CN113900084A - 无晶振fmcw雷达收发机系统及频率校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无晶振FMCW雷达收发机系统及频率校准方法，涉及无线收发技术领域，无晶振FMCW雷达收发机系统通过带校准及频率漂移补偿的振荡器和射频锁相环的方式实现频率的调制，无需额外的接收通道获取频率偏差，即可以减少参与校准的模块，从而简化校准的流程和电路，可以降低校准测试的成本。

Description

无晶振FMCW雷达收发机系统及频率校准方法

技术领域

本发明涉及无线收发技术领域，特别涉及一种无晶振FMCW雷达收发机系统及频率校准方法。

背景技术

随着工艺技术的更新，雷达凭借着抗干扰性强、安装隐秘性好且不涉及隐私泄露等优点，在智能家居产品中具有先天优势。但消费电子对价格敏感，小尺寸、低成本是技术方案落地的关键。省去片外晶振可以在降低成本的同时减小芯片封装尺寸，但为遵守欧洲电信标准化协会、美国联邦通信委员会等的频谱发射规则，FMCW(Frequency ModulatedContinuous Wave，调频连续波)雷达收发系统对输出频率的精准度有要求，若省去晶振作为频率参考，则雷达的输出频率需要校准，并采用适当的频率漂移补偿策略，以满足雷达系统的设计要求。

对此，相关技术中采用数模转换器和压控振荡器来实现频率调制，并通过采用温漂标准及抗电源纹波设计来达到所需要的频率精度，但这种结构无法满足调频连续波雷达线性调频需求。另外，也有采用振荡器和锁相环的方式来实现频率调制，并采用无线收发系统的接收机和数字处理电路来实现频率的工艺偏差获取，但在该方案的测试过程中，需要外置目标频率信号源，并将射频前端配置为校准模式，然后不断调整频率综合器的输出，再利用接收机搜索信号来获取频率偏差，因此整个校准系统在设计上较为复杂，使得校准成本增加。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种无晶振FMCW雷达收发机系统及频率校准方法，能够对振荡器进行频率校准和漂移补偿，提供高精准度的频率输出，且系统设计简单，能有效降低成本。

根据本发明的第一方面实施例的无晶振FMCW雷达收发机系统，包括带校准的振荡器模块、FMCW频率综合器和收发模块，带校准的振荡器模块包括振荡器、自动频率校正模块和寄存器，所述自动频率校正模块与所述振荡器连接，且所述自动频率校正模块还与所述寄存器连接；FMCW频率综合器包括射频锁相环和啁啾信号生成器，所述射频锁相环的第一输入端连接所述振荡器的输出端，所述啁啾信号生成器与所述射频锁相环的第二输入端连接，并用于生成FMCW线性调频信号；所述收发模块还与天线连接，所述射频锁相环的输出端通过所述收发模块的发射通道向所述天线发送信号，且所述收发模块的接收通道通过所述天线接收信号。

根据本发明实施例的无晶振FMCW雷达收发机系统，至少具有如下有益效果：通过数模转换器、自动频率校正模块以及寄存器，可以实现对振荡器输出频率的校准，且在温度补偿模块的作用下，可以为振荡器提供频率漂移的补偿，无晶振FMCW雷达收发机系统通过振荡器和射频锁相环的方式实现频率的调制，无需额外的接收通道获取频率偏差，即可以减少参与校准的模块，从而简化校准的流程和电路，可以降低校准测试的成本。

根据本发明的一些实施例，还包括数模转换器和温度补偿模块，所述温度补偿模块与所述振荡器的输入端连接，所述数模转换器的输入端与所述自动频率校正模块的输出端连接，所述数模转换器的输出端连接所述振荡器的输入端。

根据本发明的一些实施例，所述数模转换器和所述温度补偿模块的输出可通过合并模块输入至所述振荡器。

根据本发明的一些实施例，所述振荡器内设置有多个压控变容器或多组开关电容阵列，所述数模转换器和所述温度补偿模块的输出还可通过不同的所述压控变容器或不同的所述开关电容阵列输入所述振荡器。

根据本发明的一些实施例，所述自动频率校正模块包括逐次逼近移位寄存器、模块寄存器和数据选择器，所述逐次逼近移位寄存器的第一输出端与所述数据选择器的第一输入端连接，所述模块寄存器的输入端与所述逐次逼近移位寄存器的第二输出端连接，所述模块寄存器的输出端与所述数据选择器的第二输入端连接，所述模块寄存器还与所述寄存器连接。

