CN114415124A

CN114415124A - 基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制方法及装置

Info

Publication number: CN114415124A
Application number: CN202210319562.7A
Authority: CN
Inventors: 何荣文; 章新明
Original assignee: Shenzhen Xinshengsi Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Xinshengsi Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2042-03-29
Also published as: CN114415124B

Abstract

本发明提供一种应用于多普勒雷达系统的基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制方法及装置。多普勒测速雷达传感器芯片使用固定时间周期的脉冲计数方法来测量比较器输出脉宽，根据是否达到上下门槛阈值自动调整增益的方法，可以在没有运动物体时让雷达自动处于最高灵敏度，在有持续人类活动时增益自动调整到合适大小，防止中频放大器过渡饱和而导致有用信号被挤占，本发明的方法适合任何需要控制电信号幅度的电子系统。

Description

基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制方法及装置

技术领域

本申请涉及电子设备、电子器件技术领域，尤其涉及一种应用于多普勒雷达系统的基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制方法及装置。

背景技术

楼道中使用的声控开灯节电因可靠性很低，逐渐被红外传感器替代。但是，红外传感器需要在灯具表面开窗加透镜（像鱼眼），破坏灯具表面整体磨砂的美观性。磨砂表面开窗加透镜让人怀疑里面藏有针孔摄像头，会引起隐私忧虑。另外，红外传感器因灯泡的红外辐射被灯具外壳反射而容易被干扰导致灵敏度下降严重，以致即使有人在灯下活动也会在首次开灯后延时关闭，对厂房或者办公室不适用。因此，用微波雷达传感器替代红外传感器成为趋势。

雷达传感器的问题是成本高。一般雷达传感器使用固定射频频率发射信号，利用运动物体反射信号时产生多普勒频移，将接收信号与发射同频的本振信号混频，得到频率相减的信号的频率就是多普勒频率。为了识别频率，一般需要使用模数转换器（ADC）采样信号，再使用ARM或者数字信号处理器（DSP）做离散傅里叶变换（DFT）。雷达信号幅度与距离的四次方成反比，所以雷达回波信号幅度极小，除了射频链路有20 ~ 40dB（10倍 ~ 100倍电压放大）增益外，一般中频增益高达60dB以上（1000倍以上的电压放大倍数）。这么高的增益，近距离运动物体反射的雷达信号很容易导致中频放大器饱和，因而自动控制增益很有必要。如果雷达信号很小，不能显著高于ADC的量化噪声，信噪比不足会导致DFT时频率分辨困难。如果雷达信号过大，中频放大器很容易饱和变成方波输出，除了会产生多次谐波外，还会让信号在时域削顶，散失细节分辨率。在多种频率都存在（比如多人一起走过走廊）时，信号饱和会增加各种谐波，对主要信号的幅度和频率判断造成障碍。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制方法及装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制方法，应用于多普勒雷达系统，包括以下步骤：

探测带多普勒频移的反射信号，将所述带多普勒频移的反射信号和与发射频率同源的同频本振信号混频后，形成多普勒频差信号；

利用中频放大器对所述多普勒频差信号进行放大至一定幅度（比如1Vpp以上）；

将经过所述中频放大器放大的所述多普勒频差信号转换为脉宽不固定的方波；其中，所述多普勒频差信号的频率随运动速度变化；

在所述多普勒频差信号的幅度超过比较器对应设置的参考电平后，所述比较器翻转输出高电平，将所述高电平跟固定频率的时钟相与得到脉冲信号；

计算每个触发周期内所述脉冲信号的个数与寄存器设定的上下门槛阈值的比较，统计一定数量的触发周期的比较结果的次数，根据统计结果出现次数占总次数的比例自动调整增益。

可选地，若一定数量的统计次数内，每个触发周期内所述脉冲信号的个数低于寄存器设定的下门槛阈值的次数达到第一预设数量，即在多次统计中符合条件的次数达到一定比例，则认为信号幅度过小，从而增加增益；

若一定数量的统计次数内，每个触发周期内所述脉冲信号的个数高于寄存器设定的上门槛阈值的次数达到第二预设数量，即在多次统计结果中符合条件的次数达到一定比例，则认为信号幅度过大，从而减小增益。

可选地，在一定数量的统计次数内，每个触发周期内脉冲信号的个数在所述上门槛阈值和所述下门槛阈值之间的次数达到一定比例，即在多次统计结果中符合条件的次数达到一定比例，则认为是有幅度合适的雷达信号。

可选地，所述脉冲信号的脉冲个数就代表比较器输出信号的脉宽。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制装置，应用于多普勒雷达系统，所述装置包括：

