CN115800996A - 锁相环、射频信号发射器、雷达传感器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种锁相环、射频信号发射器、雷达传感器及电子设备。锁相环包括锁相环电路、受控的电荷补偿电路和数字调制控制器，其中，所述锁相环电路和电荷补偿电路连接，以及所述数字调制控制器连接所述锁相环电路，输出频率控制信号，以使得所述锁相环电路按照所述频率控制信号产生调频信号的有效区间；所述数字调制控制器还连接所述电荷补偿电路，在所述调频信号的无效区间内控制所述电荷补偿电路调节锁相环电路中的电荷，以缩短将所述调频信号进行频率回调的时长。

Description

锁相环、射频信号发射器、雷达传感器及电子设备
技术领域
本申请涉及反馈控制技术领域，具体而言，涉及一种锁相环、射频信号发射器、雷达传感器及电子设备。
背景技术
雷达传感器是利用所发射出的探测信号波，探测周围环境中的物体，其利用物体对电磁波的反射机制，来感应探测信号波所对应的回波信号波，并根据发射和接收的频差来测量传感器与物体之间的物理量。
为了提高雷达的探测分辨率，其中一种方式是在同样长的时间内发射更多的调频信号。为此，需要考虑能够有效缩短调频信号周期的方式。同时，结合工程上，尽可能减少对已有的稳定运行的电路的改造，以及考虑雷达芯片的尺寸限制等因素，由此来解决有效缩短调频周期的方式。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本申请提供一种锁相环、射频信号发射器、雷达传感器及电子设备，缩短调制波形的周期，实现快速调制功能。
根据本申请的第一方面，提出一种锁相环，包括锁相环电路、受控的电荷补偿电路和数字调制控制器，其中，所述锁相环电路和电荷补偿电路连接，以及所述数字调制控制器连接所述锁相环电路，输出频率控制信号，以使得所述锁相环电路按照所述频率控制信号产生调频信号的有效区间；所述数字调制控制器还连接所述电荷补偿电路，在所述调频信号的无效区间内控制所述电荷补偿电路调节锁相环电路中的电荷，以缩短将所述调频信号进行频率回调的时长。
本申请第二方面提供一种射频信号发射器，其包括：如第一方面所述的锁相环；射频信号发射电路，连接所述锁相环，用于倍频所述锁相环提供的调频信号，以输出调频的射频发射信号。
本申请第三方面提供一种雷达传感器，其包括：发射天线，用于将所接收的射频发射信号转换成探测信号波；接收天线，用于将回波信号波转换成射频接收信号；其中，回波信号波为探测信号波经物体反射而形成的；如第二方面所述的射频信号发射器，耦接所述发射天线，以输出所述射频发射信号；信号接收器，耦接所述接收天线，利用所述射频接收信号和本振信号输出基带数字信号。
本申请第四方面提供一种电子设备，其特征在于，包括如第三方面所述的雷达传感器。
本申请提供一种锁相环、射频信号发射器、雷达传感器及电子设备，在调频信号的有效区间之外，对滤波器产生的压控振荡器的控制电压进行调整，以缩短锁相环恢复初始频率的时间，从而减小调制波形的周期，实现快速调制功能。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，而不是对本申请的限制。
图1示出一示例性实施例的锁相环的电路结构示意图；
图2示出一示例性实施例的电荷补偿电路的结构示意图；
图3示出一示例性实施例的数字逻辑控制电路的示意图；
图4示出一示例性实施例的调频信号示意图；
图5示出一示例性实施例的数字控制逻辑的信号时序图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。
在一些示例中，需要使用快速调制提升雷达的速度分辨率，同时需要较低的发射相位噪声提升目标检测。而在使用调频连续锁相环来进行调制时：为了降低相位噪声，锁相环的带宽会设定的较低；但是为了快速调制，锁相环的带宽会设定的较大；无法兼容降低相位噪声和快速调制的需求。
为了满足雷达传感器探测距离的需要，雷达传感器会系统性配置中频电路和射频电路，以满足探测所需要的带宽。在此基础上，雷达传感器的测量精准度与一定时段内所发出的探测信号波的数量相关，比如所发出的探测信号波越多，所能测量的物体的物理量的准确度越高。
