一种用于车载毫米波雷达系统锁相环芯片的制作方法

本发明涉及一种用于车载调频连续毫米波雷达系统锁相环芯片，属于车载集成电路设计领域。

背景技术：

近年来随着信号处理和毫米波技术的发展，为了提高道路交通安全，雷达产品逐渐在车载领域得到推广。目前主流使用的车载毫米波雷达频率主要分为24GHz和77GHz。通常24GHz雷达检测范围为中短距离，用作实现盲点探测和停车辅助等系统，帮助驾驶员判断附近物体与己车之间的距离；77GHz远距离雷达用作实现自适应巡航控制系统，使得驾乘车辆与前方车辆保持一定的安全距离。车载毫米波雷达系统收发机将发射信号与接收信号进行混频得到差频信号，通过信号处理单元对每一周期的差频信号进行频谱分析便可以提取出雷达与目标之间的距离和相对速度等信息。其中，雷达距离分辨率由发射信号带宽、发射与接收信号间延时、调频信号线性度等因素决定。

车载毫米波雷达基于调频连续波方式进行发射，输出频率由压控振荡器产生。和脉冲雷达相比，连续波雷达具有高分辨率，发射功率随时间无明显变化，更容易和射频前端兼容，结构简单因而成本较低，成为汽车前视雷达的主流技术。雷达系统要求调频连续波具有较高线性度以满足高精度测距应用的要求，受限于压控振荡器可变电容非线性特性的影响，压控振荡器调谐频率线性度是限制雷达系统距离分辨率的重要原因。当调谐曲线为线性时，发射信号与目标反射信号的差频频率在一个调制周期时间内保持单一频率信号，此时系统的距离分辨率主要由发射信号的带宽决定；如果调谐曲线出现非线性状态，反映距离信息的差频信号会因此具有一定的带宽，从而导致测量距离的非线性，使得测量距离与实际距离会有偏差，降低了雷达测距分辨率。

采用直接数字频率合成器（DDS）和锁相环（PLL）结合的方式可以产生高线性度的调频连续波信号。PLL输出的点频信号作为混频器的本振输入信号，DDS产生的线性扫频信号从混频器射频输入端口输入，混频后的信号先通过带通滤波器滤除差频信号，再进行倍频处理，然后再次经过另一个带通滤波器滤除杂散信号，最后放大输出。采用该方法的调频连续波信号频率稳定度高，但是电路相对复杂，杂散不容易控制，并且功耗较大。

另一种现有的解决方案是采用数字闭环校正。锁相环输出的信号经AD采样后由数字信号处理器利用算法对相位进行精确计算，从而得到频率偏移函数，进而可以得出下一周期的控制电压，经DA转换后再去控制压控振荡器，不断重复此过程以实现对压控振荡器线性度的补偿，使得输出波形接近理想的线性调频信号。该方法随着采样率的提高，线性度会得到改善，但是采样点数的提高会导致数据量加大，使得数字信号处理器的工作量增加，从而影响系统的速度，因此需要在速度、指标和成本之间进行折衷。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种适用于车载毫米波雷达系统的锁相环芯片，结合发射芯片的压控振荡器和高输出功率放大器，产生高线性度调频连续波信号。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用于车载毫米波雷达系统锁相环芯片，所述锁相环电路包括鉴频鉴相器、电荷泵、前置分频器、程控分频器、sigma-delta调制器、斜坡产生器和SPI，斜坡产生器的输入端与SPI接口相连，斜坡产生器的输出端与sigma-delta调制器的输入端相连，sigma-delta调制器的输出端与程控分频器相连，程控分频器的一路输出端与鉴频鉴相器的输入端相连，另一路输出端与前置分频器相连，发射芯片的压控振荡器N分频后与锁相环芯片的前置分频器输入端相连，前置分频器的输出端与程控分频器的输入端相连；鉴频鉴相器通过电荷泵与压控振荡器的输入端相连；在电荷泵和压控振荡器之间设有低通滤波器。

