一種用於車載毫米波雷達系統鎖相環晶片的製作方法
2023-04-29 08:58:41
本實用新型涉及一種用於車載調頻連續毫米波雷達系統鎖相環晶片，屬於車載集成電路設計領域。
背景技術：
近年來隨著信號處理和毫米波技術的發展，為了提高道路交通安全，雷達產品逐漸在車載領域得到推廣。目前主流使用的車載毫米波雷達頻率主要分為24GHz和77GHz。通常24GHz雷達檢測範圍為中短距離，用作實現盲點探測和停車輔助等系統，幫助駕駛員判斷附近物體與己車之間的距離；77GHz遠距離雷達用作實現自適應巡航控制系統，使得駕乘車輛與前方車輛保持一定的安全距離。車載毫米波雷達系統收發機將發射信號與接收信號進行混頻得到差頻信號，通過信號處理單元對每一周期的差頻信號進行頻譜分析便可以提取出雷達與目標之間的距離和相對速度等信息。其中，雷達距離解析度由發射信號帶寬、發射與接收信號間延時、調頻信號線性度等因素決定。
車載毫米波雷達基於調頻連續波方式進行發射，輸出頻率由壓控振蕩器產生。和脈衝雷達相比，連續波雷達具有高解析度，發射功率隨時間無明顯變化，更容易和射頻前端兼容，結構簡單因而成本較低，成為汽車前視雷達的主流技術。雷達系統要求調頻連續波具有較高線性度以滿足高精度測距應用的要求，受限於壓控振蕩器可變電容非線性特性的影響，壓控振蕩器調諧頻率線性度是限制雷達系統距離解析度的重要原因。當調諧曲線為線性時，發射信號與目標反射信號的差頻頻率在一個調製周期時間內保持單一頻率信號，此時系統的距離解析度主要由發射信號的帶寬決定；如果調諧曲線出現非線性狀態，反映距離信息的差頻信號會因此具有一定的帶寬，從而導致測量距離的非線性，使得測量距離與實際距離會有偏差，降低了雷達測距解析度。
採用直接數字頻率合成器（DDS）和鎖相環（PLL）結合的方式可以產生高線性度的調頻連續波信號。PLL輸出的信號作為混頻器的本振輸入信號，DDS產生的線性掃頻信號從混頻器射頻輸入埠輸入，混頻後的信號先通過帶通濾波器濾除差頻信號，再進行倍頻處理，然後再次經過另一個帶通濾波器濾除雜散信號，最後放大輸出。採用該方法的調頻連續波信號頻率穩定度高，但是電路相對複雜，雜散不容易控制，並且功耗較大。
另一種現有的解決方案是採用數字閉環校正。鎖相環輸出的信號經AD採樣後由數位訊號處理器利用算法對相位進行精確計算，從而得到頻率偏移函數，進而可以得出下一周期的控制電壓，經DA轉換後再去控制壓控振蕩器，不斷重複此過程以實現對壓控振蕩器線性度的補償，使得輸出波形接近理想的線性調頻信號。該方法隨著採樣率的提高，線性度會得到改善，但是採樣點數的提高會導致數據量加大，使得數位訊號處理器的工作量增加，從而影響系統的速度，因此需要在速度、指標和成本之間進行折衷。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於：針對上述存在的問題，提供一種適用於車載毫米波雷達系統的鎖相環晶片，結合發射晶片的壓控振蕩器和高輸出功率放大器，產生高線性度調頻連續波信號。
本實用新型的技術方案是這樣實現的：一種用於車載毫米波雷達系統鎖相環晶片，所述鎖相環電路包括鑑頻鑑相器、電荷泵、前置分頻器、程控分頻器、sigma-delta調製器、斜坡產生器和SPI，斜坡產生器的輸入端與SPI接口相連，斜坡產生器的輸出端與sigma-delta調製器的輸入端相連，sigma-delta調製器的輸出端與程控分頻器相連，程控分頻器的一路輸出端與鑑頻鑑相器的輸入端相連，另一路輸出端與前置分頻器相連，發射晶片的壓控振蕩器N分頻後與鎖相環晶片的前置分頻器輸入端相連，前置分頻器的輸出端與程控分頻器的輸入端相連；鑑頻鑑相器通過電荷泵與壓控振蕩器的輸入端相連；在電荷泵和壓控振蕩器之間設有低通濾波器。