对雷达传感器来说，其发射的探测信号波来自于内部电路所产生的调频信号，该调频信号包含频率上升阶段和频率下降阶段。对雷达传感器来说，通常采用其中一个阶段(频率上升阶段或频率下降阶段)为雷达进行信号处理的有效区间，而另一个阶段(频率下降阶段或频率上升阶段)为无效区间；此外，在相邻调频信号之间，通常包含有空闲区间(idle)，以便为生成调频信号的锁相环PLL的锁定保留一时隙。
为此，本申请提供一种锁相环，旨在通过缩短无效区间的时长来提高调频信号的发射频率，进而有助于提高对物理量测量的精准度。其中，锁相环包括：锁相环电路、受控的电荷补偿电路和数字调制控制器。其中：数字调制控制器连接锁相环电路，以输出频率控制信号fn，以使锁相环电路产生调频信号fout；数字调制控制器还连接电荷补偿电路，在所述调频信号fout的无效区间内控制所述电荷补偿电路调节锁相环电路中的电荷，以缩短将所述调频信号进行频率回调的时长。
请参阅图1，其显示为一种锁相环的电路结构示意图。其中，锁相环电路包括：鉴频鉴相器11、电荷泵12、低通滤波器13、压控振荡器14、和分频器15。其中，鉴频鉴相器11接收一参考时钟信号fref和一分频信号fdiv，并检测该两个信号的跳边沿，以输出鉴频鉴相检测信号(up，down)。电荷泵12在鉴频鉴相检测信号的控制下调节所输出的电流。低通滤波器13对所接收的电流进行滤波，经滤波的电信号作为控制信号，输出至压控振荡器14。压控振荡器14在控制信号的控制下，调整所输出的信号fout的频率。分频器将所述信号fout进行分频(fout/N)，并输出该分频信号fdiv，以通过反馈形式，实现该信号fout的频率是受控且稳定的。
如图1所示，数字调制控制器16连接所述锁相环电路，输出频率控制信号，以使得所述锁相环电路按照所述频率控制信号产生调频信号的有效区间。
根据一些实施例，fout＝fref·N，数字调制控制器按照预设的调频规则，改变分频比N，使得在分频器15的作用下，压控振荡器14所输出的信号fout随时间按照一定的规律改变频率，以形成一种调频信号。
例如，数字调制控制器16控制分频器15，使得压控振荡器14输出的信号为一种频率连续线性变化的调频信号，即FMCW信号。请参阅图4，其显示为一种调频信号示意图，坐标轴横轴为时间t,纵轴为频率f，fstart为扫频波形的起始频率，fstop为终止频率。在t1到t2调频信号频率随时间上升，t1到t2的时间为上升时间(Up Time)；t2到t3调频信号频率随时间快速下降，t2到t3的时间为下降时间(Down Time)；t3到t4调频信号频率随时间不变，t3到t4的时间为等待时间(idle Time)。
如图4所示，调频信号fout包括有效区间、无效区间和空闲区间。如前面所述，雷达传感器所利用的有效区间可对应于图4中的上升时间(Up Time)或下降时间(Down Time)；无效区间用于使得锁相环电路回调调频信号的频率，其可为图4中的下降时间(Down Time)或上升时间(Up Time)，空闲区间对应图4中的等待时间(idle Time)。
为了缩短无效区间，如图1所示，锁相环还包括电荷补偿电路17。所述数字调制控制器还连接所述电荷补偿电路。在所述调频信号的无效区间内控制所述电荷补偿电路17调节锁相环电路中的电荷，以缩短将所述调频信号进行频率回调的时长。其中，电荷补偿电路17可通过注入或泄放锁相环电路中电荷的方式来调节其中的电荷。例如，调节电荷泵12中的电荷；调节滤波器中的电荷；或者调节电荷以改变压控振荡器的控制信号的电压/电流等。电荷补偿电路17通过采集滤波器中的电荷并注入锁相环电路中的方式，来调整适当的电荷，既能缩短将所述调频信号进行频率回调的时长，又使得锁相环电路能够快速恢复锁定，或者减少锁相环因失锁而引起的不适当的振荡。或者，电荷补偿电路17通过采集滤波器中的电荷利用锁相环电路中电路路径泄放相应电荷的方式，来调整适当的电荷，既能缩短将所述调频信号进行频率回调的时长，又使得锁相环电路能够快速恢复锁定，或者减少锁相环因失锁而引起的不适当的振荡。
如图1所示，电荷补偿电路17与滤波器13的输出端之间配置有第一开关K1，第一开关K1受数字调制控制器的控制，以在产生调频信号fout的空闲区间内受控导通，以使得电荷补偿电路17在第一开关K1导通期间从滤波器13采集并存储电荷。电荷补偿电路还包括：储能器件，以及连接在储能器件与锁相环电路之间的至少一个第二开关(均未予图示)；其中，第二开关受数字调制控制器的控制，以在调频信号fout的无效区间内导通，以利用锁相环电路中的电荷路径注入/泄放适当电荷。电荷补偿电路还包括缓冲器件，设置在储能器件的电流输出路径上，以稳定所输出的电流。
