CN112558057A - 具有链接支持的雷达前端装置 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有链接支持的雷达前端装置”。雷达前端装置设置有支持菊花链配置的数据处理和通信架构。在例示性雷达系统实施方案中，一组多个前端装置中的每个前端装置包括：处理逻辑和接口逻辑。处理逻辑可配置为从雷达返回数据中得出范围和速度数据。接口逻辑可配置为将来自处理逻辑的范围和速度数据与来自该组中的任何上游前端装置的范围和速度数据进行组合，并将组合的范围和速度数据发送至下游目的地。

Description

具有链接支持的雷达前端装置
技术领域
本公开总体上涉及汽车雷达系统，并且更具体地涉及用于缩放天线阵列的尺寸的技术。
背景技术
为了寻求更安全和更方便的运输选项，许多汽车制造商正在开发自动驾驶汽车，该自动驾驶汽车需要大量的各种传感器。在设想的感测技术中，具有多输入多输出雷达系统，该系统用于沿行进路线监测汽车与任何车辆或障碍物之间的距离。此类系统可以采用波束转向技术来改善其测量范围和分辨率。
尽管单个集成电路基板可以实现包括多个收发器的雷达前端装置，但是单个衬底可以支撑的收发器的数量可能受每个收发器的功耗和散热要求限制。因此，随着天线元件数量的增加，期望采用多个前端装置来发送和接收雷达信号。用于将测量数据从多个前端装置传送到电子控制单元(ECU)的现有技术不期望地效率低和/或成本高。
发明内容
上述问题可以至少部分地通过具有支持菊花链配置的数据处理和通信架构的雷达前端装置来解决。
根据本申请的一个方面，提供了一种雷达前端装置，该雷达前端装置的特征在于集成电路芯片，该集成电路芯片具有：处理逻辑，该处理逻辑用于从雷达返回数据得出距离和速度数据；和接口逻辑，该接口逻辑在将范围和速度数据发送到下游目的地时将来自所述处理逻辑的范围和速度数据与来自任何上游前端装置的范围和速度数据组合。
在一个实施方案中，雷达前端装置的特征在于恒虚警率(CFAR)检测器。
在一个实施方案中，雷达前端装置的特征在于CFAR检测器省略低于自适应阈值的范围和速度值。
在一个实施方案中，雷达前端装置的特征在于，CFAR检测器对来自所述处理逻辑的范围和速度数据进行操作，以在接口逻辑执行所述组合之前将目标能量与噪声能量隔离。
在一个实施方案中，雷达前端装置的特征在于下游目的地是电子控制单元(ECU)，并且CFAR检测器对所组合的范围和速度数据进行操作。
在一个实施方案中，雷达前端装置的特征在于下游目的地是另一前端装置，并且接口逻辑绕过CFAR检测器。
在一个实施方案中，雷达前端装置的特征在于用于生成雷达发射信号的信号发生器和用于提供雷达返回数据的至少一个接收器。
在一个实施方案中，雷达前端装置的特征在于雷达发射信号是调频连续波(FMCW)信号，并且处理逻辑对雷达返回数据实施范围快速傅立叶变换(FFT)，并且对范围FFT的输出实施速度FFT。
根据本申请的另一方面，提供了一种制造雷达前端装置的方法，该方法的特征在于制造集成电路芯片，该集成电路芯片具有：信号发生器，该信号发生器用于生成调频连续波(FMCW)雷达发射信号；至少一个接收器，该至少一个接收器用于将雷达接收信号转换成雷达返回数据处理逻辑，该处理逻辑用于对雷达返回数据执行范围快速傅里叶变换(FFT)和速度FFT，以获得范围和速度数据；和接口逻辑，该接口逻辑用于将来自所述处理逻辑的范围和速度数据与来自任何上游前端装置的范围和速度数据进行组合，以将所组合的范围和速度数据发送到下游目的地。
在一个实施方案中，该方法的特征还在于提供恒虚警率(CFAR)检测器以对范围和速度数据进行操作，从而将目标能量与噪声能量隔离。
附图说明
图1为装配有传感器的例示性车辆的俯视图。
图2A是第一例示性驾驶员辅助系统的框图。
