TWI719893B - 數位自我注入鎖定雷達 - Google Patents
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Abstract
一種數位自我注入鎖定雷達包含一數位自我注入鎖定振盪器、一無線訊號收發單元及一數位頻率解調單元，該無線訊號收發單元電性連接該數位自我注入鎖定振盪器，該無線訊號收發單元發射一無線訊號至一目標，該無線訊號收發單元接收該目標反射之一反射訊號並輸出一數位注入訊號至該數位自我注入鎖定振盪器，使該數位自我注入鎖定振盪器處於一自我注入鎖定狀態(Self-injection-locked state)並輸出一數位振盪訊號，該數位頻率解調單元電性連接該數位自我注入鎖定振盪器以接收該數位振盪訊號，且該數位頻率解調單元用以解調該數位振盪訊號為一數位解調訊號。
Description
本發明是關於一種自我注入鎖定雷達，特別是關於一種數位自我注入鎖定雷達。
自我注入鎖定雷達是一種低複雜度且高靈敏度的連續波雷達，相當適用於偵測生物體的生命徵象，自我注入鎖定雷達藉由偵測目標與發射天線之間的相對移動所發生的都普勒效應，由接收天線接收含有都普勒相移的反射訊號後注入振盪單元，使振盪單元處於自我注入鎖定狀態下的輸出訊號產生頻率調制，最後對振盪單元的輸出訊號進行頻率解調後即可得到生物體的移動位移。自我注入鎖定雷達具有高靈敏度，故能清楚偵測到生物體因呼吸及心跳等生命特徵造成的微小移動位移，然而由於自我注入鎖定雷達需要有效抑制注入訊號的雜訊才能確保高靈敏度表現，而且經常由於生物體的移動位移過大而造成偵測位移的失真，都可能是生命徵象偵測無法成功的原因。
本發明的主要目的是將自我注入鎖定雷達數位化，而具有可編程及設計彈性高之特性，能夠有效地抵抗注入訊號之雜訊並解決偵測位移之失真問題。
本發明之一種數位自我注入鎖定雷達，其包含一數位自我注入鎖定振盪器、一無線訊號收發單元及一數位頻率解調單元，該數位自我注入鎖定振盪器輸出一數位輸出訊號，該無線訊號收發單元電性連接該數位自我注入鎖定振盪器以轉換該數位輸出訊號為一無線訊號並將該無線訊號發射至一目標，該目標反射一反射訊號，該無線訊號收發單元接收該反射訊號並輸出一數位注入訊號至該數位自我注入鎖定振盪器，使該數位自我注入鎖定振盪器處於一自我注入鎖定狀態(Self-injection-locked state)並產生一數位振盪訊號，該數位頻率解調單元電性連接該數位自我注入鎖定振盪器以接收該數位振盪訊號，且該數位頻率解調單元用以解調該數位振盪訊號為一數位解調訊號。
本發明藉由將自我注入鎖定雷達數位化，能夠令該數位自我注入鎖定雷達對生物體移動位移之偵測上具有高靈敏度，並且具有可編程特性及高設計彈性，而具有極佳的抗雜訊與抗失真能力，能夠進一步地提高生命徵象偵測的效能。
請參閱第1圖，為本發明之一實施例，一種數位自我注入鎖定雷達100的功能方塊圖，該數位自我注入鎖定雷達100包含一數位自我注入鎖定振盪器110、一無線訊號收發單元120及一數位頻率解調單元130。該數位自我注入鎖定振盪器110產生一數位輸出訊號
u
out ，該無線訊號收發單元120電性連接該數位自我注入鎖定振盪器110以接收該數位輸出訊號
u
out ，該無線訊號收發單元120將該數位輸出訊號
u
out 發射為一無線訊號
S
w 至一目標T，該目標T反射一反射訊號
S
r ，其中該無線訊號
S
w 及該反射訊號
S
r 可為電磁波訊號或超音波訊號，該無線訊號收發單元120接收該反射訊號
S
r 並輸出一數位注入訊號
u
