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TWI789912B - 調頻連續波雷達裝置及其訊號處理方法 - Google Patents

調頻連續波雷達裝置及其訊號處理方法 Download PDF

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TWI789912B
TWI789912B TW110134683A TW110134683A TWI789912B TW I789912 B TWI789912 B TW I789912B TW 110134683 A TW110134683 A TW 110134683A TW 110134683 A TW110134683 A TW 110134683A TW I789912 B TWI789912 B TW I789912B
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frames
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楊順斌
紀翔峰
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立積電子股份有限公司
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Abstract

一種調頻連續波雷達裝置及其訊號處理方法。調頻連續波雷達裝置包括發射級電路、頻率合成器、接收級電路、前級電路以及訊號處理電路。發射級電路用以傳送發射訊號。頻率合成器用以產生與掃頻週期有關的發射訊號。接收級電路用以接收接收訊號，其中接收訊號包括具有雜訊週期的週期性干擾訊號。前級電路根據接收訊號與發射訊號輸出包括多個訊框的待處理訊號。訊號處理電路依據與掃頻週期有關的取樣頻率將多個訊框分群為多個訊框群，且掃頻週期與雜訊週期有關。訊號處理電路以相同取用規則取用在每一訊框群中的至少一個訊框以產生經處理訊號。

Description

調頻連續波雷達裝置及其訊號處理方法
本發明是有關於一種雷達裝置，且特別是有關於一種調頻連續波雷達裝置及其訊號處理方法。
一般常見的雷達可以分為脈衝雷達和連續波雷達兩種，其中連續波雷達可以發射單頻連續波(Continuous Wave，CW)或調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)，以依據發射訊號和接收訊號之間的時間延遲和頻率偏移，量測人、動物或任一待測物體和雷達之間的距離與相對速度。通常為了抑制一些環境中的週期性干擾源(例如日光燈、電風扇、電源雜訊等)對雷達訊號產生的影響，會採用梳型濾波器(Comb Filter)，或動態調整觸發警報的門檻值。然則，梳型濾波器會消除干擾訊號的基礎頻率與其高次方諧波，可能會移除訊號中非干擾訊號的高頻部分。動態門檻值也必須根據干擾源的型態與特性給定不同的門檻 值而不具備通用性，且只能改變門檻值而無法實際消除干擾訊號。因此如何消除週期性的干擾訊號，並提升雷達裝置在進行雷達量測時的可信度，是諸多技術課題之一。
有鑑於此，本發明提出一種調頻連續波雷達裝置及其訊號處理方法，可以消除週期性干擾訊號，並提升雷達裝置的可信度。
在本發明的一實施例中，所述調頻連續波雷達裝置包括發射級電路、頻率合成器、接收級電路、前級電路以及訊號處理電路。發射級電路用以傳送發射訊號。頻率合成器耦接至發射級電路。頻率合成器用以產生與掃頻週期有關的發射訊號，其中發射訊號的頻率在掃頻週期內隨時間變化。接收級電路用以接收接收訊號，其中接收訊號是透過發射訊號發送至目標物後反射而形成，且接收訊號包括具有雜訊週期的週期性干擾訊號。前級電路耦接至頻率合成器與接收級電路。前級電路用以根據接收訊號與發射訊號輸出待處理訊號，其中待處理訊號包括多個訊框。訊號處理電路耦接至前級電路，其中訊號處理電路依據與掃頻週期有關的取樣頻率將多個訊框分群為多個訊框群，且掃頻週期與雜訊週期有關，以及訊號處理電路以相同取用規則取用在每一個訊框群中的多個訊框的至少一者以產生經處理訊號。
在本發明的一實施例中，所述訊號處理方法適用於調頻 連續波雷達裝置，所述訊號處理方法包括：產生與掃頻週期有關的發射訊號，其中發射訊號的頻率在掃頻週期內隨時間變化；傳送發射訊號；接收接收訊號，其中接收訊號是透過發射訊號發送至目標物後反射而形成，且接收訊號包括具有雜訊週期的週期性干擾訊號；根據接收訊號與發射訊號輸出待處理訊號，其中待處理訊號包括多個訊框；依據與掃頻週期有關的取樣頻率將多個訊框分群為多個訊框群，且掃頻週期與雜訊週期有關；以及以相同取用規則取用在每一訊框群中的多個訊框的至少一者，以產生經處理訊號。
基於上述，本發明諸實施例所述的調頻連續波雷達裝置及其訊號處理方法，可以透過發射級電路依據與雜訊週期有關的掃頻週期來傳送發射訊號，並透過接收級電路接收經目標物反射而形成的接收訊號，接著透過前級電路輸出包括多個訊框的待處理訊號，再透過訊號處理電路依據與掃頻週期有關的取樣頻率將訊框分為多個訊框群。訊號處理電路可以依據相同取用規則取用每一訊框群中的至少一個訊框，藉以減少接收訊號中的週期性干擾訊號的影響，進而提升雷達裝置的可信度。