作为优选，SPI与斜坡产生器相连；SPI控制信号的输入，斜坡产生器输出信号通过三阶sigma-delta调制器动态调节程控分频器P和S输入值；压控振荡器N分频以后的输出频率作为锁相环射频输入信号，通过双模N/N+1前置分频器和预设分频比的程控分频器相结合实现PN+S分频；鉴频鉴相器比较参考时钟信号与反馈时钟信号相位差，产生相应宽度脉冲电平控制电荷泵对环路滤波器进行充放电，并进一步转换为压控振荡器输入控制电压调节振荡频率。

作为优选，斜坡发生器包括累加器和信号检测器，累加器输出的频率控制信号一路连接到后级信号检测器，一路作为sigma-delta调制器的信号输入，另一路连接到累加器的输入端口。

作为进一步优选，累加器输入包括寄存器设定的频率下限值F1和频率上限值F2，用于确定调制信号带宽。每个时钟周期，当调制波形处于上升阶段，累加器将斜坡值和输出控制信号进行相加，如果频率达到上限值F2，则累加器停止继续相加；当调制波形处于下降阶段，累加器将斜坡值和输出控制信号进行相减并产生新的频率控制信号，如果频率达到下限值F1，则累加器停止继续相减。

作为进一步优选，信号检测器包括溢出检测和下溢检测，溢出检测和下溢检测均接收来自累加器输出的频率控制信号。

作为进一步优选，信号检测器用于检测频率控制信号是否抵达频率上限值F2或者频率下限值F1，并根据检测结果使累加器自动在增加和减少频率控制信号之间切换。

作为进一步优选，频率上限值F2输入溢出检测部分，当频率控制信号达到上限值F2时，输出溢出信号至后级的上升/下降控制电路；频率下限值F1输入下溢检测部分，当频率控制信号达到下限值F1，则输出下溢信号至后级的上升/下降控制电路；上升/下降控制电路如果接收到溢出信号，则输出下降指示命令到累加器，使得累加器停止加法运算，转而开始将两输入进行相减操作；同样，如果上升/下降控制电路接收到下溢信号，则输出上升指示信号到累加器，从而使得累加器停止减法运算，转而开始将两输入进行相加操作。

本发明的有益效果：本发明用于调频连续波车载雷达系统的锁相环芯片，可以产生此雷达系统所需的三角波等波形；相比于采用直接数字频率合成器（DDS）和锁相环（PLL）混频的方式，所述锁相环由于具有内在的波形产生机制，外部无需再使用DDS电路，因此成本得以降低，且性能更加优异；相比于AD、DA驱动压控振荡器的方式，需要进行非线性度的补偿，增加了系统设计的复杂性，而采用锁相环方案则无需校准便可以获得高线性度的斜坡信号；实现了雷达系统射频前端高集成度、高性能、低成本和小型化。

附图说明

图1是车载雷达系统的锁相环电路及其应用示意图；

图2是一种双斜率三角形调频连续波产生过程示意图；

图3是一种梯形调频连续波产生过程示意图；

图4是锁相环斜坡产生器电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种用于车载毫米波雷达系统锁相环芯片，所述锁相环电路包括鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(Charge Pump)、前置分频器（Prescaler）、程控分频器（PS counter）、sigma-delta调制器(∑-Δ modulator)、斜坡产生器（Ramp Generator）和SPI。

其电路连接方式为：斜坡产生器的输入端与SPI接口相连，斜坡产生器的输出端与sigma-delta调制器的输入端相连，sigma-delta调制器的输出端与程控分频器相连，程控分频器的一路输出端与鉴频鉴相器的输入端相连，另一路输出端与前置分频器相连，发射芯片的压控振荡器N分频后与锁相环芯片的前置分频器输入端相连，前置分频器的输出端与程控分频器的输入端相连；鉴频鉴相器通过电荷泵与压控振荡器的输入端相连；在电荷泵和压控振荡器之间设有低通滤波器。

其作用过程为：SPI与斜坡产生器相连；所有单元均通过SPI进行控制。SPI控制信号的输入，斜坡产生器输出信号通过三阶sigma-delta调制器动态调节程控分频器P和S输入值，进而改变反馈分频比，通过长时间计数取平均值得到预设小数分频。压控振荡器N分频以后的输出频率作为锁相环射频输入信号，通过双模N/N+1前置分频器和预设分频比的可编程的程控分频器相结合实现PN+S分频。鉴频鉴相器比较参考时钟信号与反馈时钟信号相位差，产生相应宽度脉冲电平控制电荷泵对环路滤波器进行充放电，并进一步转换为压控振荡器输入控制电压调节振荡频率。

