JP2024505071A - Ｍｉｍｏチャネルエクステンダと関連システムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

所与のレーダトランシーバによってサポートされ得る受信アンテナおよび/または送信アンテナの数をさらに増やすために、多入力多出力(MIMO)レーダシステムにチャネルエクステンダが装備される。1つの例示的なレーダシステムは、送信信号を生成するための、かつ少なくとも1つの受信信号をダウンコンバートするためのレーダトランシーバと、複数の受信アンテナのセットに結合して複数の入力信号のセットを取得し、複数の入力信号のそれぞれを調整可能に位相シフトして位相シフトされた信号のセットを生み出し、レーダトランシーバに結合して少なくとも1つの受信信号を提供する受信側エクステンダであって、少なくとも1つの受信信号が位相シフトされた信号の合計である、受信側エクステンダとを含む。例示的な受信側エクステンダは、各入力信号に調整可能な位相シフトをそれぞれが提供する複数の位相シフタと、複数の位相シフタの出力を結合することによって受信信号を形成する電力結合器とを含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2021年1月28日に出願された米国非仮特許出願第17/160,915号の優先権を主張するものであり、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、発明者のDanny Elad、Oded Katz、およびTom Hellerにより2020年2月26日に出願され「MIMO Radar with Receive Antenna Multiplexing」と題された米国特許出願第16/801,406号、発明者のDanny Elad、Ofer Markish、およびBenny Sheinmanにより2018年11月28日に出願され「Reconfigurable MIMO radar」と題された米国特許出願第16/203,149号、ならびに発明者のBenny Sheinmanにより2019年9月26日に出願され「Multi-input downconversion mixer」と題された米国特許出願第16/583,663号に関する。上述した出願のそれぞれはこれにより、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。
一層安全でさらに便利な輸送手段の選択肢を追求して、多くの車メーカーが自動運転車を開発しているが、自動運転車は、その車と、付近のあらゆる人、ペット、車両、または障害物との間隔をモニタするために、しばしば音響センサおよび/または電磁センサのアレイを含んだ目覚ましい数の多様なセンサを必要とする。企図されるセンシング技術の中には多入力多出力レーダシステムがあるものの、十分に機能するアンテナアレイに事足りる数の送信機および受信機を提供するには、法外なコストになることがある。このジレンマに対し、先行技術は、完全に満足のいく解決策を提案できてはいない。
米国特許出願第16/801,406号 米国特許出願第16/203,149号 米国特許出願第16/583,663号 米国特許出願第16/660,370号
上で特定した欠点は、所与のレーダトランシーバによってサポートされ得る受信アンテナおよび/または送信アンテナの数をさらに増やすためのチャネルエクステンダを備えた多入力多出力(MIMO)レーダシステムによって、少なくとも部分的に対処することができる。1つの例示的なレーダシステムは、送信信号を生成するための、かつ少なくとも1つの受信信号をダウンコンバートするためのレーダトランシーバと、複数の受信アンテナのセットに結合して複数の入力信号のセットを取得し、複数の入力信号のそれぞれを調整可能に位相シフトして位相シフトされた信号のセットを生み出し、レーダトランシーバに結合して少なくとも1つの受信信号を提供する受信側エクステンダであって、少なくとも1つの受信信号が位相シフトされた信号の合計である、受信側エクステンダとを含む。
例示的な受信側エクステンダは、各入力信号に調整可能な位相シフトをそれぞれが提供する複数の位相シフタのセットと、複数の位相シフタの出力を結合することによって受信信号を形成する電力結合器と、複数の位相シフタのそれぞれについて位相シフト調整の異なるシーケンスを記憶する内部メモリとを含む。受信側エクステンダは、メモリから複数の位相シフタに異なるシーケンスを供給するためのタイミングを制御する外部インターフェースをさらに含むことができる。
例示的な送信側エクステンダは、各送信信号を複数の信号コピーに分割する電力スプリッタと、複数の信号コピーのうちの1つに調整可能な位相シフトをそれぞれが提供する複数の位相シフタのセットと、複数の位相シフタのうちの対応する1つの出力から複数の出力信号のうちの1つをそれぞれが導出する電力増幅器のセットと、複数の位相シフタのそれぞれについて位相シフト調整の異なるシーケンスを記憶する内部メモリとを含む。送信側エクステンダは、メモリから複数の位相シフタに異なるシーケンスを供給するためのタイミングを制御する外部インターフェースをさらに含むことができる。
例示的なレーダ検出方法は、チャープ波形を生成するステップと、チャープ波形から送信信号を導出するステップと、複数の受信アンテナのセットから複数の入力信号のセットを取得するステップと、複数の位相シフトされた入力信号を提供するために、複数の入力信号のそれぞれに調整可能な位相シフトを適用するステップと、受信信号を形成するために、複数の位相シフトされた入力信号を合計するステップと、ダウンコンバートされた受信信号を取得するために、受信信号をチャープ波形と結合するステップと、ダウンコンバートされた受信信号からデジタル入力信号のセットを導出するステップと、間隔または移動時間の関数として反射エネルギーを判定するために、デジタル入力信号のセットを処理するステップとを含む。