inj 至該數位自我注入鎖定振盪器110，使該數位自我注入鎖定振盪器110處於一自我注入鎖定狀態(Self-injection-locked state)而產生一數位振盪訊號
u。
該目標T與該無線訊號收發單元120有著一相對位移
x時，該相對位移
x會對該無線訊號
S
w 產生都普勒效應(Doppler Effect)，使得該反射訊號
S
r 中含有該相對位移
x造成的都普勒相移，因此，該數位注入訊號
u
inj 亦包含有該相對位移
x造成的都普勒相移，而該數位注入訊號
u
inj 在注入該數位自我注入鎖定振盪器110時會對該數位振盪訊號
u產生頻率調制，因此，該數位頻率解調單元130電性連接該數位自我注入鎖定振盪器110以接收該數位振盪訊號
u，且該數位頻率解調單元130用以解調該數位振盪訊號
u為一數位解調訊號
w，該數位解調訊號
w即包含有該相對位移
x的資訊。
請參閱第2圖，其為本發明之一第一實施例，在本實施例中，該數位自我注入鎖定振盪器110具有一數位諧振器111、一數位比較器112及一第一數位加法器113，該數位諧振器111輸出該數位振盪訊號
u，該數位比較器112電性連接該數位諧振器111以接收該數位振盪訊號
u，且該數位比較器112輸出該數位輸出訊號
u
out ，該第一數位加法器113電性連接該數位比較器112及該無線訊號收發單元120以接收該數位輸出訊號
u
out 及該數位注入訊號
u
inj ，且該第一數位加法器113輸出一數位加法訊號
u
1 至該數位諧振器111。較佳的，該數位諧振器111、該數位比較器112及該第一數位加法器113為整合於現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)中的數位元件，使該數位自我注入鎖定振盪器110具有良好的抗雜訊能力。
請參閱第2圖，在本實施例中，該無線訊號收發單元120具有一發射天線121、一接收天線122、一鏡像頻率抑制轉頻器123(Image reject frequency converter)、一第一數位類比轉換器124及一類比數位轉換器125，該第一數位類比轉換器124電性連接該數位比較器112以接收該數位輸出訊號
u
out ，該第一數位類比轉換器124將該數位輸出訊號
u
out 轉換為一低頻類比輸出訊號
S
O1 ，該鏡像頻率抑制轉頻器123電性連接該第一數位類比轉換器124以接收該低頻類比輸出訊號
S
O1 ，該鏡像頻率抑制轉頻器123將該低頻類比輸出訊號
S
O1 升頻為一高頻類比輸出訊號
S
O2 。
該發射天線121經由一功率放大器PA耦接該鏡像頻率抑制轉頻器123，以接收功率放大後之該高頻類比輸出訊號
S
O2 ，並將其發射為該無線訊號
S
w 至該目標T，該目標T反射該反射訊號
S
r ，該接收天線122接收該反射訊號
S
r 為一高頻類比偵測訊號
u
d1 ，該鏡像頻率抑制轉頻器123經由一低雜訊放大器LNA耦接該接收天線122，以接收低雜訊放大後之該高頻類比偵測訊號
u
d1 ，該鏡像頻率抑制轉頻器123將該高頻類比偵測訊號
u
d1 降頻為一低頻類比偵測訊號
u
d2 ，並能抑制鏡像頻率效應，該類比數位轉換器125電性連接該鏡像頻率抑制轉頻器123以接收該低頻類比偵測訊號
u
d2 ，且該類比數位轉換器125將該低頻類比偵測訊號
u
d2 轉換為該數位注入訊號
u
inj ，該數位注入訊號
u
inj 傳送至該第一數位加法器113而構成一自我注入鎖定迴路，使該數位自我注入鎖定振盪器110處於該自我注入鎖定狀態。
