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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radarempfängereinrichtung, eine Radarempfängervorrichtung und ein Radarempfangsverfahren.
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Stand der Technik
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Radarsensoren ermöglichen neben der Bestimmung von Abstand und Geschwindigkeit meist auch eine Erfassung der Empfangsrichtung. Um die Auflösung der Winkelbestimmung zu verbessern, ist es vorteilhaft, die Anzahl der Empfangskanäle zu erhöhen.
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Bei Radarsensoren mit digitaler Winkelbestimmung (englisch: Digital Beamforming, DBF) ist an jedem Antennenelement einer Phased-Array-Antenne ein separater Empfänger vorgesehen. Auch die Konvertierung in digitales Format erfolgt für jedes Antennenelement separat. Eine Auswerteeinrichtung summiert die einzelnen Signale.
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Bei Radarsensoren mit digitaler Winkelbestimmung bewirkt eine Erhöhung der Empfangssignale höhere Kosten im Radarempfänger, da zusätzliche Empfangsmischer und Analog-Digital-Wandler vorgesehen werden müssen, und sich die digitale Datenrate bei der Signalauswertung erhöht.
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Die
DE 10 2009 034 615 A1 betrifft einen Radar mit einem abstandsungleichen Antennenarray, wobei Effekte von ungewünschten Peaks reduziert werden.
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Aus der
DE 10 2016 010 554 A1 ist ein räumliches Interpolationsverfahren für eine lineare phasengesteuerte Gruppenantenne zur Schätzung der Einfallsrichtung der Radarstrahlung bekannt.
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Weiter sind spezielle IQ-Modulatoren bekannt aus Sarkas et al, „W-band 65-nm CMOS and SiGe BiCMOS transmitter and receiver with lumped IQ phase shifters“, Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2009, S. 441-444, IEEE, 2009.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Radarempfängereinrichtung, eine Radarempfängervorrichtung und ein Radarempfangsverfahren mit Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Radarempfängereinrichtung, mit einer Vielzahl von Empfangsantennen, einer Vielzahl von IQ-Modulatoren und einer Summiereinrichtung. Die Empfangsantennen geben in Abhängigkeit von einer empfangenen Radarstrahlung ein jeweiliges Empfangssignal aus. Die IQ-Modulatoren sind jeweils einer Empfangsantenne zugeordnet, wobei die IQ-Modulatoren dazu ausgebildet sind, eine zeitabhängige Transformation des Empfangssignals der zugeordneten Empfangsantenne durchzuführen. Die Summiereinrichtung ist dazu ausgebildet, die transformierten Empfangssignale von den IQ-Modulatoren zu empfangen, aufzusummieren und als Ausgangssignal auszugeben.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Radarempfängervorrichtung, mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Radarempfängereinrichtungen und einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die von den Summiereinrichtungen der Radarempfängereinrichtungen ausgegebenen Ausgangssignale zu empfangen und gemeinsam auszuwerten.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Radarempfangsverfahren. Mehrere Empfangsantennen geben in Abhängigkeit von einer empfangenen Radarstrahlung ein jeweiliges Empfangssignal aus. Zeitabhängige Transformationen der Empfangssignale werden durch IQ-Modulatoren durchgeführt, welche jeweils einer Empfangsantenne zugeordnet sind. Die transformierten Empfangssignale werden aufsummiert.
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Vorteile der Erfindung
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Die IQ-Moderatoren und die Summiereinrichtung bilden eine aktive Summierschaltung, sodass mehrere Empfangsantennen bzw. Antennenspalten zu einem einzigen Empfangskanal kombiniert werden können. Durch Verwendung von linearen Transformationen wird verhindert, dass Mehrinformationen für die Winkelgebung verloren geht, wie dies etwa bei einer passiven Zusammenschaltung als Antennenarray der Fall sein kann. Unter einer zeitabhängigen Transformation ist zu verstehen, dass durch die Modulation eine Frequenzverschiebung erzeugt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Radarempfängereinrichtung weisen die Empfangsantennen einen Abstand von einer halben Wellenlänge der verwendeten Radarstrahlung auf. Die Radarempfängereinrichtung kann auch eine Komponente eines Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Radars sein, wobei die Abstände zwischen den Empfangsantennen im Bereich von einer ganzen Wellenlänge der verwendeten Radarstrahlung liegen können. Prinzipiell ist jedoch eine beliebige Anordnung möglich, sodass die Positionen der Empfangsantennen zweckmäßig für die Strahlformung angeordnet werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung weist die Radarempfängereinrichtung eine Vielzahl von Verstärkereinrichtungen auf, welche jeweils einer Empfangsantenne zugeordnet sind, wobei die Verstärkereinrichtungen dazu ausgebildet sind, das Empfangssignal der zugeordneten Empfangsantenne zu verstärken und an den zugeordneten IQ-Modulator auszugeben.