例示的なシステム、エクステンダ、および方法は、個々に用いられても、または以下のオプションの特徴のうちの1つまたは複数と共に合同で、任意の好適な組合せにおいて用いられてもよい。1.送信信号が、チャープのシーケンスを含む。2.受信側エクステンダが、チャープごとに一回、複数の入力信号に対して位相シフトを調整する。3.調整された位相シフトが、ビームステアリングのために、複数の入力信号に漸進的な位相シフトを提供する。4.調整された位相シフトが、複数の入力信号の符号分割多重化を提供する。5.レーダトランシーバが、少なくとも1つのダウンコンバートされた受信信号を処理してデジタル入力信号の逆多重化されたセットを取得する。6.受信側エクステンダが、それぞれのチャープの間に複数回、複数の入力信号に対して位相シフトを調整する。7.調整された位相シフトが、複数の入力信号に、異なる周波数シフト、異なる周波数掃引レート、または異なる符号変調を提供する。8.1つまたは複数の送信側エクステンダが、それぞれレーダトランシーバに結合して各送信信号を取得し、それぞれ複数の送信アンテナの各セットに結合して複数の出力信号のセットを提供し、複数の出力信号のそれぞれが調整可能な位相シフトを有する。9.送信側エクステンダが、チャープごとに一回、複数の出力信号に対して位相シフトを調整する。10.調整された位相シフトが、ビームステアリングのために、複数の出力信号に漸進的な位相シフトを提供する。11.調整された位相シフトが、複数の出力信号に直交符号変調を提供する。12.レーダトランシーバが、少なくとも1つのダウンコンバートされた受信信号を処理して、送信アンテナのそれぞれのために、デジタル入力信号の逆多重化されたセットを取得する。13.送信側エクステンダが、それぞれのチャープの間に複数回、複数の出力信号に対して位相シフトを調整する。14.調整された位相シフトが、複数の出力信号に、異なる周波数シフト、異なる周波数掃引レート、または異なる符号変調を提供する。15.それぞれの送信側エクステンダが、各送信信号を複数の信号コピーに分割する電力スプリッタと、複数の信号コピーのうちの1つに調整可能な位相シフトをそれぞれが提供する複数の位相シフタのセットと、複数の位相シフタのうちの対応する1つの出力から複数の出力信号のうちの1つをそれぞれが導出する電力増幅器のセットとを含む。16.受信側エクステンダのそれぞれが、複数の入力信号のうちの1つに調整可能な位相シフトをそれぞれが提供する複数の位相シフタのセットと、複数の位相シフタの出力を結合することによって各受信信号を形成する電力結合器とを含む。17.それぞれのエクステンダが、複数の入力信号のそれぞれについて位相シフト調整の異なるシーケンスを記憶するための内部メモリを含む。18.それぞれのエクステンダが、メモリから複数の位相シフタに異なるシーケンスを供給するためのタイミングを制御する外部インターフェースを含む。19.レーダトランシーバが、内部メモリから複数の位相シフタに位相シフト調整のシーケンスを供給するためのタイミングを制御するために、エクステンダのそれぞれにクロック信号を供給する。20.前記の結合するステップ、導出するステップ、および処理するステップを実施するレーダトランシーバに結合された受信側エクステンダによって、前記の取得するステップ、適用するステップ、および合計するステップが実施される。
センサが装備された例示的な車両の俯瞰図である。 例示的な運転者支援システムのブロック図である。 例示的な多入力多出力(MIMO)レーダシステムの概略図である。 例示的なMIMOレーダトランシーバチップのブロック図である。 エクステンダチップを有する例示的なMIMOレーダシステムのブロック図である。 例示的な入力エクステンダチップのブロック図である。 例示的な出力エクステンダチップのブロック図である。 レーダ測定値の入手されたセットを表す例示的なデータキューブの図である。 レーダ測定値の変換されたセットを表す例示的なデータキューブの図である。 例示的なレーダシステムについてのデータフロー図である。 例示的なレーダ検出方法のフローチャートである。
専門語
用語「近似的に(approximately)」または「実質的に(substantially)」の使用は、要素の値が、記載された値に近いことが予期されるパラメータを有することを意味する。しかしながら、当技術分野においてよく知られるように、軽微な変動があり、それによりその値が記載された通りに正確ではなくなることがある。それに応じて、10%差などの予想される差異は、本開示の1つまたは複数の実施形態について記載された目標または理想的な目標に対して許容可能であると、当業者が予期し、承知することになる妥当な差異である。用語「第1の」、「第2の」、「次の」、「最後の」、「前の」、「後の」、および他の類似した用語は、説明および参照しやすさの目的のみのために使用されており、本開示のさまざまな実施形態についての要素または動作のシーケンスのいかなる構成も限定することを意図しないこともまた認識されるべきである。さらに、用語「結合された(coupled)」、「接続された(connected)」、その他は、2つ以上のデバイス、システム、コンポーネント、その他の間の信号のそのような相互作用および通信を、直接的な相互作用に限定することを意図しておらず、間接的な結合および接続もまた行われることがある。
以下の説明および付属する図面は、説明的な目的のために提供されており、本開示を限定するために提供されていないことを理解すべきである。すなわち、これらは、特許請求の範囲内に入るすべての修正形態、均等形態、および代替形態を当業者が理解するための基礎を提供している。より詳細には、以下の説明では例示的な使用コンテキストとして車両を使用しているが、開示された原理および技術は、交通モニタリング、駐車場所占有検出、および間隔測定などの他の使用コンテキストにも適用可能である。