請再參閱第2圖，該數位頻率解調單元130具有一數位延遲器131、一數位乘法器132及一數位低通濾波器133，該數位延遲器131電性連接該數位諧振器111以接收該數位振盪訊號
u，且該數位延遲器131輸出一數位延遲訊號
u
y ，該數位乘法器132電性連接該數位諧振器111及該數位延遲器131以接收該數位振盪訊號
u及該數位延遲訊號
u
y ，且該數位乘法器132輸出一數位乘法訊號
v，該數位低通濾波器133電性連接該數位乘法器132以接收該數位乘法訊號
v，且該數位低通濾波器133輸出該數位解調訊號
w。在本實施例中，該數位延遲器131、該數位乘法器132及該數位低通濾波器133亦整合於現場可程式化邏輯閘陣列中而增加抗雜訊的能力。
一第二數位類比轉換器140電性連接該數位頻率解調單元130之該數位低通濾波器133以接收該數位解調訊號
w，並將該數位解調訊號
w轉換為一類比解調訊號，一計算單元150接收該類比解調訊號並對其進行計算即可得到該相對位移
x，或者，若該目標T為一生物體，該相對位移
x為該生物體之生命徵象造成時，該計算單元150對該相對位移
x進行頻譜分析可得知該目標T之生命徵象。本實施例藉由將自我注入鎖定雷達數位化，能夠令該數位自我注入鎖定雷達100具有可編程特性及設計彈性較高，並有著極佳的抗雜訊能力。
請參閱第3圖，為本發明之一第二實施例的電路圖，其與第一實施例的差異在於該數位自我注入鎖定雷達100另包含一數位相位調節單元160，該數位相位調節單元160電性連接該數位頻率解調單元130、該無線訊號收發單元120及該數位自我注入鎖定振盪器110。在本實施例中，該數位相位調節單元160具有一數位控制器161、一數位可調延遲器162及一第二數位加法器163，該第二數位加法器163電性連接該數位頻率解調單元130以接收該數位解調訊號
w，且該第二數位加法器163另接收一設置點數位訊號
r，該第二數位加法器163用以將該設置點數位訊號
r加入該數位解調訊號
w中並傳送至該數位控制器161。該數位控制器161電性連接該第二數位加法器163以接收加入該設置點數位訊號
r之該數位解調訊號
w，且該數位控制器161根據加入該設置點數位訊號
r之該數位解調訊號
w輸出一數位位移訊號
d，在本實施例中，該設置點數位訊號
r用來微調該數位輸出訊號
u
out 的頻率。
該數位可調延遲器162電性連接該數位控制器161、該無線訊號收發單元120及該數位自我注入鎖定振盪器110，該數位可調延遲器162根據該數位位移訊號
d調整該無線訊號收發單元120輸出之該數位注入訊號
u
inj 之延遲時間，並將延遲時間調整後之該數位注入訊號
u
inj 注入該數位自我注入鎖定振盪器110。其中，該數位相位調節單元160主要用以調節該數位注入訊號
u
inj 之相位，以抵消該目標T之該相對位移
x對該數位注入訊號
u
inj 造成的都普勒相移，進而使得該數位自我注入鎖定振盪器110在該數位注入訊號
u
inj 注入時不會產生頻率偏移，此時，從該數位相位調節單元160輸出之該數位位移訊號
d可求得該相對位移
x。
本實施例藉由相位抵銷的解調方式求得該相對位移
x，能夠解決自我注入鎖定雷達的非線性失真現象及偵測無效點問題而能提昇該目標T之生命徵象偵測品質。
請參閱第4圖，為本發明之一第三實施例的電路圖，其與第一實施例的差異在於該無線訊號收發單元120之該發射天線121及該接收天線122替換為一超音波發射器126及一超音波接收器127，以及不再需要該鏡像頻率抑制轉頻器123。其中，該超音波發射器126經由該功率放大器PA電性連接該第一數位類比轉換器124以接收該低頻類比輸出訊號