图2B是第二例示性驾驶员辅助系统的框图。
图3是例示性雷达前端装置的框图。
图4A是代表一组雷达测量结果的第一数据立方体。
图4B是代表一组雷达测量结果的第二数据立方体。
图5A是第一例示性前端装置的数据流程图。
图5B是第二例示性前端装置的数据流程图。
图5C是第三例示性前端装置的数据流程图。
图6是例示性雷达系统的数据流程图。
具体实施方式
应当理解，提供以下描述和附图是为了解释的目的，而不是限制本公开。即，它们为本领域的普通技术人员提供了基础以理解落入权利要求书范围内的所有修改形式、等价形式和替代形式。更具体地，尽管以下描述将车辆用作例示性使用背景，但是所公开的原理和技术可应用于其他使用背景，诸如交通监测、心率监测、停车位占用检测和距离测量。
图1示出了配备有雷达天线阵列的例示性车辆102，该雷达天线包括用于短程感测(例如，用于停车辅助)的天线104、用于中程感测(例如，用于监测停车&行驶和超车事件)的天线106、用于远程感测(例如，用于自适应巡航控制和碰撞警告)的天线108，每个天线可被置于前保险杠盖的后面。用于短程感测(例如，用于倒车辅助)的天线110和用于中程感测(例如，用于后碰撞警告)的天线112可置于后保险杠盖的后面。用于短程感测(例如，用于盲点监测和侧障碍物检测)的天线114可放置在汽车挡泥板的后面。每组天线可执行多输入多输出(MIMO)雷达感测。对于具有驾驶员辅助和自动驾驶功能的车辆，传感器布置中的传感器的类型、数量和配置各不相同。车辆可采用传感器布置来检测和测量到各种检测区中的物体的距离/方向，以使车辆能够在避免其他车辆和障碍物的同时进行导航。
图2A示出了作为星形拓扑结构中心的耦接到各种雷达前端装置204-206的电子控制单元(ECU)202。雷达前端各自包括毫米波频率收发器，该毫米波频率收发器耦接到发射和接收天线104-114中的一些天线，以发射电磁波、接收反射并可选地执行用于确定车辆与其周围环境的空间关系的处理。(此类处理可以另选地由ECU 202执行。)为了提供自动停车辅助，ECU 202可以进一步连接到一组致动器，诸如转弯信号致动器208、转向致动器210、制动致动器212和节气门致动器214。ECU 202可以进一步耦接到用户交互式界面216以接受用户输入并且提供各种测量结果和系统状态的显示。
使用界面、传感器和致动器，ECU 202可提供自动停车、辅助停车、车道变换辅助、障碍物和盲点检测、自动驾驶以及其他期望的特征。在汽车中，各种传感器测量由一个或多个电子控制单元(ECU)采集，并且可由ECU用于确定汽车的状态。ECU可还对状态和传入信息采取行动，以致动各种信令和控制换能器以调节和维持汽车的操作。由ECU提供的操作包括各种驾驶员辅助特征，包括自动停车、车道跟踪、自动制动和自动驾驶。
为了收集必要的测量值，ECU可采用MIMO雷达系统。雷达系统通过发射电磁波来操作，电磁波在反射回接收天线之前从发射天线向外行进。反射器可以是发射电磁波的路径中的任何适度反射物体。通过测量从发射天线到反射器并且返回到接收天线的电磁波的行进时间，雷达系统可确定到反射器的距离。如果使用多个发射或接收天线，或者如果在不同位置进行多次测量，则雷达系统可确定反射器的方向并且因此跟踪反射器相对于车辆的位置。利用更复杂的处理，可跟踪多个反射器。至少一些雷达系统采用阵列处理来“扫描”定向电磁波束并且构建车辆周围的图像。雷达系统的脉冲和连续波具体实施均可实现，但频率调制的连续波雷达系统通常对于准确性来说是优选的。
图2A的星形拓扑结构具有的缺点是ECU必须以某种方式支持大量直接连接的传感器总线。缓解这种缺点的一种建议方法是采用单独的集线器装置或总线桥，该集线器装置或总线桥在所有前端装置通信总线和单个直接连接总线之间中介到ECU。但是，认为不期望需要额外的集成电路装置。