请参阅图2，其显示为一种电荷补偿电路的结构示意图。其中，电荷补偿电路与滤波器131的输出端之间配置有第一开关K1，第一开关K1受数字调制控制器的控制信号Idle的控制，以在产生调频信号fout的空闲区间内受控导通；电荷补偿电路中的电容171在第一开关K1导通期间存储电荷。电荷补偿电路还包括：连接在电容17与锁相环电路中滤波器131之间的至少一个第二开关K2。滤波器131包括级联的RC滤波单元，各第二开关K2分别连接每一RC滤波单元。其中，在当前调制信号控制周期内，第一开关K1在空闲区间导通，以使得滤波器131向电容171存储电荷。在下一调制信号控制周期内，在调频信号fout上升期间，第一开关K1和第二开关K2均断开，电荷补偿电路整体不参与锁相环产生调频信号FMCW；以在调频信号fout的无效区间内，第二开关受数字调制控制器的控制信号Down的控制导通，电容171上的电荷会赋给滤波器LPF，使锁相环的调频信号fout快速从频率fstop恢复到频率fstart的状态，由此加速锁相环的调制周期。电荷补偿电路还包括缓冲器件，设置在储能器件的电流输出路径上。
根据示例实施例，本申请在调频信号FMCW等待时间内对滤波器产生的压控振荡器的控制电压进行采样，并在下降时间初将该电压赋予滤波器用来加快锁相环的稳定时间，从而减小调制波形的周期，实现快速调制功能。
数字调制控制器利用所接收的时钟来进行逻辑处理、计时、或计数等操作，以输出频率控制信号和多个控制信号。该时钟举例为采自锁相环输入端的参考时钟信号或者调频信号的分频信号。其中，参考时钟信号可由晶振等振荡器产生。与所输出的频率控制信号或其他控制信号的时机相关，数字调制控制器可依据参考时钟信号或分频信号而产生相应的控制信号。例如，数字调制控制器可依据参考时钟信号或分频信号中的任一信号，输出频率控制器，以使得锁相环产生调制信号的有效区间。在此，尽管分频信号会因为锁相环的失锁而产生频率或相位变化，但是在输出频率控制信号时，锁相环电路已实现锁定，即该分频信号和参考时钟信号是同频同相的，因此，参考时钟信号或分频信号中的任一信号对控制锁相环电路输出调频信号的有效区间是可靠的。
另外一些控制信号可由参考时钟信号来控制产生。例如，所述多个控制信号包括：控制信号Up、控制信号Idle和控制信号Down。其中，控制信号Up用于表示调频信号的有效区间。控制信号Idle用于表示在周期性控制调频信号fout时的一个周期内的空闲区间中，控制电荷补偿电路存储电荷的信号。控制信号Down用于表示在调频信号的无效区间控制电荷补偿电路注入或泄放电荷的信号。在一些示例中，一个控制信号的不同跳边沿可用于控制锁相环在一个发射调频信号的周期内转入不同的区间。例如，控制信号Idle的一类跳边沿(如上跳沿)用于控制电荷补偿电路中第二开关导通，即使得锁相环转入空闲区间；控制信号Idle的另一类跳边沿(如下跳沿)用于控制电荷补偿电路中的第二开关断开，且输出频率控制信号，即使得锁相环转入有效区间。数字调制控制器通过对分频信号的脉冲计数，来确定有效区间的时长，并输出控制信号Idle的一类跳边沿(如上跳沿)，以控制电荷补偿电路中的第一开关导通，即使得锁相环转入无效区间，直至通过对参考时钟信号的脉冲计数而确定无效区间结束，控制信号Idle的另一类跳边沿(如下跳沿)控制第一开关断开，即使得锁相环从无效区间转入空闲区间。
请参阅图3，其显示为一种数字调制控制器的示意图。其中，数字调制控制器Digital Control包括波形生成器(Chirp Generation)，Sigma Delta调制器(SDMModulator)和时序控制器(Timing Control)。其中：波形生成器(Chirp Generation)根据所需的调频信号FMCW波形要求，实时产生分频比N序列，其中：
Nstart＝fstart/fref
Nstop＝fstop/fref
fstart和fstop分别为图4中调频信号FMCW的开始时刻和结束时刻的频率，fref为参考时钟信号的频率。
在高精度扫频波形中，分频比N通常不是整数，可以表示为I.f(I-整数部分，f-小数部分)，该小数序列会经过Sigma Delta调制器(SDM Modulator)，被调制成一组整数序列N，再送给分频器DividerN。