S
O1 ，且該超音波發射器126將功率放大後之該低頻類比輸出訊號
S
O1 發射為該無線訊號
S
w ，該目標T反射該反射訊號
S
r ，該超音波接收器127接收該反射訊號
S
r 再經由該低雜訊放大器LNA低雜訊放大為該低頻類比偵測訊號
u
d2 ，然後傳送至該類比數位轉換器125。在本實施例中，該無線訊號
S
w 及該反射訊號
S
r 皆為超音波訊號，同樣地該目標T之該相對位移
x會對其產生都普勒效應，使得該低頻類比偵測訊號
u
d2 中包含有該目標T之該相對位移
x造成的都普勒相移。因此，在該類比數位轉換器125將該低頻類比偵測訊號
u
d2 轉換為該數位注入訊號
u
inj 並注入該數位自我注入鎖定振盪器110後會對該數位振盪訊號
u產生頻率調制，因此該數位頻率解調單元130對該數位振盪訊號
u進行頻率解調得到該數位解調訊號
w，經由該第二數位類比轉換器140轉換及該計算單元150計算可得該目標T之該相對位移
x ，該計算單元150並對該相對位移
x進行頻譜分析可得該目標T之生命徵象。
請參閱第5圖，為本發明之一第四實施例的電路圖，其與第三實施例的差異在於該數位自我注入鎖定雷達100另包含該數位相位調節單元160，該數位相位調節單元160電性連接該數位頻率解調單元130、該無線訊號收發單元120及該數位自我注入鎖定振盪器110。在本實施例中，該數位相位調節單元160具有該數位控制器161、該數位可調延遲器162及該第二加法器163，該第二數位加法器163電性連接該數位頻率解調單元130以接收該數位解調訊號
w，且該第二數位加法器163另接收一設置點數位訊號
r，該第二數位加法器163用以將該設置點數位訊號
r加入該數位解調訊號
w中並傳送至該數位控制器161。該數位控制器161電性連接該第二數位加法器163以接收加入該設置點數位訊號
r之該數位解調訊號
w，且該數位控制器161根據加入該設置點數位訊號
r之該數位解調訊號
w輸出一數位位移訊號
d，在本實施例中，該設置點數位訊號
r用來微調該數位輸出訊號
u
out 的頻率。
該數位可調延遲器162電性連接該數位控制器161、該無線訊號收發單元120及該數位自我注入鎖定振盪器110，該數位可調延遲器162根據該數位位移訊號
d調整該無線訊號收發單元120輸出之該數位注入訊號
u
inj 之延遲時間，並將延遲時間調整後之該數位注入訊號
u
inj 注入該數位自我注入鎖定振盪器110。其中，該數位相位調節單元160主要用以調節該數位注入訊號
u
inj 之相位，以抵消該目標T之該相對位移
x對該數位注入訊號
u
inj 造成的都普勒相移，進而使得該數位自我注入鎖定振盪器110在該數位注入訊號
u
inj 注入時不會產生頻率偏移，此時，從該數位相位調節單元160輸出之該數位位移訊號
d可求得該相對位移
x。
請參閱第6及7圖，第6圖為本發明之第四實施例實際對位在雷達前方30cm之一人體的胸部進行偵測而得之一位移波形，該位移波形包含了該人體不由自主的移動位移與呼吸及心跳造成的位移，第7圖則為該位移波形的頻譜分析，由圖中可以明顯看到振幅較大但頻率較低之呼吸頻率，以及振幅較小但頻率較高之心跳頻率，其中心跳頻率約為83 BPM，其與該人體同時以光體積變化描記圖法(Photoplethysmographic, PPG)量測心跳頻率而得82.4 BPM相當接近，可證明本實施例確實能夠用以偵測該人體的生命徵象。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100:數位自我注入鎖定雷達
