[논문]차량용 FMCW 레이더의 탐지 성능 분석 및 신호처리부 개발

김상동; 현유진; 이종훈; 최준혁; 박정호; 박상현

doi:10.6109/jkiice.2010.14.12.2628

차량용 FMCW 레이더의 탐지 성능 분석 및 신호처리부 개발
The analysis of the detection probability of FMCW radar and implementation of signal processing part 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.14 no.12, 2010년, pp.2628 - 2635

김상동 (대구경북과학기술원) , 현유진 (대구경북과학기술원) , 이종훈 (대구경북과학기술원) , 최준혁 , 박정호 , 박상현 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 차량용 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더의 도플러 주파수와 아날로그-디지털 변환기 비트 수에 따른 탐지 성능 분석 및 신호처리부 개발을 진행하고자 한다. 성능 평가를 위한 FMCW 레이더의 시스템 모델은 송신부와 수신부로 구성되어 있으며 채널은 가우시안 잡음 환경을 사용한다. 이론과 시뮬레이션을 통해서 시스템 모델을 검증한다. 수신부에서는 수신 신호와 기준 신호사이의 부정합으로 인한 주파수 오차가 발생하게 된다. 75cm의 분해능를 갖는 FMCW 레이더에서 도플러 주파수가 약 38KHz이하인 경우 탐지 성능의 열화가 발생하지 않음을 알 수 있다. 아날로그-디지털 변환기 비트에 따른 탐지 성능은 6비트가 최소의 비트로 결정될 수 있음을 알 수 있다. 그리고 FPGA를 이용하여 디지털 송신 파형 발생기를 위한 집적 디지털 신디사이저(Direct Digital Synthesis) 칩을 기반한 FMCW 레이더 신호처리부를 설계 및 구현을 진행한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzes the detection probability of FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar based on Doppler frequency and analog-digital converter bit and designs and implements signal processing part of FMCW radar. For performance evaluation, the FMCW radar system consists of a transmitted part and a received part and uses AWGN channel. The system model is verified through analysis and simulation. Frequency offset occurs in the received part caused by the mismatching between the received signal and the reference signal. In case of Doppler frequency less than about 38KHz, performance degradation of detection does not occur in FMCW radar with 75cm resolution The analog-digital converter needs at least 6 bit in order not to degrade the detection probability. And, we design and implement digital signal processing part based on DDS chip of digital transmitted signal generator for FMCW radar.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그리고 FMCW 레이더는 RF 모듈을 통해서 수신된 신호를 디지털 신호로 변환해야 하므로 아날로그-디지털 변환기의 비트수에 따라서 탐지 성능에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 논문은 도플러 주파수와 아날로그-디지털 변환기 비트에 따른 성능 평가를 분석하였다.
본 논문에서는 차량용 FMCW 레이더의 도플러 주파수와 아날로그-디지털 변환기 비트 수에 따른 탐지 성능 분석 및 신호처리부 설계 및 구현을 진행하였다. 탐지 성능 평가를 위한 FMCW 레이더의 시스템 모델은 송신부와 수신부로 구성하였으며 채널은 가우시안 잡음 환경을 사용하였고, 분석과 시뮬레이션을 통해서 시스템 모델을 검증하였다.
본 절에서는 FMCW 레이더에서 송신 신호와 상관된 수신 신호를 기술한다. FMCW 송신신호는 식(2)와같이 표현한다.
본 절에서는 FMCW 레이더의 거리 탐지 모듈의 신호처리부를 설계 및 구현을 진행하고자 한다. FMCW 레이더의 RF 모듈은 W 대역의 중심주파수와 B는 200MHz의 스펙으로 구현하였다.
본 절에서는 FMCW 레이더의 도플러 주파수가 탐지 성능에 미치는 영향에 대해서 기술한다. 도플러 주파수가 고정된 값이라고 가정하였을 때, 수신기에서는 수신 신호와 기준 신호사이의 부정합으로 인한 주파수 오차가 발생하게된다.
본 절에서는 FMCW 레이더의 아날로그-디지털 변환기 비트수에 따른 성능 분석을 하였다. 시스템 모델은 참고문헌 [12]에서 제시된 모델을 사용하였다.
본 절에서는 차량용 FMCW 레이더 신호처리부의 탐지 성능을 분석하기 위한 시스템 모델을 분석한다. 그림 3은 차량용 FMCW 레이더 시스템의 개략적인 디지털 송수신 구조를 나타내고 있다.
그러나, FMCW 레이더가 고성능의 탐지 성능을 갖고 디지털로 동작하기 위해서는 도플러 주파수에 따른 탐지 성능 분석과 아날로그-디지털 변환기 비트수에 따른 탐지 성능 분석이 필요하다[9]. 본연구에서는FMCW 레이더신호처리알고리즘성능 평가와 디지털 송신 파형 발생기를 위한 집적 디지털 신디사이저 칩을 기반한 신호처리부를 설계 및 구현하였다.
FMCW 레이더는 차량용 충돌방지 시스템에서 외부 환경에 영향을 받지 않고 차량의 거리를 측정할 수 있는 기기로서 많은 관심을 받고 있다[1]-[8]. 충돌 방지 시스템은 자동차 근방에 장애물을 인지하여 시스템과 장애물간의 상대거리를 추출함으로서 미연에 충돌을 방지하는 것을 목적으로 가지고 있다. 장애물 감지센서로는 초음파, 레이저 그리고 카메라와 같은 센서들이 거론되고 있으나, 초음파는 단거리의 물체를 측정하는 데만 사용되고, 레이저와 카메라는 눈과 비와 같은 환경에서는 거리 인식의 어려움을 가지고 있다.