図1は、レーダアンテナアレイが装備された例示的な車両102を示し、レーダアンテナアレイは、短距離センシング用のアンテナアレイ104(例えば、駐車支援用)と、長距離センシング用のアンテナアレイ108(例えば、適応型クルーズ制御および衝突警告用)とを含み、そのそれぞれは、前部バンパーカバーの裏側に置かれてよい。短距離センシング用のアンテナアレイ110(例えば、後進支援用)、および中距離センシング用のアンテナアレイ112(例えば、後部の衝突警告用)は、後部バンパーのカバーの裏側に置かれてよい。短距離センシング用のアンテナアレイ114(例えば、死角モニタリングおよび側方障害物検出用)は、車フェンダーの裏側に置かれてよい。それぞれのアンテナアレイは、多入力多出力(MIMO)レーダセンシングを実施することができる。運転者支援および自動運転の特徴を有する車両のためのセンサ配置におけるセンサのタイプ、数、および構成は、多様である。車両は、さまざまな検出ゾーンにおけるオブジェクトまでの間隔/方向を検出して測定するためのセンサ配置を用いて、他の車両および障害物を回避しながら、車両が舵取りするのを可能にすることができる。
図2は、さまざまなレーダセンサ204～206に結合された、スタートポロジの中心としての、車両(例えば、102)の電子制御ユニット(ECU)202を示す。当然ながら、直列トポロジ、並列トポロジ、および階層(ツリー)トポロジを含む他のセンサバストポロジもまた好適であり、本明細書に開示される原理に従って使用に企図される。レーダセンサはそれぞれ、無線周波数(RF)フロントエンドを含み、RFフロントエンドは、送信アンテナアレイおよび受信アンテナアレイ104A～114Dのうちの1つに結合して、電磁波を送信し、反射を受信し、車両とその周囲状況との空間的関係を判定する。自動化された駐車、支援駐車、車線追従、車線変更支援、障害物および死角検出、自動式ブレーキング、自律運転、および他の望ましい特徴を提供するために、ECU202は、ターンシグナルアクチュエータ208、ステアリングアクチュエータ210、スロットルアクチュエータ212、およびブレーキングアクチュエータ214などのアクチュエータのセットにさらに接続することができる。ECU202は、ユーザ相互作用インターフェース216にさらに結合して、ユーザ入力を受け入れ、さまざまな測定値およびシステムステータスの表示を提供することができる。
必要な測定値を集めるために、ECUは、MIMOレーダセンサを用いることができる。MIMOレーダセンサは、受信アンテナのセットに反射し戻される前に、送信アンテナのセットから外側へ移動する電磁波を放射することによって動作する。反射体は、放射された電磁波の経路において適度に反射するいかなるオブジェクトでもあり得る。送信アンテナから反射体まで、および受信アンテナまで戻る電磁波の移動時間を測定することによって、レーダセンサは、反射体までの間隔を判定することができる。複数の送信アンテナもしくは受信アンテナの使用により、または異なる位置における複数の測定値の入手により、レーダセンサは、反射体への方向を判定し、したがって車両に対する反射体の所在を追跡することが可能になる。より高度な処理により、複数の反射体を追跡することができる。少なくともいくつかのレーダセンサは、アレイ処理を用いて電磁波の指向性ビームを「スキャン」し、車両の周囲状況の画像を構築する。パルス式実装および連続波実装の両方のレーダシステムを実装することができるが、精度については、周波数変調された連続波レーダシステムが一般的に好ましい。
図3は、例示的なMIMOレーダアンテナ配置を示しており、ここで、M個の送信機がM個の送信アンテナに結合されて、M個の送信信号を同時に送る。M個の信号は、1つまたは複数のターゲットからさまざまに反射して、N個の受信機に結合されたN個の受信アンテナによって受信されてよい。それぞれの受信機は、M個の送信信号のそれぞれに応答して測定値を入手することができ、それによって、システムは、N*M個の空間的に多様な測定値を同時に取得することが可能になる。そのようなそれぞれの測定値は、複数のターゲットまでの間隔を示すことができ、さまざまなやり方で組み合わせられるとき、それぞれのターゲットの方向および速度をさらに示すことができる。
図4は、MIMOレーダシステムにおいて使用するように構成された例示的なトランシーバ、すなわち「RFフロントエンド」チップ402のブロック図を示す。チップ402は、チャープ生成器404を含み、チャープ生成器404は、ローカルな発振器信号を、一連の線形掃引周波数チャープを有する信号などの、周波数変調された連続波(FMCW)信号にコンバートする。電力スプリッタ406が、FMCW信号電力の一部を分け離して、FMCW信号のコピーを、ダウンコンバージョンミキサ407に供給する。残りのFMCW信号は位相シフタ408のセットに進み、それをコントローラ409が、FMCW信号をRF出力のそれぞれについて独立して位相シフトするために使用する。
位相シフティングは、例えば、コヒーレントビームステアリングまたはチャネル分離を提供して仮想ビームステアリングを可能にするために、さまざまなやり方で使用され得る。チャネル分離は、チャネルごとに異なる符号パターンでの直交符号化位相変調を使用して提供され得る。代替として、位相シフティングは、異なる周波数シフト、異なる周波数掃引レート、または拡散符号(例えば、Barker符号、最大長系列符号)の使用を通じて、チャネル分離を提供することができる。位相変調は、1ビット(バイポーラ位相シフトキーイング)、2ビット(直交位相シフトキーイング)であっても、またはより高次(Nビット)であってもよい。電力増幅器410が、位相シフトされたFMCW信号を受け取り、送信信号(Tx0からTx2)を提供するための接点を駆動する。例示されたトランシーバは、3つの送信信号を提供しているが、この数は多様であってよい。送信信号は、送信アンテナに提供されてもよいし、または下でさらに議論するように、トランシーバチップ402から駆動される送信アンテナの数を増やすために、送信側エクステンダチップに提供されてもよい。
