DE102015112392B3

DE102015112392B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren eines IQ-Modulators

Info

Publication number: DE102015112392B3
Application number: DE102015112392.4A
Authority: DE
Inventors: Clemens Pfeffer; Herbert Jaeger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2035-07-30
Also published as: US20170031005A1; US20190204413A1; US10794993B2; US10191143B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Konzept zum Kalibrieren eines IQ-Modulators (340). Ein Kalibrierungsverfahren umfasst ein Einstellen (702) eines oder mehrerer Steuerungswerte des IQ-Modulators (340), die einem erwünschten Konstellationspunkt eines Konstellationsdiagramms entsprechen, um ein IQ-modulierendes Signal zu erzeugen; ein Mischen (704) des IQ-modulierenden Signals mit einem Trägersignal, um ein IQ-moduliertes Sendesignal zu erzeugen; ein Senden (706) des IQ-modulierten Sendesignals in Richtung eines vordefinierten Objekts an einem vordefinierten Ort; ein Empfangen (708) einer Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals von dem vordefinierten Objekt; ein Mischen (710) der empfangenen Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals mit dem Trägersignal, um ein abwärtsgemischtes Empfangssignal zu erzeugen; ein Vergleichen (712) einer Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals mit dem erwünschten Konstellationspunkt des Konstellationsdiagramms; und ein Anpassen (714) des einen oder der mehreren Steuerungswerte des IQ-Modulators (340), bis eine Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des empfangenen abwärtsgemischten Signals und dem erwünschten Konstellationspunkt unter eine vordefinierte Schwelle fällt.