信号接收单元，用于探测带多普勒频移的反射信号，将所述带多普勒频移的反射信号和与发射频率同源的同频本振信号混频后，形成多普勒频差信号；

中频放大器，用于对所述多普勒频差信号进行放大；

比较器，用于将经过所述中频放大器放大的所述多普勒频差信号转换为脉宽不固定的方波；其中，所述多普勒频差信号的频率随运动速度变化；在所述多普勒频差信号的幅度超过所述比较器对应设置的参考电平后，所述比较器翻转输出高电平，将所述高电平跟固定频率的时钟相与得到脉冲信号；

数字逻辑单元，用于在每个触发周期内计算所述脉冲信号的个数，并与寄存器设定的上下门槛阈值比较，而且统计多个触发周期内脉冲信号个数超过上门槛阈值或者低于下门槛阈值的次数，根据在多次统计结果中符合条件的次数是否达到一定比例来自动调整增益。

可选地，所述数字逻辑单元还用于：当每个触发周期内所述脉冲信号的个数低于寄存器设定的下门槛阈值时，而且在多次统计中符合条件的次数达到一定比例，则认为信号幅度过小，从而增加增益；

当每个触发周期内所述脉冲信号的个数高于寄存器设定的上门槛阈值时，而且在多次统计中符合条件的次数达到一定比例，认为信号幅度过大，从而减小增益。

本发明提供的基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制方法及系统，可以在没有运动物体时让雷达自动处于最高灵敏度，在有持续人类活动时增益自动调整到合适大小，防止中频放大器过渡饱和而导致有用信号被挤占。另外，本发明的方案不仅仅适合于雷达，同样适用于任何需要控制信号幅度的场景，尤其是信号频率会变化但对控制不重要、而信号幅度变化对于实际控制非常重要的场景。也就是本发明的方法适合任何需要控制电信号幅度的电子系统。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1为本发明具体实施方式涉及的高频信号和低频信号的比较器翻转时段和触发周期计数原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

以下实施例仅为清楚说明本发明而举例，并非对本发明实施方式的限定。

在实际操作中，可在下述说明的基础上根据需求做出变化和变动，但由本发明精神所引出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

本实施例提供了种基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制方法，应用于多普勒雷达系统，具体地，本实施例的方法可以包括：

S1，探测带多普勒频移的反射信号，将所述带多普勒频移的反射信号和与发射频率同源的同频本振信号混频后，形成多普勒频差信号；

S2，利用中频放大器对所述多普勒频差信号进行放大至一定幅度（比如1Vpp以上）；

S3，将经过所述中频放大器放大的所述多普勒频差信号转换为脉宽不固定的方波；其中，所述多普勒频差信号的频率随被探测物体的运动速度变化；

S4，在所述多普勒频差信号的幅度超过比较器对应设置的参考电平后，所述比较器翻转输出高电平，将所述高电平跟固定频率的时钟相与得到脉冲信号；

S5，统计一定数量的触发周期，每个触发周期内所述脉冲信号的个数与寄存器设定的上下门槛阈值的比较，根据符合要求的次数占总统计次数的比例自动调整增益。也就是说，在每个触发周期内统计所述脉冲信号的个数，并与寄存器设定的上下门槛阈值比较，然后统计该现象出现的次数，根据出现次数占统计总次数的比例来自动调整增益。本实施例中，为了区分连读波干扰信号或者单个干扰信号导致自动增益错误调整，统计一定数量（比如50个）的触发周期，每个触发周期内所述脉冲信号个数超过上门槛阈值或者不足下门槛阈值，通过有效次数占总次数的比例来调整系统增益（比如统计50次，有25次在单个触发周期内信号脉冲计数有不足下门槛阈值的现象，就增加中频增益一个控制单位，有25次在单个触发周期内信号脉冲计数有超过上门槛阈值的现象就降低中频增益一个控制单位）。

整体来讲，含多普勒频移的反射信号跟同源本振混频后，形成多普勒频差信号，经过中频放大器放大到一定幅度（比如到1Vpp以上）。使用比较器，设置合适的参考电平，该频率随运动速度变化的多普勒信号会变成脉宽不固定的方波，参见图1。

