用于飞行时间测量的信号处理单元和方法与流程

指定了用于飞行时间测量的信号处理单元和方法。

背景技术：

根据现有技术，可以使用三角测量、干涉测量、共焦色度、直接脉冲型飞行时间(tof)或间接相位型频率调制tof来测量到特定物体的距离。间接相位型频率调制tof通常涉及四个参考相位分别乘以检测器信号。然后可以将距离d确定为其中，c表示光速，并且f表示调制频率。可以根据四个数字转换后的乘积a0…a3将相位确定为因此，需要四个乘法器和adc通道来计算相位，这导致用于飞行时间测量的装置中的相对较大的数字区域和高功耗。

技术实现要素：

因此，本发明的至少一个目的是指定一种用于飞行时间测量的装置和对应的方法，其允许较小的管芯尺寸并且有助于降低功耗。

这些目的通过根据独立专利权利要求的信号处理单元和方法来实现。信号处理单元和方法的有利实施方式和发展在从属权利要求中指定，并且进一步从下面的描述和附图中显而易见。

根据本发明的第一方面，指定了一种用于飞行时间测量的信号处理单元。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，信号处理单元包括振荡模块，其适于提供m个参考相位。在该上下文中，振荡模块可以包括振荡器，例如晶体振荡器、内部rc弛豫振荡器或允许生成具有预定频率和相位的参考信号的类似实体。这样的参考信号可以是正弦或非正弦的，诸如方波信号。参考信号的频率可以在1mhz至20mhz之间的范围内。

振荡模块可以进一步包括锁相环(pll)或延迟(线)锁定环(dll)，以基于由振荡器生成的参考信号来生成m-1个进一步的参考信号。总共，可以生成m个参考信号，它们的相位偏移彼此不同，特别是关于由振荡器生成的参考信号。此处和下文中，具有不同相位偏移的参考信号也称为“参考相位”。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，信号处理单元包括传输模块，其适于生成至少一组光脉冲。传输模块可以包括用于生成脉冲光的光源，诸如发光二极管(led)或垂直腔表面发射激光器(vcsel)。每个光脉冲可以对应于用于驱动传输模块的驱动器信号的相应脉冲。具体地，传输模块可以适于基于从m个参考相位中选择的相应选择相位来生成至少一组光脉冲。在该上下文中，传输模块可以进一步包括led/vcsel驱动器单元，用于基于选择相位来提供驱动电流。

传输模块可以被配置为以(周期性)脉冲模式操作，其中，仅在相对短的时间间隔内生成光脉冲，而传输模块在(每个周期的)剩余时间处于禁用操作状态。具体地，可以分别仅在传输模块的操作时间或每个周期的0.5％至5％中生成光脉冲。优选地，分别仅在传输模块的操作时间或每个周期的高达1％中生成光脉冲。

可选地，传输模块可以被配置为以连续模式操作。

此处和下文中，光脉冲是指对应于传输模块的驱动器信号的一系列或一组光脉冲。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，信号处理单元包括检测模块，其适于接收一组光脉冲并基于所述一组光脉冲来生成检测器信号。具体地，由检测模块接收的光脉冲可以是由传输模块生成的光脉冲的反射。换句话说，检测模块可以适于接收所述至少一组光脉冲的相应的一组反射，并基于所述一组反射来生成检测器信号。检测器信号的脉冲可以对应于所接收的反射的脉冲。检测模块可以包括光电二极管等，以便生成电检测器信号。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，信号处理单元包括至少一个乘法器。具体地，至少一个乘法器可以适于将所述检测器信号乘以相应的比较相位。至少一个乘法器可以具体是模拟乘法器，其被配置为将所述检测器信号和相应的比较相位作为两个模拟输入信号并产生作为它们的乘积的输出。乘法器的输出可以是模拟信号，在下文中被称为乘法器的“结果”。信号处理单元可以包括正好一个这样的乘法器或正好四个这样的乘法器。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，信号处理单元包括模数转换器(adc)。具体地，adc可以适于将至少一个乘法器的结果转换为数字信号。adc可以例如被配置为增量adc。具体地，adc可以被配置为δ-σ(delta-sigma)或adc逐次逼近adc或其组合。信号处理单元可以具体地包括正好一个adc通道，即正好一个模拟信号被adc转换为数字信号。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，信号处理单元包括处理模块。具体地，处理模块可以适于基于数字信号来确定相应的比较相位或相应的选择相位，并计算所生成的至少一组光脉冲与所接收的一组反射之间的近似相位差。处理模块可以包括数字滤波器和/或(专用)集成电路，诸如数字信号处理器(dsp)、微控制器单元(mcu)等。