제안 방법

디지털 신호처리의 핵심 기술인 고속 푸리에 변환기를 설계하기 위해서 Xilinx사에서 제공하는 FFT LogiCore를 사용하였다. FFT LogiCore는 입력 비트를 8에서 34까지 변경할 수 있으며, Pipelined, streaming I/O방식, Radix-4 Burst I/O방식 그리고 Radix-4 Burst I/O방식 등을 사용할 수 있으며, 본 논문에서는 FPGA 내부 블록램과 slice를 작게 사용하면서도 처리 속도가 빠른 Pipelined, streaming I/O방식을 사용하였다. 본 논문을 위해서 설계된 16비트와 256-point 고속 푸리에 변환기의 하드웨어 성능은 DSP slice를 24개 사용하였으며, 18K 블록램을 2개 사용한다.
먼저, 아날로그 처리부를 살펴보면, 수신신호는 FMCW 레이더의 비트주파수 신호이며 수 MHz 이내로 존재한다. 따라서, 수신부 아날로그-디지털 변환기는 14비트, 50Msps인 Analog device사의 AD9252를 사용하여 구현하였다. AD9252의 스펙은 50Msps의 샘플링 속도에서 약 93.
아날로그-디지털 변환기 비트에 따른 탐지 성능은 6비트가 최소의 비트로 결정할 수 있음을 알 수 있었다. 마지막으로 FPGA를 이용하여 디지털 송신 파형 발생기를 위한 집적 디지털 신디사이저 칩을 기반한 FMCW 레이더 신호처리부를 설계 및 구현을 진행하였다. 향후 본 논문에서 제시된 도플러 주파수와 아날로그-디지털 변환기의 결과를 적용하여 차량용 FMCW 레이더가 개발될 것으로 기대된다.
5mW의 전력을 사용하며, SNR는 73dB 정도 갖으며, 2Vp-p의 신호를 수신받아디지털 신호로 변환할 수 있다. 송신신호는 Analog device사의 AD9910의 집적 디지털 신디사이저 칩의 디지털 램프 모듈레이션 모드를 이용하여 선형적인 FMCW 송신 파형을 만들었다.
신호처리부의 기능은 3절의 그림 3과 같이 진행하였으며, 제시된 파라미터를 만족하고 다양한 기능을 시험할 수 있도록 주요부분을 FPGA(field programmable gate array)로 구현하였다. 먼저, 아날로그 처리부를 살펴보면, 수신신호는 FMCW 레이더의 비트주파수 신호이며 수 MHz 이내로 존재한다.
시스템 모델은 참고문헌 [12]에서 제시된 모델을 사용하였다. 아날로그-디지털 변환기의 양자화는 3비트에서 7비트까지 진행하였으며, 양자화된 아날로그-디지털 변환기값은 아날로그 값에서 디지털 값의 가장 가까운 값 중 높은 (Ceil) 값으로 설정하였으며, 오버플로우(Overflow) 값은 포화시켰다(Saturate). 오류확률은 10^-2로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다.
디지털 변환된 신호를 신호처리하기 위해서 사용된 FPGA는 Xilinx사의 XC5VLX330-FF1760를 사용하였으며, 추후 신호처리의 확장성을 고려하여 고속 동작의 대용량 FPGA를 사용하였다. 주요기능은 아날로그-디지털 변환기 신호의 주파수를 추출하기 위한 고속 푸리에 변환기와 고속 푸리에 변환기의 결과에서 거리를 추출하기 위한 임계치 탐지기를 수행한다.
본 논문에서는 차량용 FMCW 레이더의 도플러 주파수와 아날로그-디지털 변환기 비트 수에 따른 탐지 성능 분석 및 신호처리부 설계 및 구현을 진행하였다. 탐지 성능 평가를 위한 FMCW 레이더의 시스템 모델은 송신부와 수신부로 구성하였으며 채널은 가우시안 잡음 환경을 사용하였고, 분석과 시뮬레이션을 통해서 시스템 모델을 검증하였다. 수신부에서 도플러 주파수에 의해서, 기준 신호와 수신 신호사이의 부정합으로 인한 주파수 오차에 의해서 FMCW 신호는 도플러 주파수가 약 38KHz이내인 경우 탐지 성능의 열화가 발생하지 않음을 알 수 있었다.