以调频信号的频率上升时段为调频信号的有效区间为例，为了产生快速调制波形，在下降时间(Down Time)开始时，分频比N会快速从Nstop变换回Nstart，如图5所示。锁相环会在下降时间(Down Time)内失锁，在等待时间(Idle Time)和上升时间(Up Time)内保持锁定。为了确保整个调制周期不会由于锁相环的失锁而改变，数字逻辑控制电路Digital Control中增加了时序控制器(Timing Control)，根据参考时钟信号fref产生对应调频信号fout的有效区间的起始时刻的控制信号Idle，对应调频信号fout无效区间的起始时刻的控制信号Down，输出至电荷补偿电路和在调频信号fout空闲区间内产生的控制信号Up，输出至波形生成器。
根据一些实施例，当Up信号有效时(t1-t2区间)，波形发生器开始从Nstart逐步计数至Nstop，Sigma Delta调制器输出频率控制信号fn，以使得锁相环电路输出线性调频连续的调频信号FMCW。在此，Up信号是基于fref时钟产生的，而频率控制信号fn是基于分频信号fdiv产生的。对于使用fdiv的波形发生器而言，fdiv和fref是异步信号，但Up信号的变化发生在上升时间开始和结束的时候，锁相环处于锁定状态，分频信号fdiv和参考时钟信号fref相位同步。因此Up信号被分频信号fdiv的采样可以看作是同步电路，不会带来异步电路的亚稳态影响。
在控制信号Up无效期间，且控制信号Down有效期间(t2-t3区间)，频率控制信号fn无输出，且电荷补偿电路中的各第二开关导通，以将电荷补偿电路中所预先存储的电荷分摊给滤波器，使得滤波器进一步减少所输出的控制信号的电压值，以增加VCO所输出的信号的频率的下降速度。
在控制信号Down无效期间，控制信号Idle有效期间(t3-t4区间)，电荷补偿电路中的各第二开关断开且第一开关导通，以将滤波器中的剩余电荷分享给电荷补偿电路中的电容。
利用从滤波器中的剩余电荷中所采集的电荷，在无效区间内，调整锁相环电路调整所输出的信号频率，能有效加速缩短锁相环电路从Nstop频率恢复至起始频率Nstart的时长，即有效缩短无效区间的时长。由此，可在相同时长内，使得雷达传感器发出更多数量的探测电磁波，以提高探测物体物理量的精度。
本申请还提供了一种射频信号发射器，其包括本申请的锁相环，和射频信号发射电路，其连接锁相环，用于在锁相环提供的调频信号下，产生所需的基带数字信号。
其中，射频信号发射电路包括倍频器、驱动放大器。倍频器将调频信号倍频至射频频段。驱动放大器将倍频器输出的射频发射信号进行功率放大，以适配激励天线的功率。
该射频信号发射电路还可以包含移相器，以供对射频发射信号进行相位控制，经控制的不同组射频发射信号可探测不同波束方向的物体，并有效减少雷达之间的信号干扰等。
本申请还提供一种雷达传感器，其配置有天线阵列。所述雷达传感器利用天线阵列所发射的探测信号波和所接收的回波信号波测量其与周围环境障碍物之间的物理量，例如，测量相对速度、相对角度、相对距离，以及测量障碍物的三维轮廓中的至少一种等。
在此，所述雷达传感器还包括：上述射频信号发射器，和信号接收器。其中，所述射频信号发射器利用上述任一示例所提供的锁相环所产生的连续调频信号，转为射频发射信号，其输出至发射天线，以使得发射天线将其转为探测信号波辐射到自由空间。其中，射频信号发射器中的倍频器还将所输出的射频发射信号作为本振信号，输出至信号接收器。
所述射频信号发射器根据锁相环所产生的调频信号，经倍频得到以中心频率和预设带宽扫频的射频发射信号；并通过驱动放大器馈电至发射天线，以发射相应的探测信号波。当探测信号波被物体反射时，形成回波信号波。所述接收天线将回波信号波转换成射频接收信号。
所述信号接收器用于利用本振信号，将射频接收信号进行下变频、滤波、模数转换等处理，以输出表示探测信号波和回波信号波之间差频的基带数字信号。
在一些示例中，雷达传感器还包括信号处理器。
所述信号处理器与所述信号接收器连接，用于通过信号处理从基带数字信号中提取测量信息，进行信号处理，以得到所述雷达传感器对所述物体的测量信息，并输出测量数据。其中，所述信号处理包括基于对至少一路接收天线所提供的至少一路待处理信号进行相位、频率、时域等数字化信号处理计算。所述测量数据包括以下至少一种：用于表示所探测到的至少一个障碍物的相对距离的距离数据；用于表示所探测到的至少一个障碍物的相对速度的速度数据；用于表示所探测到的至少一个障碍物的相对角度的角度数据等。
