低功耗雷达传感器设计

面向物联网和移动医疗应用的低功耗传感器设计

I. 引言

物联网（IoT）被认为是继互联网之后全球技术发展的下一个重大事件。物联网是一个智能网络，将所有事物连接到互联网以实现信息感知、交换和数据计算。它扩展了概念，从人与人之间的通信发展到人与物、物与物之间的通信。基于射频识别（RFID）、传感器技术及其他智能技术，我们周围的许多物体将被连接成网络，并呈现出多种应用[1]。

物联网术语最初被提出时，是指采用射频识别技术的物体的扩展概念。此后，越来越多的技术如传感器、执行器、GPS设备和移动设备被融入物联网技术中[2]。中国通信标准化协会（CCSA）给出了物联网的一种定义：一种能够通过部署具备感知、计算、执行和通信能力的各种设备，采集物理世界的信息或控制物理世界的物体，并通过传输、分类和处理信息，支持人与物之间或物与物之间通信的网络[3]。

根据该定义，物联网系统可划分为多个子系统。来自物体的信息将由传感器网络直接采集，并由计算系统进行信息处理，其中采用无线或有线通信在各个节点之间传输和共享所有信息。例如，当物联网应用于智能交通系统时，交通部门能够跟踪每辆车辆的定位，监控其移动并预测可能的道路交通[2]。

随着微电子技术、网络技术和计算技术的迅速发展，传感器网络的研究已成为物联网领域中的热点问题之一。近年来，各种类型的传感器已广泛应用于定位、跟踪、汽车、医疗监控以及许多其他应用[4]。其中，雷达传感器是最传统但最具前景的技术之一，被广泛应用于军用和民用系统中。

雷达传感器的一个典型应用场景是室内定位网络，该网络由分布在房间内的多个位置传感器节点组成。雷达芯片用于测量其所在节点与目标之间的距离，无线通信模块则负责网络连接。当收集到各个节点的距离信息后，处理器将确定目标位置。为了实现实时定位操作，雷达传感器设计需要满足低功耗、低成本和厘米级分辨率的要求，这与军用雷达设计完全不同。

传感器网络的另一个应用场景是人体健康监测系统。雷达传感器自上世纪70年代起已被引入医院治疗中，可用于获取医学影像以诊断疾病。然而如今，人们在日常生活中越来越关注自身健康，这对雷达传感器技术提出了新的要求。与此同时，物联网（IoT）在理论和工程方面的进步使得持续获取个人生理数据成为可能。因此，随着新一代无线设备能够通过在线数据实现非接触式健康监测和远程诊断，未来十年无线健康设备市场将大幅扩张。其中，非接触式生命体征传感器近年来吸引了大量研究兴趣。这些传感器被设计为可嵌入移动设备或智能家居设备中。

本文综述了用于物联网的雷达传感器，特别是低功耗、低成本、高精度的室内定位和医疗保健监测传感器。文中展示了多种有前景的设计，并简要描述了未来趋势。

II. 短距离雷达系统用于物联网

2.1 室内定位系统

物联网雷达传感器最具前景的应用之一是室内实时定位。随着经济建设和日常生活的不断发展，对室内定位系统（IPS）的需求日益增长。然而，尽管目前利用Wi-Fi、Zigbee、射频识别（RFID）、蓝牙等技术已实现了室内实时定位，但其定位精度仅能达到米级[5]。随着物联网和传感器网络需求的不断扩展，在短距离内实现具备低功耗、低成本特性的高精度定位成为许多场景中的迫切需求。

根据不同的定位原理，室内定位系统（IPS）可分为身份识别、指纹和几何三类。身份识别定位技术通过定位节点的位置来获取用户位置，其精度取决于定位节点的密度。该技术基于大量参考标签，常用于低成本、低精度的射频识别（RFID）定位系统。指纹定位技术需要建立移动设备的指纹数据库，导致工作量较大。该技术可达3米的精度，目前仅应用于被Wi-Fi、Zigbee和蓝牙网络覆盖的关键区域。几何定位技术通过测量用户与定位节点之间的几何关系。通过利用高分辨率短程雷达传感器作为定位节点，室内实时系统可实现厘米级精度，远高于其他任何技术[5]。