可以通过确定与检测器信号正交的参考相位(即通过确定使乘法器的结果接近零的比较相位或选择相位)来计算相位差。具体地，信号处理单元可以适于选择m个参考相位中的一个作为比较相位，并且选择m个参考相位中的一个作为选择相位。比较相位或选择相位可以随后经过(runthrough)m个参考相位，直到乘法器的结果接近零，而选择相位和比较相位中的另一个分别保持固定。换句话说，可以在传输或接收信号路径中应用用于距离测量的相位控制器。选择相位和比较相位中的固定的一个可以是预定的，例如，m个参考相位中的第一个。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，信号处理单元包括振荡模块、传输模块、检测模块、至少一个乘法器、adc和处理模块。振荡模块适于提供m个参考相位；传输模块适于基于从m个参考相位中选择的相应选择相位来生成至少一组光脉冲；检测模块适于接收所述至少一组光脉冲的相应的一组反射，并基于所述一组反射来生成检测器信号；至少一个乘法器适于将所述检测器信号乘以相应的比较相位；adc适于将至少一个乘法器的结果转换为数字信号；并且处理模块适于基于数字信号来确定相应的比较相位和/或相应的选择相位，并计算所生成的至少一组光脉冲与所接收的一组反射之间的近似相位差。

通过比较相位或选择相位由处理模块确定这一事实所实现的是，检测器信号乘以m个参考相位仅需要一个乘法器和adc。因此，可以减少信号处理单元的数字区域及其功耗。

具体地，利用根据本发明的信号处理单元，不需要在数字域中计算相位差，从而与现有技术相比允许较小的管芯尺寸和较低的制造成本。

此外，由于特别是在信号处理单元的数字部分中的最小化的功耗，因此使得能够启用无人机，信号处理单元的便携式移动应用。另外，可以减少在信噪比(snr)由量化噪声主导的情况下的传输周期数。

此外，信号处理单元的体系结构可以针对性能(即动态范围或分辨率、功率和成本折衷)进行缩放。具体地，信号处理单元可以是可重新配置的，用于低精度应用，诸如当前检测、区域检测或接近检测；信号处理单元也可以是可重新配置的，用于在2m范围内需要1cm分辨率的高精度应用。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，adc是δ-σ转换器。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，振荡模块与传输模块耦接以提供选择相位。振荡模块还与乘法器耦接以提供比较相位。此外，检测模块连接到乘法器以提供检测器信号。乘法器连接到adc以提供要转换的结果。此外，adc连接到处理模块以提供数字信号，并且处理模块连接到振荡模块以提供用于选择比较相位或选择相位的控制信号。

具体地，处理模块可以适于提供用于在m个参考相位中选择比较相位或选择相位中的一个的控制信号，然而m个参考相位中的预定的固定相位(诸如第一参考相位)可以独立于控制信号而分别用作选择相位或比较相位。可选地，控制信号可以用于在m个参考相位中选择比较相位和选择相位两者。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，振荡模块包括适于生成m个参考相位的时钟发生器和适于从m个参考相位中选择两个相位的相位选择器。处理模块适于基于数字信号来控制相位选择器，并且基于至少一个乘法器的结果在两个相位中选择比较相位或选择相位。

具体地，处理模块可以适于提供控制信号，该控制信号用于从m个参考相位中选择两个已知的参考相位。就这一点而言，处理模块可以包括可以用于选择两个相位的一个或多个数字滤波器。adc的输出可以未经处理地反馈到乘法器，以便允许在两个相位中的任一相位之间进行选择作为比较相位，该比较相位乘以检测器信号。可选地，可以将adc的输出未经处理地转发到传输模块，以允许在两个相位中的任一相位之间进行选择作为选择相位。