因此，图2B示出了优选的拓扑结构，其中多个雷达前端装置以菊花链方式链接在一起，从而可以通过ECU的单个直接连接总线进行通信，而无需单独的桥装置。(尽管示出为单个双向总线，但也可以设想使用两个单向总线。命令总线可以将命令从ECU传送到前端装置，数据总线可以将数据从前端装置传送到ECU。)在至少一些设想的具体实施中，前端装置204经由MIPI(移动行业处理器接口)Alliance A-Phy总线连接到ECU，该总线支持在至少15米距离上传输四个通道的高数据速率(10Gbps至48Gbps)。短程通信总线可以用于前端装置之间的数据传输。前端装置204-206中的每个前端装置优选地包含相同的内部组件，但是这些组件中的一些组件可以被禁用，如下面进一步讨论的。预期与此类“暗硅”相关的成本将远低于单独的桥装置的成本。
图3示出了用于雷达系统的例示性前端装置300(例如，作为图2A至图2B的装置204-206)的框图。装置300可以被实现为半导体基板上的集成电路，被以标准方式单体化以形成“芯片”并且被封装以安装在具有将装置连接到天线元件的迹线的印刷电路板上。装置300具有用于耦接到发射天线301和接收天线302的阵列的天线馈电部或终端。可调增益放大器303A至303D用来自发射器电路304的放大信号来驱动发射天线301。电路304使用可编程的啁啾率和范围来生成可编程频带内的载波信号。信号发生器可以采用具有适当倍频器的压控振荡器。分离器和移相器为多个发射器TX-1至TX-4得出发射信号以同时运行，并进一步向接收器提供参考“本地振荡器”信号以用于下变换处理。在例示的示例中，前端装置300包括4个发射器(TX-1至TX-4)，每个发射器固定地耦接到对应的发射天线301。在另选的实施方案中，多个发射天线可选择地耦接到每个发射器。
前端装置300进一步包括4个接收器(RX-1至RX-4)，每个接收器选择性地耦接到接收天线302中的两个接收天线，从而提供具有8个接收天线的可重新配置的MIMO系统，其中四个接收天线可以同时用于收集测量结果。四个模数转换器(ADC)306A至306D对来自接收器RX-1至RX-4的下变换接收信号进行采样和数字化，将数字化信号供应到处理逻辑308(诸如数字信号处理器(DSP))用于滤波和处理，或者直接供应到接口逻辑310以实现数字化基带信号的片外处理。接口逻辑310可以采用路由开关或外部总线、内部数据总线和处理器/存储器总线之间的桥的其他标准具体实施的形式。
控制接口312使ECU或其他主机处理器能够配置每个前端装置300(包括发送信号生成电路304、处理逻辑308和接口逻辑310)的操作。板载存储器314使处理逻辑308和/或接口逻辑310能够根据经由控制接口设置的配置参数来缓冲数字化信号和任何得出的目标测量数据。
如下面进一步讨论的，处理逻辑308可以对数字化接收信号进行操作以得出目标范围数据，得出目标速度数据，得出目标接近角度数据和/或筛选出各种形式的噪声，诸如干扰和杂波。筛选操作可以另选地看作是暂定目标识别或目标能量与噪声能量的分离。尽管一些雷达系统在中央位置(例如，ECU)执行此类处理，但是设想的系统在前端装置204-206之间分配了处理中的至少一些处理。
在描述针对前端装置的设想数据流以及菊花链支持的最终并入之前，了解雷达系统可以用于从数字化信号测量结果中得出目标信息的处理将是有帮助的。
图4A示出了代表数字信号测量结果的一部分的例示性数据立方体，该数字信号测量结果可以由给定的前端装置使用啁啾调制的连续波信号传输来收集。每个啁啾(频率范围的单向遍历)都可以视为测量周期。在测量周期期间，前端将来自所选接收天线的下变换接收信号数字化，从而提供数字化接收信号样本的时间序列。由于啁啾调制，目标反射的信号能量以频率偏移到达接收天线，该频率偏移取决于往返行程时间(并因此取决于与目标的距离)。在给定周期中收集的时间序列的快速傅立叶变换(FFT)将隔离与每个频率偏移相关的能量，从而产生反射能量与目标范围的函数。可以在每个测量周期中为每个天线执行该操作，该操作在本文可以称为“范围FFT”。范围FFT为具有给定范围的每个目标产生峰值。