トランシーバチップ402は、受信アンテナから、または下でさらに議論するように、トランシーバチップによってサポートされる受信アンテナの数を増やすために受信側エクステンダチップから、4つの受信信号(Rx0からRx3)を取得するための接点をさらに含む。ダウンコンバージョンミキサ407は、受信信号をFMCW信号のコピーで乗算し、受信信号を、ローパスフィルタ412に通されたほぼベースバンド周波数にコンバートする。利得制御増幅器414が、信号振幅を適応的に調整して、アナログ-デジタルコンバータ(ADC)416の動的範囲の使用を最適化する。ADC416は、コントローラ409による処理のために受信信号をデジタル化する。コントローラ409は、高速メモリ(SRAM)およびシリアル周辺インターフェース(SPI)を備えたプログラマブルデジタル信号プロセッサの形式を取って、システムにおける他のチップと通信するのを可能にすることができる。
自動車レーダに企図される信号周波数(例えば、80GHz)では、減衰および電磁干渉を最小限にするために、アンテナ給電線を短く保つことがより望ましい。しかしながら、トランシーバチップの物理サイズとアンテナアレイのピッチとの関係により、アレイサイズがおよそ7または8のアンテナ数を超えると、アンテナ給電線を許容できる短さに保つことが難しくなる。少数(例えば、3または4)のアンテナをそれぞれがサポートする追加のチップ(エクステンダチップなど)を用いると、対応するアンテナの付近にチップを位置付けて給電線の長さを最小限にすることができ、増幅器および追加のシールディングの使用により、いずれのチップ間通信もいくぶん保護することができる。
それに応じて、図5は、所与のトランシーバチップ402によってサポートされる送信機アンテナおよび受信機アンテナの数を増やすために、エクステンダチップを用いたMIMOレーダシステムのブロック図を示す。4つの受信信号接点のそれぞれは、各受信側エクステンダチップ502A～502Dに結合される。受信側エクステンダチップのそれぞれは、受信アンテナ504A～504Dの対応するセットから入力信号を受信し、入力信号に調整可能な位相シフトを提供し、位相シフトされた信号を結合して、トランシーバチップ402に受信信号を提供する。例示されたシステムにおいて、受信側エクステンダチップのそれぞれは、4つの入力信号を結合して受信信号を形成しているが、入力信号の数は多様であってよい。
トランシーバチップ402の3つの送信信号接点のそれぞれは、各送信側エクステンダチップ506A～506Cに結合される。送信側エクステンダチップのそれぞれは、送信信号のそれぞれを所望の量だけ位相シフトもしくは周波数シフトするために、またはそれぞれの出力信号を所望のチャネル符号で変調するために、制御可能な位相シフタを使用して、送信信号を、送信アンテナ508A～508Cの対応するセットへの複数の出力信号にコンバートする。例示されたシステムにおいて、送信側エクステンダチップのそれぞれは、送信信号を3つの出力信号にコンバートしているが、出力信号の数は多様であってよい。
トランシーバチップ402は、SPIバスを含むことができるデジタル制御信号線510によって、エクステンダチップのそれぞれに結合される。信号線510により、トランシーバチップは、所望の位相シフトおよび/またはチャネル符号でエクステンダチップをプログラムすることが可能になり、トランシーバチップは、位相シフトにおける任意の遷移のタイミングを制御することが可能になる。
ここには示されていないものの、エクステンダチップは、階層式に用いられてもよい。例えば、受信側エクステンダチップ502Aの入力をアンテナ504Aに結合させるのではなく、それらの入力のそれぞれを各受信側エクステンダチップに結合して、トランシーバのRx0チャネルの上に多重化されるアンテナの数を4から16に増やしてもよい。これを、受信側エクステンダチップ502B～502Dのそれぞれについて繰り返して、受信アンテナの総数を16から64に増やすことができる。送信側エクステンダチップ506A～506Cを、それぞれ同様に送信側エクステンダチップの第2のレベルに結合して、サポートされる送信アンテナの数を9から27に増やすことができる。追加の階層レイヤは、例えば、トランシーバチップ402の処理能力によって制限されるまで追加することができる。
図6は、受信アンテナ信号のための3つの入力接点(RF_IN1からRF_IN3)を有する例示的な受信側エクステンダチップ502を示す。それぞれの入力信号は、複数の制御可能な位相シフタ602のうちの1つに結合され、電力結合器604が、位相シフタ出力を合計して、合成受信信号を低ノイズ増幅器(LNA)606に提供する。LNA606は、出力接点RF_OUTを介して、合成受信信号を、トランシーバ402などのダウンストリームのチップへと駆動する。受信側エクステンダチップ502は、オンチップメモリ608からの調整可能な位相シフトの各シーケンスを使用して位相シフタ602を制御するためのオンチップコントローラ610を含む。位相シフト調整のタイミングは多様であってよいが、少なくともいくつかの実装は、それぞれのチャープに固定位相シフトを適用し、次のチャープについては次の位相シフトに切り替える。このアプローチは、合成受信信号のいかなる帯域幅拡張も回避するものの、測定の時間分解能または速度分解能に潜在的に影響を及ぼす可能性があるさまざまなアンテナの寄与を分離するために、マルチチャープ測定の使用を必要とする。代替として、位相シフト調整を、それぞれのチャープの間に多数回行って、異なる周波数シフト、異なる周波数掃引レート、または符号変調を提供して、入力信号エネルギーをより大きなスペクトルにわたって拡散することができる。トランシーバがデジタル化レートを上げる必要があることがあるものの、マルチチャープ測定は回避することができる。位相シフト調整のタイミングは、SPIバス612を介して、または別の共有クロック信号線を介して、トランシーバ402によってエクステンダチップのすべてに対して連携が取られてよい。
