测量。
同样地，在框294中，另一个混频器将来自框290的接收器信号与在框292中生成的I信号混合，以生成基带I信号。然后，在框296中，系统将基带I信号测量为测量的I信号。测量可以由雷达系统执行，例如由雷达系统的噪声功率估计器执行。在另一个示例中，信号在外部例如由信号分析仪测量。
在框306中，雷达系统执行噪声分析。例如，雷达系统可以将基带Q信号相对相移值来绘制图。而且，雷达系统可以将基带I信号相对相移来绘制图。系统还可以执行附加的测试。例如，系统可以计算最大的和最小的I噪声值和Q噪声值。系统可以通过这些值计算振幅噪声和不相关相噪声。在示例中，雷达系统基于来自框302的测量的I信号和来自框296的测量的Q信号来确定总噪声。总噪声等于I+jQ，其中I是测量的I信号，并且Q是测量的Q信号。在一个实施方案中，分析由雷达系统例如作为噪声功率估计器的一部分执行。在另一个示例中，分析在外部(例如在通用计算机上，或在专用计算装置(诸如数字信号处理器(DSP))上)执行。
在框308中，雷达系统基于测量的I信号和测量的Q信号调节相移。在一个实施方案中，相移被手动调节。在另一个示例中，相移例如通过噪声功率估计器生成针对可变移相器的控制信号而被自动调节。移相器可被阶跃通过多个阶跃以找出针对噪声的最大值和最小值。例如，相位以小于五度，例如一度、两度、三度或四度的阶跃的增量被阶跃。在一个实施方案中，靠近噪声最小值使用较小的相阶跃以更好地确定最小噪声的相移。当最小噪声的相位被确定时，该相位可用于改善性能。
图8示出确定雷达系统中的噪声的示例方法的流程图310。在框312中，雷达系统为可变移相器设定相移值。在一个实施方案中，相移值被手动设定。在另一个示例中，相移值例如基于由噪声功率估计器输出的相移控制信号或另一个控制信号而被自动设置。
在框314中，雷达系统单独测量基带I信号和基带Q信号。雷达系统以预定的延迟和预定的可变相移将环回的信号从雷达系统的发射器回环至雷达系统的接收器。雷达系统利用I信号和Q信号调制环回的信号，I信号和Q信号从LO信号生成。雷达系统分开地测量基带Q信号和基带I信号。雷达系统例如使用ADC将测量的I信号和测量的Q信号进行模数转换。雷达系统可以例如使用DSP或通过通用计算机处理数字信号。而且，雷达系统可以将测量的I信号和测量的Q信号存储于存储器中以供后续分析。雷达系统还可以进行其他测量。例如，雷达系统可以测量LNA的输入处的功率水平，以获得Pin_a的值。而且，雷达系统可以测量LO信号的相噪声。而且，雷达系统可以测量τ的值。
在框316中，雷达系统确定是否存在待用于测量附加基带I信号和基带Q信号的附加的相值。在一个示例中，雷达系统阶跃通过相移值。相移值可以以小于五度的阶跃被调节。在一个示例中，相移阶跃被动态调节。例如，可在初始时利用较大的阶跃，并且可以在更靠近预期的最小值或最大值时使用较小的阶跃。当存在附加的相移值时，雷达系统返回框312以设定下一相延迟值。另一方面，当部没有附加的相延迟值时，雷达系统前进至框318。
在框318中，雷达系统执行噪声分析。例如，通过各种延迟值处的使用框296在I信道上计算的噪声和使用框302在Q信道上计算的噪声，确定噪声的最小值(Nmin)、对应于最小噪声值的相移、噪声的最大值(Nmax)和对应于最大噪声值的相移。Nmin的值对应于振幅噪声，并且Nmax的值对应于不相关相噪声。振幅噪声可以使用以下公式进行计算：
AN＝Pin_a-Nmin+10-6，
其中Pin_a是LNA的输入处的噪声值，G是增益，并且Nmin是最小噪声。
而且，不相关相噪声基于以下公式计算：
UPNtotal＝Pin_lna-Nmax+10-G-6。
合成相噪声可被确定为：
/>
其中τ是延迟，ωoffset是偏移频率，并且φc是相关相噪声。相关相噪声可在PA的输入处被测量。而且，毫米波不相关相噪声可被确定为：
UPNmmwave＝UPNtotal-UPNSYNTH。在示例中，雷达系统可以将总噪声计算为I+jQ，其中I是测量的I信号，并且Q是测量的Q信号。
图9示出计算装置380的框图。计算装置380可以用于执行分析和控制步骤。例如，计算装置380可以用于执行流程图310的框312、316和318。在至少一个示例中，计算装置380是通用计算机。在其他示例中，计算装置380是执行专门任务或任务组的编程机器，诸如专用集成电路(ASIC)。在另一个示例中，计算装置380是带有嵌入指令的微控制器。计算装置380可以是DSP。计算装置380包括用于存储数据和机器可读指令的存储器382。存储器382可以存储其他信息，诸如测量值。计算装置380还包括处理单元384，该处理单元访问存储器382并执行机器可读指令。存储器382是非暂态计算机可读存储介质。在一些示例中，存储器382是易失性存储器(诸如随机存取存储器)、非易失性存储器(诸如硬盘驱动器、固态驱动器或闪存)或它们的组合。
而且，计算装置380包括输入/输出(I/O)接口383，用于与I/O装置381交互。I/O装置381可以是监视器、触屏显示器、鼠标、键盘、打印机或其他I/O装置，诸如信号分析仪或控制器。处理单元384被实现为一个或更多个处理器核心，例如x86、ARM或DSP。在实施方案中，计算装置380包括用于在网络388上通信的网络接口386。实施方案可以包括在网络上通信的多个计算装置。网络接口386可以被实现为网络接口卡(NIC)。在一些示例中，网络388被实现为公共网络、私有网络或它们的组合。在一些示例中，计算装置380被实现于云计算中。