대상 데이터

W band의 시스템 파라미터는 T가 33us, BW를 200MHz로 정하였다. 1m와 1.75m의 반사체에서 반사되는 FMCW 레이더 수신 신호의 주파수는 각각 250KHz, 444KHz이다. 이때, 1m에서 수신되는 신호에서 도플러 주파수에 따른 최대값으로 정규화시킨 고속 푸리에 변환기 결과는 그림 6에서 나타내었다.
위상 잡음은 -125dBc/Hz @ 1KHz offset(400MHz carrier)를 갖는다. 디지털 변환된 신호를 신호처리하기 위해서 사용된 FPGA는 Xilinx사의 XC5VLX330-FF1760를 사용하였으며, 추후 신호처리의 확장성을 고려하여 고속 동작의 대용량 FPGA를 사용하였다. 주요기능은 아날로그-디지털 변환기 신호의 주파수를 추출하기 위한 고속 푸리에 변환기와 고속 푸리에 변환기의 결과에서 거리를 추출하기 위한 임계치 탐지기를 수행한다.
FFT LogiCore는 입력 비트를 8에서 34까지 변경할 수 있으며, Pipelined, streaming I/O방식, Radix-4 Burst I/O방식 그리고 Radix-4 Burst I/O방식 등을 사용할 수 있으며, 본 논문에서는 FPGA 내부 블록램과 slice를 작게 사용하면서도 처리 속도가 빠른 Pipelined, streaming I/O방식을 사용하였다. 본 논문을 위해서 설계된 16비트와 256-point 고속 푸리에 변환기의 하드웨어 성능은 DSP slice를 24개 사용하였으며, 18K 블록램을 2개 사용한다. 처리 속도는 256-포인트 고속 푸리에 변환기를 수행하는 데 861 사이클을 필요로 하였으며, 50MHz의 클럭속도로 환산하면, 약 17.

이론/모형

디지털 신호처리의 핵심 기술인 고속 푸리에 변환기를 설계하기 위해서 Xilinx사에서 제공하는 FFT LogiCore를 사용하였다. FFT LogiCore는 입력 비트를 8에서 34까지 변경할 수 있으며, Pipelined, streaming I/O방식, Radix-4 Burst I/O방식 그리고 Radix-4 Burst I/O방식 등을 사용할 수 있으며, 본 논문에서는 FPGA 내부 블록램과 slice를 작게 사용하면서도 처리 속도가 빠른 Pipelined, streaming I/O방식을 사용하였다.
본 절에서는 FMCW 레이더의 아날로그-디지털 변환기 비트수에 따른 성능 분석을 하였다. 시스템 모델은 참고문헌 [12]에서 제시된 모델을 사용하였다. 아날로그-디지털 변환기의 양자화는 3비트에서 7비트까지 진행하였으며, 양자화된 아날로그-디지털 변환기값은 아날로그 값에서 디지털 값의 가장 가까운 값 중 높은 (Ceil) 값으로 설정하였으며, 오버플로우(Overflow) 값은 포화시켰다(Saturate).