すべての自動車エレクトロニクスは、好ましくは、適正な動作を検証するための回路を含む。そのために、受信側エクステンダチップ502は、不足電圧および過電圧を検出するための供給電圧モニタ614を含むことができ、さらには、それを介してアンテナ入力接点にテスト信号を結合することができるテスト入力(RF_INJECT)を含むことができる。テスト信号が適用されるとき、トランシーバ402は、テスト信号がアンテナ入力のそれぞれから検出され得ることを検証する。
図7は、送信信号を受け入れるための入力接点(RF_IN)を有する例示的な送信側エクステンダチップ506を示す。電力スプリッタは、送信信号を複数のコピーに分割し、複数の制御可能な位相シフタ704のそれぞれに1つを供給する。それぞれの位相シフタ704の出力は、各電力増幅器706によって各送信信号接点に結合され、送信信号接点は、送信アンテナに接続するために好適である。送信側エクステンダチップ506は、オンチップメモリ708からの位相シフト調整の各シーケンスを使用して位相シフタ704を制御するためのオンチップコントローラ710を含む。受信側エクステンダと同様に、位相シフト調整のタイミングは、SPIバス712または別の共有クロック信号線を介して、トランシーバ402によって連携が取られてよい。帯域幅拡張を回避するために、送信側符号シンボル(位相シフト)は、それぞれのチャープについて固定に保持され、もっぱらチャープ間で切り替えられてよい。代替として、位相シフタを使用して、出力信号に、異なる周波数シフト、異なる周波数掃引レート、または異なる拡散符号を提供してもよい。
受信側エクステンダと同様に、送信側エクステンダは、適正な動作を検証するための回路を含むことができる。例えば、供給電圧モニタ714は、コンポーネントの動作に潜在的に作用するいかなる不足電圧または過電圧も検出することができる。適正な動作について、隣接する位相シフタ704間の位相を比較するために、位相差検出器716が含まれてもよく、電力増幅器706の出力をモニタするために、電力検出器718が含まれてもよい。発明者のTom Heller、Oded Katz、Danny Elad、およびBenny Sheinmanにより2019年10月22日に出願され「Radar Array Phase Shifter Verification」と題された共同所有の米国特許出願第16/660,370号に説明されるように、位相シフタ設定値の考え得る組合せのそれぞれをインクリメントし、予期される位相差を位相差検出器716が測定するのを検証することによって、位相シフタの動作を周期的に検証することができる。エクステンダチップは、SPIバスを介して、トランシーバに、検出されたあらゆる障害を通知することができる。
図8Aは、トランシーバ402によって収集されてよいデジタル信号測定値の一部を表す例示的なデータキューブを示す。通常は、それぞれのチャープが測定サイクルとして考えられることになるが、符号多重化の使用により、測定サイクルが複数のチャープにまたがることがある。測定サイクルの間、フロントエンドは、選択された受信アンテナからのダウンコンバートされた受信信号をデジタル化し、分離し、それによって、デジタル化された受信信号サンプルの時間シーケンスを提供する。チャープ変調のために、ターゲットによって反射された信号エネルギーは、往復移動時間に(したがって、ターゲットまでの間隔に)依存した周波数オフセットを伴って受信アンテナに到達する。所与のサイクルにおいて収集された時間シーケンスの高速フーリエ変換(FFT)が、それぞれの周波数オフセットに関連付けられたエネルギーを切り離して、反射エネルギー対ターゲット距離の関数をもたらすことになる。本明細書において「距離FFT」と呼ばれてもよいこの動作は、それぞれの測定サイクルにおいて送信-受信アンテナのペアごとに実施されてよい。距離FFTは、所与の距離を有するターゲットごとにピークをもたらす。
アンテナアレイに対するターゲットの動きは、反射信号エネルギーにドップラーシフトを追加し、ドップラーシフトは、本質的に相対速度に比例する。これは、距離に起因した周波数オフセットに対して通常は小さいが、それにもかかわらず、後続の測定サイクルにおいて関連付けられた周波数係数の位相の変化として観察可能である(FFT係数は、振幅と位相の両方を有する複素数値であることを思い出されたい)。測定サイクルのシーケンスにおいて対応する周波数係数にFFTを適用すると、それぞれの相対速度に関連付けられたエネルギーを切り離し、反射エネルギー対ターゲット速度の関数をもたらすことになる。本明細書において「速度FFT」と呼ばれてもよいこの動作は、距離ごとに、およびtx-rxアンテナのペアごとに実施されてよい。結果としての2次元データアレイは、所与の距離および相対速度を有するターゲットごとに「ピーク」を保有する。
所与のターゲットからの反射エネルギーは、反射エネルギーの到着の方向(別名「進入角」)に依存した位相で、アンテナアレイにおける個々の受信アンテナに到達する。均等に間をあけたアンテナのシーケンスに関連付けられた対応する周波数係数にFFTを適用すると、それぞれの入射角に関連付けられたエネルギーを切り離して、反射エネルギー対進入角(「AoA」)の関数をもたらすことになる。本明細書において「AoA FFT」と呼ばれてもよいこの動作は、所与の送信アンテナを使用して、距離および速度ごとに実施されてよい。