本申请还提供一种电子设备，其包括本申请的雷达传感器。
在一个可选的实施例中，上述电子设备可为应用于诸如智能住宅、交通、智能家居、消费电子、监控、工业自动化、舱内检测及卫生保健等领域的部件及产品。例如，该电子设备可为智能交通运输设备(如汽车、自行车、摩托车、船舶、地铁、火车等)、安防设备(如摄像头)、液位/流速检测设备、智能穿戴设备(如手环、眼镜等)、智能家居设备(如扫地机器人、门锁、电视、空调、智能灯等)、各种通信设备(如手机、平板电脑等)等，以及诸如道闸、智能交通指示灯、智能指示牌、及各种工业化机械臂(或机器人)等，也可为用于检测生命特征参数的各种仪器以及搭载该仪器的各种设备，例如汽车舱内检测、室内人员监控、智能医疗设备、消费电子设备等。
应清楚地理解，本申请描述了如何形成和使用特定示例，但本申请不限于这些示例的任何细节。相反，基于本申请公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。
此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本申请示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (11)

1.一种锁相环，其特征在于，包括锁相环电路、受控的电荷补偿电路和数字调制控制器，其中，所述锁相环电路和电荷补偿电路连接，以及
所述数字调制控制器连接所述锁相环电路，输出频率控制信号，以使得所述锁相环电路按照所述频率控制信号产生调频信号的有效区间；
所述数字调制控制器还连接所述电荷补偿电路，在所述调频信号的无效区间内控制所述电荷补偿电路调节锁相环电路中的电荷，以缩短将所述调频信号进行频率回调的时长。
2.如权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述锁相环电路包括滤波器，所述电荷补偿电路连接所述滤波器，用于调整所述滤波器输出的控制信号的电压。
3.如权利要求2所述的锁相环，其特征在于，所述电荷补偿电路连接所述滤波器的输出端，其中：
所述电荷补偿电路与所述输出端之间配置有第一开关，所述第一开关受所述数字调制控制器的控制，以在周期性产生所述调频信号之间的空闲区间内受控导通，以使得所述电荷补偿电路在所述第一开关导通期间存储电荷。
4.如权利要求2所述的锁相环，其特征在于，所述电荷补偿电路包括：储能器件，以及连接在所述储能器件与所述滤波器之间的至少一个第二开关；
其中，所述第二开关受所述数字调制控制器的控制，以在所述调频信号的无效区间内导通，以向所述滤波器注入电荷。
5.如权利要求4所述的锁相环，其特征在于，所述电荷补偿电路还包括缓冲器件，设置在所述储能器件的电流输出路径上。
6.如权利要求4所述的锁相环，其特征在于，所述滤波器包括一个RC滤波单元或级联的多个RC滤波单元，所述第二开关与每一RC滤波单元一一对应连接。
7.如权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述有效区间的时长是利用参考时钟信号或调频信号的分频信号进行计时而产生的。
8.如权利要求7所述的锁相环，其特征在于，所述参考时钟信号还输出至所述锁相环电路的输入端，以供所述锁相环电路利用所述参考时钟信号和所述频率控制信号产生所述调频信号。
9.一种射频信号发射器，其特征在于，包括：
如权利要求1-8中任一项所述的锁相环；
射频信号发射电路，连接所述锁相环，用于倍频所述锁相环提供的调频信号，以输出调频的射频发射信号。
10.一种雷达传感器，其特征在于，包括：
发射天线，用于将所接收的射频发射信号转换成探测信号波；
接收天线，用于将回波信号波转换成射频接收信号；其中，回波信号波为探测信号波经物体反射而形成的；
如权利要求9所述的射频信号发射器，耦接所述发射天线，以输出所述射频发射信号；
信号接收器，耦接所述接收天线，利用所述射频接收信号和本振信号输出基带数字信号。
11.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求10所述的雷达传感器。
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