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基于Delta-Sigma调制发射机的分频MIMO FMCW雷达系统

摘要 - 在本文中，我们提出了一种硬件有效的方法，允许在频域中实现发射（TX）信号的分离来实现多输入多输出（MIMO）雷达。所提出的架构在多通道调频连续波（FMCW）雷达的TX路径内使用二进制相移键控（BPSK）调制器。这些BPSK调制器由1位序列驱动，它们使用调制器产生，以将量化噪声向高频移位。因此，所提出的方法不需要多位数模转换器，也不需要矢量调制器或移相器。由于FMCW原理依赖于在窄频带内的拍频的评估，成形的量化噪声在感兴趣的频率之外，因此可以被滤除。所选择的硬件设置被优化用于集成到单片微波集成电路（MMIC）中，其由基于77-GHz芯片的原型系统证明。组合几个MMIC实现具有六个TX和八个接收信道的雷达前端，导致48个MIMO信道。导出了信号处理方法，并提出了减少歧义的方法。测量显示15厘米的范围分辨率和3分贝波束宽度3，位置标准偏差优于1毫米。此外，放置在雷达明确范围之外的目标的测量示例显示了在不明确的距离处来自目标的不想要的信号的8dB的功率降低。通过为TX信号选择不相似的频率间隔来实现这一改进。

索引术语 - 汽车雷达，波束形成，多输入多输出（MIMO），雷达系统，雷达。

一，引言

THE STEADILY越来越多的汽车雷达分布导致了降低生产成本和增加这种传感器功能的兴趣。此外，对小型化和监管框架的需求导致了运行频率向较高频率的转变，因此目前大多数新开发的系统都在76.5或79 GHz左右的毫米波区域内工作[1]。随着半导体技术的发展，将毫米波组件集成到单片微波集成电路（MMIC）中变得可行。今天甚至可以将整个系统整合到封装器件中，可以很容易地集成到传统的生产工艺中[2] - [5]。由于这些成功的发展，可以通过汽车雷达技术来实现诸如自主巡航控制或预碰撞安全系统的各种应用。然而，不同的安全和舒适应用需要不同的传感器特性。如果单个雷达硬件平台同时且以适应的方式在最佳情况下支持多种操作模式将是有利的。

手稿于2014年6月30日收到; 2014年9月11日修订 2014年10月9日接受发布日期2014年10月28日 当前版本的日期2014年12月02日。这项工作得到了DICE GmbH＆Co KG的支持，是英飞凌的一部分。 本文是2014年6月1-6日，美国佛罗里达州坦帕湾IEEE MTT-S国际微波研讨会的扩展版本。

R. Feger和A. Stelzer先生与奥地利林茨4040（约翰内斯开普勒大学通信工程与RF系统研究所）（电子邮件：r.feger@nthfs.jku.at; a.stelzer@nthfs.jku 。在）。

C. Pfeffer与奥地利林茨4040（约翰内斯开普勒大学通信工程与射频系统研究所的综合雷达传感器基督教多普勒实验室）（电子邮件：c.pfeffer@nthfs.jku.at）。

本文中的一个或多个图形的彩色版本可从http://ieeexplore.ieee.org在线获取。

数字对象标识符10.1109 / TMTT.2014.2364220

实现这种多功能雷达的一个关键部件是天线，因为其尺寸和设计影响了多个目标的角度覆盖和角度分离等参数。目前可用的汽车雷达系统依赖于不同的天线设计用于长距离应用（有限和集中的角度覆盖，但是高角度测量精度）和短距离和中频应用（广角覆盖，中角度测量精度，但是良好的角度分辨率在多个目标之间）。为了避免物理聚焦元件（如透镜或反射镜），将努力纳入到MMIC中集成的多个RF通道的波束成形系统的开发[3]，[4]，[6] - [10]。这样的系统可以分为几类，我们将在以下工作中定义：多个RF信道可以作为接收（RX）相控阵列运行，其中从各种天线接收的信号被加权，相移和相加模拟电路或作为发射（TX）相控阵列，其中相干但相移的信号被分配到各种天线。在这两种情况下（并且明显地也在收发器组合中），可以通过相应地选择相位和幅值来实现具有可控方向的聚焦天线波束。作为相控阵原理的替代方案，其中在雷达的RF部分中以及因此在模拟域中直接执行相移和相干相加，也可以在数字域中执行波束形成。

对于RX数字波束成形（DBF）阵列，每个天线的信号从毫米波频率下变频到较低的频率，其中可以使用模数转换器（ADC）将其转换为数字信号。 在数字域中，可以将前述的RX相控阵方法等效地进行相移和求和。 如果使用数模转换器（DAC）和上变频器，则可以将相同的方法应用于TX信号。 从这个角度来看，相控阵和DBF方法在数学上是等效的，并导致相同的波束。 然而，每个方法都有其优点，并且可以根据期望的应用而合适。