然而，高精度室内定位系统（IPS）的发展受到室内实时定位解决方案复杂性和成本的限制。因此，迫切需要开发兼具亚厘米级精度、低成本和低功耗要求的室内实时定位系统[6]。

探测范围和测距分辨率是传统雷达系统的关键规格。用于军用雷达。虽然探测范围主要由发射功率决定，但理论最小测距分辨率由以下给出：

$$
R = \frac{c}{2 \cdot BW}
$$

其中 $ c $ 为光速，$ BW $ 为雷达收发器的频率带宽。因此，超宽带（UWB）技术在雷达设计中得到了充分发展，以提供更高的测距分辨率，尽管该技术在无线通信应用中已暴露出诸多问题。

2.2 非接触式生命体征检测系统

尽管非接触式生命体征检测系统在2000年之前已成功实现，但本世纪的研究兴趣已转向为便携式系统实现更低功耗、更低成本、更高精度和更长的探测范围。该非接触式检测技术可用于多种潜在应用，其中医疗监控似乎是最具前景的应用之一[7]。

例如，已有公司展示了利用该技术的睡眠监测仪，用于监测个人的睡眠状况。与传统的睡眠监测仪不同，该设计利用嵌入式微波雷达传感器检测目标人物因呼吸引起的微小运动，然后根据运动信息记录实时睡眠状况。生物医学雷达传感器无需干扰目标人物的正常生活方式，因此也被视为对患者进行经济高效的长期监测的一种替代方案。此外，最近的研究表明，医疗保健雷达传感器在乳腺癌诊断等医学成像应用中非常有帮助。无线雷达传感器也已被应用于监测蜥蜴和鱼等动物的健康和行为[7]。

传统雷达系统是为军事应用而发明的。用于监测人体状况的短程雷达不同于传统雷达系统，其关注的是相对于正常状态的相对变化，而非绝对距离信息。雷达传感器检测人体胸部皮肤运动，并从中提取呼吸频率和心率信息，这不仅要求更高的精度，还需要更低的功耗以实现便携式监测设备。在人体呼吸检测中，胸壁运动的典型幅度为1~6毫米，至少比由心跳引起的0.2毫米典型运动大一个数量级[9]。生命体征检测需要达到小于1厘米的精度。此外，米级的探测范围即可满足大多数医疗应用需求，且发射功率不应超过安全限值，以确保人体健康和正常的无线通信。因此，物联网发展特别是雷达前端设计为短程雷达传感器设计带来了新的挑战。

随着人们对健康和生活日益增长的兴趣，工程界中的众多研究人员一直在推动该领域的技术进步。已提出了多种雷达前端架构，每种架构在特定环境中均展现出其独特优势。同时，信号处理技术也得到了深入研究，使得应用更具说服力，例如噪声消除和数字波束成形[10],[11]。此外，用于雷达设计的片上系统（SoC）和专用集成电路（ASIC）技术——而非板级系统设计——已被证实，有助于实现低功耗、低成本的医疗监测传感器。

载波频率选择已从数百兆赫到数十吉赫的频率范围内进行了非接触式生命体征检测测试。更高频段，如毫米波频率[12]甚至228 GHz频率[13]，可提供更高的发射功率和长达50米的探测范围。更短波长可以对微小位移提供更高灵敏度以及更好的雷达散射截面。然而，人体皮肤和其他组织对微波信号的反射系数会随着频率升高而降低[14]，且过高的载波频率会使雷达传感器难以同时测量呼吸和心跳。

III. 雷达传感器架构

3.1 多普勒雷达

连续波（CW）多普勒雷达已广泛应用于许多领域，包括汽车测速和风暴追踪。通过检测反射的微波信号中的频率或相位偏移，多普勒雷达还可用于检测人体皮肤的微小生理运动，这些运动包含生命体征信息。另一方面，由于它仅对目标的运动敏感，因此不适用于室内定位应用。