根据本发明的一些实施例，所述收发模块包括依次连接的功率放大器、低噪声放大器、混频器以及模数转换器，所述功率放大器的输入端还与所述混频器的第一输入端连接。

根据本发明的第二方面实施例的频率校准方法，包括：

接入频率测量设备并设定目标频率；

控制自动频率校正模块二进制搜索频率粗校准码；

根据所述频率粗校准码控制振荡器的输出频率逼近所述目标频率；

当所述输出频率完成逼近，将第一校准结果写入寄存器；

根据本发明实施例的频率校准方法，至少具有如下有益效果：

自动频率校正模块将频率粗校准码输入振荡器，从而控制振荡器的输出频率逼近目标频率，实现对输出频率的调节，从而使其系统能够输出高精确度的频率输出，同时还通过将第一校准结果写入寄存器中，能够为系统后续正常使用工作提供便利。

根据本发明的一些实施例，还包括：

控制所述自动频率校正模块二进制搜索频率精校准码；

根据所述频率精校准码控制数模转换器生成频率精调电压；

将第二校准结果写入所述寄存器。

根据本发明的一些实施例，所述当所述输出频率完成逼近，将第一校准结果写入所述寄存器，具体包括：

所述输出频率位于所述目标频率的允许偏差范围内，将第一校准结果写入所述寄存器。

根据本发明的第三方面实施例的无线电探测、感知和测距系统，包括如第一方面实施例所述的无晶振FMCW雷达收发机系统。

根据本发明实施例的无线电探测、感知和测距系统，至少具有如下有益效果：无晶振FMCW雷达收发机系统可以为系统提供高精度、高线性度的频率调制，实现高精度信号的发送，为系统的探测、感知以及测距提供便利。

根据本发明第四方面实施例的集成芯片，包括如第一方面实施例所述的无晶振FMCW雷达收发机系统。

根据本发明实施例的集成芯片，至少具有如下有益效果：集成芯片的引脚数得到减少，从而使得芯片封装可以做到更小，进而缩小集成芯片的尺寸并降低成本。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一实施例的无晶振FMCW雷达收发机系统的示意图；

图2为本发明另一实施例的无晶振FMCW雷达收发机系统的示意图；

图3为本发明一实施例的自动频率校正模块的示意图；

图4为本发明一实施例的频率校正方法的步骤流程图；

图5为本发明另一实施例的频率校正方法的步骤流程图。

附图标记：

带校准的振荡器模块100、振荡器110、自动频率校正模块120、逐次逼近移位寄存器121、模块寄存器122、数据选择器123、寄存器130、温度补偿模块140、数模转换器150、合并模块160；FMCW频率综合器200、射频锁相环210、啁啾信号生成器220；收发模块300、功率放大器310、低噪声放大器320、混频器330、模数转换器340；天线400。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的无晶振FMCW雷达收发系统，则包括依次连接的带校准的振荡器模块100、FMCW频率综合器200以及收发模块300，带校准的振荡器模块100的输出作为FMCW频率综合器200的输入，最后经由收发模块300发送，通过带校准的振荡器模块100和FMCW频率综合器200，能够实现频率线性调制，并直接校准振荡器110的频率，而不需要接收通道参与校准过程，简化了校准流程及电路设计。

具体地，参照图1，无晶振FMCW雷达收发机系统中的带校准的振荡器模块100包括振荡器110、自动频率校正模块120和寄存器130。自动频率校正模块120与振荡器110连接，且自动频率校正模块120还与寄存器130连接，即自动频率校正模块120分别连接寄存器130和振荡器110，自动频率校正模块120可与寄存器130进行读写操作，即自动频率校正模块120可以从寄存器130中读取二进制数字码，也可将二进制数字码写入寄存器130中，另外，自动频率校正模块120还与振荡器110连接，自动频率校正模块120可将二进制数字码输入振荡器110中。应当想到的是，振荡器110的输入可以是模拟电压，也可以是数字码输入。需要说明的是，振荡器110不带石英晶体，振荡器110可以采用压控振荡器，也可以是数控振荡器。