110:數位自我注入鎖定振盪器
111:數位諧振器
112:數位比較器
113:第一數位加法器
120:無線訊號收發單元
121:發射天線
122:接收天線
123:鏡像頻率抑制轉頻器
124:第一數位類比轉換器
125:類比數位轉換器
126:超音波發射器
127:超音波接收器
130:數位頻率解調單元
131:數位延遲器
132:數位乘法器
133:數位低通濾波器
140:第二數位類比轉換器
150:計算單元
160:數位相位調節單元
161:數位控制器
162:數位可調延遲器
163:第二數位加法器
T:目標
u:數位振盪訊號
u
out :數位輸出訊號
S
w :無線訊號
S
r :反射訊號
u
inj :數位注入訊號
w:數位解調訊號
v:數位乘法訊號
u
d1 :高頻類比偵測訊號
u
d2 :低頻類比偵測訊號
S
O1 :低頻類比輸出訊號
S
O2 :高頻類比輸出訊號
x:相對位移
LNA:低雜訊放大器
PA:功率放大器
第1圖：依據本發明之一實施例，一數位自我注入鎖定雷達之功能方塊圖。
第2圖：依據本發明之第一實施例，該數位自我注入鎖定雷達之電路圖。
第3圖：依據本發明之第二實施例，該數位自我注入鎖定雷達之電路圖。
第4圖：依據本發明之第三實施例，該數位自我注入鎖定雷達之電路圖。
第5圖：依據本發明之第四實施例，該數位自我注入鎖定雷達之電路圖。
第6圖：本發明之第四實施例實際進行偵測而得之一人體胸部位移的波形圖。
第7圖：本發明之第四實施例實際進行偵測而得之一人體生命徵象頻譜圖。
100:數位自我注入鎖定雷達
110:數位自我注入鎖定振盪器
120:無線訊號收發單元
130:數位頻率解調單元
u out :數位輸出訊號
u inj :數位注入訊號
w:數位解調訊號
S w :無線訊號
S r :反射訊號
T:目標
x:相對位移
Claims (9)
- 一種數位自我注入鎖定雷達，其包含： 一數位自我注入鎖定振盪器，輸出一數位輸出訊號； 一無線訊號收發單元，電性連接該數位自我注入鎖定振盪器以轉換該數位輸出訊號為一無線訊號並將該無線訊號發射至一目標，該目標反射一反射訊號，該無線訊號收發單元接收該反射訊號並輸出一數位注入訊號至該數位自我注入鎖定振盪器，使該數位自我注入鎖定振盪器處於一自我注入鎖定狀態(Self-injection-locked state)並產生一數位振盪訊號；以及 一數位頻率解調單元，電性連接該數位自我注入鎖定振盪器以接收該數位振盪訊號，且該數位頻率解調單元用以解調該數位振盪訊號為一數位解調訊號。
- 如請求項1之數位自我注入鎖定雷達，其中該數位自我注入鎖定振盪器具有一數位諧振器、一數位比較器及一第一數位加法器，該數位諧振器輸出該數位振盪訊號，該數位比較器電性連接該數位諧振器以接收該數位振盪訊號，且該數位比較器輸出該數位輸出訊號，該第一數位加法器電性連接該數位比較器及該無線訊號收發單元，以接收該數位輸出訊號及該數位注入訊號，且該第一數位加法器輸出一數位加法訊號至該數位諧振器。