假设将一个未调制连续波信号发射到人体，并由呼吸和心跳引起的目标运动 $ x(t) $ 对该信号进行相位调制。发射信号和反射信号表示为：

$$
T(t) = \cos(2\pi f \cdot t)
$$

$$
R(t) = \cos[2\pi f \cdot t - 4\pi d - 4\pi \cdot x(t)/\lambda]
$$

其中 $ f $ 为载波频率，$ d $ 为目标距离，$ \lambda $ 为波长。与发射信号相比，接收信号因一定距离 $ d $ 和周期性运动 $ x(t) $ 而产生时间延迟。通过使用与发射信号相同的信号 $ T(t) $ 作为本振信号对接收信号 $ R(t) $ 进行下变频，可获得包含目标信息的基带信号：

$$
B(t) = \cos[\theta + 4\pi \cdot x(t)/\lambda]
$$

其中 $ \theta $ 是由目标位置和材料决定的固定相位，该相位在模数转换（ADC）之后的处理中不会产生影响。数字化后的基带信号 $ B(t) $ 及其频谱如图1所示作为一个示例。

根据工作原理，已报道了多种用于多普勒雷达的射频前端架构。尽管第一代片上生物医学雷达在1.6和2.4吉赫下工作，但在毫米波频率下的生命体征检测雷达为多普勒雷达架构提供了更优的性能。最近展示了一种用于在60吉赫频段进行非接触式生命体征检测的系统级封装微雷达[18]。

该芯片采用UMC 90纳米CMOS工艺技术，并集成了天线。中频级采用正交调制以估计零点检测问题，确保可靠的检测。雷达收发器的框图如图2所示。

接收机前端需要一个高增益低噪声放大器（LNA）以获得更好的灵敏度。来自单端贴片天线的接收信号通过具有38分贝增益和5.2分贝噪声系数（NF）的60吉赫LNA后，作为单平衡混频器的输入，该混频器不仅将信号频率从60吉赫下变频至6吉赫中频，还为后续混频器实现单端到差分的转换。采用54吉赫交叉耦合压控振荡器，并在发射机和接收机之间共享。在三级发射机驱动之前使用了紧凑型平衡-不平衡变换器。发射功率被提升至2分贝毫瓦，接近其饱和功率。在中频级，两级环形压控振荡器生成四相信号，为无源混频器实现差分I/Q本振。模数转换器（ADC）及其他数字处理算法均采用片外实现。

该多普勒雷达系统在片上消耗377毫瓦功耗，电源为1.2伏，核心面积仅为0.73平方毫米。该系统实现了在0.3米距离上人体生命体征检测的一次成功。对于位移为0.2毫米的金属板，其微小振动最远可在2米距离处被检测到。连续波多普勒雷达具有射频架构简单、探测范围长以及能够实现毫米级检测的能力等优点。

3.2 冲激无线电超宽带雷达

一种用于室内实时定位和非接触式医疗监测的替代无线解决方案是冲激无线电超宽带（IRUWB）雷达。大于500兆赫的超宽带宽有望提高雷达分辨率。通过控制发射和接收信号之间的时间延迟，相关函数模块可计算传播时间。与连续波雷达相比，冲激雷达的主要优势在于其对多径反射具有固有的免疫性。

图3展示了冲激无线电超宽带雷达传感器架构的一个示例，该架构主要用于生命体征[19]的非接触检测。脉冲发生器以固定的重复频率向人体发射短脉冲。反射信号由接收天线捕获，经低噪声放大器（LNA）放大后，与延迟的发射脉冲进行混频。可通过控制延迟来捕获反射信号，并在检测到反射信号后固定延迟，以监测微小的目标运动。由于生命体征变化频率仅为几赫兹，带宽为100 Hz的积分器可实现精确检测。当目标持续移动时，由于混频器处发射脉冲与接收信号之间的相位变化，积分器的输出电压会发生变化。数字处理中还引入了直流消除技术和平滑算法。因此，该冲激超宽带雷达芯片可在25厘米距离处检测被测人员的呼吸率。工作频率范围为3至5 GHz，整个雷达收发器的功耗仅为73.2毫瓦，远低于连续波多普勒雷达架构。

为了测量超宽带脉冲（UWB pulses）的到达时间（ToA），提出了一种基于时间-数字转换器（TDC）的雷达接收机架构，如图4(a)[20]所示。目标距离 $ d $ 通过公式 $ d = c \times ToA $ 计算，其中 $ c $ 为光速。低噪声放大器（LNA）和包络检测器（ED）作为雷达接收机的射频前端。随后，使用一个比较器和一个T触发器来检测上升沿。