Description

Gebiet
Ausführungsbeispiele beziehen sich im Allgemeinen auf Kommunikationssysteme und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum Kalibrieren von IQ-Modulatoren von Kommunikationsgeräten, z. B. Radargeräten.
Hintergrund
Eine Modulationstechnik, die sich gut für eine digitale Kommunikation eignet, ist die sogenannte IQ-Modulation. Hier bezeichnet „I“ die sogenannte „Inphasen“-Komponente einer Wellenform, und „Q“ bezeichnet die sogenannte „Quadratur“-Komponente. Eine IQ-Modulation kann unter Verwendung von IQ-Modulatoren ausgeführt werden.
Ein IQ-Modulator ist eine kritische Komponente in der Signalkette für digitale Sender. IQ-Modulatoren führen die Frequenzumsetzung aus, die ein Basisbandsignal zu einem erwünschten Ort in dem Radiofrequenz-Spektrum (RF-Spektrum; RF = Radio Frequency) mischt. Ein IQ-Modulator umfasst typischerweise einen Lokaloszillator-Eingang (LO-Eingang; LO = Local Oscillator), der in eine Inphasen-(I-) und eine Quadratur-(Q-)Komponente unterteilt ist, die um 90° getrennt sind. Diese beiden Signale können separate Mischer treiben, die auch durch I- und Q-Basisbandsignale getrieben werden. Die Ausgaben beider Mischer werden dann zusammengezählt, um einen modulierten Träger entweder bei einer RF oder einer Zwischenfrequenz (IF; IF = Intermediate Frequency) bereitzustellen.
Bei Radarsystemen, z. B. MIMO-FMCW-Radar-Systemen (MIMO = Multiple-Input Multiple-Output = Mehrfach-Eingang-Mehrfach-Ausgang; FMCW = Frequency-Modulated Continuous-Wave Radar = FMCW-Radar = frequenzmodulierter, ununterbrochen sendender Radar), kann ein IQ-Modulator als ein Einzel-Seitenband-Mischer (SSB-Mischer; SSB = Single Side-Band) für eine Aufwärts- oder Abwärtsmischung des LO-Signals verwendet werden. Ein komplexes sinusförmiges Signal, das in dem Basisband erzeugt werden kann, kann als Steuerungssignal des IQ-Modulators angewandt werden, um das LO-Signal hinsichtlich der Frequenz um einen beliebigen Wert zu verschieben. Auf diese Weise können mehrere Radar-Sender gleichzeitig aktiviert werden. Ein solches Radarsystem kann als ein FDMA-FMCW-MIMO-Radar (FDMA = Frequency-Division Multiple-Access = Frequenzmultiplexzugriff) bezeichnet sein. Ein bekanntes IQ-Modulator-basiertes FMCW MIMO Radar System wird beispielsweise in Pfeffer, C. u.a..: „An IQ-Modulator Based Heterodyne 77 GHz FMCW Colocated MIMO Radar System“, IEEE Microwave Symposium Digest (MTT), Montreal 2012 beschrieben.
Das Verhalten (performance) des IQ-Modulators beeinflusst das Gesamtverhalten von Kommunikationssystemen, z. B. Radarsystemen. Wegen eines nichtidealen Verhaltens (behavior) des IQ-Modulators besteht ein Bedarf für eine Kalibrierung. Modellbasierte Ansätze für die Kalibrierung eines IQ-Modulators sind wohlbekannt, haben aber ihre Nachteile. Kalibrierungskonzepte für Modulatoren sind aus der US 6,763,227 B2 oder der US 6,771,709 B2 bekannt.
Daher ist es wünschenswert, verbesserte Techniken zum Kalibrieren von IQ-Modulatoren bereitzustellen.
Zusammenfassung
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kalibrieren eines IQ-Modulators. Das Verfahren umfasst ein Einstellen eines oder mehrerer Steuerungswerte des IQ-Modulators, die einem erwünschten Konstellationspunkt eines Konstellationsdiagramms entsprechen, um ein IQ-modulierendes Signals zu erzeugen. Das IQ-modulierende Signal wird dann mit einem Trägersignal gemischt, um ein IQ-moduliertes Sendesignal zu erzeugen. Das IQ-modulierte Sendesignal wird in Richtung eines vordefinierten Objekts an einem vordefinierten Ort gesendet. Eine Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals wird von dem vordefinierten Objekt empfangen. Die empfangene Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals wird mit dem Trägersignal gemischt, um ein abwärtsgemischtes Empfangssignal zu erzeugen. Eine Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals wird mit dem erwünschten Konstellationspunkt des Konstellationsdiagramms verglichen. Der eine oder die mehreren Steuerungswerte des IQ-Modulators werden angepasst, bis eine Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des empfangenen abwärtsgemischten Signals und dem erwünschten Konstellationspunkt unter eine vordefinierte Schwelle fällt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Vergleich mit dem erwünschten Konstellationspunkt und die Anpassung des IQ-Modulator-Steuerungswertes (der IQ-Modulator-Steuerungswerte) iterativ ausgeführt werden, bis die Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals und dem erwünschten Konstellationspunkt unter die vordefinierte Schwelle fällt. Somit kann das Verfahren als ein iteratives Verfahren betrachtet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Schritte des obigen Verfahrens für jeden Konstellationspunkt des Konstellationsdiagramms iterativ ausgeführt werden, um eine Kalibrierung in Bezug auf alle Konstellationspunkte des Konstellationsdiagramms zu erhalten.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Konstellationsdiagramm ein kreisförmiges Konstellationsdiagramm sein, d. h. die individuellen Konstellationspunkte können sich auf einem Kreis in der IQ-Ebene befinden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann zum Beispiel bezogen auf FMCW-Radar-Systeme das Erzeugen des Trägersignals ein Variieren einer Trägerfrequenz des Trägersignals gemäß einer vordefinierten Trägerfrequenzrampe umfassen. Beim Einstellen des einen oder der mehreren Steuerungswerte des IQ-Modulators können die Steuerungswerte während der Dauer einer Trägerfrequenzrampe konstant gehalten werden.
Einige Ausführungsbeispiele können ein Ausführen einer Zeit-zu-Frequenzbereich-Transformation (time-to-frequency domain transformation) des abwärtsgemischten Empfangssignals, zum Beispiel unter Verwendung einer schnellen Fourier-Transformation (FFT; FFT = Fast Fourier Transformation) umfassen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere IQ-Modulator-Steuerungswerte, die dem erwünschten Konstellationspunkt entsprechen, in einem Computerspeicher gespeichert werden, wenn die Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals und dem erwünschten Konstellationspunkt unter die vordefinierte Schwelle fällt.
Um Computerspeicheranforderungen zu reduzieren, können einige Ausführungsbeispiele ein Schätzen einer Steuerungswertkurve unter Verwendung einer Kurvenanpassungstechnik umfassen. Eine Kurvenanpassung (curve fitting) kann basierend auf jeweiligen angepassten Steuerungswerten des IQ-Modulators ausgeführt werden, die jeweiligen erwünschten Konstellationspunkte des Konstellationsdiagramms entsprechen. Die Parameter, die die geschätzte Kurve beschreiben, können in einem Computerspeicher gespeichert werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird das IQ-modulierte Sendesignal unter Verwendung eines Senderabschnitts einer Sendeempfängerhardware gesendet, und die Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals wird unter Verwendung eines Empfängerabschnitts der gleichen Sendeempfängerhardware empfangen. Dabei ist ein Sendeempfänger ein Gerät, das sowohl einen Sender als auch einen Empfänger umfasst, die kombiniert sind und eine gemeinsame Schaltungsanordnung oder ein einzelnes Gehäuse gemeinschaftlich verwenden. Somit sind möglicherweise keine externen Messgeräte erforderlich. Zum Beispiel kann die Sendeempfängerhardware in einem Radarsensor eingebettet sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann sich das vordefinierte Objekt zum Reflektieren von Strahlung in einer anechoischen Kammer befinden.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung auch ein Kalibrierungssystem bereit. Das Kalibrierungssystem umfasst einen IQ-Modulator und eine Steuerung, die ausgebildet ist zum Einstellen eines oder mehrerer Steuerungswerte des IQ-Modulators, die einem erwünschten Konstellationspunkt eines Konstellationsdiagramms entsprechen, um ein IQ-modulierendes Signal zu erzeugen. Ein erster Mischer des Kalibrierungssystems ist ausgebildet zum Mischen des IQ-modulierenden Signals mit einem RF-Trägersignal, um ein IQ-moduliertes Sendesignal zu erzeugen. Eine Senderschaltungsanordnung des Kalibrierungssystems ist ausgebildet zum Senden des IQ-modulierten Sendesignals in Richtung eines vordefinierten Objekts an einem vordefinierten Ort. Eine Empfängerschaltungsanordnung des Kalibrierungssystems ist ausgebildet zum Empfangen einer Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals von dem vordefinierten Objekt. Ein zweiter Mischer des Kalibrierungssystems ist ausgebildet zum Mischen der empfangenen Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals mit dem RF-Trägersignal, um ein abwärtsgemischtes Empfangssignal zu erzeugen. Ein Prozessor ist ausgebildet zum Vergleichen einer Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals mit dem erwünschten Konstellationspunkt des Konstellationsdiagramms und ist ferner ausgebildet zum Anpassen des einen oder der mehreren Steuerungswerte des IQ-Modulators, bis eine Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des empfangenen abwärtsgemischten Signals und dem erwünschten Konstellationspunkt unter eine vordefinierte Schwelle fällt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Kalibrierungssystem in einem Radar-Sendeempfänger implementiert sein oder zumindest einen Radar-Sendeempfänger umfassen. Die Sender- und Empfängerschaltungsanordnung können beide Abschnitte des gleichen Radar-Sendeempfängers sein. Anders ausgedrückt, die Sender- und Empfängerschaltungsanordnung können in dem gleichen Gehäuse angeordnet sein. Somit sind möglicherweise keine weiteren externen Messgeräte erforderlich.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Radar-Sendeempfänger ein FMCW-Radar-Sendeempfänger, insbesondere ein Mehrkanal-FMCW-Radar-Sendeempfänger, und umfasst einen Trägersignalerzeuger, der ausgebildet ist zum Erzeugen des Trägersignals durch ein Variieren einer Trägerfrequenz des Trägersignals gemäß einer vordefinierten Trägerfrequenzrampe über einen vordefinierten Zeitraum.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Prozessor ausgebildet zum Ausführen einer FFT des abwärtsgemischten Empfangssignals und zum Ableiten von I- und Q-Werten eines empfangenen Konstellationspunktes von dem Frequenzbereichsignal.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung erfordern keine zusätzliche Messausrüstung neben einem Sendeempfänger, der den IQ-Modulator, Sender und Empfänger umfasst. Es besteht kein Bedarf für ein Wissen über Amplituden- und Phasenverhalten über den gesamten IQ-Bereich (IQ range). Der Iterationsprozess kann IQ-Einstellungen direkt an dem interessierenden Leistungspegel liefern.