目标相对于天线阵列的运动将多普勒频移添加到反射信号能量上，该多普勒频移基本上与相对速度成比例。尽管相对于范围引起的频率偏移通常很小，但是仍然可以观察到它是后续测量周期中相关频率系数的相位变化。(回想到，FFT系数是复数值的，具有幅度和相位两者。)在一系列测量周期中将FFT应用于对应的频率系数将隔离与每个相对速度相关的能量，从而产生反射能量与目标速度的函数。可以针对每个范围和每个天线执行该操作，该操作在本文中可以被称为“速度FFT”。对于具有给定范围和相对速度的每个目标，所得的二维数据阵列具有“峰值”。
来自给定目标的反射能量以取决于反射能量到达的方向(也称为“接近角”)的相位到达天线阵列中的各个接收天线。将FFT应用于与一系列均匀间隔的天线相关联的对应频率系数将隔离与每个入射角相关联的能量，从而产生反射能量与接近角(“AoA”)的函数。可以针对每个范围和速度执行该操作，该操作在本文可以称为“AoA FFT”。
因此，布置在具有其表示时间、测量周期和天线位置的函数的三个维度的测量数据立方体中的数字化信号测量结果(如图4A所示)可以被转换成具有其表示范围、速度和AoA的函数的三个维度的目标数据立方体(如图4B所示)。由于FFT是线性的，因此可以以任意顺序执行范围FFT、速度FFT和AoA FFT。此外，FFT操作是独立的(例如意味着，给定天线和周期的范围FFT与其他天线和其他周期的范围FFT独立，给定范围和天线的速度FFT与其他范围和天线的速度FFT独立)，使得FFT处理容易地在只是级联的多个前端装置和结果之间分配。
另一期望的处理操作是将信号能量与噪声能量分离。可以使用任何合适的噪声抑制或目标检测技术。一种流行的技术(其包括许多变体)是恒虚警率(CFAR)检测技术。CFAR检测基于接近或靠近被评估测量值(也称为“被测单元”)的滑动窗口中的测量能量值而采用检测阈值自适应。原始技术及其变体通过使用不同的统计方法从滑动窗口内的测量结果得出检测阈值，从而在性能和计算复杂性之间提供了各种折衷。CFAR检测是非线性技术，因为低于阈值的测量值被置零或被忽略，但是仍然可以修改其在处理序列中的位置，因为频率系数的置零通常不会阻止后续FFT利用代表目标的能量峰值的相关相位/频率信息。
图5A示出了可以由每个前端装置300实现的例示性数据流。处理逻辑308可以基本上在获取信号时对来自每个天线的数字化接收信号xk执行范围FFT，将得到的频率系数作为范围数据存储在存储器314中的帧缓冲器504中。帧缓冲器504累积来自多个测量周期的范围数据，使得处理逻辑308能够执行速度FFT 506以产生每个天线的目标范围和速度数据，如先前所讨论的。CFAR检测器508对目标范围和速度数据进行操作以去除低于自适应阈值的噪声能量。CFAR检测器508可以将低于阈值的值置零，仅保留高于阈值的值作为表示潜在目标(雷达能量反射器)的范围和速度。在某些设想的变型中，CFAR检测处理通过省略低于阈值的值中的至少一些值，并且可能通过采用更复杂的数据压缩技术来压缩数据量。接口逻辑310可以将来自板载处理逻辑308的目标范围和速度数据与从上游(“UP”)前端装置300接收的目标范围和速度数据进行组合，并将组合数据发送到下游(“DN”)目的地。下游目的地可能是另一前端装置，或者它也可能是ECU。在例示的数据流中，接口逻辑310将本地生成的数据级联到上游数据，而作为多路复用器510操作。