こうして、(図8Aに示すように)時間、測定サイクル、およびアンテナ位置の関数を表すその3次元を有する測定データキューブに配置されたデジタル化された信号測定値を、(図8Bに示すように)距離、速度、およびAoAの関数を表すその3次元を有するターゲットデータキューブに変換することができる。これらの動作(チャネル分離、距離FFT、速度FFT、およびAoA FFT)は線形であるので、任意の順序で実施することができる。さらに、FFT動作は、独立しており(例えば、所与のアンテナおよびサイクルに対する距離FFTは、他のアンテナおよび他のサイクルに対する距離FFTから独立しており、所与の距離およびアンテナに対する速度FFTは、他の距離およびアンテナに対する速度FFTから独立していることを意味する)、所望であれば、FFT処理が並列化されることを可能にする。
別の望ましい処理動作は、ノイズエネルギーからの信号エネルギーの分離である。任意の好適なノイズ抑制またはターゲット検出技法が使用されてよい。1つのよくある技法(多くの変形を含む)は、一定誤警報率(CFAR)検出の技法である。CFAR検出は、評価される測定値(別名「注目するセル(cell under test)」)の付近または周りのスライディングウィンドウにおける測定エネルギー値に基づいた検出閾値適応を用いる。元来の技法およびそのバリエーションは、スライディングウィンドウ内の測定値から検出閾値を導出することへの異なる統計的なアプローチを使用することによって、パフォーマンスと計算複雑性との間にさまざまな交換条件を提案する。CFAR検出は、閾値を下回る測定値がゼロにされる、または無視されるために、非線形技法であるが、それにもかかわらず、処理シーケンスにおけるその位置を修正することができ、その理由は、周波数係数をゼロにしても、一般に、ターゲットを表すエネルギーピークの該当する位相/周波数情報を、後続のFFTが利用するのを妨げることにはならないからである。
図9は、トランシーバチップ402によって実装されても、またはトランシーバチップとECUとの間で分割されてもよい、例示的なデータフロー900を示す。デジタル化された受信信号xkが取得されると、コントローラ409は、任意選択で、トランシーバ、任意の送信側エクステンダ、および/または任意の受信側エクステンダにおいて適用された位相シフト調整を使用して、受信アンテナ信号を逆多重化し、それぞれの送信アンテナから寄与を切り離し、それによって、それぞれの送信-受信アンテナのペアに対応するチャネルを分離する(位相シフトがビームステアリングのために使用されている場合、このチャネル分離は必要とされない)。コントローラ409は、本質的に信号が入手されると、チャネルごとに距離FFT902を実施して、結果としての周波数係数を距離データとしてフレームバッファ904に記憶することができる。フレームバッファ904は、複数の測定サイクルからの距離データを蓄積し、次いでコントローラ409が速度FFT906を実施するのを可能にして、先に議論したように、チャネルごとにターゲットの距離および速度データを生み出す。
CFAR検出器908が、ターゲットの距離および速度データ上で動作して、適応閾値を下回るノイズエネルギーを取り除く。CFAR検出器908は、閾値を下回る値をゼロにして、閾値を上回る値のみを、潜在的なターゲット(レーダエネルギー反射体)の距離および速度を表すものとして残すことができる。一定の企図されるバリエーションにおいて、CFAR検出プロセスは、閾値を下回る値の少なくともいくつかを省くことによって、およびおそらくはより高度なデータ圧縮技法を用いることによって、データのボリュームを圧縮して、バッファサイズ要件および/またはバス帯域幅要件を削減する。コントローラ409またはECU202はさらに、AoA FFT910を実施して、潜在的なターゲットに関連付けられた相対方向を判定し、データボリュームにおけるいずれかのピークを解析して、車両に対するターゲットの相対位置および速度を検出し、追跡する(912)ことができる。
図10は、エクステンダを備えたMIMOレーダシステムによって実装可能な例示的なレーダ検出方法のフローチャートである。方法は、インターバルを有するチャープ信号を生成するためにチャープ生成器404を使用するブロック1002において始まり、ここで、信号周波数は、開始周波数から終了周波数まで線形に増加していく。チャープ信号は、アップチャープ信号、ダウンチャープ信号であっても、または三角状にアップしてダウンするチャープ信号でさえあってもよい。チャープ信号は、複数の送信信号に分割され、ブロック1004において、トランシーバ402は、例えば、ビーム形成、直交符号変調、および/または周波数シフティングを提供するために、任意選択で、異なる送信信号に調整可能な位相シフトを適用し、ブロック1006において、システムは、送信側エクステンダチップを使用して、送信信号のそれぞれを複数の出力信号にさらに分割し、出力信号は、さまざまな送信アンテナに供給される前に、位相シフト調整の異なるシーケンスでさらに位相シフトされてもよい。