现在假设多普勒信号幅度超过比较器参考电平后比较器翻转输出高电平，将该高电平跟固定频率的时钟（例如8kHz）相与（AND），脉冲个数就代表比较器输出信号的脉宽。在固定时间长度（叫做触发时间或者触发周期，比如20毫秒）内统计该脉冲信号个数，并跟寄存器设定的上下门槛阈值比较。统计多个触发周期，如果单个触发周期内信号脉冲计数低于下门槛阈值（比如4）的次数占总触发周期数的50%以上，认为是信号幅度过小，从而增加增益一个单位。统计多个触发周期，如果单个触发周期内信号脉冲计数高于上门槛阈值(比如32，或者120)的次数占总触发周期数的50%以上，认为是信号幅度过大，从而减小增益一个单位。这样，只有多次统计单个触发周期内脉冲信号计数结果在上下门槛中间的次数占总触发周期数的50%以上的比例时，才认为是有幅度合适的雷达信号。这有利于用ADC采样后分析频率和幅度，而不是信号过大饱和后产生多次谐波，或者信号过小导致雷达信号淹没在ADC的量化噪声里面。以上过程连续不停地实施，就可以维持合适的雷达信号幅度，达到自动增益控制的目的。因为系统总增益，放大器直流误差和比较器参考电平漂移，过小的信号可能导致比较器不翻转，后面统计到的触发周期内脉冲信号个数都会低于下门槛值，此后增益就不会继续降低而是不断升高到最大值。也就是电路精度会限制实际增益调节范围，这不在本发明讨论的范畴内。

本实施例的方案，可以用于智能照明的运动感知雷达芯片设计，雷达芯片产生5.8GHz或者10.525GHz雷达信号，经过PA到天线发射。天线接收的带多普勒频移的反射信号，经过低噪放（LNA）放大后，与来自VCO频率的本振混频，得到中频信号（多普勒频移）。经过中频放大后，输入比较器。

芯片使用内部时钟或者外部时钟，得到8kHz时钟用于跟比较器高电平相与得到脉冲信号。如果有5Hz以上的雷达信号（包括各种模拟干扰信号，不考虑干扰导致数字电路出错的情况），中频比较器翻转到高电平最长时间100毫秒（5Hz雷达信号的半周期）。如果是8kHz以上的高频干扰，最短一个脉冲，时间125微秒（8kHz时钟的一个周期）。在这个比较器翻转电平高电平期间去计数8kHz时钟的数量（这个脉宽跟8kHz时钟相与）。如果计数时间长度固定为20毫秒（该时间长度叫触发周期，可以按1毫秒为步长，由寄存器设置），计数脉冲信号数是1个到160个（40毫秒触发周期需要使用更低频率的时钟来产生信号脉冲，否则使用8位计数器时会溢出，或者需要更长字长的计数器）。

比如用寄存器设定连续统计50个触发周期，对应统计时间1秒（可以用8位寄存器设置统计2次~256次，在20毫秒触发周期的情况下，对应统计时长40毫秒到5.12秒，这个长度对应自动增益调整速度）。如果统计到有25次以上的单个触发周期里面脉冲信号个数小于下门槛阈值，就说明信号过小，增加增益一个单位。如果统计到有25次以上的单个触发周期里面脉冲信号个数大于上门槛阈值，就说明信号过大，降低增益一个单位。这种使用触发周期内雷达脉冲信号计数的方法，本质上是测量雷达中频信号的占空比，与多普勒雷达信号的频率没有关系，只与信号幅度有关。不管增益控制有多少环节，也不管增益控制实际发生在射频链路还是中频链路，只要这些增益可以通过若干位2进制数字控制，本方法都可以实现最小增益到最大增益的自动控制，保证中频信号幅度大小合适，方便比较器比较或者ADC采样。如果雷达信号幅度变化速度快于触发周期乘以统计次数（比如20毫秒x 50 = 1秒），增益控制会有一定的滞后，这时可以调整统计次数的设置，加快增益调整速度。总之，只要雷达总增益够大，增益控制步长够细小，本方法都可以将雷达信号幅度控制在合适的范围内。注意ADC采样起点时刻需要跟增益调整时间同步，避免每一组用于DFT的数据中间有增益调节。另外，使用多次统计的方法可以避免瞬时干扰导致的增益调节过快的问题。

本发明将比较器输出脉宽转化为脉冲信号，在触发周期内使用计数器计数，就可以根据脉冲信个数测量比较器输出占空比，就间接知道信号幅度。然后根据各个触发周期内脉冲信号个数是否多次达到上下门槛阈值来调整增益（中频增益和射频增益都可以），达到自动控制增益的目的。中频比较器输出占空比正比于信号幅度，与信号频率无关，因此，该方法可以间接测量信号幅度，然后根据信号幅度调整增益。如果芯片集成该逻辑电路，就可以在无需 MCU参与的情况下进行自动增益调节。该方法对比使用ADC采样后再判断信号幅度的方法，不需要很高速度的ADC，也不需要很好性能的处理器，因而可以降低成本。