图5B示出了可以由每个前端装置300实现的优选数据流。如前所述，处理逻辑308可以使用存储器314作为帧缓冲器504来实现范围FFT 502和速度FFT 506。在除了最后一个前端装置300(直接连接到ECU的装置)外的所有前端装置中，CFAR检测器508均被绕过。相反，接口逻辑310实现多路复用器512以将本地生成的范围和速度数据级联到来自上游前端的范围和速度数据，并实现绕过CFAR检测器508的第二多路复用器510。在最后一个前端装置中，第二多路复用器510将CFAR检测器508的输出发送到ECU。因此，实现CFAR检测器的处理逻辑308能够基于来自所有天线的测量结果而不是仅基于本地连接到前端装置的测量结果来适应阈值，从而产生提高的性能。
图5C示出了可以由每个前端装置300实现的又一个示例性数据流。如前所述，处理逻辑308基本上可以在获取信号时对来自每个天线的数字化接收信号xk执行范围FFT，将得到的频率系数作为范围数据存储在存储器314中的帧缓冲器504中。帧缓冲器504累积来自多个测量周期的范围数据。CFAR检测器508仅传递超过自适应阈值的那些范围，从而减少了需要后续传输和处理的数据量。接口逻辑310实现多路复用器512以将来自处理逻辑308的目标范围数据与从上游前端接收的目标范围数据进行级联，以及实现多路复用器510，当将数据发送至下游目的地时，该多路复用器可选地绕过速度FFT 506。在最后一个前端装置(直接连接到ECU的前端装置)中，处理逻辑308对范围数据执行速度FFT，从而生成ECU的目标范围和速度数据。
图6是用于图2B的例示性具体实施的数据流程图，其中雷达前端装置204-207各自从它们从其所连接的天线接收的雷达返回数据中得出范围和速度数据。前端装置207的上游连接未连接，因此多路复用器512A只将每个测量帧的本地得出的范围和速度数据(RV1)传递到前端装置206的上游连接。对于每个测量帧，多路复用器512B为下游前端装置205提供本地得出的范围和速度数据(RV2)与来自上游连接的范围和速度数据的级联。类似地，多路复用器512C为下游前端装置204提供本地得出的范围和速度数据(RV3)与来自其上游连接的范围和速度数据的级联。最后一个前端装置204为ECU 202提供级联的本地得出的范围和速度数据(RV4)与来自所有其他前端装置205-207的范围和速度数据的级联。
在例示的实施方案中，ECU 202在进行AoA FFT 602以进一步表征每个目标之前，对范围和速度数据的整个帧执行CFAR检测508。ECU 202还执行目标跟踪604，从而以改善系统性能的方式使用多个测量帧。然后，所得目标的列表(“对象列表”)可以被ECU 202用来提供自动驾驶或各种驾驶员辅助功能。如前所述，所公开的原理不限于该使用背景，而是可以容易地适用于其他雷达系统应用。
总之，公开的雷达系统实施方案包括一组多个前端装置，每个前端装置包括处理逻辑和接口逻辑。处理逻辑可配置为从雷达返回数据中得出范围和速度数据。接口逻辑可配置为将来自处理逻辑的范围和速度数据与来自所述组中的任何上游前端装置的范围和速度数据进行组合，并将组合的范围和速度数据发送至下游目的地。
公开的前端装置实施方案包括：处理逻辑，该处理逻辑从雷达返回数据中得出范围和速度数据；和接口逻辑，该接口逻辑在将范围和速度数据发送到下游目的地时将来自所述处理逻辑的范围和速度数据与来自任何上游前端装置的范围和速度数据组合。
公开的用于制造雷达前端装置的方法实施方案包括制造集成电路芯片，该集成电路芯片具有：信号发生器、发射器、至少一个接收器、处理逻辑和接口逻辑。信号发生器产生调频连续波(FMCW)雷达发射信号。至少一个接收器将雷达接收信号转换成雷达返回数据。处理逻辑对雷达返回数据执行范围快速傅里叶变换(FFT)和速度FFT，以获得范围和速度数据。接口逻辑将来自所述处理逻辑的范围和速度数据与来自任何上游前端装置的范围和速度数据进行组合，以将组合的范围和速度数据发送到下游目的地。