ブロック1008において、ビームステアリング、直交符号化、または周波数シフティングを提供するために、任意選択で、さまざまな受信アンテナからの入力信号が位相シフトされて、位相シフトされた信号は、結合されて、デジタル化のための受信信号を形成する。ブロック1010において、コントローラ409は、任意選択で、位相シフトシーケンスを使用して、それぞれの送信-受信アンテナのペアからの信号を分離する。ブロック1012において、コントローラ409および/またはECU202は、信号を変換して、ターゲットを示すエネルギーピークを抽出し、次いでこれを、車両に対するターゲットを検出し、追跡するために、ブロック1014において使用することができる。ブロック1016において、ECU202は、例えば、衝突を回避するために、運転者にアラートすること、または自動式にブレーキをかけてステアリングすることなどのいずれかのアクションを、ターゲットが必要としているかどうかを評価することができ、そうである場合、それに応じて作動することができる。
図10における動作は、説明の目的のために順次式に説明されているが、実際には、さまざまな動作が、同時にまたはパイプライン式に実装されてもよい。その上、動作は、いくつかの実装において、順序を入れ替えても、または非同期的に実施されてもよい。
受信側エクステンダの使用は、複数の受信アンテナからの入力信号を結合して、トランシーバが追加の受信アンテナをサポートするのを可能にする。送信側エクステンダの使用は、その逆に、送信信号を分割して、トランシーバが追加の送信アンテナをサポートするのを可能にする。位相変調器は、トランシーバが個々の送信アンテナおよび受信アンテナの寄与を区別するのを可能にする。位相変調器は、バイポーラ位相シフトキーイング(BPSK)変調器、直交位相シフトキーイング(QPSK)変調器、またはより高次な位相シフトキーイング変調器として実装されてよい。
上の開示が十分に認識されると、数々の他の修正形態、均等形態、および代替形態が当業者には明らかとなるであろう。以下の特許請求の範囲は、適用可能であれば、そのようなすべての修正形態、均等形態、および代替形態を包含するように解釈されることを意図している。
102 車両
104 アンテナアレイ
108 アンテナアレイ
110 アンテナアレイ
112 アンテナアレイ
114 アンテナアレイ
202 電子制御ユニット
204 レーダセンサ
205 レーダセンサ
206 レーダセンサ
208 ターンシグナルアクチュエータ
210 ステアリングアクチュエータ
212 スロットルアクチュエータ
214 ブレーキングアクチュエータ
216 ユーザ相互作用インターフェース
402 トランシーバチップ、RFフロントエンドチップ
404 チャープ生成器
406 電力スプリッタ
407 ダウンコンバージョンミキサ
408 位相シフタ
409 コントローラ
410 電力増幅器
412 ローパスフィルタ
414 利得制御増幅器
416 アナログ-デジタルコンバータ
502A 受信側エクステンダチップ
502B 受信側エクステンダチップ
502C 受信側エクステンダチップ
502D 受信側エクステンダチップ
504A 受信アンテナ
504B 受信アンテナ
504C 受信アンテナ
504D 受信アンテナ
506A 送信側エクステンダチップ
506B 送信側エクステンダチップ
506C 送信側エクステンダチップ
508A 送信アンテナ
508B 送信アンテナ
508C 送信アンテナ
510 デジタル制御信号線
602 位相シフタ
604 電力結合器
606 低ノイズ増幅器
608 オンチップメモリ
610 オンチップコントローラ
612 SPIバス
614 供給電圧モニタ
704 位相シフタ
706 電力増幅器
708 オンチップメモリ
710 オンチップコントローラ
712 SPIバス
714 供給電圧モニタ
716 位相差検出器
718 電力検出器
902 距離FFT
904 フレームバッファ
906 速度FFT
908 CFAR検出器
910 AoA FFT

Claims (23)

  1. 送信信号を生成するための、かつ少なくとも1つの受信信号をダウンコンバートするためのレーダトランシーバと、
    複数の受信アンテナのセットに結合して複数の入力信号のセットを取得し、前記複数の入力信号のそれぞれを調整可能に位相シフトして位相シフトされた信号のセットを生み出し、前記レーダトランシーバに結合して前記少なくとも1つの受信信号を提供する受信側エクステンダであって、前記少なくとも1つの受信信号が前記位相シフトされた信号の合計である、受信側エクステンダと
    を含むレーダシステム。
  2. 前記送信信号が、チャープのシーケンスを含み、前記受信側エクステンダが、チャープごとに一回、前記複数の入力信号に対して位相シフトを調整する、請求項1に記載のレーダシステム。
  3. 前記調整された位相シフトが、ビームステアリングのために、前記複数の入力信号に漸進的な位相シフトを提供する、請求項2に記載のレーダシステム。
  4. 前記調整された位相シフトが、前記複数の入力信号の符号分割多重化を提供し、前記レーダトランシーバが、前記少なくとも1つのダウンコンバートされた受信信号を処理してデジタル入力信号の逆多重化されたセットを取得する、請求項2に記載のレーダシステム。
  5. 前記送信信号が、チャープのシーケンスを含み、前記受信側エクステンダが、それぞれのチャープの間に複数回、前記複数の入力信号に対して位相シフトを調整する、請求項1に記載のレーダシステム。
  6. 前記調整された位相シフトが、前記複数の入力信号に、異なる周波数シフト、異なる周波数掃引レート、または異なる符号変調を提供し、前記レーダトランシーバが、前記少なくとも1つのダウンコンバートされた受信信号を処理してデジタル入力信号の逆多重化されたセットを取得する、請求項5に記載のレーダシステム。
  7. それぞれ前記レーダトランシーバに結合して各送信信号を取得し、それぞれ複数の送信アンテナの各セットに結合して複数の出力信号のセットを提供する1つまたは複数の送信側エクステンダであって、前記複数の出力信号のそれぞれが調整可能な位相シフトを有する、1つまたは複数の送信側エクステンダをさらに含む、請求項1に記載のレーダシステム。