接收到的脉冲被转换为低频的数字矩形波形。在不丢失任何时间延迟信息的情况下，T触发器的输出将通过一个与发射机和接收机同步的参考时钟，由时间数字转换器（TDC）进行测量。TDC统计找到最大相关值时的计数值，该时钟脉冲数即被解释为到达时间（ToA）。基于TDC的雷达架构抑制了多径效应，实现了9.7 mm的精度，功耗为46.8 mW。此外，由于TDC直接将接收到的信号转换到数字域而非通过模数转换器（ADC），使得后续的数字处理更加方便。

与基于TDC的雷达类似，本文提出了一种采用直接采样冲激无线电超宽带雷达系统[21]的频率定义型数字-时间转换器（DTC）。传统的直接采样接收机需要采样时钟频率至少为载波频率的十倍，通常高于100 GHz，而如此高频率的时钟生成将消耗大量功耗。本工作中，游标延迟时间控制器（Vernier DTC）在无需产生高频信号的情况下实现了1.5 ps的时间分辨率。

其简化框图如图4(b)所示。与传统雷达系统中仅接收机或发射机工作在可变时序下的方式不同，所提出的DTC要求发射机和接收机均工作在可变时序下。其中，发射机的单位时间间隔 $ \Delta T_{TX} $ 设为 $ T_{PR}/(n-1) $，其中 $ T_{PR} $ 为脉冲重复时间；接收机的单位时间间隔 $ \Delta T_{RX} $ 为 $ T_{PR}/n $。此时，有效时间分辨率将显著减小，具体为 $ \Delta T_E = T_{PR}/(n(n-1)) $。通过该方法，利用高分辨率定时信号直接对收到的射频脉冲信号进行采样。基于DTC的方法还降低了对高速模数转换器的要求，并减小了设计复杂度。所采用的游标延迟时间控制器使用三个带LC压控振荡器的锁相环，取代了两条反相器延迟线，从而降低了对工艺电压温度变化的灵敏度。因此，在65纳米CMOS工艺下实现的该雷达系统已实测达到检测分辨率为0.9毫米，电流为88.2毫安。

面向物联网和移动医疗应用的低功耗传感器设计

3.3 调频连续波雷达

调频连续波雷达是另一种在定位和医疗应用方面展现出潜力的技术。由于能够从远距离对目标进行定位，调频连续波雷达已被广泛用作汽车雷达[23]。图5(a)展示了调频连续波雷达的理论示意图。其频率随时间线性变化，周期为 $ 1/f_m $，接收机检测到一个拍频 $ f_b $，该拍频与到目标的往返时间成正比。理论最小测距分辨率由 $ c/(2\Delta F) $ 给出，其中 $ c $ 为光速，$ \Delta F $ 为总频率偏移。例如，要实现亚厘米级的测距分辨率，需要 > 10 GHz 的射频带宽，这在低功耗雷达收发器设计中难以实际实现。此外，在三角调制的转折点处，拍频生成过程中会产生频率中断，如图5(b)所示，从而影响测距分辨率。

类似于基于脉冲的雷达，基于相位的调频连续波雷达通过直接测量子载波的相位延迟来估计往返时间，而不是测量拍频[24]。此外，另一种基于数字的相位域测距方法所提出的相位跟踪电路被证明可以克服传统调频连续波雷达[25]的基本带宽限制。由于相位域测距电路跟踪的是低频解调波形的相位，因此可以轻松实现同步。此外，采用1位ΔΣ TDC来提高相位域测距分辨率，并生成单比特过采样输出，以简化后数据处理。图6显示了所提出的相位域调频连续波雷达系统的简化框图。与传统调频连续波雷达类似，该雷达系统使用三角波形对载波进行调制，但直接利用接收机中恢复的三角波形的相位信息来估计传播时间。

与图4(a)中的基于时间数字转换器的冲激雷达架构相比，所报道的接收机架构采用数字相位跟踪系统或相位旋转器，从而实现无限相位捕获范围。同时，为了实现延迟线的精细时间分辨率，采用了1位ΔΣ TDC。实际相位信息在数字域中通过简单的后数据处理实现信噪比（SNR）。对精确时序控制的要求可显著放宽。该4 GHz调频连续波雷达接收机已在0.18 μm CMOS工艺中实现。实验结果表明，所报道的雷达接收机通过板上调制测量实现了亚厘米级测距能力，从1.6伏电源消耗26毫瓦功率。