FMCW频率综合器200则包括射频锁相环210和啁啾信号生成器220，射频锁相环210的第一输入端连接振荡器110的输出端，射频锁相环210的输出端则连接收发模块300，啁啾信号生成器220与射频锁相环210的第二输入端连接，并用于生成FMCW线性调频信号，可以理解的是，啁啾信号生成器220用于生成FMCW线性调频信号，并将FMCW线性调频信号输入射频锁相环210中，便于射频锁相环210进行频率调制，即线性调频信号通过对载波频率进行调制以增加信号的发射带宽，同时线性调频信号具有较高的距离分辨力，能够起到区分干扰和目标的作用，提高了抗干扰能力。

收发模块300则与天线400连接，射频锁相环210的输出端通过收发模块300的发射通道向天线400发送信号，收发模块300的接收通道通过天线400接收信号。

在自动频率校正模块120以及寄存器130的作用下，可以实现对振荡器110输出频率的校准，无晶振FMCW雷达收发机系统通过振荡器110和射频锁相环210可以实现频率的调制，无需额外的接收通道获取频率偏差，即可以减少参与校准的模块，从而简化校准的流程和电路，可以降低校准测试的成本。

参照图2，在本发明一些实施例中，系统还包括数模转换器150和温度补偿模块140。数模转换器150的输出端与振荡器110的输入端连接，即数模转换器150的输出可进入振荡器110中，调节振荡器110固有频率偏差；数模转换器150的输入端连接自动频率校正模块120，可以理解的是，自动频率校正模块120从寄存器130中读取校准信息，然后配置到数模转换器150中，使数模转换器150输出频率精调电压，完成对振荡器110固有频率偏差的精调，从而提高系统输出的精准度。

温度补偿模块140与振荡器110连接，且温度补偿模块140用于监测温度变化，并产生一补偿电压，该补偿电压用于补偿振荡器110频率随温度变化的漂移。

参照图3，在本发明一些实施例中，自动频率校正模块120包括逐次逼近移位寄存器121、模块寄存器122和数据选择器123。逐次逼近移位寄存器121的第一输出端连接数据选择器123的第一输入端，模块寄存器122的输入端连接逐次逼近移位寄存器121的第二输出端，模块寄存器122的输出端连接数据选择器123的第二输入端，模块寄存器122还与寄存器130连接，即可以从寄存器130中读取数字码，也可以将数字码写入寄存器130中，数据选择器123的输出端与振荡器110连接，数据选择器123则将两路输入选择一路送出。

例如，在进行校准的过程中，数据选择器123将第一输入端的数字码输出，即将逐次逼近移位寄存器121输出的数字码输入振荡器110，在校准结束后，逐次逼近移位寄存器121的输出还可以通过模块寄存器122传输至寄存器130，以便于正常工作时调用；在系统正常工作的过程中，数据选择器123将第二输入端的数字码输出，即将模块寄存器122的输出输入振荡器110，模块寄存器122从寄存器130中读取校准码，再通过数据选择器123送入振荡器110以及数模转换器150。自动频率校正模块120通过数据选择器123进行输出的选择，从而调节振荡器110的输出，以使得振荡器110输出精度高频率。

参照图2，在本发明一些实施例中，数模转换器150和温度补偿模块140的输出可通过合并模块160输入至振荡器110，合并模块160用于将数模转换器150和温度补偿模块140的输出合并后输入至振荡器110。合并模块160可以采用加法器，也可以采用同相加法运算电路。合并数模转换器150和温度补偿模块140的输出，并输入到振荡器110中，实现对振荡器110进行温度变化的补偿以及频率偏移的调节，达到精调的效果，使得振荡器110的输出频率精度高。

在本发明一些实施例中，振荡器110内设置有多个压控变容器或多组开关电容阵列。振荡器110可以采用压控振荡器或数控振荡器，压控振荡器可通过调整压控变容器的偏置电压来实现电压到频率的调制，而数控振荡器则可通过调整开关电容阵列的开关状态来实现数字码到频率调制。有两个信号输入振荡器110，则可以采用两个压控变容器或两组开关电容实现信号的输入。例如，振荡器110采用压控振荡器，温度补偿模块140和数模转换器150的输出均直接连接到振荡器110内的两个不同的压控电容上；振荡器110采用数控振荡器，温度补偿模块140和数模转换器150的输出均直接连接到振荡器110内的两组不同的开关电容阵列上，从而实现温度补偿模块140和数模转换器150的输出直接输入振荡器110。