為讓本發明的上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、400:調頻連續波(FMCW)雷達裝置
110:發射級電路
120:頻率合成器
130:接收級電路
140:前級電路
141:混頻器
142:類比數位轉換電路
150:訊號處理電路
151:擷取電路
152:雜訊週期偵測電路
153:累加電路
1531:加法器
1532:暫存器
15:乘法電路
A1:發射天線
A2:接收天線
d:距離
FS:取樣頻率
G1、G2、GK:訊框群
K、N:數值
LNA:低雜訊放大器
NP:週期性干擾訊號
OB:目標物
PA:功率放大器
S210~S260:步驟
SD:再取樣訊號
SF:訊框
SP、SP1、SP2、SPK:經處理訊號
SR:接收訊號
SRF:射頻訊號
ST:發射訊號
ST1:三角調頻連續波
ST2:鋸齒調頻連續波
SU:待處理訊號
TC:掃頻週期
TI:雜訊週期
圖1是依照本發明一實施例的調頻連續波雷達裝置的電路方 塊(circuit block)示意圖。
圖2是依照本發明一實施例的訊號處理方法的流程示意圖。
圖3是依照本發明一實施例說明調頻連續波雷達裝置的動作波形示意圖。
圖4是依照本發明另一實施例的調頻連續波雷達裝置的電路方塊示意圖。
圖5是依照本發明一實施例的訊號處理電路的電路方塊示意圖。
圖6是依照本發明再一實施例的訊號處理電路的電路方塊示意圖。
圖7是依照本發明又一實施例的訊號處理電路的電路方塊示意圖。
圖8是依照本發明又一實施例的訊號處理電路的電路方塊示意圖。
在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接(或連接)」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接(或連接)於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。本案說明書全文(包括申請專利範圍)中提及的「第一」、「第二」等用語 是用以命名元件(element)的名稱，或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量的上限或下限，亦非用來限制元件的次序。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。
圖1是依照本發明一實施例的調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷達裝置100的電路方塊(circuit block)示意圖。於圖1所示實施例中，FMCW雷達裝置100包括發射級電路110、頻率合成器120、接收級電路130、前級電路140以及訊號處理電路150。頻率合成器120耦接至發射級電路110。前級電路140耦接至頻率合成器120以及接收級電路130。訊號處理電路150耦接至前級電路140。依照設計需求，在一些實施例中，接收級電路130與前級電路140可以類比電路來實施，訊號處理電路150可以數位電路、軟體或是韌體來實施，但本實施例並不設限。
依照設計需求，訊號處理電路150也可以是中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)、微控制器單元(Microcontroller Unit，MCU)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式設計控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)或其它類似裝置或這些 裝置的組合。在其他實施例中，訊號處理電路150也可以硬體電路方式來實現各種操作功能，其詳細步驟及實施方式可以由所屬技術領域的通常知識獲致足夠的教示、建議與實施說明。
圖2是依照本發明的一實施例的一種訊號處理方法的流程示意圖。圖1所示FMCW雷達裝置100以及(或是)圖4所示FMCW雷達裝置400可以參照圖2的相關說明。請同時參照圖1與圖2。在步驟S210中，頻率合成器120可以產生與掃頻週期(chirp period)TC有關的發射訊號ST，其中發射訊號ST的頻率在掃頻週期TC內隨時間變化。舉例而言，發射訊號ST可以是調頻連續波，包括三角調頻連續波(Triangle FMCW)、鋸齒調頻連續波(Sawtooth FMCW)，或者也可以是其他種類的調頻連續波，本實施例並不設限。
在步驟S220中，發射級電路110可以傳送發射訊號ST。發射訊號ST發送至目標物OB後，目標物OB可以反射發射訊號ST而形成接收訊號SR。依照實際應用，目標物OB可以是人、動物、物體或任何一種待測物。在步驟S230中，接收級電路130可以接收接收訊號SR，其中接收訊號SR可能包括具有雜訊週期TI的週期性干擾訊號NP。例如，接收訊號SR可能包括具有頻率為50或60赫茲(Hz)，即雜訊週期TI為20或16.66毫秒(ms)，或是其他週期的週期性干擾訊號NP。