合成孔径雷达相位调频连续波雷达。来自 [24]。(b) 基于TDC的调频连续波雷达接收机，采用到达时间测距。来自 [25])

3.4 架构比较

最新的雷达传感器设计比较表如表I所示。

[15]	[18]	[19]	[20]	[21]	[26]	[25]	[27]
定位	No	No	Yes	Yes	Yes	Yes	No
医疗保健	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
工艺	130纳米	65nm	90nm	65nm	130纳米	65nm	180纳米
集成	RX	TRX	TRX	TRX	TRX	TRX	RX
架构	多普勒	多普勒	超宽带冲激无线电	超宽带冲激无线电	超宽带冲激无线电	超宽带冲激无线电	FMCW
频率范围（GHz）	5.3–6.3	60	3-5	1-9	1.6–2.5	4	3.7–4.3
面积（mm²）	1.44	0.73	1.95	2	11.9*	5	2.65
功率（mW）	NA	377	73.2	88.2	695*	70	26
距离（m）	3	2	0.7	15	< 15	1	NA
精度	NA	0.2毫米	2cm	0.9毫米	0.73毫米	1.9	< 1厘米

*接收器具有 16 个通道。

基于表I，将讨论三种雷达架构（即连续波多普勒雷达、冲激无线电超宽带雷达和调频连续波雷达）的优缺点。

多普勒雷达架构可以实现高精度和小面积，但在使用毫米波载波时功耗较高。由于多普勒效应是由目标运动引起的，因此无法在室内定位应用中检测静止目标。因此，多普勒雷达主要应用于物联网的医疗监控应用中。

尽管调频连续波雷达在面积、功耗和测距精度之间提供了良好的权衡，但在狭小空间中会严重受到多径问题和散射问题的影响。因此，调频连续波雷达并不适合用于生命体征检测和室内实时定位等室内应用。

另一方面，IRUWB雷达能够以合理成本提供出色的精度。极低功耗使得UWB技术更具吸引力。然而，IRUWB雷达的测距距离受限于发射功率，难以达到 > 15m 的距离。在短距离应用中，IRUWB雷达架构在室内实时定位和远程医疗监测应用方面均具有低功耗、低成本、高鲁棒性和高测距精度的巨大潜力。

IV. 最近发展和未来趋势

近年来，用于物联网室内定位和远程医疗监测的传感器技术已得到充分发展，集成度更高，成本更低。基于连续波多普勒雷达、冲激无线电超宽带雷达和调频连续波雷达架构的许多鲁棒性雷达传感器设计均有报道。每种雷达架构都有其自身的优点和缺点。为了克服这些缺点并提升性能，一些新理念被引入雷达传感器设计中，例如多输入多输出、占空比技术和过采样调制。

4.1 波束成形

为了进一步提高信噪比并获得空间选择性，波束成形技术在测距雷达系统中得到了广泛应用，尤其是在军事雷达系统中。典型的相控阵接收机框图如图7所示。采用对PVT敏感的延迟单元作为每个通道的模拟阵列系统受限于有限的信号处理能力[28]。

在数字域实现时间延迟被视为一种替代方案[29],[30]。然而，数字波束成形方法需要高分辨率模数转换器或高性能的采样保持电路，并且需要复杂的数字硬件来进行延迟调整补偿，因为在模拟或数字域中的延迟补偿不准确会降低整体的波束成形性能。

基于[25]中的调频连续波雷达，展示了一种基于时间数字转换器的波束成形接收机，在考虑单目标跟踪时，该接收机不会受到射频路径中延迟失配的影响[8]。

所报道方法的框图如图8(a)所示。使用TDC代替ADC，使得在无需模拟延迟电路的情况下提升接收机性能成为可能，并且可以在数字域中通过对每个通道的直流分量进行加权来实现矢量求和（波束成形）。