信号处理单元可以具体地配置为内插在所选择的两个已知参考相位之间的到达时间。有利地，信号处理单元的这种体系结构允许减少的量化步长。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，乘法器或传输模块包括连接到adc以接收数字信号的开关。该开关适于基于至少一个乘法器的结果在两个相位中选择比较相位或选择相位。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，时钟发生器连接到相位选择器以提供m个参考相位。此外，相位选择器连接到传输模块以提供所选择的两个相位，并且时钟发生器与乘法器耦接以提供比较相位。

有利地，用于距离测量的相位控制器因此可以被应用于接收信号路径中。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，时钟发生器连接到相位选择器以提供m个参考相位。此外，相位选择器连接到乘法器以提供所选择的两个相位，并且时钟发生器与传输模块耦接以提供选择相位。

有利地，用于距离测量的相位控制器因此可以被应用于传输信号路径中。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，信号处理单元包括第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器和第四乘法器；运算放大器；电容器；比较器；以及逐次逼近寄存器单元。

每个乘法器具有一个输出以及第一输入和第二输入。乘法器的第一输入连接到检测模块以接收检测器信号，而乘法器的第二输入连接到振荡模块以接收相应的比较相位。

运算放大器具有一个输出以及第一输入和第二输入。运算放大器的第一输入连接到第一乘法器和第二乘法器的输出，而运算放大器的第二输入连接到第三乘法器和第四乘法器的输出以接收乘法器的相应的结果。

电容器具有连接在运算放大器的第一输入与第二输入之间的两个端子。

比较器具有一个输出和一个输入。比较器的输入连接到运算放大器的输出。

逐次逼近寄存器单元具有一个输出和一个输入。逐次逼近寄存器单元的输出连接到振荡模块，而逐次逼近寄存器单元的输入连接到比较器的输出。

这里，振荡模块适于提供两个相位作为相应的比较相位。由振荡模块提供的两个相位中的第一相位被施加到第一乘法器和第四乘法器的第二输入，并且由振荡模块提供的两个相位中的第二相位被施加到第二乘法器和第三乘法器的第二输入。

此外，处理模块适于基于逐次逼近寄存器单元的信号输出来计算所生成的至少一组光脉冲与所接收的一组反射之间的近似相位差。

有利地，信号处理单元的这种体系结构允许减少的量化相位步长和/或粗略的tof距离测量。

根据参考第一方面的至少一个实施方式，信号处理单元包括复制驱动器，其适于基于选择相位生成复制信号。复制驱动器连接到振荡模块以接收选择相位，并连接到传输模块以提供复制信号。

这里，处理模块适于基于数字信号来计算所生成的复制信号与所处理的复制信号之间的近似相位差作为近似相位偏移。处理模块还适于基于相位偏移来计算所生成的至少一组光脉冲与所接收的一组反射之间的近似相位差。