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Gemäß einer Weiterbildung der Radarempfängereinrichtung entspricht die Anzahl der IQ-Modulatoren der Anzahl der Empfangsantennen. Weiter kann die Anzahl der Verstärkereinrichtungen der Anzahl der Empfangsantennen entsprechen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Radarempfängereinrichtung sind die Verstärkereinrichtungen als rauscharme Verstärker (englisch: low noise amplifier, LNA) ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, da bei einem Empfänger die erste Stufe die Empfindlichkeit besonders beeinflusst.
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Gemäß einer Weiterbildung der Radarempfängereinrichtung sind die IQ-Modulatoren ausgestaltet wie beschrieben in Sarkas et al., „W-band 65-nm CMOS and SiGe BiCMOS transmitter and receiver with lumped IQ phase shifters“.
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Gemäß einer Weiterbildung der Radarempfängereinrichtung sind die IQ-Modulatoren dazu ausgebildet, das Empfangssignal der zugeordneten Empfangsantenne mit einem zeitabhängigen komplexen Faktor zu multiplizieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Radarempfängereinrichtung entsprechen die zeitabhängigen komplexen Faktoren Phasenänderungen mit Frequenzen mit konstanten Werten, wobei sich die Frequenzen für verschiedene IQ-Modulatoren unterscheiden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Radarempfängereinrichtung sind die Unterschiede der Frequenzen für die verschiedenen IQ-Modulatoren äquidistant gewählt. Dies ergibt eine besonders gute Trennung der Empfangskanäle. Die Frequenzunterschiede werden bevorzugt unter Berücksichtigung einer Empfangsbandbreite der Radarempfängereinrichtung gewählt, um die Empfangsbandbreite möglichst gut zu nutzen. Die Trennung der Empfangskanäle ermöglicht es, innerhalb der Empfangsbandbreite in einem Empfangskanal die Signale mehrerer Antennenspalten gleichzeitig zu empfangen. Bei einem Frequency-Modulated-Continuous-Wave (FMCW)-Verfahren entspricht die Trennung der Empfangskanäle einer Verschiebung der Beatfrequenz um die gewählte Modulationsfrequenz des IQ-Modulators.
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Die Trennung der Empfangssignale von möglichen weiteren Empfangssignalen mit benachbarter Frequenz, welche etwa von Reflexen weiterer Objekte stammen können, kann durch verschiedene Maßnahmen erfolgen. So können etwa mehrfache Messungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen durchgeführt werden. Weiter können die Modulationsfrequenzen groß genug gewählt werden, sodass in diesem Frequenzbereich keine weiteren Ziele zu erwarten sind. Bei der Verwendung in einem Automobilradar kann etwa der entsprechende Abstandsbereich groß genug gewählt werden.
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Weiter können die Modulationsfrequenzen derart gewählt werden, dass diese in einer negativen Beatfrequenz im Empfänger resultieren, wobei der Empfänger ausgebildet ist, positive und negative Frequenzen zu trennen.