在权利要求的范围内，对所述实施方案中的修改是可行的，并且其他实施方案也是可行的。

Claims (18)

1.一种雷达系统，所述雷达系统包括：
发射器，所述发射器包括第一放大器，所述第一放大器被配置用于将本机振荡器信号放大，以生成放大信号；
接收器，所述接收器包括：
IQ生成器，所述IQ生成器被配置用于基于所述本机振荡器信号生成I信号和基于所述本机振荡器信号生成Q信号；
第二放大器，所述第二放大器被配置用于将环回信号放大，以生成接收器信号；
第一混频器，所述第一混频器被配置用于将所述接收器信号和所述I信号混合，以生成基带I信号；
第二混频器，所述第二混频器被配置用于将所述接收器信号和所述Q信号混合，以生成基带Q信号；以及
噪声功率估计器，所述噪声功率估计器被配置用于：
测量所述基带I信号的I噪声值，其中所述I噪声值中的每个对应于多个相位的相应一个；
测量所述基带Q信号的Q噪声值，其中所述Q噪声值中的每个对应于所述多个相位的相应一个；
确定所述I噪声值和所述Q噪声值的最大噪声值；
确定所述I噪声值和所述Q噪声值的最小噪声值；
基于所述最大噪声值计算不相关的相噪声；以及
基于所述最小噪声值计算振幅噪声；以及
波导回环，所述波导回环被配置用于将所述放大信号作为所述环回信号从所述发射器引导至所述接收器。
2.根据权利要求1所述的雷达系统，其中所述波导回环包括可变移相器，所述可变移相器被配置用于使所述放大信号移相。
3.根据权利要求1所述的雷达系统，其中所述发射器还包括可变移相器，所述可变移相器被配置用于使输入本机振荡器信号移相。
4.根据权利要求3所述的雷达系统，其中所述噪声功率估计器还被配置用于：
确定所述多个相位；以及
将多于一个相移指示符发射至所述可变移相器，其中所述多于一个相移指示符对应于所述多个相位。
5.根据权利要求4所述的雷达系统，其中所述噪声功率估计器还被配置用于：
确定对应于所述最小噪声值的最小噪声相移；以及
将最小噪声相移指示符发射至所述可变移相器，其中所述最小噪声相移指示符指示所述最小噪声相移，以用于减少噪声。
6.一种测量雷达系统中的噪声的方法，所述方法包括：
设定雷达系统的可变移相器的相移；
通过处理器测量基带I信号的多于一个I噪声值，其中所述多于一个I噪声值的每个对应于放大的环回移相雷达信号的相移之一；
通过所述处理器测量基带Q信号的多于一个Q噪声值，其中所述多于一个Q噪声值的每个对应于所述放大的环回移相雷达信号的相移之一；
确定所述多于一个I噪声值和所述多于一个Q噪声值的最大噪声值；
确定所述多于一个I噪声值和所述多于一个Q噪声值的最小噪声值；
基于所述最大噪声值计算不相关的相噪声；以及
基于所述最小噪声值确定振幅噪声。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述处理器是所述雷达系统的噪声功率估计器。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括：
测量所述雷达系统的放大器的输入处的功率值；以及
基于所述放大器的所述输入处的所述功率值、所述最大噪声值和所述雷达系统的接收器的接收器增益确定总的不相关相噪声，其中所述接收器包括所述放大器。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
测量本机振荡器信号的相噪声；以及
基于所述雷达系统的波导回环的延迟、所述本机振荡器信号的所述相噪声和偏移频率，确定合成器不相关相噪声。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括基于所述总的不相关相噪声和基于所述合成器不相关相噪声确定毫米波噪声。
11.根据权利要求9所述的方法，其中基于所述放大器的所述输入处的所述功率值和所述接收器增益确定所述振幅噪声。
12.根据权利要求6所述的方法，还包括：
选择对应于所述最小噪声值的最小噪声相移。
13.一种雷达系统，所述雷达系统包括：
包括输入端和输出端的第一放大器；
可变移相器，所述可变移相器被耦接至所述第一放大器；
包括输入端和输出端的第二放大器；
波导回环，所述波导回环将所述第一放大器的输出端耦接到所述第二放大器的输入端；
第一混频器，所述第一混频器包括：
被耦接到所述第二放大器的输出端的第一输入端；
第二输入端；以及
输出端；
第二混频器，所述第二混频器包括：
被耦接至所述第二放大器的输出端的第一输入端；
第二输入端；以及
输出端；以及
IQ生成器，所述IQ生成器包括：
输入端；
被耦接至所述第一混频器的所述第二输入端的第一输出端；和
被耦接至所述第二混频器的所述第二输入端的第二输出端。
14.根据权利要求13所述的雷达系统，还包括噪声功率估计器，所述噪声功率估计器被耦接至所述第一混频器、所述第二混频器和所述可变移相器。
15.根据权利要求13所述的雷达系统，其中所述可变移相器位于所述波导回环中。
16.根据权利要求13所述的雷达系统，其中所述第一放大器被耦接在所述可变移相器和所述波导回环之间。
17.根据权利要求13所述的雷达系统，还包括本机振荡器即LO，所述LO被耦接至所述第一放大器的输入端和所述IQ生成器的输入端。
18.根据权利要求13所述雷达系统，其中所述第一放大器的输入端和所述IQ生成器的输入端被耦接至外部LO生成器。
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