在生命体征检测应用中，不同通道之间的延迟差异为几十皮秒，而缓慢移动目标的周期则长达毫秒以上。由于射频通道延迟失配引起的相位误差对于低频运动信息可以忽略不计，因此多个通道的信号可以直接相加以避免失配问题。方向性加权因子由传递函数 $ H(\Delta d, \Delta d_{preset}) = IN \cdot (1 – k|\Delta d – \Delta d_{preset}|^2) $ 计算得到，其中 $ \Delta d $ 为相邻通道间传播距离的差值，$ \Delta d_{preset} $ 是基于预设的差值。

TDC 可以将距离信息转换为数字直流值，基于权重因子实现了数字方向选择性。

如果在数字域中使用高通滤波器（HPF）来去除每条路径的直流分量，则可以通过简单地叠加各交流信号实现标量相加。由于直流信息丢失，HPF输出仅包含周期性的生命体征信息。通过叠加每个通道的交流信息，可以提高输出幅度。然而，若各路径噪声不相关，则N通道接收机的噪声贡献比单通道接收机高 $ 10\log N $ dB。因此，整体信噪比提升受限于约 $ 10\log N $ dB。

但是，被HPF滤除的低频分量也包含了静止时刻的有用信息[11]。在这种情况下，可能需要在数字域中采用更复杂的算法。

该四通道3.6至4.5吉赫兹调频连续波雷达接收机采用基于ΔΣ TDC的波束成形技术，每个通道在1.8伏电源下功耗为33.2毫瓦，成功实现了空间选择性和信噪比提升。测距精度达到0.75厘米，波束成形带来的信噪比改善为5.7分贝，接近理论值6分贝。测量结果如图8(b)所示。通过所报道的方法，波束成形架构无需使用模拟延迟电路或数字先进先出结构，适用于低成本生命体征检测雷达系统。

基于TDC的四通道波束成形雷达接收机框图，以及(b) 实测波束成形性能。)

4.2 占空比

具有严格能量限制的新型高度网络化应用（如物联网的标签和体域网）正在推动对超低功耗无线数据链路的需求，这些链路需在短距离内运行并支持相对较低的数据速率。超宽带冲激无线电（IRUWB）凭借其引人注目的特性，如低功耗、低复杂度基带操作、丰富的多径分集以及提升用户容量的潜力[31]，在这些应用中展现出独特前景。其中一些特性也适用于冲激式超宽带雷达系统。占空比技术是超低功耗无线通信系统中最有效的解决方案，可显著降低收发器的功耗[31]。

然而，在雷达传感器设计中却很少见到该技术的应用，因为通常传感器必须持续搜索目标，并随时捕捉反射信号。

与传统雷达系统不同，非接触式生命体征检测的目标在检测时长内可被视为在短距离范围内具有微小周期性运动的准静态物体。因此，到达时间可以被精确预测，这使得IRUWB雷达能够实现占空比工作模式。图9展示了占空比工作的IRUWB雷达收发机架构示例。假设雷达传感器与目标之间的距离固定，飞行时间可以计算得出，并且通过仿真可以获得发射机或接收机射频前端和天线的延迟时间。由于到达时间在有限范围内被预测，因此采用相位跟踪模块来确认反射脉冲的位置。这样，发射机和接收机可以轻松实现同步，从而使射频前端电路的占空比低于10%。这为功耗低于10毫瓦的超低功耗医疗监测传感器提供了可能。

V. 结论

随着网络市场的快速扩展和深入发展，物联网和医疗保健监测对低功耗、低成本和高精度室内定位传感器的需求不断增长。

在过去的几十年中，短程雷达传感器在室内实时定位和非接触式生命体征检测方面的研发取得了显著进展。各种前端架构已被证明可实现高检测精度。借助先进的CMOS技术，针对物联网和无线传感器网络的低功耗、低成本雷达传感器得到了进一步研究。

开发了新的方法以实现更好的性能。本文综述了面向物联网的雷达传感器，特别是用于低功耗低成本高精度室内定位和医疗保健监测的传感器。文中展示了多种有前景的设计方案，并简要描述了未来趋势。针对多种物联网应用，讨论了不同雷达架构的比较。随着越来越多的研究人员对传感器领域产生兴趣，在不久的将来，面向物联网和移动医疗的低功耗低成本传感器设计既面临挑战也充满机遇。