- 如請求項2之數位自我注入鎖定雷達，其中該無線訊號收發單元具有一發射天線、一接收天線、一鏡像頻率抑制轉頻器(Image reject frequency converter)、一第一數位類比轉換器及一類比數位轉換器，該第一數位類比轉換器電性連接該數位比較器以接收該數位輸出訊號，該第一數位類比轉換器將該數位輸出訊號轉換為一低頻類比輸出訊號，該鏡像頻率抑制轉頻器電性連接該第一數位類比轉換器以接收該低頻類比輸出訊號，該鏡像頻率抑制轉頻器將該低頻類比輸出訊號升頻為一高頻類比輸出訊號，該發射天線電性連接該鏡像頻率抑制轉頻器，且該發射天線將該高頻類比輸出訊號發射為該無線訊號至該目標，該目標反射該反射訊號，該接收天線接收該反射訊號為一高頻類比偵測訊號，該鏡像頻率抑制轉頻器電性連接該接收天線，且該鏡像頻率抑制轉頻器將該高頻類比偵測訊號降頻為一低頻類比偵測訊號，該類比數位轉換器電性連接該鏡像頻率抑制轉頻器以接收該低頻類比偵測訊號，且該類比數位轉換器將該低頻類比偵測訊號轉換為該數位注入訊號。
- 如請求項2之數位自我注入鎖定雷達，其中該數位頻率解調單元具有一數位延遲器、一數位乘法器及一數位低通濾波器，該數位延遲器電性連接該數位諧振器以接收該數位振盪訊號，且該數位延遲器輸出一數位延遲訊號，該數位乘法器電性連接該數位諧振器及該數位延遲器以接收該數位振盪訊號及該數位延遲訊號，且該數位乘法器輸出一數位乘法訊號，該數位低通濾波器電性連接該數位乘法器以接收該數位乘法訊號，且該數位低通濾波器輸出該數位解調訊號。
- 如請求項1之數位自我注入鎖定雷達，其包含一數位相位調節單元，該數位相位調節單元具有一數位控制器及一數位可調延遲器，該數位控制器電性連接該數位頻率解調單元以接收該數位解調訊號，且該數位控制器根據該數位解調訊號輸出一數位位移訊號，該數位可調延遲器電性連接該數位控制器、該無線訊號收發單元及該數位自我注入鎖定振盪器，該數位可調延遲器根據該數位位移訊號調整該無線訊號收發單元輸出之該數位注入訊號之延遲時間，並將延遲時間調整後之該數位注入訊號注入該數位自我注入鎖定振盪器。
- 如請求項5之數位自我注入鎖定雷達，其中該數位相位調節單元具有一第二數位加法器，該第二數位加法器電性連接該數位頻率解調單元以接收該數位解調訊號，且該第二數位加法器另接收一設置點數位訊號，該第二數位加法器用以將該設置點數位訊號加入該數位解調訊號並傳送至該數位控制器，該設置點數位訊號用以調整該數位自我注入鎖定振盪器輸出之該數位輸出訊號的頻率。
- 如請求項2之數位自我注入鎖定雷達，其中該無線訊號收發單元具有一超音波發射器、一超音波接收器、一第一數位類比轉換器及一類比數位轉換器，該第一數位類比轉換器電性連接該數位比較器以接收該數位輸出訊號，該第一數位類比轉換器用以將該數位輸出訊號轉換為一類比輸出訊號，該超音波發射器電性連接該數位類比轉換器以接收該類比輸出訊號，且該超音波發射器將該類比輸出訊號發射為該無線訊號，該超音波接收器接收該反射訊號為一類比偵測訊號，該類比數位轉換器電性連接該超音波接收器以接收該類比偵測訊號，且該類比數位轉換器將該類比偵測訊號轉換為該數位注入訊號。
- 如請求項1之數位自我注入鎖定雷達，其包含一第二數位類比轉換器及一計算單元，該第二數位類比轉換器電性連接該數位頻率解調單元以接收該數位解調訊號，並將該數位解調訊號轉換為一類比解調訊號，該計算單元電性連接該第二數位類比轉換器以接收該類比解調訊號，該計算單元用以對該類比解調訊號進行計算以得到該目標之一相對位移。
- 如請求項4之數位自我注入鎖定雷達，其包含一第二數位類比轉換器及一計算單元，該第二數位類比轉換器電性連接該數位頻率解調單元之該數位低通濾波器以接收該數位解調訊號，並將該數位解調訊號轉換為一類比解調訊號，該計算單元電性連接該第二數位類比轉換器以接收該類比解調訊號，該計算單元用以對該類比解調訊號進行計算以得到該目標之一相對位移。
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