  8. 前記送信信号が、チャープのシーケンスを含み、前記送信側エクステンダが、チャープごとに一回、前記複数の出力信号に対して前記位相シフトを調整する、請求項7に記載のレーダシステム。
  9. 前記調整された位相シフトが、ビームステアリングのために、前記複数の出力信号に漸進的な位相シフトを提供する、請求項8に記載のレーダシステム。
  10. 前記調整された位相シフトが、前記複数の出力信号に直交符号変調を提供し、前記レーダトランシーバが、前記少なくとも1つのダウンコンバートされた受信信号を処理して、前記送信アンテナのそれぞれのために、デジタル入力信号の逆多重化されたセットを取得する、請求項8に記載のレーダシステム。
  11. 前記送信信号が、チャープのシーケンスを含み、前記送信側エクステンダが、それぞれのチャープの間に複数回、前記複数の出力信号に対して前記位相シフトを調整する、請求項7に記載のレーダシステム。
  12. 前記調整された位相シフトが、前記複数の出力信号に、異なる周波数シフト、異なる周波数掃引レート、または異なる符号変調を提供し、前記レーダトランシーバが、前記少なくとも1つのダウンコンバートされた受信信号を処理して、前記送信アンテナのそれぞれのために、デジタル入力信号の逆多重化されたセットを取得する、請求項11に記載のレーダシステム。
  13. それぞれの送信側エクステンダが、
    前記各送信信号を複数の信号コピーに分割する電力スプリッタと、
    前記複数の信号コピーのうちの1つに調整可能な位相シフトをそれぞれが提供する複数の位相シフタのセットと、
    前記複数の位相シフタのうちの対応する1つの出力から前記複数の出力信号のうちの1つをそれぞれが導出する電力増幅器のセットと
    を含む、請求項7に記載のレーダシステム。
  14. 複数の受信アンテナの第2のセットに結合して複数の入力信号の第2のセットを取得し、前記レーダトランシーバに結合して第2の受信信号を提供する第2の受信側エクステンダ、
    をさらに含み、
    前記受信側エクステンダのそれぞれが、
    前記複数の入力信号のうちの1つに調整可能な位相シフトをそれぞれが提供する複数の位相シフタのセットと、
    前記複数の位相シフタの出力を結合することによって各受信信号を形成する電力結合器と、
    前記複数の入力信号のそれぞれについて位相シフト調整のシーケンスを記憶するための内部メモリと
    を含む、請求項1に記載のレーダシステム。
  15. 前記レーダトランシーバが、前記内部メモリから前記複数の位相シフタに前記位相シフト調整のシーケンスを供給するためのタイミングを制御するために、前記受信側エクステンダのそれぞれにクロック信号を供給する、請求項14に記載のレーダシステム。
  16. チャープ波形を生成するステップと、
    前記チャープ波形から送信信号を導出するステップと、
    複数の受信アンテナのセットから複数の入力信号のセットを取得するステップと、
    複数の位相シフトされた入力信号を提供するために、前記複数の入力信号のそれぞれに調整可能な位相シフトを適用するステップと、
    受信信号を形成するために、前記複数の位相シフトされた入力信号を合計するステップと、
    ダウンコンバートされた受信信号を取得するために、前記受信信号を前記チャープ波形と結合するステップと、
    前記ダウンコンバートされた受信信号からデジタル入力信号のセットを導出するステップと、
    間隔または移動時間の関数として反射エネルギーを判定するために、前記デジタル入力信号のセットを処理するステップと
    を含むレーダ検出方法。
  17. 前記結合するステップ、前記導出するステップ、および前記処理するステップを実施するレーダトランシーバに結合された受信側エクステンダによって、前記取得するステップ、前記適用するステップ、および前記合計するステップが実施される、請求項16に記載のレーダ検出方法。
  18. 複数の出力信号のセットを複数の送信アンテナのセットに提供するための送信側エクステンダを使用するステップをさらに含み、前記複数の出力信号のそれぞれが、前記送信信号の調整可能に位相シフトされたバージョンである、請求項17に記載のレーダ検出方法。
  19. 前記導出するステップが、前記送信アンテナのそれぞれのために、デジタル入力信号の対応するセットをもたらす、請求項18に記載のレーダ検出方法。
  20. 各入力信号に調整可能な位相シフトをそれぞれが提供する複数の位相シフタのセットと、
    前記複数の位相シフタの出力を結合することによって受信信号を形成する電力結合器と、
    前記複数の位相シフタのそれぞれについて位相シフト調整の異なるシーケンスを記憶する内部メモリと
    を含む受信側エクステンダ。
  21. 前記メモリから前記複数の位相シフタに前記異なるシーケンスを供給するためのタイミングを制御する外部インターフェースをさらに含む、請求項20に記載の受信側エクステンダ。
  22. 各送信信号を複数の信号コピーに分割する電力スプリッタと、
    前記複数の信号コピーのうちの1つに調整可能な位相シフトをそれぞれが提供する複数の位相シフタのセットと、
    前記複数の位相シフタのうちの対応する1つの出力から複数の出力信号のうちの1つをそれぞれが導出する電力増幅器のセットと、
    前記複数の位相シフタのそれぞれについて位相シフト調整の異なるシーケンスを記憶する内部メモリと
    を含む送信側エクステンダ。
  23. 前記メモリから前記複数の位相シフタに前記異なるシーケンスを供給するためのタイミングを制御する外部インターフェースをさらに含む、請求項22に記載の送信側エクステンダ。
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