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Bei einem Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing (OFDM) Verfahren kann die Frequenzverschiebung zur Erzeugung eines neuen Symbols mit frequenzverschobenen Unterträgern verwendet werden. Dadurch können die einzelnen Antennenkanäle im digitalen Basisband des Radarempfängers wieder eindeutig getrennt werden. Die frequenzverschobenen Unterträger sind derart gewählt, dass diese sich nicht überlappen und dass der Frequenzabstand zwischen den Unterträgern groß genug ist, damit bei einer möglicherweise auftretenden Dopplerverschiebung ein Überlappen ebenfalls vermieden wird. Die beschriebenen Maßnahmen zur Trennung der Empfangssignale können auch in beliebiger Weise kombiniert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Radarempfängereinrichtung werden die Werte der Frequenzen während der Messung oder für aufeinander folgende Messungen gemäß einem individuellen unterscheidbaren Muster geändert. Die Trennung der Empfangskanäle kann nicht nur durch Frequenzverschiebung (d.h. Frequenzmultiplexing), sondern auch zusätzlich oder alternativ durch Codierung (d.h. Code-Multiplexing) erfolgen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Radarempfängereinrichtung sind die IQ-Modulatoren dazu ausgebildet, das Empfangssignal in ein 1-Signal und ein Q-Signal zu trennen, das I-Signal und das Q-Signal jeweils unter Verwendung eines einstellbaren Faktors und Vorzeichens zu verstärken, und das verstärkte 1-Signal und das verstärkte Q-Signal zu addieren und auszugeben.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Radarempfängervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein schematisches Schaltbild einer Radarempfängereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 ein schematisches Schaltbild eines IQ-Modulators einer Radarempfängereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Frequenztrennung; und
- 5 ein schematisches Flussdiagramm eines Radarempfangsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Radarempfängervorrichtung 1. Die Radarempfängervorrichtung 1 kann insbesondere Teil eines Radarsystems eines Kraftfahrzeugs sein, d.h. für Fahrerassistenzsysteme oder das hochautomatisierte Fahren ausgelegt sein. Die Radarempfängervorrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Radarempfängereinrichtungen 2-1 bis 2-m, welche jeweils ein Ausgangssignal ausgeben. Weiter umfasst die Radarempfängervorrichtung 1 eine Auswerteeinrichtung 3, welche die Ausgangssignale der Radarempfängereinrichtungen 2-1 bis 2-m empfängt und auswertet. Die Radarempfängereinrichtung 2-1 bis 2-m werden im Folgenden näher beschrieben.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Radarempfängereinrichtung 2. Die Radarempfängervorrichtung 2 umfasst eine Vielzahl von Empfangsantennen 31 bis 3n, welche etwa als Mikrostreifenantennen ausgebildet sein können. Die Empfangsantennen 31 bis 3n können beispielsweise Abstände von einer halben Wellenlänge der verwendeten Radarstrahlung aufweisen.
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Im Fall eines MIMO-Radarsystems können die Abstände zwischen den Empfangsantennen 31 bis 3n auch im Bereich einer ganzen Wellenlänge der verwendeten Radarstrahlung liegen. Allgemein ist jedoch eine beliebige Anordnung der Empfangsantennen 31 bis 3n möglich. Die Empfangsantennen 31 bis 3n bilden individuelle Antennenkanäle zum Empfangen von Radarstrahlung, und sind an eine Summierschaltung 7 angeschlossen.
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Die Summierschaltung 7 umfasst Verstärkereinrichtungen 51 bis 5n, wobei jeder Empfangsantenne 31 bis 3n eine jeweilige Verstärkereinrichtung 51 bis 5n zugeordnet ist. Die Verstärkereinrichtungen 51 bis 5n sind vorzugsweise als rauscharme Verstärker (englisch: low noise amplifier) ausgestaltet.
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Weiter umfasst die Summierschaltung 7 eine Vielzahl von IQ-Modulatoren 41 bis 4n, wobei jeweils ein IQ-Modulator 41 bis 4n einer Empfangsantenne 31 bis 3n bzw. einer Verstärkereinrichtung 51 bis 5n zugeordnet ist.
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Die Empfangsantennen 31 bis 3n empfangen Radarstrahlen umgeben jeweils ein Empfangssignal aus. Das ausgegebene Empfangssignal wird von der zugeordneten Verstärkereinrichtung 51 bis 5n verstärkt und an den zugeordneten IQ-Modulator 41 bis 4n ausgegeben. Der IQ-Modulatoren 41 bis 4n führen eine zeitabhängige Transformation des verstärkten Empfangssignals durch.
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Weiter umfasst die Summierschaltung 7 eine Summiereinrichtung 6, d.h. ein Summierglied, welches die von den IQ-Modulatoren 41 bis 4n transformierten Empfangssignale empfängt, aufsummiert und als Ausgangssignal ausgibt.