由于相控阵列通过RF能量的相干相加形成波束，所以通过相控阵列可实现的信噪比（SNR）通常优于用其DBF对应物可实现的信噪比（SNR），但是只有当波束的转向方向被选择为 指向感兴趣的目标。 在具有未知目标位置的多目标场景中，DBF方法是有利的，因为它允许同时创建多个波束。 这意味着不需要在场景中对波束进行耗时的扫描。 此外，DBF方法允许实现不能由纯相控阵列系统实现的波束。

实现这种行为的一种可能性是在不同的TX天线上使用独立的信号，因为通常在多输入多输出（MIMO）雷达技术中完成，以实现可在接收机中分离的TX信号。 以这种方式，发射机，接收机和目标之间的所有路径的信息可以被分开处理并以最佳方式组合。 已经表明，MIMO方法导致增加的自由度数量，因此适用于物理RF信道数量有限的情况[11]，[12]。 已经提出了创建所需独立TX信号的各种方法[13] - [18]。

MIMO雷达的最简单的实现是使用时分复用（TDM），即顺序发射机激活。从硬件角度来看，这是一个非常有效的方法，但是导致测量时间增加，需要额外的努力来移动目标场景[19] - [21]。为了克服这些问题，同时发送，但可以通过频分复用（FDM）生成独立的TX信号。特别是对于基于频率调制连续波（FMCW）的雷达，其中目标信息被转换为信号频率，这是一种自然的方法。已经提出了分离IF频率或频率域中的TX信道的基于FDM的MIMO FMCW雷达的一些示例[16]，[22]，[23]，但在这项工作中，我们将重点介绍一种方法，在[24]中提出。这种方法可以很容易地应用于FMCW系统，这是目前市面上可用的汽车雷达中最广泛使用的雷达原理。此外，所提出的解决方案是基于构建块，可以在当前的MMIC技术中轻松实现。如[24] - [26]所示，只需将简单的二进制相移键控（BPSK）调制器添加到FMCW雷达的TX通道即可。可以通过将BPSK调制器与调制技术组合来实现适用于MIMO雷达的频移TX信号。这导致了易于集成的解决方案，并且不需要多位DAC，例如[22]中提出的解决方案所需的解决方案。相移阵列也是可以避免的。与[24]相比，基本思想与原型和第一测量结果一起呈现，在此工作中，系统被修改为包括更高阶调制器。另外，将导出MIMO信号模型，并且将更详细地解释信号处理方法。此外，将提供一种避免模糊测量而不增加ADC采样率的方法。最后，将显示实际应用的更详细的测量结果。

图。 所提出的MIMO雷达的RF和IF部分的信号频率。 通过每个TX信号的频移实现接收机中多个TX信号的分离。 注意，不像图1所示。 如图1（a）所示，选择这项工作的频率 。（a）雷达射频部分的时变频率。 TX频率显示为虚线，RX频率为实线。 （b）雷达中频部分信号的光谱。

二， 系统架构与操作原理

这项工作的基本思想是扩展多通道FMCW雷达，实现同时发射的MIMO雷达。 由于FMCW雷达将目标参数（如范围和速度）转换为具有不同频率的正弦IF信号分量，因此典型的FMCW雷达已经包含用于分离频率分量的构建块。 因此，实现MIMO FMCW雷达的明显方法是分离频域中的TX信号和FMCW雷达中已经可用的重用结构块。

A.FMCW雷达的FDM

通过将th线性频率调制的TX信号移位一定的偏移频率，可以实现接收机中多个TX信号的分离，如图1所示。这里，TX索引和表示TX的总数。由于模拟斩波，FMCW雷达使用频率远低于RF带宽的IF输出信号进行工作。因此，选择比FMCW信号的RF带宽小的偏移频率就足够了。只要所有的差异都大于来自非移相FMCW信道的预期最大输出频率的两倍（取决于最大目标范围和/或速度），则可以将接收机中的TX信号分离。如图所示。如图1所示，可以使用双边带调制，即每个TX信号被分成具有频率的两个分量，表示不连续的FMCW信号的频率。请注意，雷达的RX部分也可用于下变频。

观察图1中的信号频率。图1示出了所提出的方法使用各种频率，其可以在RF以及在雷达的IF部分中被很好地分离。这与正交频分复用（OFDM）雷达类似，这也使用多个音调作为TX信号。 OFDM雷达还可以在不同天线上使用不同的音调来实现MIMO功能[27] - [29]。然而，这项工作的方法将FMCW原理与（几乎）正交TX信号调制相结合。这意味着所提出的系统可以通过使用通过常规信号生成（例如，使用锁相环（PLL））实现的大的FMCW扫描带宽来实现非常高范围的分辨率。同时，由于所有独立的FMCW信号的带宽在ADC之前通过模拟去除来减少，系统可以以中等的ADC转换速率运行。