Kurze Beschreibung der Figuren
Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen
1 ein Blockdiagramm eines Einkanal-FMCW-Radar-Systems zeigt;
2 ein Beispiel eines Mehrkanal-Zeitmultiplexzugriff-MIMO-Radar-Systems (TDMA = Time Division Multiple Access = Zeitmultiplexzugriff) darstellt;
3 ein Beispiel eines Einkanal-FMCW-Radar-Systems zeigt, das in einem heterodynen Modus betrieben werden kann;
4 ein Beispiel eines Zweikanal-FDMA-FMCW-Radar-Systems zeigt;
5a–d einen IQ-Modulator, ein Konstellationsdiagramm und Fehlerquellen darstellen;
6a ein Beispiel von Geisterzielen zeigt;
6b einen herkömmlichen Messaufbau darstellt, der für eine Kalibrierung eines IQ-Modulators verwendet wird;
7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren eines IQ-Modulators gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt;
8a einen Kalibrierungsaufbau gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt;
8b einen zweiten Schritt in einen Kalibrierungsprozess gemäß einem Ausführungsbeispiel und einen iterativen Prozess zum Finden von DAC-erzeugten Steuerungssignalen für einen erwünschten Konstellationspunkt auf einer RX-Seite darstellt;
9 einen folgenden Prozess zum Finden der DAC-erzeugten Steuerungssignale für alle erwünschten Konstellationspunkte auf der RX-Seite zeigt;
10a DAC-Einstellungen für einen perfekten Kreis auf der RX-Seite und eine mit einer LS-Anpassung (LS = Least Square = Kleinstes Quadrat, Methode der kleinsten Quadrate) geschätzte Ellipse zeigt; und
10b Phasendifferenzen Δϕ der DAC-Einstellungen für den perfekten Kreis auf der RX-Seite und die mit einer LS-Anpassung geschätzte Ellipse darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Während sich Ausführungsbeispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden dementsprechend Ausführungsbeispiele derselben in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzten Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.).
Die hier verwendete Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht begrenzend für Ausführungsbeispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Singularformen „ein, eine“ und „das, der, die“ auch die Pluralformen umfassen, es sei denn im Zusammenhang wird deutlich etwas anderes angegeben. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Ausführungsbeispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z. B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern Definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, die ihrer Bedeutung im Zusammenhang der entsprechenden Technik entspricht, sofern sie hier ausdrücklich anderweitig definiert sind.
Nachfolgend sind einige Grundlagen von FMCW-Radar-Systemen, einschließlich Einkanalsowie Mehrkanal-(MIMO-)Betrieb, kurz beschrieben. Solche FMCW-Radar-Systeme können als eine mögliche Anwendung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung betrachtet werden. Es ist zu beachten, dass das vorgeschlagene Kalibrierungsverfahren auf den Charakteristika des FMCW-Radar-Prinzips unter Verwendung eines Kalibrierungsziels und einer Frequenzrampe mit hoher Bandbreite (z. B. 1 GHz) basiert. Allerdings erkennt der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, dass die Ausführungsbeispiele auch auf andere Kommunikationssysteme unter Verwendung von anderen IQ-Modulatoren als Radar-Systemen anwendbar sein können. Das hierin vorgeschlagene Konzept kann vorteilhaft sein zum Kalibrieren von Sendeempfängern unter Verwendung von IQ-Modulatoren in dem Sendepfad (TX-Pfad). Solche Sendeempfänger lassen sich in FMCW-Radar-Systemen und verschiedenen anderen drahtlosen Kommunikationsgeräten, z. B. Mobiltelefonen, finden.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Einkanal-FMCW-Radar-Systems oder -Sendeempfängers 100.
Der FMCW-Radar-Sendeempfänger 100 umfasst einen Senderabschnitt (TX-Abschnitt) und einen Empfängerabschnitt (RX-Abschnitt), die beide die gleiche Kontinuierliche-Welle-Trägerfrequenz f_LO(t) (continuous wave carrier frequency) verwenden. Der Fachmann erkennt, dass die Trägerfrequenz f_LO(t) eine Frequenz in dem RF-Bereich ist, z. B. 77 GHz. Ferner ist die Trägerfrequenz f_LO(t) eine FMCW-Trägerfrequenz, d. h. die Trägerfrequenz f_LO(t) variiert innerhalb einer bestimmten Bandbreite B_SW. Bei dem dargestellten Beispiel steigt die Trägerfrequenz f_LO(t) gemäß einer Sägezahnwellenform rampenartig an und fällt rampenartig ab. Es ist zu beachten, dass prinzipiell auch andere Frequenzrampen der Trägerfrequenz möglich sind, z. B. Sinuswellen oder Dreieckwellen.
Bei dem dargestellten Beispiel wird die linear ansteigende RF-Frequenzrampe durch einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO; VCO = Voltage Controlled Oscillator) 108 erzeugt, der durch einen Phasenregelkreis-Synthesizer (PLL-Synthesizer, PLL-Synth.; PLL = Phase Locked Loop = Phasenregelkreis) 104 in Kombination mit einem Schleifenfilter 106 und einem Referenztakt 102 gesteuert und stabilisiert wird. Das Ausgangssignal des VCO 108, d. h. das FMCW-Trägersignal mit der Frequenz f_LO(t) wird auf den Eingang eines Leistungsverstärkers (PA; PA = Power Ampliﬁer) 110 in dem TX-Pfad und auf einen LO-Anschluss eines RX-Mischers 118 verteilt. Das verstärkte LO-Signal wird über eine TX-Antenne 112 gesendet, durch ein Objekt 130 reflektiert, über eine RX-Antenne 114 empfangen und durch einen rauscharmen Verstärker (LNA; LNA = Low Noise Ampliﬁer) 116 in dem RX-Abschnitt des FMCW-Radar-Sendeempfängers 100 verstärkt. Das empfangene und verstärkte Signal wird zu einem Basisband oder einer Zwischenfrequenz (IF) abwärtsgemischt. Bei dem Beispiel von 1 wird ein IQ-RX-Mischer 118 verwendet. Ein sich ergebendes komplexwertiges Basisband- oder IF-Signal s_IF(t) wird bandpassgefiltert 120 und durch Analog-Digital-Wandler (ADCs; ADC = Analog-to-Digital Converter) 122 digitalisiert. Für eine digitale Signalverarbeitung kann eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf die abgetasteten Basisband- oder IF-Daten angewandt werden.
Um das Grundprinzip eines FMCW-Radars darzustellen, sind in dem unteren Abschnitt von 1 gesendete und empfangene RF-Wellenformen von drei aufeinanderfolgenden Frequenzrampen gezeigt. Das sich ergebende Basisband- oder IF-Signal s_IF(t) für ein statisches Einzelziel-Szenario ist ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz f_IF, die proportional ist zu der Distanz zwischen dem Ziel 130 und dem Radar-Sendeempfänger 100.
Um die Auflösung von Radarsystemen zu erhöhen, z. B. um eine Winkel-Position (Pos.) eines Ziels zu schätzen, können sogenannte Mehrkanal-Radarkonzepte eingesetzt werden. Im Hinblick auf 2 ist ein Beispiel eines Mehrkanal-Zeitmultiplexzugriff-(TDMA)-MIMO-Radar-Sendeempfängers 200 erklärt.
Der dargestellte beispielhafte Radar-Sendeempfänger 200 umfasst zwei Sendepfade TX₁, TX₂ sowie zwei Empfangspfade RX₁, RX₂. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass auch mehrere TX-Pfade und/oder RX-Pfade implementiert sein können. Das MIMO-Prinzip erfordert die Verwendung von orthogonalen TX-Wellenformen, um in der Lage zu sein, jeweilige Signalreflexionen an dem Empfänger zu trennen. Dies bedeutet, dass in dem RX-Signal die durch die unterschiedlichen Sender verursachten Zielantworten dem entsprechenden TX-Pfad eindeutig zuweisbar sein sollten.
Eine herkömmliche und kosteneffiziente Lösung ist in 2 gezeigt. Die zwei Sendepfade TX₁, TX₂ werden in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen aktiviert (activate). Während eines ersten Zeitintervalls wird der Sendepfad TX₁ aktiviert oder freigegeben (enable), während der Sendepfad TX₂ stummgeschaltet ist. Während eines zweiten folgenden Zeitintervalls wird der Sendepfad TX₂ aktiviert, während der Sendepfad TX₁ stummgeschaltet ist usw. Im Gegensatz dazu werden die beiden Empfangspfade RX₁, RX₂ gleichzeitig aktiviert oder freigegeben, um leicht phasenverschobene Signalreflexionen von dem Ziel 130 aufgrund leicht unterschiedlicher Standorte der RX-Antennen 114-1, 114-2 zu empfangen. Bei dem TDMA-MIMO-Radar-Konzept von 2 sind zwei aufeinanderfolgende Rampen notwendig, um alle erforderlichen Daten (alle Kombinationen von Sendern und Empfängern) für eine digitale Strahlbildung (DBF; DBF = Digital Beam Forming) zu erhalten. Bekannte DBF-Verfahren können verwendet werden, um eine Winkel-Position des Ziels 130 zu schätzen. Zu diesem Zweck werden Phasendifferenzen berücksichtigt, die durch unterschiedliche Umlaufverzögerungszeiten (RTDTs; RTDT = round-trip delay-time) (unterschiedliche Pfade aus allen Kombinationen von Sendern und Empfängern) verursacht werden. Verschiedene DBF-Techniken sind im Stand der Technik wohlbekannt. Daher wird eine ausführliche Beschreibung von DBF der Kürze halber weggelassen.
