文章《MIMO雷达基础,提高角度分辨力》阐述了MIMO雷达是如何通过使用一组RX天线来处理来自多个TX天线发射的信号的。值得注意的是RX天线必须能分离出对应于不同TX天线的信号(例如,在正交信道上有不同的TX天线发射)。
实现这种分离的方法有三种,这里讨论两种这样的技术:时分多路复用(TDM)和二进制相位调制(BPM)。虽然在调频连续波(FMCW)雷达背景下,这些技术有着非常广泛的适用性,但下面将描述这些技术,FMCW雷达技术的介绍详见文献。
时分多路复用(TDM-MIMO)

在TDM-MIMO中,正交性在时间上。每帧由几个块组成,每个块由NTX个时隙组成,每个时隙对应于NTX个TX天线中的一个发射。在图8中,对于NTX=2的FMCW雷达,交替时隙专用于TX1 和 TX2。TDM-MIMO是将信号从多个TX天线中分离出来的最简单方法,因此被广泛采用。

在TDM-MIMO FMCW雷达的典型处理方案中,2D-FFT(距离-多普勒FFT)用于实现每一对TX-RX,每个2D-FFT对应于一个虚拟天线。NTX = 2 和 NRX = 4的雷达,可以计算为4 × 2 = 8, 图9给出了这样的距离-多普勒矩阵。

2D-FFT矩阵非相关求和后生成一个预检测矩阵,然后检测算法识别该矩阵中与有效目标相对应的峰值。对于每个有效目标,通过这些2D-FFTs,在相应的峰值可以生成一个角度FFT,以识别该目标的到达角。在应用角度FFT之前,必须先进行多普勒校正步骤,以校正任何速度引起的相位变化。
BPM-MIMO

前面描述的TDM-MIMO方案是简单易行的,但是,没有用到装备的全部发射能力(因为任何时候都只有一个发射机处于活跃状态)。存在着这些技术,其集中在一个帧中调制线性调频脉冲的初始相位,允许通过多个TX天线同步发射,同时确保这些信号的分离。在BPM-MIMO中,这些相位为0º 或180º(等同于将每个线性调频脉冲乘以+1或-1)。一个这样的BPM-MIMO变化描述如下。
和TDM-MIMO相似,BPM-MIMO的一个帧由多个块组成,每个块由NTX个连续发射组成。然而,与TDM-MIMO(其每个时隙只有一个TX天线是处于活跃状态的)不同的是,在每个块的NTX个时隙中,所有NTX个天线都是活跃的。对于每个块,多个TX天线的发射用一个空间码(采用BPM)来编码,这使得各发射机后续能对接收到的数据进行排序。
在TDM-MIMO中,每个时隙能发射的功率受到TX天线所能发射的最大功率所限制。允许所有的NTX个发射同步发射(仍然使用适当的空间编码确保完美分离),使得用户可以增加每个时隙的总发射功率。这转化为SNR收益为10log10(NTX)。

图10给出了NTX = 2时的该技术。假设S1和S2代表两个发射机的线性调频脉冲,一个块中的第一个时隙发射了一个合成信号Sa=S1+S2。类似地,一个块中的第二个时隙发射了合成信号Sb= S1–S2,在专用接收RX天线上利用相应的接收信号(Sa和Sb),通过S1=(Sa+ Sb)/ 2和 S2=(Sa -Sb)/2可以分离出单个发射机的成分。例如,NTX=4时,利用4×4阿达玛码能够分离,参见文献。
BPM-MIMO的处理链几乎与前面讨论的TDM-MIMO的一样,除了一个解码块,该解码块能从接收数据中将单个TX天线发射的信号分离出来。该解码必须在角FFT之前执行(在多普勒FFT之后较理想,从而使非零速度引起的相位校正能优先应用于解码)。
在毫米波上实现MIMO雷达

毫米波传感器TI生产线具有与数字逻辑紧密耦合的模拟前端。该耦合使得设计TX信号时灵活性相当大。此外,数字逻辑内的状态机允许对多种线性调频脉冲类型和各种帧序列进行预先编程,以减轻处理器实时控制前端的负担。提供的APIs能够抽取出数字逻辑中的所有寄存器,呈现出一个简单直观的界面给程序员。
编写一个TX信号时,记住三个概念:概述文件,线性调频脉冲,帧。这些概念的描述如下:
概述文件
概述文件是线性调频脉冲的模板,由与线性调频脉冲的发射和接收相关的参数组成。它包括TX参数(如起始频率、斜率、持续时间和空闲时间)和RX参数(如ADC采样率)。最多可以定义和存储4种不同的概述文件。
线性调频脉冲
每种调频脉冲类型与一个概述文件相关联,并且继承了该概述文件的所有属性。与每个线性调频脉冲相关联的其它属性包括必须发射线性调频脉冲的TX天线和必须应用的任何二进制相位调制。可以定义多达512种不同的线性调频脉冲类型(每种与4种预定义的概述文件中的一种相关联)
帧
通过使用预先定义的线性调频脉冲类型来定义一系列的线性调频脉冲可以构造帧。也可以对多个帧进行排序,每个帧由不同的线性调频脉冲序列组成。

因此,为特定MIMO装备编程相当于适当配置概述文件、线性调频脉冲和帧。
图11给出了为一个TDM-MIMO操作配置装备的步骤,图12给出了为一个BPM-MIMO操作配置装备的步骤。与概述文件、线性调频脉冲和帧配置相对应的信息描述参见文献。


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