在步驟S240中，前級電路140可以根據接收訊號SR與發射訊號ST輸出待處理訊號SU，其中待處理訊號SU包括多個 訊框(frame)。舉例而言，前級電路140可以對發射訊號ST與接收訊號SR進行混頻、類比數位轉換以及(或是)其他前置處理，以輸出具有多個訊框的待處理訊號SU，供訊號處理電路150進行後續的訊號處理。
在步驟S250中，訊號處理電路150可以依據與掃頻週期TC有關的取樣頻率FS，將待處理訊號SU中的多個訊框SF分群為多個訊框群。依照設計需求，在一些實施例中，取樣頻率FS可以為6~48千赫茲(KHz)，或是大於雜訊週期TI的其他頻率，本實施例並不設限。在步驟S260中，訊號處理電路150可以相同取用規則取用在每一訊框群中的多個訊框的至少一者，以產生經處理訊號SP。其中經處理訊號SP可用以判斷目標物OB和FMCW雷達裝置100的空間資訊，例如是距離d、相對速度或其他量測特性，其判斷方式可以參考習知的雷達偵測技術，於此不再贅述。在本實施例中，發射級電路110與目標物OB的距離d等於接收級電路130與目標物OB的距離d，但本實施例並不設限。
舉例而言，圖3是依照本發明一實施例說明FMCW雷達裝置100的動作波形示意圖。圖3所示橫軸表示時間。於圖3所示實施例中，發射級電路110可以傳送與掃頻週期TC有關的發射訊號ST。發射訊號ST的具體波形可以依照實際設計來決定。例如，在一些實施例中，發射級電路110可以傳送週期為兩倍掃頻週期TC的三角調頻連續波ST1(發射訊號ST)。在另一些實施例中，發射級電路110也可以傳送週期等於掃頻週期TC的鋸齒調頻 連續波ST2(發射訊號ST)。接收級電路130接收的接收訊號SR可能包括具有雜訊週期TI的週期性干擾訊號NP。前級電路140可以根據發射訊號ST(例如三角調頻連續波ST1或鋸齒調頻連續波ST2)與接收訊號SR輸出待處理訊號SU，其中待處理訊號SU包括多個訊框SF。
值得一提的是，在本實施例中，掃頻週期TC與雜訊週期TI有關。舉例而言，在一些實施例中，掃頻週期TC與雜訊週期TI的關係可以為數值K與雜訊週期TI的乘積等於(或約略等於)數值N與掃頻週期TC的乘積，即具有關係式K*TI=N*TC。其中數值K、N皆為正整數，可以依照實際需求來設定。所述「約略等於」可以依據實際設計加以定義。舉例來說，在一些實施例中，數值K與雜訊週期TI乘積(K*TI)與數值N與掃頻週期TC的乘積(N*TC)兩者間的誤差可以不超過百分之一(或是其他預設的百分比)。舉例而言，假設雜訊週期TI為16.66毫秒、掃頻週期TC為11.141秒，則數值K可以等於8，數值N可以等於12，即8*16.66=133.28約略等於12*11.141=133.693。
於圖3所示實施例中，數值K被假設等於1，也就是一個雜訊週期TI為N倍的掃頻週期TC(即TI=N*TC)。在圖3所示實施例中，待處理訊號SU包括多個訊框SF。在圖3中被標記為「1」、「2」、「3」、...、「N」、「N+1」、「N+2」、「N+3」、...、「2N」、...、「(K-1)*N+1」、「(K-1)*N+2」、「(K-1)*N+3」...、「K*N」的方塊表示在待處理訊號SU中的不同訊框SF。訊號處理電路150可以依 據與掃頻週期TC有關的取樣頻率FS將多個訊框SF分群為訊框群G1、G2、...、GK。其中每一訊框群G1~GK均具有N個訊框SF。舉例來說，基於雜訊週期TI的時間長度，被標記為「1」~「N」的訊框SF被分群為訊框群G1，而被標記為「N+1」~「2N」的訊框SF被分群為訊框群G2。以此類推，被標記為「(K-1)*N+1」~「K*N」的訊框SF被分群為訊框群GK。
在本實施例中，訊號處理電路150可以相同取用規則取用在每一訊框群G1~GK中的N個訊框SF的至少一者，以產生經處理訊號SP。舉例來說，基於相同取用規則，訊號處理電路150可以取用在訊框群G1中被標記為「1」~「N」的訊框SF的至少一者以產生經處理訊號SP1，以及取用在訊框群G2中被標記為「N+1」~「2N」的訊框SF的至少一者以產生經處理訊號SP2。以此類推，基於所述相同取用規則，訊號處理電路150可以取用在訊框群GK中被標記為「(K-1)*N+1」~「K*N」的訊框SF的至少一者以產生經處理訊號SPK。經處理訊號SP包括每一訊框群G1~GK所對應的經處理訊號SP1~SPK。
依照實際設計，在一些實施例中，所述相同取用規則可以包括，選擇在訊框群G1~GK的一個目前訊框群中的N個訊框SF的至少一訊框作為所述目前訊框群的經處理訊號。其中，在訊框群G1~GK的一個訊框群中被選擇的至少一訊框的時序位置相同於訊框群G1~GK的另一個訊框群中被選擇的至少一訊框的時序位置。例如，在一些實施例中，在訊框群G1~GK中的第一個訊框 SF(被標記為「1」、「N+1」、...、「(K-1)*N+1」的訊框SF)被選擇作為訊框群G1~GK的經處理訊號SP1~SPK。其中，被標記為「1」、「N+1」、...、「(K-1)*N+1」的訊框SF分別在各自的訊框群G1~GK中的時序位置相同。