作為優選，SPI與斜坡產生器相連；SPI控制信號的輸入，斜坡產生器輸出信號通過三階sigma-delta調製器動態調節程控分頻器P和S輸入值；壓控振蕩器N分頻以後的輸出頻率作為鎖相環射頻輸入信號，通過雙模N/N+1前置分頻器和預設分頻比的程控分頻器相結合實現PN+S分頻；鑑頻鑑相器比較參考時鐘信號與反饋時鐘信號相位差，產生相應寬度脈衝電平控制電荷泵對環路濾波器進行充放電，並進一步轉換為壓控振蕩器輸入控制電壓調節振蕩頻率。
作為優選，斜坡發生器包括累加器和信號檢測器，累加器輸出的頻率控制信號一路連接到後級信號檢測器，一路作為sigma-delta調製器的信號輸入，另一路連接到累加器的輸入埠。
作為進一步優選，累加器輸入包括寄存器設定的頻率下限值F1和頻率上限值F2，用於確定調製信號帶寬。每個時鐘周期，當調製波形處於上升階段，累加器將斜坡值和輸出控制信號進行相加，如果頻率達到上限值F2，則累加器停止繼續相加；當調製波形處於下降階段，累加器將斜坡值和輸出控制信號進行相減並產生新的頻率控制信號，如果頻率達到下限值F1，則累加器停止繼續相減。
作為進一步優選，信號檢測器包括溢出檢測和下溢檢測，溢出檢測和下溢檢測均接收來自累加器輸出的頻率控制信號。
作為進一步優選，信號檢測器用於檢測頻率控制信號是否抵達頻率上限值F2或者頻率下限值F1，並根據檢測結果使累加器自動在增加和減少頻率控制信號之間切換。
作為進一步優選，頻率上限值F2輸入溢出檢測部分，當頻率控制信號達到上限值F2時，輸出溢出信號至後級的上升/下降控制電路；頻率下限值F1輸入下溢檢測部分，當頻率控制信號達到下限值F1，則輸出下溢信號至後級的上升/下降控制電路；上升/下降控制電路如果接收到溢出信號，則輸出下降指示命令到累加器，使得累加器停止加法運算，轉而開始將兩輸入進行相減操作；同樣，如果上升/下降控制電路接收到下溢信號，則輸出上升指示信號到累加器，從而使得累加器停止減法運算，轉而開始將兩輸入進行相加操作。
本實用新型的有益效果：本實用新型用於調頻連續波車載雷達系統的鎖相環晶片，可以產生此雷達系統所需的三角波等波形；相比於採用直接數字頻率合成器（DDS）和鎖相環（PLL）混頻的方式，所述鎖相環由於具有內在的波形產生機制，外部無需再使用DDS電路，因此成本得以降低，且性能更加優異；相比於AD、DA驅動壓控振蕩器的方式，需要進行非線性度的補償，增加了系統設計的複雜性，而採用鎖相環方案則無需校準便可以獲得高線性度的斜坡信號；實現了雷達系統射頻前端高集成度、高性能、低成本和小型化。
附圖說明
圖1是車載雷達系統的鎖相環電路及其應用示意圖；
圖2是一種雙斜率三角形調頻連續波產生過程示意圖；
圖3是一種梯形調頻連續波產生過程示意圖；
圖4是鎖相環斜坡產生器電路結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本實用新型作詳細的說明。
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
如圖1所示，一種用於車載毫米波雷達系統鎖相環晶片，所述鎖相環電路包括鑑頻鑑相器(PFD)、電荷泵(Charge Pump)、前置分頻器（Prescaler）、程控分頻器（PS counter）、sigma-delta調製器(∑-Δ modulator)、斜坡產生器（Ramp Generator）和SPI。
其電路連接方式為：斜坡產生器的輸入端與SPI接口相連，斜坡產生器的輸出端與sigma-delta調製器的輸入端相連，sigma-delta調製器的輸出端與程控分頻器相連，程控分頻器的一路輸出端與鑑頻鑑相器的輸入端相連，另一路輸出端與前置分頻器相連，發射晶片的壓控振蕩器N分頻後與鎖相環晶片的前置分頻器輸入端相連，前置分頻器的輸出端與程控分頻器的輸入端相連；鑑頻鑑相器通過電荷泵與壓控振蕩器的輸入端相連；在電荷泵和壓控振蕩器之間設有低通濾波器。