参照图2，在本发明一些实施例中，收发模块300包括依次连接的功率放大器310、低噪声放大器320、混频器330以及模数转换器340，可以理解的是，功率放大器310的输入端作为收发模块300的输入端与FMCW频率综合器200连接，且功率放大器310的输出端连接低噪声放大器320的输入端，功率放大器310的输出端还连接天线400，即功率放大器310作为收发模块300的发送通道，则输入收发模块300的信号经过功率放大器310后，再由天线400发射出去。低噪声放大器320、混频器330以及模数转换器340则作为收发模块300的接收通道，天线400与低噪声放大器320的输入端连接，混频器330的第一输入端连接低噪声放大器320的输出端，而混频器330的第二输入端则连接功率放大器310的输入端，混频器330的输出端则连接模数转换器340的输入端，模数转换器340输出基带信号，实现解调，恢复接收到的信号。

参照图4，在本发明一些实施例中，频率校准方法至少包括如下步骤：

步骤S110：接入频率测量设备并设定目标频率；

步骤S120：控制自动频率校正模块二进制搜索频率粗校准码；

步骤S130：根据所述频率粗校准码控制振荡器的输出频率逼近所述目标频率；

步骤S140：当输出频率完成逼近，将第一校准结果写入寄存器。

可以理解的是，对于精度要求低的系统，在系统测试过程中，可以在振荡器110的输出端或者天线400端设置测试接口，则在测试接口处外接频率测量设备，同时设定目标频率，以系统输出能否达到目标频率来检测系统输出频率的精准度。控制自动频率校正模块120搜索频率粗校准码，根据搜索到的频率粗校准码控制振荡器110的输出频率，即自动频率校正模块120根据频率粗校准码配置振荡器110，使振荡器110的输出频率逼近目标频率。

当输出频率完成逼近，即输出频率逼近目标频率，可以理解的是，输出频率在目标频率的一定范围内则可认为输出频率完成逼近，实现了振荡器110输出频率的粗调，则将第一校准结果写入寄存器130中，以便于系统正常工作时调用。其中，第一校准结果包括实现逼近完成的频率粗校准码。

参照图5，本发明一些实施例中，频率校准方法至少包括如下步骤：

步骤S110：接入频率测量设备并设定目标频率；

步骤S120：控制自动频率校正模块二进制搜索频率粗校准码；

步骤S130：根据所述频率粗校准码控制振荡器的输出频率逼近所述目标频率；

步骤S140：当输出频率完成逼近，将第一校准结果写入寄存器；

步骤S150：控制自动频率校正模块二进制搜索频率精校准码；

步骤S160：根据所述频率精校准码控制数码转换器生成精调电压；

步骤S170：将第二校准结果写入寄存器。

可以理解的是，对于精度要求高的系统，在系统测试过程中，可以在振荡器110的输出端或者天线400端设置测试接口，则在测试接口处外接频率测量设备，同时设定目标频率，以系统输出能否达到目标频率来检测系统输出频率的精准度。控制自动频率校正模块120搜索频率粗校准码，根据搜索到的频率粗校准码控制振荡器110的输出频率，即自动频率校正模块120根据频率粗校准码配置振荡器110，使振荡器110的输出频率逼近目标频率。

当输出频率完成逼近，即输出频率逼近目标频率，可以理解的是，输出频率在目标频率的一定范围内则可认为输出频率完成逼近，实现了振荡器110输出频率的粗调，则将第一校准结果写入寄存器130中，以便于系统正常工作时调用。其中，第一校准结果包括实现逼近完成的频率粗校准码。

还继续控制自动频率校正模块120搜索频率精校准码，根据搜索到的频率精校准码控制数模转换器150生成频率精调电压，即自动频率校正模块120将获取频率精校准码输入数模转换器150，使得数模转换器150输出一频率精调电压，进而输入振荡器110中，实现对振荡器110输出频率的精调。此外，将第二校准结果写入寄存器130中，以便于系统正常工作时调用。其中，第二校准结果包括频率精校准码。

通过粗调和精调实现对输出频率的调节，从而使其系统能够输出高精确度的频率输出，同时还通过将第一校准结果和第二校准结果写入寄存器130中，能够为系统后续正常使用工作提供便利。