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3 zeigt ein schematisches Schaltbild eines IQ-Modulators 51 einer Radarempfängereinrichtung 2. Der IQ-Modulator 51 kann im Wesentlichen ausgestaltet sein wie in Sarkas et al, „W-band 65-nm CMOS and SiGe BiCMOS transmitter and receiver with lumped IQ phase shifters“ beschrieben.
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Der IQ-Modulator 51 umfasst ein Eingangselement bzw. einen Splitter 501, welcher das von der entsprechenden Verstärkereinrichtung 51 bis 5n verstärkte Empfangssignal empfängt und in einen um 0 Grad bzw. 90 Grad phasenverschobenes Signal, d.h. einen I-Kanal und einen Q-Kanal trennt. Für jeden Kanal ist jemals ein Verstärker 502 bzw. 503 vorgesehen, welcher eine Verstärkung mit einstellbarem Faktor und Vorzeichen durchführen kann. Die Verstärker sind somit lineare Vektorverstärker mit Summenausgang. Ein Summierelement 504 addiert die beiden Pfade, d.h. das verstärkte Signal des I-Kanals mit dem verstärkten Signal des Q-Kanals. Das derart transformierte Signal wird schließlich der oben beschriebenen Summiereinrichtung 6 bereitgestellt.
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Der IQ-Modulator
51 bewirkt somit im Wesentlichen eine Multiplikation des Eingangssignals mit einem komplexen Koeffizienten a_k. Die Summierschaltung
7 ist somit linear, sodass durch die zeitabhängige Modulation eine Frequenzverschiebung mit möglichst geringer nichtlinearer Verzerrung erzeugt wird. Das von der Summierschaltung
7 ausgegebene Ausgangssignal wird somit durch folgende Formel beschrieben:
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Hierbei ist a_k, für k = 1 bis n, der komplexe Koeffizient des jeweiligen IQ-Modulators 41 bis 4n. Weiter bezeichnet RX_k, für k = 1 bis n, das (verstärkte) Empfangssignal der entsprechenden Empfangsantenne 31 bis 3n.
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Die komplexen Koeffizienten a_k können durch die Wahl der Verstärkung in dem I-Kanal und dem Q-Kanal jeweils komplex und zeitlich veränderlich sein. Dadurch kann das jeweilige Empfangssignal in Phase und Amplitude verändert werden. Somit lässt sich beispielsweise ein empfangsseitiges Phased Array durch die anhand der Antennentheorie vorgegebene Wahl von Koeffizienten erzielen.
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Weiter kann über eine schnelle zeitliche Änderung der Koeffizienten a_k eine Frequenzverschiebung zwischen den Empfangskanälen erreicht werden. Beispielweise kann folgende zeitliche Abhängigkeit eingestellt werden:
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Hierbei bezeichnet f k, für k = 1 bis n Frequenzen, welche die jeweiligen IQ-Modulatoren
41 bis
4n zugeordnet sind. Die zeitabhängigen komplexen Faktoren a_k(t) entsprechend somit Phasenänderungen mit Frequenzen f_k mit konstanten Werten , wobei sich die Frequenzen für verschiedene IQ-Modulatoren
41 bis
4n unterscheiden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Unterschiede der Frequenzen für die verschiedenen IQ-Modulatoren
41 bis
4n äquidistant gewählt sind. Die Frequenzen ergeben sich somit gemäß folgender Formel:
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In obiger Formel bezeichnet Δf einen konstanten Frequenzversatz.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Frequenztrennung, falls die zeitabhängigen komplexen Faktoren a_k(t) mit äquidistantem Frequenzversatz gewählt werden. Die von den IQ-Modulatoren 41 bis 4n transformierten Empfangssignale A1 bis An sind in der Frequenz f separiert, wobei vorzugsweise durch Wahl des konstanten Frequenzversatzes Δf die gesamte Bandbreite BW_Rx der Radarempfängereinrichtung 2 ausgenutzt wird. Der Frequenzversatz Δf wird somit vorzugsweise in Abhängigkeit von der Bandbreite BW_Rx der Radarempfängereinrichtung 2, d.h. eines angeschlossenen Radarempfängers, gewählt.