再舉例而言，在又一些實施例中，所述相同取用規則可以包括，取用在訊框群G1~GK的一個目前訊框群中的N個訊框SF的全部去進行累加運算以產生累加訊框，以及以所述累加訊框作為所述目前訊框群的經處理訊號。以訊框群G1為例，訊號處理電路150可以取用在訊框群G1中被標記為「1」~「N」的訊框SF的全部去進行累加運算以產生累加訊框，以及以所述累加訊框作為訊框群G1的經處理訊號SP1。其餘訊框群G2~GK與其餘經處理訊號SP2~SPK以參照訊框群G1與經處理訊號SP1的相關說明加以類推，故不再贅述。
或者，在另一些實施例中，所述相同取用規則可以包括，選擇在訊框群G1~GK的一個目前訊框群中的N個訊框SF的複數個訊框，並使用在目前訊框群中被選擇的複數個訊框SF去進行累加運算以產生累加訊框，以及以所述累加訊框作為目前訊框群的經處理訊號。其中，在訊框群G1~GK的一個訊框群中被選擇的複數個訊框SF的時序位置相同於訊框群G1~GK的另一個訊框群中被選擇的複數個訊框SF的時序位置。例如，訊號處理電路150可以在訊框群G1中選擇第一個與第N個訊框SF(被標記為「1」與「N」的兩個訊框SF)進行累加運算，以產生第一累加訊 框作為訊框群G1的經處理訊號SP1，並且在訊框群G2中選擇第一個與第N個訊框SF(被標記為「N+1」與「2N」的兩個訊框SF)進行累加運算，以產生第二累加訊框作為訊框群G2的經處理訊號SP2。以此類推，基於所述相同取用規則，訊號處理電路150可以在訊框群GK中選擇第一個與第N個訊框SF(被標記為「(K-1)*N+1」與「K*N」的兩個訊框SF)進行累加運算，以產生第K累加訊框作為訊框群GK的經處理訊號SPK。
再者，在另一些實施例中，所述相同取用規則可以包括，選擇在訊框群G1~GK的一個目前訊框群中的N個訊框SF的第一部分去進行累加運算以產生第一累加訊框，並取用在所述目前訊框群中的N個訊框SF的第二部分去進行所述累加運算以產生第二累加訊框，以及以所述第一累加訊框與所述第二累加訊框作為所述目前訊框群的經處理訊號。例如，在本實施例中，假設發射級電路110傳送的發射訊號ST是以兩倍掃頻週期TC為週期的三角調頻連續波ST1，則訊號處理電路150可以將訊框群G1~GK的每一個的所有訊框SF分為第一部分與第二部分。例如，訊號處理電路150可以在訊框群G1中選擇第奇數個訊框SF(被標記為「1」、「3」、...等對應三角調頻連續波ST1的頻率上升期間的多個訊框SF)作為所述第一部份去進行累加運算以產生第一累加訊框，並且取用在訊框群G1中第偶數個訊框SF(被標記為「2」、...等對應三角調頻連續波ST1的頻率下降期間的多個訊框SF)來作為所述第二部份去進行累加運算以產生第二累加訊框。然後，訊號處 理電路150可以用所述第一累加訊框與所述第二累加訊框作為訊框群G1的經處理訊號SP1。其餘訊框群G2~GK的取用與計算方式依此類推，於此不再贅述。
又舉例而言，在更一些實施例中，所述相同取用規則可以包括，取用在訊框群G1~GK的一個目前訊框群中的N個訊框SF的全部去進行平均運算以產生平均訊框，以及以所述平均訊框作為所述目前訊框群的經處理訊號。以訊框群G1為例，訊號處理電路150可以取用在訊框群G1中的全部訊框(被標記為「1」~「N」的訊框SF)去進行平均運算以產生平均訊框，以及以所述平均訊框作為訊框群G1的經處理訊號SP1。其餘訊框群G2~GK與其餘經處理訊號SP2~SPK以參照訊框群G1與經處理訊號SP1的相關說明加以類推，故不再贅述。
或者，在另一些實施例中，所述相同取用規則可以包括，在訊框群G1~GK的一個目前訊框群的N個訊框SF中選擇部份訊框，並使用在目前訊框群中被選擇的這些訊框SF去進行平均運算以產生平均訊框，以及以所述平均訊框作為目前訊框群的經處理訊號。其中，在訊框群G1~GK的一個訊框群中被選擇的多個訊框SF的時序位置相同於訊框群G1~GK的另一個訊框群中被選擇的多個訊框SF的時序位置。例如，訊號處理電路150可以在訊框群G1中選擇第一個與第N個訊框SF(被標記為「1」與「N」的兩個訊框SF)進行平均運算，以產生第一平均訊框作為訊框群G1的經處理訊號SP1，並且在訊框群G2中選擇第一個與第N個 訊框SF(被標記為「N+1」與「2N」的兩個訊框SF)進行平均運算，以產生第二平均訊框作為訊框群G2的經處理訊號SP2。以此類推，基於所述相同取用規則，訊號處理電路150可以在訊框群GK中選擇第一個與第N個訊框SF(被標記為「(K-1)*N+1」與「K*N」的兩個訊框SF)進行平均運算，以產生第K平均訊框作為訊框群GK的經處理訊號SPK。