Um das eher zeitaufwändige aufeinanderfolgende Schalten zwischen den Sendepfaden TX₁, TX₂ zu vermeiden, kann ein IQ-Modulator als ein Einzelseitenband-Mischer (SSB-Mischer) in dem TX-Pfad verwendet werden. Das IQ-Modulator-Konzept ist in Bezug auf einen beispielhaften Einkanal-Heterodyn-FMCW-Radar-Sendeempfänger 300 aus 3 und einen beispielhaften Zweikanal-FDMA-FMCW-Radar-Sendeempfänger 400 aus 4 beschrieben.
In 3 wird das FMCW-Trägersignal mit variierender Frequenz f_LO(t) zusätzlich hinsichtlich der Frequenz um einen beliebigen Frequenz-Offset-Wert f_offset (Offset = Versatz) verschoben. Zu diesen Zweck umfasst der TX-Pfad des FDMA-FMCW-Radar-Sendeempfängers 300 einen IQ-Modulator 340, der ein IQ-modulierendes Signal s_M(t) mit einer Frequenz erzeugt, die dem Frequenz-Offset f_offset entspricht. Dies kann zum Beispiel unter Verwendung eines IQ-modulierenden Signals s_M(t) erfolgen, das von einem kreisförmigen Konstellationsdiagramm erzeugt wird. Kreisförmige Konstellationsdiagramme sind zum Beispiel als Repräsentationen von Signalen bekannt, die durch digitale Phasenumtastungsmodulationschemata (PSK-Modulationsschemata; PSK = Phase-Shift Keying) moduliert werden. Im Allgemeinen zeigt ein Konstellationsdiagramm das Signal als ein zweidimensionales Streuungsdiagramm in der komplexen Ebene zu Symbolabtastmomenten an. In einem abstrakteren Sinne repräsentiert es die möglichen Symbole, die durch ein gegebenes Modulationsschema als Punkte in der komplexen Ebene ausgewählt werden können. Um ein IQ-modulierendes Signal s_M(t) mit einer Frequenz f_offset zu erhalten, können nachfolgende digitale I- und Q-Basisbandabtastwerte des IQ-modulierenden Signals s_M(t) ausgewählt werden, um benachbarten Konstellationspunkten des kreisförmigen Konstellationsdiagramms in Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn zu entsprechen. Benachbarte Konstellationspunkte des kreisförmigen Konstellationsdiagramms können in Phase um 360°/M getrennt sein, wobei M die Größe des Modulationssymbolalphabets bezeichnet. Für 8-PSK zum Beispiel M = 8.
Die digitalen I- und Q-Basisbandabtastwerte, die Konstellationspunkten des Konstellationsdiagramms entsprechen, können in analoge Signale durch jeweilige Digital-Analog-Wandler (DACs) 342-I, 342-Q umgewandelt werden. Der Ausgang der DACs kann durch jeweilige Steuerungseinstellungen gesteuert werden. Die sich ergebenden analogen I- und Q-Signale, die das modulierende Signal s_M(t) bilden, können jeweils tiefpassgefiltert werden vor einem Mischen des gefilterten modulierenden Signals s_M(t) mit dem FMCW-Trägersignal, das durch den VCO 108 erzeugt wird, um ein IQ-moduliertes Sendesignal zu erzeugen. Es ist zu beachten, dass das IQ-modulierte Sendesignal ein FMCW-Trägersignal mit einer Frequenzrampe und einem zusätzlichen Frequenz-Offset f_offset ist. Das IQ-modulierte Sendesignal wird dann verstärkt (PA 110) und über die TX-Antenne 112 gesendet und durch das Objekt 130 reflektiert.
Wie bereits beschrieben worden ist, wird das reflektierte Signal über die RX-Antenne 114 empfangen und durch den LNA 116 verstärkt. Das empfangene und verstärkte Signal wird zu einem Basisband oder einer IF abwärtsgemischt. Bei dem Beispiel von 3 wird ein IQ-RX-Mischer 118 verwendet. Das sich ergebende komplexwertige Basisband- oder IF-Signal s_IF(t) wird zum Extrahieren der Schwebungsfrequenz (beat frequency) der Zielantwort bandpassgefiltert 120 und durch die ADCs 122 digitalisiert. Es wird wiederum eine FFT auf die abgetasteten Basisband- oder IF-Daten angewandt. Verglichen mit 2 wird die Zielantwort jetzt allerdings auch um den Wert f_offset verschoben. Der Grund ist, dass das Empfangssignal durch das unmodulierte FMCW-Trägersignal mit der Frequenz f_LO(t) abwärtsgemischt wird, wie in 3 zu sehen ist.
Ein Anwenden unterschiedlicher Frequenz-Offsets f_offset,1, f_offset,2, auf unterschiedliche TX-Pfade TX₁, TX₂ kann eine Orthogonalität ermöglichen und somit gleichzeitige Aktivierung und Betrieb der unterschiedlichen TX-Pfade TX₁, TX₂, somit einen FDMA. Tatsächlich sind die TX-Signale der TX-Pfade TX₁, TX₂ nahezu orthogonal, da sie nur innerhalb eines eindeutigen Bereichs orthogonal sind, der als die Bandbreite zwischen zwei aufeinanderfolgenden Offset-Frequenzen definiert ist. Die durch die unterschiedlichen Sender TX₁, TX₂ verursachten Zielantworten werden dann hinsichtlich der Frequenz aufgrund der unterschiedlichen Frequenzversätze f_offset,1, f_offset,2 getrennt. Wie aus dem Beispiel von 4 ersichtlich, ist nur ein Messintervall, das nur einer Frequenzrampe entspricht, notwendig, um alle für die DBF erforderlichen Informationen zu erhalten.
5a zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Implementierung eines IQ-Modulators 340.
Das LO-Signal, z. B. das durch den VCO 108 erzeugte FMCW-Trägersignal, ist in zwei Signalpfade unterteilt (I-Pfad und Q-Pfad). Eine relative Phasenverschiebung von 90° wird zwischen dem I- und dem Q-Pfad angewandt. Diese phasenverschobenen LO-Signale werden als Eingangssignale von zwei Mischern 346-I, 346-Q verwendet. Der Mischer 346-I in dem I-Pfad wird für die Aufwärtsmischung der I-Komponente Re{s_M(t))} verwendet und der andere 346-Q wird für die Aufwärtsmischung der Q-Komponente Im{s_M(t))} des modulierenden Signals s_M(t) verwendet.
Ein Beispiel eines 4-QAM-Konstellationsdiagramms (QAM = Quadraturamplitudenmodulation = Quadrature Amplitude Modulation) 500 ist auch in 5a gezeigt. Für eine 4-QAM weist das Konstellationsdiagramm 500 vier Konstellationspunkte auf, wie aus 5a ersichtlich. Jeder komplexwertige Konstellationspunkt kann durch seine I- und Q-Komponente repräsentiert sein. Gemessene Konstellationsdiagramme können verwendet werden, um die Art von Störung (Interferenz) und Verzerrung in einem Signal zu erkennen.
Typischerweise weisen IQ-Modulatoren kein ideales Verhalten auf. Herkömmliche Fehlerquellen und ihr Einfluss auf RF-Signale sind durch gemessene Konstellationsdiagramme dargestellt, die in 5b, c und d gezeigt sind. 5b stellt den Effekt eines DC-Offsets in 4-QAM- und 16-QAM-Signalen dar, 5b stellt den Effekt eines Quadratur-Versatzes (quadrature skew) bei 4-QAM-, 16-QAM-Signalen dar, und 5d stellt den Effekt eines IQ-Verstärkungsungleichgewichts (IQ gain imbalance) bei 4-QAM-, 16-QAM-Signalen dar.
Wie oben beschrieben, können IQ-Modulatoren zum Beispiel verwendet werden, um orthogonale TX-Wellenformen für Mehrkanal-FDMA-FMCW-Radar-Sendeempfänger zu erzeugen. Daher können unterschiedliche Frequenzversätze f_{offset,channel} (Channel = Kanal) auf das LO-Signal unter Verwendung des IQ-Modulators als einen SSB-Mischer angewandt werden. Das Verhalten der IQ-Modulatoren beeinflusst direkt das erreichbare Radarsystemverhalten. Ungewollte Harmonische, die durch ein nichtideales Verhalten (z. B. Nichtlinearitäten) der IQ-Modulatoren verursacht sind, können in den berechneten IF-Spektren (Bereichskompression) als Geisterziele auftreten (siehe 6a).
Herkömmliche Kalibrierungsverfahren basieren auf Modellannahmen. Messungen von Konstellationsdiagrammen, wie z. B. durch 5b–d gezeigt, werden verwendet, um Vorverzerrungsparameter zu berechnen, um DC-Offsets, einen Quadratur-Versatz und IQ-Verstärkungsungleichgewichte auszugleichen. Häufig ist es erforderlich, dass getrennte und externe Messausrüstung verwendet wird, um die erforderlichen Messungen durchzuführen. Herkömmliche modellbasierte Kalibrierungsansätze sind möglicherweise nicht ausreichend, um die hohe Unterdrückung von Spektralkomponenten, die durch Nichtlinearitäten verursacht sind, zu erreichen, da sie nur DC-Offsets, einen Quadratur-Versatz und IQ-Verstärkungsungleichgewichte berücksichtigen.
6b zeigt einen herkömmlichen Radarmessaufbau 600, der üblicherweise für eine Kalibrierung eines IQ-Modulators verwendet wird. Der Aufbau 600 umfasst einen Einkanal-FMCW-Radar-Sendeempfänger 300 und eine separate externe Messausrüstung 610. Es ist zu beachten, dass die Frequenz des RF-Signals während dieser Messung konstant gehalten wird.
Die DACs 342-I, 342-Q des FMCW-Radar-Sendeempfängers 300 erzeugen Steuerungssignale, die Konstellationspunkten eines bestimmten Konstellationsdiagramms 650 entsprechen. Für die Erzeugung der Steuerungssignale wird angenommen, dass der IQ-Modulator 340 und der TX-Pfad ein ideales Verhalten aufweisen. Basierend auf dem extern gemessenen Empfangs-(RX-)Konstellationsdiagramm 660 können ein oder mehrere Vorverzerrungsparameter berechnet werden. Zu diesem Zweck wird typischerweise ein vordefiniertes Modell verwendet, das die DC-Offsets, den Quadratur-Versatz und die IQ-Verstärkungsungleichgewichte berücksichtigt.
Die in der vorliegenden Offenbarung vorgeschlagenen Ausführungsbeispiele zielen darauf, solche herkömmlichen Kalibrierungskonzepte zu verbessern, um durch Nichtlinearitäten verursachte Fehlerquellen zu reduzieren, die durch modellbasierte Kalibrierungsansätze nicht abgedeckt sind.
Im Hinblick auf 7 ist ein Verfahren 700 zum Kalibrieren eines IQ-Modulators 340 gemäß einem Ausführungsbeispiel detailliert beschrieben. Der Fachmann, der einen Vorteil aus der vorliegenden Offenbarung zieht, erkennt, dass der IQ-Modulator ein IQ-Modulator eines Radar-Sendeempfängers oder ein IQ-Modulators eines anderen Sendeempfängergeräts sein kann.
Das Verfahren 700 umfasst die folgenden Schritte:

• Einstellen 702 eines oder mehrerer Steuerungswerte des IQ-Modulators 340, die einem erwünschten Konstellationspunkt eines Konstellationsdiagramms entsprechen, um ein IQ-modulierendes Signal s_M(m) zu erzeugen, wobei m den Konstellationspunktindex bezeichnet,
• Mischen 704 des IQ-modulierenden Signals s_M(m) mit einem Trägersignal, um ein IQ-moduliertes Sendesignal zu erzeugen,
• Senden 706 des IQ-modulierten Sendesignals in Richtung eines vordefinierten Objekts oder Ziels an einem vordefinierten Ort,
• Empfangen 708 einer Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals von dem vordefinierten Objekt oder Ziel,
• Mischen 710 der empfangenen Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals mit dem Trägersignal, um ein abwärtsgemischtes Empfangssignal (z. B. eine Zielantwort) zu erzeugen,
• Vergleichen 712 einer Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals (z. B. der Zielantwort) mit dem erwünschten Konstellationspunkt des Konstellationsdiagramms,
• Anpassen 714 des einen oder der mehreren Steuerungswerte des IQ-Modulators, bis eine Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des empfangenen abwärtsgemischten Signals (z. B. der Zielantwort) und dem erwünschten Konstellationspunkt unter eine vordefinierte Schwelle fällt.