根据本发明的第二方面，指定了一种用于飞行时间测量的方法。

上述进一步的信号处理单元特别适合于执行以下描述的方法。因此，与方法相关联地解释的特征也可以用于信号处理单元，并且反之亦然。

根据参考第二方面的至少一个实施方式，该方法包括以下步骤：

-由振荡模块生成m个参考相位；

-在m个参考相位中选择至少一个相位作为选择相位，并且由传输模块基于选择相位生成相应的一组光脉冲；

-接收所述一组光脉冲的相应的一组反射，并由检测模块基于该组反射生成检测器信号；

-由至少一个乘法器将检测器信号乘以相应的比较相位；

-由adc将所述乘法器的结果转换为数字信号；

-由处理模块基于数字信号确定相应的比较相位或相应的选择相位；并且

-由处理模块基于数字信号来计算所生成的至少一组光脉冲与所接收的一组反射之间的近似相位差。

根据参考第二方面的至少一个实施方式，选择相位或比较相位是m个参考相位中的第一个参考相位。

根据参考第二方面的至少一个实施方式，该方法还包括以下步骤：

-由相位选择器基于控制信号从m个参考相位中选择两个相位；并且

-由开关基于至少一个乘法器的结果在两个相位中选择比较相位或选择相位。

根据参考第二方面的至少一个实施方式，该方法还包括以下步骤：

-由复制驱动器基于选择相位生成复制信号；

-由处理模块基于数字信号来计算所生成的复制信号与所处理的复制信号之间的近似相位差作为近似相位差；并且

-由处理模块基于近似相位偏移来计算所生成的至少一组光脉冲与所接收的一组反射之间的近似相位差。

附图说明

根据下面结合附图描述的示例性实施方式，其他优点、有利实施方式和发展将变得显而易见。

在附图中：

图1示出了用于飞行时间测量的示例性信号处理单元的示意性电路；

图2示出了根据本发明的信号处理单元的第一示例性实施方式的示意性电路；

图3示出了图2所示的信号处理单元的估计器单元的示例性实施方式的示意性电路；

图4示出了根据本发明的信号处理单元的第二示例性实施方式的示意性电路；

图5示出了根据本发明的信号处理单元的第三示例性实施方式的示意性电路；以及

图6示出了由图4或图5所示的信号处理单元生成的光脉冲与接收的反射之间的示例性相位差。

在附图中，相同的、相同作用类型的元件设置有相同的参考标记。附图和附图中所示的元件彼此之间的尺寸关系不应被视为按比例绘制。而是，可以以放大的尺寸示出各个元件，以便能够更好地示出和/或以便提供更好的理解。

具体实施方式

有许多测量距离的方法，诸如三角测量法、干涉测量、直接脉冲型tof、间接相位型频率调制tof和共焦色度。通常基于适用的目标距离范围和所需的测量精度来选择工作原理。由于它易于集成到硅中以及具有成本效益，因此间接相位tof测量原理最近受到越来越多的关注，该原理如r.lange等人的“time-of-flightrangeimagingwithacustomsolid-stateimagesensor”，lasermetrologyandinspection，proc.spie，vol.3823，munich，(1999)所述，其内容通过引用结合于此。例如，可在isl29501中找到上述原理的实现。

图1示出了用于飞行时间测量的示例性信号处理单元的示意性电路。信号处理单元1可以被实现为集成电路，包括时钟发生器10，该时钟发生器10包括诸如内部rc弛豫振荡器或晶体振荡器的振荡器11以及锁相环(pll)或延迟(线)锁定环(dll)12，用于以期望的调制频率提供四个参考相位。信号处理单元1还包括光源30(诸如led或vcsel)以及led/vcsel驱动器20，一起形成传输模块。在信号处理单元1的接收侧，布置了用于将所接收的光/光子转换为电流的光电二极管40和包括跨阻放大器51、带通滤波器52和可变增益放大器53的预处理单元50，一起形成检测模块。这里，跨阻放大器51可以用于放大电流并将其转换为电压；带通滤波器52可以用于使调制频率信号通过，而带外噪声被拒绝，从而降低了以下实体所需的动态范围；并且可变增益放大器53可以用于确保信号被充分地放大以用于后续的信号处理实体，诸如模数转换器(adc)。信号处理单元1还包括：乘法器单元61，其包括四个乘法器65；adc单元71，其包括四个adc通道；以及数字计算单元81。这里，乘法器单元61的每个乘法器65可以特别适于将相同频率的两个模拟正弦信号相乘。此外，adc单元71的每个adc通道可以被配置为将dc电压(即，相位信息)转换为数字字，用于在数字域中进一步滤波和计算。

信号处理单元1适于首先使用光源30照射目标物体。用于驱动光源30的调制频率信号可以是源自pll/dll12的5mhz至10mhz的方波。pll/dll12还生成四个不同的时钟相位(也称为参考相位)，用于经由乘法器单元61的四个乘法器65来解调照明的反射(在下文中称为反射信号)。振荡器11可以生成输入到pll/dll12的低抖动时钟。

反射信号然后可以由光电二极管40检测，并且其电流由跨阻放大器51转换和放大。在由乘法器(65)单元61解调放大信号之前，放大信号由带通滤波器52滤波并且由可变增益放大器53适当地上增增益以匹配adc71的满量程参考电压。