再者，在另一些實施例中，所述相同取用規則可以包括，選擇在訊框群G1~GK的一個目前訊框群中的N個訊框SF的第一部分去進行平均運算以產生第一平均訊框，並取用在所述目前訊框群中的N個訊框SF的第二部分去進行所述平均運算以產生第二平均訊框，以及以所述第一平均訊框與所述第二平均訊框作為所述目前訊框群的經處理訊號。例如，在本實施例中，假設發射級電路110傳送的發射訊號ST是以兩倍掃頻週期TC為週期的三角調頻連續波ST1，則訊號處理電路150可以將訊框群G1~GK的每一個的所有訊框SF分為第一部分與第二部分。例如，訊號處理電路150可以在訊框群G1中選擇第奇數個訊框SF(被標記為「1」、「3」、...等對應三角調頻連續波ST1的頻率上升期間的多個訊框SF作為所述第一部份去進行平均運算以產生第一平均訊框，並且取用在訊框群G1中第偶數個訊框SF(被標記為「2」、...等對應三角調頻連續波ST1的頻率下降期間的多個訊框SF)來作為所述第二部份去進行平均運算以產生第二平均訊框。然後，訊號處理電路150可以用所述第一平均訊框與所述第二平均訊框作為訊 框群G1的經處理訊號SP1。其餘訊框群G2~GK的取用與計算方式依此類推，於此不再贅述。
綜上所述，發射級電路110可以依據與雜訊週期TI有關的掃頻週期TC來傳送發射訊號ST，且訊號處理電路150可以依據與掃頻週期TC有關的取樣頻率FS將待處理訊號SU中的訊框SF分為多個訊框群G1~GK。訊號處理電路150可以依據上述任一相同取用規則取用每一訊框群G1~GK中的至少一個訊框SF。依照實際設計，訊號處理電路150可以將取用自目前訊框群中的至少一個訊框SF作為所述目前訊框群的經處理訊號SP，或是選擇目前訊框群中的部分或全部訊框SF去進行累加運算以產生累加訊框作為所述目前訊框群的經處理訊號SP，或是選擇目前訊框群中的部分或全部訊框SF去進行平均運算以產生平均訊框作為所述目前訊框群的經處理訊號SP。由於在每個週期性干擾訊號NP的雜訊週期都以相同取用規則取用至少一個訊框SF去進行運算，以產生作為每個對應訊框群的經處理訊號SP，干擾訊號NP對於經處理訊號SP中每個對應訊框群的影響幾乎相同，故可視為不影響判斷目標物OB空間資訊的固定訊號。因此，訊號處理電路150可以使在經處理訊號SP中關於週期性干擾訊號NP的干擾成份進行平滑化(Smoothing)。基於週期性干擾訊號NP的相關成份已經被平滑化，後端電路(系統)可以容易的消除(或忽略)在經處理訊號SP中關於週期性干擾訊號NP的干擾成份。此外，訊號處理電路150可以保留接收訊號SR中週期小於掃頻週期TC的高次方 諧波頻率所對應的訊號，進而提升FMCW雷達裝置100的可信度。
圖4是依照本發明另一實施例的FMCW雷達裝置400的電路方塊示意圖。於圖4所示實施例中，FMCW雷達裝置400可以包括發射級電路110、頻率合成器120、接收級電路130、前級電路140以及訊號處理電路150。圖4所示發射級電路110、頻率合成器120、接收級電路130、前級電路140以及訊號處理電路150可以參照圖1所示發射級電路110、頻率合成器120、接收級電路130、前級電路140以及訊號處理電路150的相關說明加以類推，故不再贅述。不同於圖1所示實施例之處在於，圖4所示FMCW雷達裝置400還可以包括發射天線A1與接收天線A2。發射級電路110可以透過發射天線A1發送發射訊號ST至目標物OB。接收級電路130可以透過接收天線A2接收目標物OB反射發射訊號ST而形成的接收訊號SR。此外，在一些實施例中，訊號處理電路150可以依據接收訊號SR調整掃頻週期TC，以調整發射訊號ST的頻率。
依照設計需求，在一些實施例中，發射級電路110可以包括功率放大器(power amplifier)PA或其他種類的訊號放大器。功率放大器PA可以放大發射訊號ST。在一些實施例中，接收級電路130可以包括低雜訊放大器(low noise amplifier)LNA或其他種類的訊號放大器。低雜訊放大器LNA可以放大接收訊號SR。
依照設計需求，在一些實施例中，前級電路140可以包括混頻器141與類比數位轉換(analog-to-digital converter,ADC) 電路142。混頻器141可以將接收訊號SR與發射訊號ST進行混頻，以輸出射頻訊號SRF。由於接收訊號SR是透過發射訊號ST發送至目標物OB後反射而形成，發射訊號ST與接收訊號SR之間會具有時間延遲與(或)頻率偏移，因此混頻器141可以輸出兩者在同一時間點上的頻率差。類比數位轉換電路142的輸入端可以耦接至混頻器141輸出端，以接收射頻訊號SRF。類比數位轉換電路142可以將所述射頻訊號SRF(類比訊號)轉換為待處理訊號SU(數位訊號)。
依照設計需求，在一些實施例中，為了方便訊號處理電路150進行後續的訊號處理或雷達偵測判斷(例如進行快速傅立葉變換)，訊號處理電路150除了可以依據取樣頻率FS將待處理訊號SU中的訊框分群，更可使得每一訊框群中的每一訊框的取樣點(samples)數量為2的冪次方，例如可以設定為64、128、256或是其他數量。
圖5是依照本發明一實施例所繪示，訊號處理電路150的電路方塊示意圖。依照實際設計，圖1所示訊號處理電路150與(或)圖4所示訊號處理電路150可以參照圖5所示訊號處理電路150的相關說明加以類推。在圖5所示實施例中，訊號處理電路150可以包括擷取電路151與累加電路153。擷取電路151耦接至前級電路140。擷取電路151可以依據取樣頻率FS擷取待處理訊號SU，以產生再取樣訊號SD。在一些實施例中，在每一訊框的中再取樣訊號SD的取樣點數量可以為2的冪次方，訊號處理電路 150可以依據再取樣訊號SD產生經處理訊號SP。