Dabei werden die Schritte des Verfahrens 700 für jeden erwünschten Konstellationspunkt des Konstellationsdiagramms iterativ ausgeführt, bis die Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals und dem erwünschten Konstellationspunkt unter die vordefinierte Schwelle fällt. Wenn das Konstellationsdiagramm mehr als einen Konstellationspunkt (was der typische Fall sein wird) aufweist, kann die jeweilige Abfolge der Schritte 702–714 iterativ ausgeführt werden, um Steuerungswerte des IQ-Modulators für jeden interessierenden Konstellationspunkt zu kalibrieren.
Beim Kalibrieren von FMCW-Radar-Systemen kann das Trägersignal ein RF-Trägersignal sein, dass durch ein Variieren einer Trägerfrequenz des Trägersignals gemäß einer vordefinierten Trägerfrequenzrampe erzeugt wird. Anders ausgedrückt, das RF-Trägersignal kann eine Frequenzrampe sein. Wie vorher erklärt worden ist, kann die Trägerfrequenzrampe zum Beispiel eine sägezahnähnliche Form aufweisen. Zum Erzeugen eines zusätzlichen Frequenz-Offsets f_{offset,channel} zu dem LO-Signal (Trägersignal), indem es mit dem IQ-modulierenden Signal s_M(t) gemischt wird, ist das Konstellationsdiagramm vorzugsweise ein kreisförmiges Konstellationsdiagramm.
Ein Kalibrierungssystem 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in 8a gezeigt. Das Kalibrierungssystem 800 kann das Kalibrierungsverfahren 700 ausführen. Dieser beispielhafte Aufbau umfasst einen FMCW-Radar-Sendeempfänger 300 und ein vordefiniertes Objekt/ Ziel 130 an einem vordefinierten Ort.
Das Radarkalibrierungssystem 800 umfasst einen IQ-Modulator 340. Eine Steuerungseinheit 840 ist ausgebildet zum Einstellen eines oder mehrerer Steuerungswerte, z. B. DAC-Steuerungswerte, des IQ-Modulators 340, die einem erwünschten Konstellationspunkt 852 eines Konstellationsdiagramms 850 entsprechen, um ein IQ-modulierendes Signal s_M(t) zu erzeugen. Ein erster IQ-Mischer 346 ist ausgebildet zum Mischen der I- und Q-Komponente des IQ-modulierenden Signals s_M(t) mit jeweiligen I- und Q-Komponenten eines FMCW-Trägersignals, um ein IQ-moduliertes Sendesignal zu erzeugen. Eine Senderschaltungsanordnung, die den PA 110 und die TX-Antenne 112 umfasst, ist ausgebildet zum Senden des IQ-modulierten Sendesignals in Richtung des vordefinierten Objekts 130 an einem vordefinierten Ort. Für vordefinierte Reflexionsbedingungen kann sich das vordefinierte Objekt 130 zum Beispiel in einer anechoischen Kammer befinden. Die Empfängerschaltungsanordnung des Radar-Sendeempfängers 300, die die RX-Antenne 114 und den LNA 116 umfasst, ist ausgebildet zum Empfangen einer Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals von dem vordefinierten Objekt 130. Ein zweiter IQ-Mischer 118 ist ausgebildet zum Mischen der empfangenen Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals mit dem (nicht-IQ-modulierten) FMCW-Trägersignal, um ein abwärtsgemischtes Empfangssignal zu erzeugen. Das abwärtsgemischte Empfangssignal kann ein Basisbandsignal sein. Ein Prozessor 860 ist ausgebildet zum Vergleichen einer Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals mit dem erwünschten Konstellationspunkt 852 des Konstellationsdiagramms 850, und ist ausgebildet zum Anpassen des einen oder der mehreren Steuerungswerte des IQ-Modulators 340, bis eine Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des empfangenen abwärtsgemischten Signals und dem erwünschten Konstellationspunkt 852 unter eine vordefinierte Schwelle fällt. Bei einigen Ausführungsbeispielen können der Prozessor 860 und die Steuerung 840 über eine Schnittstelle zum Schließen einer Rückkopplungsschleife gekoppelt sein. Das heißt, der Prozessor 860 kann die Steuerung 840 anweisen, die IQ-Modulator-Steuerungssignale anzupassen (z. B. DAC-Einstellung).
Bei dem Aufbau von 8a wird das IQ-modulierte Sendesignal unter Verwendung eines Senderabschnitts einer Sendeempfängerhardware gesendet, während die Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals unter Verwendung eines Empfängerabschnitts der gleichen Sendeempfängerhardware empfangen wird. Die Sendeempfängerhardware ist in dem gleichen Radar-Sensor 300 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eingebettet. Somit ist keine externe Messausrüstung erforderlich.
An dem Ausgangspunkt des vorgeschlagenen iterativen Prozesses 700 wird das erwünschte Konstellationsdiagramm 850 an dem Basisband- oder IF-Ausgang definiert. Da einige Ausführungsbeispiele des Verfahrens 700 für einen FDMA-FMCW-Radarbetrieb verwendet werden sollen, kann ein kreisförmiges Konstellationsdiagramm 850 gewählt werden (siehe 8a). Hier umfasst das beispielhafte Konstellationsdiagramm 850 zwölf Konstellationspunkte. Allerdings ist jegliche Anzahl von Konstellationspunkten möglich. Das vorgeschlagene Kalibrierungsverfahren erfordert die Verwendung eines statischen Kalibrierungsziels 130, das sich in einem festen Bereich von dem zu kalibrierenden Radar-Sendeempfänger 300 befindet. FMCW-Radarmessungen werden durchgeführt, was bedeutet, dass während der Dauer einer RF-Rampe die Steuerungssignale des IQ-Modulators 340 konstant bleiben. Eine Zeit-zu-Frequenz-Transformation, z. B. eine FFT, der abgetasteten IF-Daten kann ausgeführt werden, um die Werte von I und Q des empfangenen Konstellationspunktes zu schätzen. In den Spektren der bereichskomprimierten Daten lassen sich die Amplituden- und Phasen-Information an dem Spitzenwert der Zielantwort finden, die gleichwertig ist zu den I- und Q-Werten des Konstellationspunktes.
Der iterative Kalibrierungsprozess beginnt mit der Kalibrierung von IQ-Modulator-Steuerungssignalen für einen ersten Konstellationspunkt m = 1, wie in 8b gezeigt. Der Ausgangswert des Steuerungssignals (der Steuerungssignale) (Re{s_M(m)}; Im{s_M(m)}, wobei m = 1 den ersten Konstellationspunkt bezeichnet) des IQ-Modulators 340 ist mit einem Kreuz 871 markiert. Wenn die Abweichung zwischen dem erwünschten (z. B. idealen) Konstellationspunkt und dem tatsächlich empfangenen (RX-)Konstellationspunkt 881 zu hoch ist, wird das IQ-Modulator-Steuerungssignal (werden die IQ-Modulator-Steuerungssignale) des ersten Konstellationspunktes modifiziert und der sich ergebende RX-Konstellationspunkt wird an der Empfängerseite wieder gemessen (Kreise 882, 883). Diese Prozedur kann wiederholt werden, bis der erwünschte Konstellationspunkt 884 empfangen wird. Die erforderlichen vorverzerrten IQ-Modulator-Steuerungssignale (z. B. TX-DAC-Einstellungen) 874, die dem erwünschten RX-Konstellationspunkt 884 entsprechen, somit der vorverzerrte Steuerungswert (die vorverzerrten Steuerungswerte) (Re{s_M(m)}; Im{s_M(m)}, wobei m = 1 den ersten Konstellationspunkt bezeichnet) können in einem Speicher gespeichert werden.
Dieser iterative Prozess kann für alle anderen Konstellationspunkte m = 2...12 des beispielhaften Konstellationsdiagramm 850 wiederholt werden, wie in 9 gezeigt. Ein Ergebnis dieser iterativen Kalibrierungsprozedur ist in 10a gezeigt. Die erforderlichen vorverzerrten IQ-Modulator-Steuerungssignale (z. B. TX-DAC-Einstellungen) für die erwünschten RX-Konstellationspunkte sind in den oberen vorverzerrten Konstellationsdiagrammen mit Kreisen markiert, während die entsprechenden RX-Konstellationspunkte in den unteren vorverzerrten Konstellationsdiagrammen von 9 mit Kreisen markiert sind. Aus dem dargestellten Beispiel ist ersichtlich, dass die vorverzerrten IQ-Modulator-Steuerungssignale, d. h. das vorverzerrte TX-Konstellationsdiagramm 900, eine ellipsenförmige Form aufweisen, während die RX-Konstellationspunkte sich auf einem erwünschten Kreis 910 befinden.
In einem optionalen weiteren Schritt des Verfahrens 700 kann eine Kurvenanpassung basierend auf jeweiligen angepassten oder vorverzerrten Steuerungswerten des IQ-Modulators, die jeweiligen erwünschten RX-Konstellationspunkten des Konstellationsdiagramms entsprechen, ausgeführt werden. Die Parameter, die die geschätzte Vorverzerrungskurve beschreiben, können zum Beispiel in einem Computerspeicher gespeichert werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen, bezogen auf kreisförmige Konstellationsdiagramme, kann eine LS-Ellipsen-Anpassung ausgeführt wird. Die LS-geschätzten Positionen der vorverzerrten IQ-Modulator-Steuerungssignale, die für ein perfektes RX-Konstellationsdiagramm erforderlich sind, sind in 10a mit Kreuzen markiert. Beispielhafte Ellipsenparameter der LS-Anpassung finden sich in Tab. 1.