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Durch die Trennung der Empfangskanäle 31 bis 3n innerhalb der Empfangsbandbreite BW_Rx der Radarempfängereinrichtung 2 können somit in einem gesamten Empfangskanal mehrere Antennenspalten 31 bis 3n gleichzeitig ausgewertet werden.
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Bei einem FMCW-System entspricht dies einer Verschiebung der Beatfrequenz um die in der Summierschaltung 7 gewählten Modulationsfrequenzen f_k der IQ-Modulatoren 41 bis 4n. Je nach konkreter Auslegung kann die Trennung der Empfangssignale von möglichen weiteren Empfangssignalen benachbarten Frequenzen erzielt werden. Insbesondere können die Empfangssignale von Reflexen, welche von weiteren Objekten stammen, separiert werden.
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Zur Trennung können mehrfache Messungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen f_k durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Modulationsfrequenzen f_k derart gewählt werden, dass keine weiteren Ziele erfasst werden. Etwa können die Modulationsfrequenzen f_k ausreichend hoch gewählt werden. Bei einem Automobilradar können die Modulationsfrequenzen etwa derart gewählt werden, dass dies einem Abstandsbereich von mehr als 10 Kilometern entspricht. Alternativ oder zusätzlich können die Modulationsfrequenzen f_k derart gewählt werden, dass diese in einer negativen Beatfrequenz im Empfänger resultieren, wobei der Empfänger positive und negative Frequenzen trennen kann.
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Weiter können die Radarempfängereinrichtung 2 Teil eines OFDM-Radarsystems sein. Die Frequenzverschiebung kann zur Erzeugung eines neuen Symbols mit frequenzverschobenen Unterträgern verwendet werden. Dadurch können die einzelnen Antennenkanäle 31 bis 3n im digitalen Basisband des Radarempfängers eindeutig getrennt werden. Die frequenzverschobenen Unterträger werden derart gewählt, dass sich diese nicht überlappen. Weiter werden die Frequenzabstände zwischen den Unterträgern groß genug gewählt, sodass sich diese bei einer möglicherweise auftretenden Dopplerverschiebung ebenfalls nicht überlappen.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass einer der Antennenkanäle, etwa der erste Antennenkanal 31 mit einer Modulationsfrequenz gleich Null, d.h. f_1 = 0, betrieben wird. Die verbleibenden Modulationssignale werden mit von Null verschiedenen Modulationsfrequenzen, d.h. f_k ≠ 0, betrieben. Dadurch tritt keine Überlagerung mit derselben Beatfrequenz auf.
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Bevorzugt sind sämtliche Modulationsfrequenzen f_k von Null verschieden, da in diesem Fall parasitäre Signale, welche durch die Zuleitung zwischen der Summierschaltung 7 und den Empfangsantennen 31 bis 3n empfangen werden, unterdrückt werden können. Dies ist insbesondere bei langen Zuleitungen, etwa von mehr als 10 Wellenlängen, vorteilhaft. Die Verluste bei derart langen Zuleitungen können durch die in der Summierschaltung 7 enthaltenen Verstärkereinrichtungen 51 bis 5n kompensiert werden.
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5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Radarempfangsverfahrens. Das Radarempfangsverfahren kann durch eine oben beschriebene Radarempfängervorrichtung 1 bzw. Radarempfängereinrichtung 2 durchgeführt werden.
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In einem Verfahrensschritt S1 empfangen mehrere Empfangsantennen 31 bis 3n Radarstrahlung und geben ein jeweiliges Empfangssignal aus.
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In einem Verfahrensschritt S2 werden die Empfangssignale mittels IQ-Modulatoren 41 bis 4n zeitabhängig transformiert. Hierbei ist jeweils ein IQ-Modulator 41 bis 4n einer Empfangsantenne 31 bis 3n zugeordnet. Die IQ-Modulatoren 41 bis 4n multiplizieren das Empfangssignal der zugeordneten Empfangsantenne 31 bis 3n vorzugsweise mit einem zeitabhängigen komplexen Faktor a_k(t).
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In einem Verfahrensschritt S3 werden die transformierten Empfangssignale aufsummiert.
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Weiter kann vorgesehen sein, die Empfangssignale vor dem zeitabhängigen Transformieren mittels rauscharmer Verstärkereinrichtungen 51 bis 5n zu verstärken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009034615 A1 [0005]
- DE 102016010554 A1 [0006]