舉例而言，假設雜訊週期TI為16.66毫秒，且設定取樣頻率FS為24414.0625赫茲，擷取電路151可以依據取樣頻率FS擷取待處理訊號SU，以使得每一訊框群中的每一訊框均具有68個取樣點，則掃頻週期TC為68*1/24414.0625=2.78528毫秒，且每一訊框群約具有6個訊框，即前述掃頻週期TC與雜訊週期TI的關係式K*TI=N*TC中的數值K為1，數值N為6。或者，假設雜訊週期TI一樣為16.66毫秒，且設定取樣頻率FS設定為48828.125赫茲，擷取電路151可以依據取樣頻率FS擷取待處理訊號SU，以使得每一訊框群中的每一訊框均具有68個取樣點，即掃頻週期TC為68*1/48828.125=1.39264豪秒，則每一訊框群約具有12個訊框，即前述關係式中的數值K為1，數值N為12。擷取電路151還可以將待處理訊號SU的每一訊框群中的每一訊框由68個取樣點調整成64(2的冪次方)個取樣點，以產生再取樣訊號SD。舉例而言，在一些實施例中，擷取電路151可以忽略每一訊框的前後2個((68-4)/2)取樣點。或者，在另一些實施例中，擷取電路151可以透過延時擷取的方式，忽略待處理訊號SU中的每一訊框的前面4個取樣點，以產生再取樣訊號SD。在一些實施例中，擷取電路151可以使用開關電路或對應的方法來實現取樣點數量的調整。
圖5所示前級電路140與訊號處理電路150可以參照圖1或圖4所示前級電路140與訊號處理電路150的相關說明加以 類推，於此不再贅述。於圖5所示實施例中，累加電路153可以耦接至擷取電路151，以接收再取樣訊號SD。累加電路153可以接收並累加在再取樣訊號SD中的多個訊框群的目前訊框群中的多個訊框以產生累加訊框。在一些實施例中，累加電路153可以使用加法器1531與暫存器1532來實現。加法器1531的第一輸入端耦接至擷取電路151的輸出端，以接收再取樣訊號SD。暫存器1532的輸入端耦接至加法器1531的輸出端，以接收累加訊框。暫存器1532的輸出端輸出新的累加訊框給加法器1531的第二輸入端，以更新暫存器1532的累加訊框。暫存器1532的輸出端輸出的累加訊框可以作為目前訊框群的經處理訊號SP。
圖6是依照本發明再一實施例所繪示，訊號處理電路150的電路方塊示意圖。依照實際設計，圖1所示訊號處理電路150與(或)圖4所示訊號處理電路150可以參照圖6所示訊號處理電路150的相關說明加以類推。於圖6所示實施例中，訊號處理電路150可以包括擷取電路151、累加電路153與乘法電路154。其中，圖6所示擷取電路151與累加電路153可以參照圖5所示擷取電路151與累加電路153的相關說明加以類推，故不再贅述。於圖6所示實施例中，乘法電路154的輸入端可以耦接至擷取電路151的輸出端，以接收再取樣訊號SD。在本實施例中，乘法電路154可以對再取樣訊號SD中的多個訊框群的一個目前訊框群中的多個訊框進行乘法運算以產生經乘訊框。累加電路153的輸入端可以耦接至乘法電路154的輸出端，以接收並累加在目前訊 框群中的多個經乘訊框以產生累加訊框，並作為目前訊框群的經處理訊號SP。舉例而言，在一些實施例中，假設目前訊框群具有N個訊框，則乘法電路154可以將每一訊框與數值1/N相乘。換言之，乘法電路154與累加電路153對目前訊框群中的多個訊框所進行的操作相當於平均運算。
圖7是依照本發明又一實施例所繪示，訊號處理電路150的電路方塊示意圖。依照實際設計，圖1所示訊號處理電路150與(或)圖4所示訊號處理電路150可以參照圖7所示訊號處理電路150的相關說明加以類推。於圖7所示實施例中，訊號處理電路150可以包括擷取電路151、累加電路153與乘法電路154。其中，圖7所示擷取電路151與累加電路153可以參照圖5所示擷取電路151與累加電路153的相關說明加以類推，故不再贅述。於圖7所示實施例中，乘法電路154的輸入端可以耦接至累加電路153的輸出端，以對目前訊框群中的累加訊框進行乘法運算以產生經乘訊框，並作為目前訊框群的經處理訊號SP。舉例而言，在一些實施例中，假設目前訊框群具有N個訊框，則乘法電路154可以將累加訊框與數值1/N相乘。換言之，累加電路153與乘法電路154對目前訊框群中的多個訊框所進行的操作相當於平均運算。
圖8是依照本發明又一實施例的訊號處理電路150的電路方塊示意圖。在圖8所示實施例中，訊號處理電路150還可以包括雜訊週期偵測電路152。雜訊週期偵測電路152可以耦接至前 級電路140、擷取電路151以及(或是)訊號處理電路150的輸出端，以依據待處理訊號SU、再取樣訊號SD與經處理訊號SP的至少其中之一來偵測週期性干擾訊號NP的雜訊週期TI。在一些實施例中，雜訊週期偵測電路152可以根據雜訊週期TI調整掃頻週期TC，進而使頻率合成器120可以依據掃頻週期TC調整發射訊號ST的頻率。