需要说明的是，自动频率校正模块120搜索频率粗校准码和频率精校准码的方式为二进制搜索。采用二进制搜索的方式可以提高搜索的效率，从而提高粗调和精调的速度。

在本发明一些实施例中，输出频率位于目标频率的允许偏差范围内，即可视为逼近完成，应当想到的是，在振荡器110输出频率的粗调阶段，振荡器110输出频率逼近目标频率即可，该允许偏差范围为目标频率±1％，当输出频率进入给允许偏差范围内，则将第一校准结果写入寄存器130中。需要说明的是，允许偏差范围可根据系统设计需要进行扩大或缩小。

在本发明一些实施例中，还提供了一种无线电探测、感知和测距系统，该系统包括了本发明实施中的无晶振FMCW雷达收发机系统，无晶振FMCW雷达收发机系统可以为无线电探测、感知和测距系统提供高精度、高线性度的频率调制，实现高精度信号的发送，为系统的探测、感知以及测距提供便利。

在本发明一些实施例中，还提供了一种集成芯片，该集成芯片包括了本发明实施例中的无晶振FMCW雷达收发机系统，省去外部晶振，集成芯片的引脚数可以减少，从而使得芯片封装可以做到更小，进而缩小集成芯片的尺寸并降低成本。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (11)

1.一种无晶振FMCW雷达收发机系统，其特征在于，包括：

带校准的振荡器模块，包括振荡器、自动频率校正模块和寄存器，所述自动频率校正模块与所述振荡器连接，且所述自动频率校正模块还与所述寄存器连接；

FMCW频率综合器，包括射频锁相环和啁啾信号生成器，所述射频锁相环的第一输入端连接所述振荡器的输出端，所述啁啾信号生成器与所述射频锁相环的第二输入端连接，并用于生成FMCW线性调频信号；

收发模块，所述收发模块与天线连接，所述射频锁相环的输出端通过所述收发模块的发射通道向所述天线发送信号，且所述收发模块的接收通道通过所述天线接收信号。

2.根据权利要求1所述的无晶振FMCW雷达收发机系统，其特征在于，还包括温度补偿模块和数模转换器，所述温度补偿模块与所述振荡器的输入端连接，所述数模转换器的输入端与所述自动频率校正模块的输出端连接，所述数模转换器的输出端连接所述振荡器的输入端。

3.根据权利要求2所述的无晶振FMCW雷达收发机系统，其特征在于，所述数模转换器和所述温度补偿模块的输出可通过合并模块输入至所述振荡器。

4.根据权利要求2所述的无晶振FMCW雷达收发机系统，其特征在于，所述振荡器内设置有多个压控变容器或多组开关电容阵列，所述数模转换器和所述温度补偿模块的输出还可通过不同的所述压控变容器或不同的所述开关电容阵列输入所述振荡器。

5.根据权利要求1或2所述的无晶振FMCW雷达收发机系统，其特征在于，所述自动频率校正模块包括逐次逼近移位寄存器、模块寄存器和数据选择器，所述逐次逼近移位寄存器的第一输出端与所述数据选择器的第一输入端连接，所述模块寄存器的输入端与所述逐次逼近移位寄存器的第二输出端连接，所述模块寄存器的输出端与所述数据选择器的第二输入端连接，所述模块寄存器还与所述寄存器连接。

6.根据权利要求1或2所述的无晶振FMCW雷达收发机系统，其特征在于，所述收发模块包括依次连接的功率放大器、低噪声放大器、混频器以及模数转换器，所述功率放大器的输入端还与所述混频器的第一输入端连接。

7.一种频率校准方法，其特征在于，包括：

接入频率测量设备并设定目标频率；

控制自动频率校正模块二进制搜索频率粗校准码；

根据所述频率粗校准码控制振荡器的输出频率逼近所述目标频率；

当所述输出频率完成逼近，将第一校准结果写入寄存器。

8.根据权利要求7所述的频率校准方法，其特征在于，还包括：

控制所述自动频率校正模块二进制搜索频率精校准码；

根据所述频率精校准码控制数模转换器生成频率精调电压；

将第二校准结果写入所述寄存器。

9.根据权利要求7或8所述的频率校准方法，其特征在于，所述当所述输出频率完成逼近，将第一校准结果写入所述寄存器，具体包括：

所述输出频率位于所述目标频率的允许偏差范围内，将第一校准结果写入所述寄存器。

10.一种无线电探测、感知和测距系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的无晶振FMCW雷达收发机系统。

11.一种集成芯片，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的无晶振FMCW雷达收发机系统。

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