前述实施方案中的每个实施方案可以单独地或结合地使用，并且可以以任何适当的组合包括以下特征中的一个或多个特征：1.目标检测器。2.目标检测器是恒虚警率(CFAR)检测器。3.CFAR检测器省略低于自适应阈值的范围和速度值。4.CFAR检测器对来自所述处理逻辑的范围和速度数据进行操作，以在接口逻辑执行所述组合之前将目标能量与噪声能量隔离。5.下游目的地是电子控制单元(ECU)或另一前端装置。6.CFAR检测器对组合的范围和速度数据进行操作。7.接口逻辑绕过CFAR检测器。8.信号发生器，该信号发生器用于产生雷达发射信号。9.至少一个接收器，该至少一个接收器用于提供雷达返回数据。10.雷达发射信号是调频连续波(FMCW)信号。11.处理逻辑对雷达返回数据实施范围快速傅立叶变换(FFT)，并对范围FFT的输出实施速度FFT。
一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域普通技术人员来说许多其他修改形式、等价形式和替代形式就将变得显而易见。例如，可以绕过或省略FFT，以将数字化测量结果传送到ECU进行中央处理。旨在使以下权利要求书被解释为在适用情况下包含所有此类修改形式、等价形式和替代形式。

Claims (10)

1.一种雷达前端装置，其特征在于集成电路芯片，所述集成电路芯片具有：
处理逻辑，所述处理逻辑用于从雷达返回数据得出范围和速度数据；和
接口逻辑，所述接口逻辑在将范围和速度数据发送到下游目的地时将来自所述处理逻辑的范围和速度数据与来自任何上游前端装置的范围和速度数据组合。
2.根据权利要求1所述的雷达前端装置，其特征在于恒虚警率CFAR检测器。
3.根据权利要求2所述的雷达前端装置，其特征在于所述CFAR检测器省略低于自适应阈值的范围和速度值。
4.根据权利要求2所述的雷达前端装置，其特征在于所述CFAR检测器对来自所述处理逻辑的范围和速度数据进行操作，以在所述接口逻辑执行所述组合之前将目标能量与噪声能量隔离。
5.根据权利要求2所述的雷达前端装置，其特征在于所述下游目的地是电子控制单元ECU，其中所述CFAR检测器对组合的范围和速度数据进行操作。
6.根据权利要求2所述的雷达前端装置，其特征在于所述下游目的地是另一前端装置，其中接口逻辑绕过所述CFAR检测器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的雷达前端装置，其特征在于用于生成雷达发射信号的信号发生器和用于提供所述雷达返回数据的至少一个接收器。
8.根据权利要求7所述的雷达前端装置，其特征在于所述雷达发射信号是调频连续波FMCW信号，其中所述处理逻辑对所述雷达返回数据实施范围快速傅立叶变换FFT，并对所述范围FFT的输出实施速度FFT。
9.一种制造雷达前端装置的方法，所述方法的特征在于制造集成电路芯片，所述集成电路芯片具有：
信号发生器，所述信号发生器用于生成调频连续波FMCW雷达发射信号；
至少一个接收器，所述至少一个接收器用于将雷达接收信号转换成雷达返回数据
处理逻辑，所述处理逻辑用于对所述雷达返回数据实施范围快速傅里叶变换FFT和速度FFT，以获得范围和速度数据；和
接口逻辑，所述接口逻辑用于将来自所述处理逻辑的范围和速度数据与来自任何上游前端装置的范围和速度数据进行组合，以将组合的范围和速度数据发送到下游目的地。
10.根据权利要求10所述的方法，其特征还在于提供恒虚警率CFAR检测器以对所述范围和速度数据进行操作，从而将目标能量与噪声能量隔离。
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