所述斜坡产生器结合锁相环电路可以产生例如锯齿波、三角波、阶梯等波形。

如图2所示，所述斜坡产生器结合锁相环电路产生一个双斜率三角形调频连续波。初始状态，SPI预先在寄存器中设置频率下限值F1、频率上限值F2、以及坡度值RS1。波形从A点频率下限值F1处开始沿着坡度值RS1设定的跳变步进上升，达到位于B点频率上限值F2后自动转换至下降状态，并按照坡度值RS1设定的跳变步进逐步递减。当波形到达位于C点的频率下限值F1后重新回到上升状态进入新一个调制周期，此时的波形将按照寄存器设定的坡度值RS2进行变化。当波形到达位于D点频率上限值F2后，同样又进入下降状态，继续以新输入的RS2值下降，并最终到达E点频率下限值F1，类似的频率转换过程一直持续下去。

如图3所示，所述斜坡产生器结合锁相环电路产生一个梯形调频连续波。相比图2所述三角波形而言，此时的斜坡产生器输入控制端增加了一路波形上升和下降控制位（Ramp up/down）。在波形产生初始阶段，寄存器预先设置频率下限值F1、频率上限值F2、坡度值RS1以及波形上升信号（Ramp up）。波形从A点频率下限值F1处开始以坡度值RS1设定的斜率上升，于B点抵达频率上限值F2后保持不变，经过一定时间延迟，当位于C点波形控制位重新设置到下降状态（Ramp down），此时调制波形开始以坡度值RS1设定的斜率逐步下降并抵达D点的频率下限值F1，随后频率又保持不变直到在E点，波形控制位再次重新设置到上升状态（Ramp up），波形开始上升，进入到新一个频率调制周期。同时寄存器在E点还输入新的频率上限值F2以及坡度值RS2，使得波形在上升过程中按照新设定的斜率增加。同样，当波形抵达F点频率上限值F2后仍然保持不变，直到G点寄存器输入新的频率下限值F1、坡度值RS3以及波形下降信号（Ramp down），调制波形才转换到下降模式。

如图4所示，斜坡产生器包括累加器和检测器。累加器（accumulator）根据输入的斜坡值进行加减运算，其中斜坡值由多位二进制数组成。累加器输出的频率控制信号连接后级信号检测器，同时作为∑-Δ调制器输入，动态改变锁相环反馈分频比。该输出信号进一步连接到累加器的另一路输入端口。此外，累加器输入还包括寄存器设定的频率下限值F1和频率上限值F2，用于确定调制信号带宽。每个时钟周期，当调制波形处于上升阶段，累加器将斜坡值和输出控制信号进行相加，如果频率达到上限值F2，则累加器停止继续相加；当调制波形处于下降阶段，累加器将斜坡值和输出控制信号进行相减并产生新的频率控制信号，如果频率达到下限值F1，则累加器停止继续相减。信号检测器用于检测频率控制信号是否抵达频率上限值F2或者频率下限值F1，并根据检测结果使累加器自动在增加和减少频率控制信号之间切换。所述检测器由溢出检测（overflow）和下溢检测（underflow）两部分组成，两者均接收来自累加器输出的频率控制信号。此外，频率上限值F2输入溢出检测部分，当频率控制信号达到上限值F2时，输出溢出信号至后级的上升/下降（up/down）控制电路；频率下限值F1输入下溢检测部分，当频率控制信号达到下限值F1，则输出下溢信号至后级的上升/下降（up/down）控制电路。上升/下降控制电路如果接收到溢出信号，则输出下降指示命令到累加器，使得累加器停止加法运算，转而开始将两输入进行相减操作；同样，如果上升/下降控制电路接收到下溢信号，则输出上升指示信号到累加器，从而使得累加器停止减法运算，转而开始将两输入进行相加操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。