綜上所述，本發明諸實施例所述的FMCW雷達裝置及其訊號處理方法，可以透過發射級電路依據與雜訊週期有關的掃頻週期來傳送發射訊號，並透過接收級電路接收經目標物反射而形成的接收訊號，接著透過前級電路輸出包括多個訊框的待處理訊號，再透過訊號處理電路依據與掃頻週期有關的取樣頻率將訊框分為多個訊框群，以及依據相同取用規則取用每一訊框群中的至少一個訊框，藉以減少接收訊號中的週期性干擾訊號的影響，進而提升雷達裝置的可信度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:調頻連續波雷達裝置
110:發射級電路
120:頻率合成器
130:接收級電路
140:前級電路
150:訊號處理電路
d:距離
FS:取樣頻率
NP:週期性干擾訊號
OB:目標物
SP:經處理訊號
SR:接收訊號
ST:發射訊號
SU:待處理訊號
TC:掃頻週期
TI:雜訊週期

Claims (20)

  1. 一種調頻連續波雷達裝置，包括：一發射級電路，用以傳送一發射訊號；一頻率合成器，耦接至該發射級電路，該頻率合成器用以產生與一掃頻週期有關的該發射訊號，其中該發射訊號的頻率在該掃頻週期內隨時間變化；一接收級電路，用以接收一接收訊號，其中該接收訊號是透過該發射訊號發送至一目標物後反射而形成，且該接收訊號包括具有一雜訊週期的一週期性干擾訊號；一前級電路，耦接至該頻率合成器與該接收級電路，該前級電路用以根據該接收訊號與該發射訊號輸出一待處理訊號，其中該待處理訊號包括多個訊框；以及一訊號處理電路，耦接至該前級電路，其中該訊號處理電路依據與該掃頻週期有關的一取樣頻率將該些訊框分群為多個訊框群，且該掃頻週期與該雜訊週期有關，以及該訊號處理電路以一相同取用規則取用在每一該些訊框群中的該些訊框的至少一者以產生一經處理訊號。
  2. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該掃頻週期與該雜訊週期的關係為一第一數值與該雜訊週期的乘積約略等於一第二數值與該掃頻週期的乘積，其中該第一數值與該第二數值皆為正整數。
  3. 如請求項2所述的調頻連續波雷達裝置，其中所述約略等於被定義為，該第一數值與該雜訊週期的乘積與該第二數值與該掃頻週期的乘積兩者間的誤差不超過百分之一。
  4. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該些訊框中的每一訊框的取樣點數量為2的冪次方。
  5. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該相同取用規則包括，選擇在該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框的至少一訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號，其中在該些訊框群的一訊框群中被選擇的該至少一訊框的時序位置相同於該些訊框群的另一訊框群中被選擇的該至少一訊框的時序位置。
  6. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該相同取用規則包括，選擇在該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框的複數個訊框，使用在該目前訊框群中被選擇的該複數個訊框去進行一累加運算以產生一累加訊框，以及以該累加訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號，其中在該些訊框群的一訊框群中被選擇的該複數個訊框的時序位置相同於該些訊框群的另一訊框群中被選擇的該複數個訊框的時序位置。
  7. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該相同取用規則包括，選擇在該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框的複數個訊框，使用在該目前訊框群中被選擇的該複數個訊框去進行一平均運算以產生一平均訊框，以及以該平均訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號，其中在該些訊框群的一訊框群中被選 擇的該複數個訊框的時序位置相同於該些訊框群的另一訊框群中被選擇的該複數個訊框的時序位置。
  8. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該相同取用規則包括，取用在該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框的全部去進行一累加運算以產生一累加訊框，以及以該累加訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號。