其中，实际信号幅度大小，可以根据ADC采样结果和当前PGA增益设置来计数（用寄存器回读当前增益设定值）。如果信号频率高而且幅度变化快，可以适当设置更短的触发周期和更少的总统计次数。芯片设计中可以使用更快的比较器和更快的计数时钟，不一定非得使用1毫秒为单位的触发周期，和8kHz为计数时钟，所以该方法适合任何通信和工业应用中需要控制信号幅度的场景。当然，如果增益调整速度快，要求PGA自身的反应速度快。硬件上需要有同步设计，方便知道获取数据时的当前增益。比如使用12位ADC采样时，可以使用16位数据字长，其中高4位放入当前4位PGA增益编码，这样软件就知道每一个ADC采样值下的实际增益，方便做增益计算。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制装置，应用于多普勒雷达系统，所述装置包括：

中频放大器，用于对所述多普勒频差信号进行放大；

数字逻辑单元，用于在单个触发周期内计算所述脉冲信号的个数，并与寄存器设定的上下门槛阈值比较，而且统计多个触发周期内脉冲信号个数超过上门槛阈值或者低于下门槛阈值的次数，根据有效次数占总统计次数的比例来自动调整增益。

所述数字逻辑单元还用于：当单个触发周期内所述脉冲信号的个数低于寄存器设定的下门槛阈值而且在特定的统计次数中多次出现，认为信号幅度过小，从而增加增益；

当单个触发周期内所述脉冲信号的个数高于寄存器设定的上门槛阈值而且在特定的统计次数中多次出现，认为信号幅度过大，从而减小增益。

其中，本实施例的基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制装置中各单元的功能及具体工作逻辑可参照上述方法实施例的描述。

本实施例提供的方案适用于任何运动感应雷达传感器芯片和模组，最典型的是动感探测雷达芯片在智能照明领域的应用。不仅仅适合于雷达，同样适用于任何需要控制电压信号幅度的场景，尤其是信号频率会变化但频率对控制不重要，而信号幅度变化对于实际控制非常重要的场景。

国内生产的基于动感触发的智能照片灯具每年有几千万套，市场总容量在10亿套量级。使用本发明实施例提供的方案，可以做成的低成本雷达传感器芯片和模组，替代红外触发模组或者声控开灯模组。配合触发逻辑和抗干扰逻辑电路控制开关灯，本发明方法无需MCU就可以自动运行。因此该发明专利商业价值及其巨大。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例子所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制方法，应用于多普勒雷达系统，所述方法包括：

探测带多普勒频移的反射信号，将所述带多普勒频移的反射信号与发射频率同源的同频本振信号混频后，形成多普勒频差信号；

利用中频放大器对所述多普勒频差信号进行放大至一定幅度；

将经过所述中频放大器放大的所述多普勒频差信号转换为脉宽不固定的方波；其中，所述多普勒频差信号的频率随被探测物体的运动速度变化；

计算每个触发周期内所述脉冲信号的个数并与寄存器设定的上下门槛阈值比较，统计一定数量的触发周期的比较结果的次数，根据统计结果次数占总统计次数的比例自动调整增益。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

若在一定数量的统计次数内，每个触发周期内所述脉冲信号的个数低于寄存器设定的下门槛阈值的次数达到第一预设数量，也即占总统计次数一定比例，则认为信号幅度过小，从而增加增益；

若在一定数量的统计次数内，每个触发周期内所述脉冲信号的个数高于寄存器设定的上门槛阈值的次数达到第二预设数量，也即占总统计次数一定比例，则认为信号幅度过大，从而减小增益。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在一定数量的统计周期内，每个触发周期内脉冲信号的个数在所述上门槛阈值和所述下门槛阈值中间的次数达到一定比例，认为是有幅度合适的雷达信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲信号的脉冲个数就代表比较器输出信号的脉宽。

5.一种基于上下门槛阈值的中频信号自动增益控制装置，应用于多普勒雷达系统，所述装置包括：

中频放大器，用于对所述多普勒频差信号进行放大；

数字逻辑单元，用于计算每个触发周期内所述脉冲信号的个数并与寄存器设定的上下门槛阈值比较，统计多个触发周期内脉冲信号个数超过上门槛阈值或者低于下门槛阈值的次数，根据符合条件的次数占总次数的比例自动调整增益。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述数字逻辑单元还用于：当所述脉冲信号的个数低于寄存器设定的下门槛阈值而且在特定的统计次数中多次出现，也即符合条件的次数占总次数的一定比例，认为信号幅度过小，从而增加增益；

当所述脉冲信号的个数高于寄存器设定的上门槛阈值而且在特定的统计次数中多次出现，也即符合条件的次数占总次数的一定比例，认为信号幅度过大，从而减小增益。