a semi-major axis

b semi-minor axis

Z_I center

Z_Q center

φ twisting angle

ϕ angle relative to semi-major axis

Table 1: Ellipse parameters. [semi-major axis = große Halbachse; semi-minor axis = kleine Halbachse; center = Zentrum; twisting angle = Verdrehungswinkel; angle relativ to semi-major axis = Winkel relativ zu der großen Halbachse; Table 1: Ellipse parameters. = Tabelle 1: Ellipsenparameter.]
Wie aus 10b ersichtlich, unterscheiden sich die Positionen der vorverzerrten IQ-Modulator-Steuerungssignale oder DAC-Einstellungen in dem Konstellationsdiagramm, die für einen perfekten RX-Kreis(-Kreise) erforderlich sind, von den geschätzten LS-Positionen auf der LS-geschätzten Ellipse (Kreuze). Dies ist durch Nichtlinearitäten des IQ-Modulators verursacht. In einem optionalen zusätzlichen Schritt des Kalibrierungsverfahrens können die Phasendifferenzen Δϕ_i zwischen den gefundenen vorverzerrten IQ-Modulator-Steuerungswerten (z. B. DAC-Einstellungen) für einen perfekten RX-Konstellationskreis und den geschätzten LS-Positionen für jeden Konstellationspunkt i der IQ-Modulator-Steuerungswerte berechnet werden (siehe 10b). Danach kann eine Funktion Δϕ = f(ϕ) mit einem Eingangsparameter ϕ für die Phasenabweichung Δφ zum Beispiel durch Regressionsanalyseverfahren berechnet und gespeichert werden. Auf diese Weise können die optimalen vorverzerrten IQ-Modulator-Steuerungswerte (z. B. DAC-Einstellungen) im Normalbetrieb eingestellt werden, basierend auf den gespeicherten Ellipsenparametern und basierend auf dem Winkel ϕ des jeweiligen vorverzerrten IQ-Modulator-Steuerungswertes relativ zu der großen Halbachse (um Δϕ = f(ϕ) zu erhalten).
Zusammenfassend schlagen einige Ausführungsbeispiele vor, einen Sender zu charakterisieren/kalibrieren durch ein Ausführen einer realen Radarmessung mit dem kompletten Radarsystem. Das Radarsystem kann in eine wohlbekannte Umgebung gesetzt werden, z. B. eine anechoische Kammer, mit einem statischen Radarziel mit einem bekannten Radarquerschnitt (z. B. einem Winkelreflektor). Die Messergebnisse können dann verwendet werden, um den Sender zu charakterisieren und die optimalen Ausgleichsparameter herzuleiten.
Die Messung kann ausgeführt werden durch ein Senden einer FMCW-Rampe, die die erwünschte Betriebsbandbreite B_SW abdeckt, und ein Empfangen des reflektierten Signals durch das zu testende System. Das komplette Radarsystem ist beteiligt, sodass jegliche Unvollkommenheiten, die in dem Sender, Empfänger, den Antennen, der Signalverarbeitungskette usw. vorhanden sein könnten, durch das vorgeschlagene Kalibrierungskonzept abgedeckt werden können. Die Messung deckt auch das komplette interessierende Frequenzband B_SW ab, wobei frequenzabhängige Effekte auf genau die gleiche Weise abwägt und gemittelt werden, wie dies das Betriebsradar tut. Ferner wird eine reale Radarmessung ausgeführt, wobei keine andere externe RF-Ausrüstung erforderlich ist und wobei die RF-, analoge und digitale Signalverarbeitung des zu testenden Systems genutzt wird. Auf diese Weise können die erwünschten Daten schnellstmöglich (z. B. ‘Echtzeit’) gesammelt werden.
Das Empfangssignal wird das Echo von dem Reflektor bei einer genau bekannten Frequenz enthalten. Die Amplitude und Phase dieses Echos enthalten die erwünschten Daten für eine unverzügliche (oder spätere) Ausgleichung, und können durch den Testaufbau (z. B. einen Computer) gesammelt werden, der das Radarsystem hinsichtlich dieser Charakterisierung steuert. Die Amplituden und Phasen des empfangenen Echos, die den Sendereinstellungen entsprechen, werden verwendet, um die erforderlichen Vorverzerrungsparameter zu erhalten.
Der vorgeschlagene Echtzeitansatz versucht, die korrekten I/Q-Modulator-Einstellungen zu finden, um durch einen iterativen Prozess die erwünschten RF-Konstellationspunkte zu erhalten. Die Einstellungen des I/Q-Modulators können variiert werden (durch ein iteratives Verfahren, das den verbleibenden Fehler minimiert), bis die erwünschte optimale Konstellation empfangen wird.
Um die vollständigen Charakteristika einer Senderamplitude und eines Phasenmodulators (oder eines I/Q-Modulators) zu erhalten, kann eine angemessene Anzahl von Modulationseinstellungen auf den Sender angewandt werden, und eine Radarmessung kann für jede Einstellung ausgeführt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Ergebnisse (beider Verfahren) die Parameter einer elliptischen Vorverzerrung für I und Q. In Kombination wird eine Phasenvorverzerrung angewandt.
Es ist darauf zu achten, dass die Distanz zu dem Winkelreflektor sich nicht verändert, was normalerweise durch eine rigide mechanische Verbindung zwischen dem Radarsystem und dem Winkelreflektor garantiert wird. Somit geht jegliche Abweichung hinsichtlich Amplitude und Phase zwischen Sendeeinstellung und Empfangssignal auf das System selbst zurück und kann ausgeglichen werden, da sie nun genau bekannt ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung schlagen die Verwendung der bereits existierenden Hardware in einem Sendeempfänger vor, der zum Beispiel ein Radar-Sendeempfänger sein kann. Der erwünschte Sendeempfängerbetriebsmodus (z. B. FDMA-FMCW-Radar) kann verwendet werden. Bei dem vorgeschlagenen Ansatz kann ein Iterationsprozess verwendet werden, um die perfekten Einstellungen für die Steuerungssignale s_M(t) des IQ-Modulators in der komplexen IQ-Ebene zu finden, um das beste Empfangssignal zu erreichen. Ein identisches Signal (z. B. Leistungspegel des Signals) kann dann auch in einem normalen Radarbetrieb verwendet werden. Der iterative Prozess weist eine sehr schnelle Konvergenz und eine sehr geringe Rechenkomplexität auf.
Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Es versteht sich daher, dass der Fachmann verschiedene Anordnungen ableiten kann, die, obwohl sie nicht ausdrücklich hier beschrieben oder dargestellt sind, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in ihrem Sinn und Rahmen enthalten sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele grundsätzlich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Offenbarung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Es ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jeder der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert sein können.
Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollte. Durch die Offenbarung von vielfachen Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann in einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte einschließen oder in diese aufgebrochen werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts bilden, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.