可变增益放大器53的输出被复制并输入到乘法器单元61，使得四个乘法器65中的每个乘法器都输入有可变增益放大器53的输出。因此，乘法器单元61的每个输入被四个不同的时钟相位中的一个单独解调。然后，乘法器单元61的四个输出通过adc71的四个单独的adc通道进行采样和数字转换。抗混叠滤波器可以布置在adc71的前面，并且数字低通滤波器可以布置在adc71的后面(未示出)。

可以使用数字计算单元81在数字域中计算相位。例如，通过应用坐标旋转数字计算机(cordic)算法，可以根据四个数字转换后的乘积a0…a3将相位确定为距离d也可以在数字域中计算为其中，c表示光速，并且f表示调制频率。

在下文中，指定了一种改进的体系结构和方法，以基于间接相位tof原理实现距离测量，相对于图1所示的信号处理单元1，这产生了更小的管芯尺寸、降低的成本以及更高的功率和距离测量精度方面的性能。

图2示出了根据本发明的信号处理单元2的第一示例性实施方式的示意性电路。

类似于图1，图2所示的信号处理单元2包括时钟发生器10、传输模块20，30和检测模块40，50。然而，与图1的电路相对照地，在图1的电路中，模拟和数字域两者中的反射信号的信号处理都以前馈方式实现，在图2的电路中，反馈通过adc82的输出施加到乘法器单元62的开关66用于输入相位选择。

在这种情况下，示出了增量adc72作为示例。adc72包括积分器75和比较器76(也称为量化器)。adc72可以具体地配置为δ-σ转换器。具体地，adc72仅包括一个adc通道。类似地，乘法器单元62仅包括一个乘法器65。

想法是找出与乘法器62的输入处的反射信号正交的时钟相位。在下文中，φk-1表示照明开始时的零度参考相位，φk表示距φk-1的90度延迟(正交)，并且φk+1表示距φk的90度延迟。

信号处理单元2还包括与时钟发生器10一起形成振荡模块的相位内插器13和相位选择器14。振荡模块特别适于生成m个参考相位，其中，m是自然非零数，例如100、1000、10000或更大。这里，相位选择器14适于从m个参考相位中选择两个相位φ1和φ2。然后将两个相位φ1和φ2输入到开关66。开关66适于基于adc72的反馈输出来选择两个相位φ1和φ2中的任一相位。由开关选择的要与反射信号相乘的相位也可以称为比较相位。

当反射信号与其正交信号相乘时，adc72的平均输出为零或最小。因此，adc72的平均输出将在驱动φk与φk+1之间的开关66选择时接近零。换句话说，通过在时钟φk与φk+1之间进行内插来实现正交时钟。通过在φk与φk+1之间进行内插，可以找到与反射信号正交的平均相位。假设没有其他处理延迟，例如，当传输模块20，30和检测模块40，50到乘法器65的输入的延迟被校准时，该平均相位与φk之间的差精确地为目标距离。

测量的精度可能受许多因素的影响，但是相对于图2的电路，φk与φk+1之间的相位步长差以及adc72中的过采样次数是主要因素。可以使用数字滤波器91来估计平均正交位置并减小相位步长。如图2所示，与图1相比，硬件复杂度大大降低了。不需要提供适用于实现cordic算法或类似计算机操作的硬件。此外，乘法器65和adc通道的四个实例分别减少到一个。因此，信号处理单元2相应地允许降低的功耗和管芯尺寸。

图3示出了图2所示的信号处理单元的估计器单元100的示例性实施方式的示意性电路。代替乘法器单元62和adc72或除了乘法器单元62和adc72之外，估计器单元100可以布置在图2的电路中的检测模块40，50与振荡模块10，13，14之间。估计器单元100包括具有四个乘法器65的组合乘法器单元63和包括运算放大器751和电容器752的adc73，一起形成积分器75和比较器76。具体地，估计器单元100允许一种可选方法来从返回信号快速地预估计相位延迟，并且因此减小图2的电路中的相位步长。这里，积分器75将保持相对于φ1和φ2累积表示反射信号的相位的电压。逐次逼近逻辑92将迫使选择合适组的φ1和φ2，使得到比较器76的平均输入为零。就这一点而言，逐次逼近逻辑92可以适于向相位选择器14提供控制信号，以便允许选择适当的两个相位。