其作用過程為：SPI與斜坡產生器相連；所有單元均通過SPI進行控制。SPI控制信號的輸入，斜坡產生器輸出信號通過三階sigma-delta調製器動態調節程控分頻器P和S輸入值，進而改變反饋分頻比，通過長時間計數取平均值得到預設小數分頻。壓控振蕩器N分頻以後的輸出頻率作為鎖相環射頻輸入信號，通過雙模N/N+1前置分頻器和預設分頻比的可編程的程控分頻器相結合實現PN+S分頻。鑑頻鑑相器比較參考時鐘信號與反饋時鐘信號相位差，產生相應寬度脈衝電平控制電荷泵對環路濾波器進行充放電，並進一步轉換為壓控振蕩器輸入控制電壓調節振蕩頻率。
所述斜坡產生器結合鎖相環電路可以產生例如鋸齒波、三角波、階梯等波形。
如圖2所示，所述斜坡產生器結合鎖相環電路產生一個雙斜率三角形調頻連續波。初始狀態，SPI預先在寄存器中設置頻率下限值F1、頻率上限值F2、以及坡度值RS1。波形從A點頻率下限值F1處開始沿著坡度值RS1設定的跳變步進上升，達到位於B點頻率上限值F2後自動轉換至下降狀態，並按照坡度值RS1設定的跳變步進逐步遞減。當波形到達位於C點的頻率下限值F1後重新回到上升狀態進入新一個調製周期，此時的波形將按照寄存器設定的坡度值RS2進行變化。當波形到達位於D點頻率上限值F2後，同樣又進入下降狀態，繼續以新輸入的RS2值下降，並最終到達E點頻率下限值F1，類似的頻率轉換過程一直持續下去。
如圖3所示，所述斜坡產生器結合鎖相環電路產生一個梯形調頻連續波。相比圖2所述三角波形而言，此時的斜坡產生器輸入控制端增加了一路波形上升和下降控制位（Ramp up/down）。在波形產生初始階段，寄存器預先設置頻率下限值F1、頻率上限值F2、坡度值RS1以及波形上升信號（Ramp up）。波形從A點頻率下限值F1處開始以坡度值RS1設定的斜率上升，於B點抵達頻率上限值F2後保持不變，經過一定時間延遲，當位於C點波形控制位重新設置到下降狀態（Ramp down），此時調製波形開始以坡度值RS1設定的斜率逐步下降並抵達D點的頻率下限值F1，隨後頻率又保持不變直到在E點，波形控制位再次重新設置到上升狀態（Ramp up），波形開始上升，進入到新一個頻率調製周期。同時寄存器在E點還輸入新的頻率上限值F2以及坡度值RS2，使得波形在上升過程中按照新設定的斜率增加。同樣，當波形抵達F點頻率上限值F2後仍然保持不變，直到G點寄存器輸入新的頻率下限值F1、坡度值RS3以及波形下降信號（Ramp down），調製波形才轉換到下降模式。
如圖4所示，斜坡產生器包括累加器和檢測器。累加器（accumulator）根據輸入的斜坡值進行加減運算，其中斜坡值由多位二進位數組成。累加器輸出的頻率控制信號連接後級信號檢測器，同時作為∑-Δ調製器輸入，動態改變鎖相環反饋分頻比。該輸出信號進一步連接到累加器的另一路輸入埠。此外，累加器輸入還包括寄存器設定的頻率下限值F1和頻率上限值F2，用於確定調製信號帶寬。每個時鐘周期，當調製波形處於上升階段，累加器將斜坡值和輸出控制信號進行相加，如果頻率達到上限值F2，則累加器停止繼續相加；當調製波形處於下降階段，累加器將斜坡值和輸出控制信號進行相減並產生新的頻率控制信號，如果頻率達到下限值F1，則累加器停止繼續相減。信號檢測器用於檢測頻率控制信號是否抵達頻率上限值F2或者頻率下限值F1，並根據檢測結果使累加器自動在增加和減少頻率控制信號之間切換。所述檢測器由溢出檢測（overflow）和下溢檢測（underflow）兩部分組成，兩者均接收來自累加器輸出的頻率控制信號。此外，頻率上限值F2輸入溢出檢測部分，當頻率控制信號達到上限值F2時，輸出溢出信號至後級的上升/下降（up/down）控制電路；頻率下限值F1輸入下溢檢測部分，當頻率控制信號達到下限值F1，則輸出下溢信號至後級的上升/下降（up/down）控制電路。上升/下降控制電路如果接收到溢出信號，則輸出下降指示命令到累加器，使得累加器停止加法運算，轉而開始將兩輸入進行相減操作；同樣，如果上升/下降控制電路接收到下溢信號，則輸出上升指示信號到累加器，從而使得累加器停止減法運算，轉而開始將兩輸入進行相加操作。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。