Claims

Ein Verfahren (700) zum Kalibrieren eines IQ-Modulators (340), umfassend: a) Einstellen (702) eines oder mehrerer Steuerungswerte des IQ-Modulators (340), die einem erwünschten Konstellationspunkt eines Konstellationsdiagramms entsprechen, um ein IQ-modulierendes Signal zu erzeugen; b) Mischen (704) des IQ-modulierenden Signals mit einem Trägersignal, um ein IQ-moduliertes Sendesignal zu erzeugen; c) Senden (706) des IQ-modulierten Sendesignals in Richtung eines vordefinierten Objekts an einem vordefinierten Ort; d) Empfangen (708) einer Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals von dem vordefinierten Objekt; e) Mischen (710) der empfangenen Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals mit dem Trägersignal, um ein abwärtsgemischtes Empfangssignal zu erzeugen; f) Vergleichen (712) einer Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals mit dem erwünschten Konstellationspunkt des Konstellationsdiagramms; und g) Anpassen (714) des einen oder der mehreren Steuerungswerte des IQ-Modulators (340), bis eine Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des empfangenen abwärtsgemischten Signals und dem erwünschten Konstellationspunkt unter eine vordefinierte Schwelle fällt.
Das Verfahren (700) gemäß Anspruch 1, wobei die Schritte f) und g) iterativ ausgeführt werden, bis die Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals und dem erwünschten Konstellationspunkt unter die vordefinierte Schwelle fällt.
Das Verfahren (700) gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: Ausführen der Schritte a)–g) für jeden Konstellationspunkt des Konstellationsdiagramms.
Das Verfahren (700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: Erzeugen des Trägersignals durch ein Variieren einer Trägerfrequenz des Trägersignals gemäß einer vordefinierten Trägerfrequenzrampe.
Das Verfahren (700) gemäß Anspruch 4, wobei der eine oder die mehreren Steuerungswerte des IQ-Modulators (340) während der Dauer einer Trägerfrequenzrampe konstant gehalten werden.
Das Verfahren (700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: Ausführen einer Zeit-zu-Frequenzbereich-Transformation des abwärtsgemischten Empfangssignals.
Das Verfahren (700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: Speichern eines oder mehrerer Steuerungswerte, die dem erwünschten Konstellationspunkt entsprechen, wenn die Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals und dem erwünschten Konstellationspunkt unter die vordefinierte Schwelle fällt.
Das Verfahren (700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: Ausführen einer Kurvenanpassung basierend auf jeweiligen angepassten Werten des IQ-Modulators (340), die jeweiligen erwünschten Konstellationspunkten des Konstellationsdiagramms entsprechen, und ein Speichern von Parametern, die die geschätzte Kurve beschreiben.
Das Verfahren (700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das IQ-modulierte Sendesignal unter Verwendung eines Senderabschnitts einer Sendeempfängerhardware gesendet wird, und wobei die Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals unter Verwendung eines Empfängerabschnitts der Sendeempfängerhardware empfangen wird.
Das Verfahren (700) gemäß Anspruch 9, wobei die Sendeempfängerhardware in einem Radarsensor eingebettet ist.
Das Verfahren (700) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das vordefinierte Objekt sich in einer anechoischen Kammer befindet.
Ein Kalibrierungssystem (800), umfassend: einen IQ-Modulator (340); eine Steuerung (840), die ausgebildet ist zum Einstellen eines oder mehrerer Steuerungswerte des IQ-Modulators, die einem erwünschten Konstellationspunkt (852) eines Konstellationsdiagramms (850) entsprechen, um ein IQ-modulierendes Signal zu erzeugen; einen ersten Mischer (346), der ausgebildet ist zum Mischen des IQ-modulierenden Signals mit einem Trägersignal, um ein IQ-moduliertes Sendesignal zu erzeugen; eine Senderschaltungsanordnung (110; 112), die ausgebildet ist zum Senden des IQ-modulierten Sendesignals in Richtung eines vordefinierten Objekts an einem vordefinierten Ort; eine Empfängerschaltungsanordnung (114; 116), die ausgebildet ist zum Empfangen einer Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals von dem vordefinierten Objekt; einen zweiten Mischer (118), der ausgebildet ist zum Mischen der empfangenen Reflexion des IQ-modulierten Sendesignals mit dem Trägersignal, um ein abwärtsgemischtes Empfangssignal zu erzeugen; einen Prozessor (860), der ausgebildet ist zum Vergleichen einer Amplitude und/oder Phase des abwärtsgemischten Empfangssignals mit dem erwünschten Konstellationspunkt (852) des Konstellationsdiagramms (850), und ausgebildet ist zum Anpassen des einen oder der mehreren Steuerungswerte des IQ-Modulators (340), bis eine Abweichung zwischen der Amplitude und/oder Phase des empfangenen abwärtsgemischten Signals und dem erwünschten Konstellationspunkt (852) unter eine vordefinierte Schwelle fällt.
Das Kalibrierungssystem (800) gemäß Anspruch 12, wobei die Sender- und Empfängerschaltungsanordnung Abschnitte eines Sendeempfängermoduls eines Radarsystems (300) sind.
Das Kalibrierungssystem (800) gemäß Anspruch 13, wobei das Radarsystem (300) ein FMCW-Radar-System ist, das einen Trägersignalerzeuger (108) umfasst, der ausgebildet ist zum Erzeugen des Trägersignals durch ein Variieren einer Trägerfrequenz des Trägersignals gemäß einer vordefinierten Trägerfrequenzrampe über einen vordefinierten Zeitraum.
Das Kalibrierungssystem (800) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Prozessor (860) ausgebildet ist zum Ausführen einer FFT des abwärtsgemischten Empfangssignals und zum Ableiten von I- und Q-Werten eines empfangenen Konstellationspunktes von dem Frequenzbereichssignal.