图4示出了根据本发明的信号处理单元3的第二示例性实施方式的示意性电路。所示电路表示相对于图2的电路的可选实现方式。基本上，光源30的驱动器信号以及因此反射信号被相位调制而不是被时钟调制到乘法器65。对于输入到乘法器65的固定时钟相位，乘法器65的输入处的反射信号将被相位调制，使得其平均相位将与固定时钟相位正交。除了实际的相位调制是在光源30驱动器路径上实现的之外，信号感测和处理与图2的电路相同。

图5示出了根据本发明的信号处理单元4的第三示例性实施方式的示意性电路。除了布置在相位选择器14与检测模块50之间的附加复制驱动器电路200之外，图5的电路大致对应于图4的电路。这种复制驱动器电路200也可以在图1或图2的电路中实现。

对于tof精确距离测量系统，距离偏移和更关键的是，其漂移可能影响结果(请参见图6)。图5的示例性电路示出了一种通过在接收信号路径中插入复制驱动器电路200来处理和校准偏移和偏移漂移的方法。复制驱动器电路200适于镜像(mirror)驱动器延迟，并且如图4所示，经受与真实驱动器电路20相同的反馈控制环50、64、73、91、14。由于信号处理单元4完全控制何时将发生用于tof距离测量的照明，因此可以插入后地(background)或前地(foreground)校准周期来测量电路的相位偏移及其漂移。可以存储所测量的相位偏移，并从正常距离相位测量结果中减去所测量的相位偏移。因此，可以完全消除由于信号处理电路而引起的距离偏移及其漂移。就这一点而言，信号处理单元4可以被配置为在每100、1000或更多的正常距离相位测量之后和/或每1、10或更多μs之后运行校准周期。

图6示出了由图4或图5所示的信号处理单元生成的光脉冲与接收的反射之间的示例性相位差。

在参考时间t0，相位内插器13的(固定的)内部时钟信号到达乘法器65的输入。这也与驱动光源30用于发射照明信号tx的信号对准。定义它是为了校准不期望的延迟。

在乘法器65的输入处的反射信号rx的到达时间t1处，照明信号tx与反射信号rx之间的总时间延迟δt＝t0-t1等于δtdriver+δtled+δtdis+δtpd+δtrx，其中，δtdriver是由于驱动器电路(例如，led/vcsel驱动器20)而引起的时间延迟，δtled是由于led/vcsel电光转换(例如，光源30)而引起的时间延迟，δtdis是由于目标距离而引起的时间延迟，δtpd是由于光电二极管光到电流转换(例如，光电二极管40)而引起的时间延迟，δtrx是由于接收电路直到乘法器65(例如，预处理模块50)的输入而引起的时间延迟。

所测量的距离与δtdis成正比。距离偏移与δtoffset＝δtdriver+δtled+δtpd+δtrx成正比。偏移漂移与成正比，其中，x可以是温度、环境光或电源电压。

通过基于所述示例性实施方式的描述，本发明不限于示例性实施方式。而是，本发明包括任何新颖的特征以及特征的任何组合，其特别包括专利权利要求中的特征的任何组合，即使该特征或该组合本身在专利权利要求或示例性实施方式中没有明确规定。

参考标记

1、2、3、4信号处理单元

10时钟发生器

11晶体振荡器

12锁相环/延迟(线路)锁定环

13相位内插器

14相位选择器

20led/vcsel驱动器

30led/vcsel

40光电二极管

50预处理单元

51跨阻放大器

52带通滤波器

53可变增益放大器

61、62、63、64乘法器单元

65乘法器

66开关

71、72、73、74模数转换器

75积分器

751运算放大器

752电容器

76比较器

81、82数字计算单元

91数字滤波器

92逐次逼近寄存器

100估计器电路

200复制驱动器电路

tx照明信号

rx反射信号

t0参考时间

t1到达时间

toffset偏移

tdis距离。