  9. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該相同取用規則包括，取用在該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框的一第一部份去進行一累加運算以產生一第一累加訊框，取用在該目前訊框群中的該些訊框的一第二部份去進行該累加運算以產生一第二累加訊框，以及以該第一累加訊框與該第二累加訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號。
  10. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該相同取用規則包括，取用在該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框全部去進行一平均運算以產生一平均訊框，以及以該平均訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號。
  11. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該相同取用規則包括，取用在該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框的一第一部份去進行一平均運算以產生一第一平均訊框，取用在該目前訊框群中的該些訊框的一第二部份去進行該平均運算以產生一第二平均訊框，以及以該第一平均訊框與該第二平均訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號。
  12. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該訊號處理電路包括：一擷取電路，用以依據該取樣頻率擷取該待處理訊號以產生一再取樣訊號，其中該再取樣訊號包括該些訊框群，該訊號處理電路用以依據該再取樣訊號以產生該經處理訊號。
  13. 如請求項12所述的調頻連續波雷達裝置，其中該訊號處理電路更包括：一累加電路，耦接至該擷取電路，用以接收並累加在該再取樣訊號的該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框以產生一累加訊框，其中該累加訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號。
  14. 如請求項12所述的調頻連續波雷達裝置，其中該訊號處理電路更包括：一乘法電路，耦接至該擷取電路，用以對在該再取樣訊號的該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框進行一乘法運算以產生多個經乘訊框；以及一累加電路，耦接至該乘法電路，用以接收並累加在該目前訊框群中的該些經乘訊框以產生一累加訊框，其中該累加訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號。
  15. 如請求項12所述的調頻連續波雷達裝置，其中該訊號處理電路更包括：一累加電路，耦接至該擷取電路，用以接收並累加在該再取樣訊號的該些訊框群的一目前訊框群中的該些訊框以產生一累加 訊框；以及一乘法電路，耦接在該累加電路，用以對在該目前訊框群中的該累加訊框進行一乘法運算以產生一經乘訊框，其中該經乘訊框作為該目前訊框群的該經處理訊號。
  16. 如請求項12所述的調頻連續波雷達裝置，其中該訊號處理電路更包括：一雜訊週期偵測電路，用以依據該待處理訊號、該再取樣訊號與該經處理訊號的至少其中之一偵測該週期性干擾訊號的該雜訊週期，以及根據該雜訊週期調整該掃頻週期。
  17. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該前級電路包括：一混頻器，用以將該接收訊號與該發射訊號進行混頻，以輸出一射頻訊號；以及一類比數位轉換電路，用以將該射頻訊號轉換為該待處理訊號。
  18. 如請求項1所述的調頻連續波雷達裝置，其中該發射訊號為一調頻連續波，包括一三角調頻連續波或一鋸齒調頻連續波。
  19. 一種訊號處理方法，適用於一調頻連續波雷達裝置，該訊號處理方法包括：產生與一掃頻週期有關的一發射訊號，其中該發射訊號的頻率在該掃頻週期內隨時間變化； 傳送該發射訊號；接收一接收訊號，其中該接收訊號是透過該發射訊號發送至一目標物後反射而形成，且該接收訊號包括具有一雜訊週期的一週期性干擾訊號；根據該接收訊號與該發射訊號輸出一待處理訊號，其中該待處理訊號包括多個訊框；依據與該掃頻週期有關的一取樣頻率將該些訊框分群為多個訊框群，其中該掃頻週期與該雜訊週期有關；以及以一相同取用規則取用在每一該些訊框群中的該些訊框的至少一者，以產生一經處理訊號。
  20. 如請求項19所述的訊號處理方法，其中該掃頻週期與該雜訊週期的關係為一第一數值與該雜訊週期的乘積約略等於一第二數值與該掃頻週期的乘積，其中該第一數值與該第二數值皆為正整數。
TW110134683A 2021-09-16 2021-09-16 調頻連續波雷達裝置及其訊號處理方法 TWI789912B (zh)

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