B.实施细节

这项工作的一个目的是实现一种FDM MIMO解决方案，可以轻松集成到MMIC中。雷达TX部分的关键部件是调整TX信号频率的调制器。如[22]所示，可以通过雷达的TX路径中的正交调制器来实现这种频移。然而，这种方法遭受同相/正交（I / Q）损伤和实现调制器电路所需的硬件工作。在这项工作中，我们将专注于一个更简单的调制器结构，即一个BPSK调制器，允许将毫米波信号的相位切换在0和180之间。这样一个BPSK调制器可以用毫米波信号实现，使用例如，在[26]和[30]中介绍的差分信号的分量互换。使用具有频率的周期信号作为这种BPSK调制器的输入对应于毫米波信号与方波的乘法。根据需要，这种方法将导致具有分量的毫米波信号，但是由于 1和—1之间的幅度切换，毫米波信号也将包含在周围的开关频率的奇数倍的信号分量。通过这种方法，将很难找到频率，这导致用于具有多个发射机的实际应用的不重叠的频带。同样，FMCW原理的属性可以用来找到这个问题的解决方案。如前所述，FMCW雷达在IF阶段以中等频率运行。这意味着在ADC之前，较高频率的信号分量被模拟滤波器去除。此外，雷达的TX部分具有由天线元件引起的有限带宽，各种构建块之间的RF转换等。通过利用这些滤波器特性，可以以快速调制驱动BPSK调制器，其分配频率区域的不需要的信号分量，不会干扰雷达的信号。

由于需要TX信号的正弦调制（参见图1），而是仅通过BPSK调制器实现1位乘法，将将数字产生的正弦波转换为1位序列的构建块是需要。显然，1比特序列的减少导致了高水平的量化噪声，但是由于在雷达的TX部分中有很多RF带宽可用，所以可以对TX信号进行过采样，这导致了量化噪声的分布更宽的频段。此外，通过使用调制器将数字信号转换为1位序列，可以将量化噪声不均匀地分配给较高频率[31]。在这项工作中利用了这种调制器的噪声整形特性，导致复杂性向数字领域的转变。以前的解决方案需要与多位DAC组合的正交调制器，而在[24]和本工作中提出的方法只需要由1位输入控制的BPSK调制器。如[24]所示，所提出的MIMO FMCW雷达的框图如图1所示。所提出的系统是基于传统的FMCW雷达架构。使用PLL与压控振荡器（VCO）的组合产生线性FMCW毫米波信号。以这种方式，可以基于成熟的技术实现毫米波频率的宽带扫描，而调制器仅用于分离TX信号。与[32]相比，这是一种不同的方法，其中使用带通调制器来生成整个雷达信号而不使用模拟载波。如从传统FMCW雷达所知，毫米波信号被分配到雷达部分以及雷达的RX部分。雷达射频部分中唯一的新部件是添加到TX路径的BPSK调制器。这些BPSK调制器由1位序列驱动，它们是由数字产生的正弦波的调制器产生的。在这项工作中，在现场可编程门阵列（FPGA）中实现了1位序列的生成。雷达RX部分的RF部分没有变化。唯一新的构建块是在计算每个IF信号的频谱之后放置在数字部分中的信道分离块。添加到已知FMCW结构中的所有新组件都使用透明框来突出显示，如图2所示。通过频域中的数字信号处理可以容易地实现接收机中的TX通道的分离。 1。

MIMO激光雷达系统的框图也在[24]中提出。在雷达的TX路径中，BPSK调制器由1位调制器驱动，序列由数字正弦波产生，使用这种方式，需要TX信号调制 MIMO原理可以用低硬件实现，只对现有的FMCW雷达架构进行轻微的扩展。

C.信号模型和信号处理

具有与本文中提出的相同的双边带调制方案的单通道雷达的输出信号的模型在[26]中针对以恒定径向速度移动的距离的单点目标提出。为了方便起见，这种模式在这里重复

(1)

为了得出（1），假设引入了以下缩写。关于目标范围及其速度 的信息都包含在频率项

(2)

在（2）中，表示斜坡根据由扫描带宽和斜坡持续时间决定。

电磁波的传播速度表示为且是扫描的起始频率。相位项可以根据计算。注意，在（1）对于随时间变化的往返延迟时间（RTDT）的等速模型的推导中，术语和被忽略（参见[26]）。

这种近似对于中等距离和小的调制频率是有效的，因为它们在这项工作中使用。考虑例如距离为5m的静态目标，且调制频率的斜坡（参见第三部分）。通过忽略术语引入

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