성능/효과

탐지 성능 평가를 위한 FMCW 레이더의 시스템 모델은 송신부와 수신부로 구성하였으며 채널은 가우시안 잡음 환경을 사용하였고, 분석과 시뮬레이션을 통해서 시스템 모델을 검증하였다. 수신부에서 도플러 주파수에 의해서, 기준 신호와 수신 신호사이의 부정합으로 인한 주파수 오차에 의해서 FMCW 신호는 도플러 주파수가 약 38KHz이내인 경우 탐지 성능의 열화가 발생하지 않음을 알 수 있었다. 아날로그-디지털 변환기 비트에 따른 탐지 성능은 6비트가 최소의 비트로 결정할 수 있음을 알 수 있었다.
수신부에서 도플러 주파수에 의해서, 기준 신호와 수신 신호사이의 부정합으로 인한 주파수 오차에 의해서 FMCW 신호는 도플러 주파수가 약 38KHz이내인 경우 탐지 성능의 열화가 발생하지 않음을 알 수 있었다. 아날로그-디지털 변환기 비트에 따른 탐지 성능은 6비트가 최소의 비트로 결정할 수 있음을 알 수 있었다. 마지막으로 FPGA를 이용하여 디지털 송신 파형 발생기를 위한 집적 디지털 신디사이저 칩을 기반한 FMCW 레이더 신호처리부를 설계 및 구현을 진행하였다.

후속연구

마지막으로 FPGA를 이용하여 디지털 송신 파형 발생기를 위한 집적 디지털 신디사이저 칩을 기반한 FMCW 레이더 신호처리부를 설계 및 구현을 진행하였다. 향후 본 논문에서 제시된 도플러 주파수와 아날로그-디지털 변환기의 결과를 적용하여 차량용 FMCW 레이더가 개발될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FMCW 레이더는 어떤 형태로서 관심을 받고 있는가?	FMCW 레이더는 차량용 충돌방지 시스템에서 외부 환경에 영향을 받지 않고 차량의 거리를 측정할 수 있는 기기로서 많은 관심을 받고 있다[1]-[8]. 충돌 방지 시스템은 자동차 근방에 장애물을 인지하여 시스템과 장애물간의 상대거리를 추출함으로서 미연에 충돌을 방지하는 것을 목적으로 가지고 있다.
	충돌 방지 시스템의 목적은 무엇인가?	FMCW 레이더는 차량용 충돌방지 시스템에서 외부 환경에 영향을 받지 않고 차량의 거리를 측정할 수 있는 기기로서 많은 관심을 받고 있다[1]-[8]. 충돌 방지 시스템은 자동차 근방에 장애물을 인지하여 시스템과 장애물간의 상대거리를 추출함으로서 미연에 충돌을 방지하는 것을 목적으로 가지고 있다. 장애물 감지센서로는 초음파, 레이저 그리고 카메라와 같은 센서들이 거론되고 있으나, 초음파는 단거리의 물체를 측정하는 데만 사용되고, 레이저와 카메라는 눈과 비와 같은 환경에서는 거리 인식의 어려움을 가지고 있다.
	밀리미터파 레이더를 이용하는 충돌방지 시스템으로 사용되는 FMCW 레이더의 고성능 탐지성능 및 디지털 동작을 위해 필요한 것은 무엇인가?	FMCW 레이더는 W band의 초고주파에서 광대역변조를사용하기 때문에, 수cm까지거리 해상도를 검출할 수 있는 장점이 있다. 그러나, FMCW 레이더가 고성능의 탐지 성능을 갖고 디지털로 동작하기 위해서는 도플러 주파수에 따른 탐지 성능 분석과 아날로그-디지털 변환기 비트수에 따른 탐지 성능 분석이 필요하다[9]. 본연구에서는FMCW 레이더신호처리알고리즘성능 평가와 디지털 송신 파형 발생기를 위한 집적 디지털 신디사이저 칩을 기반한 신호처리부를 설계 및 구현하였다.

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원문보기 상세보기
오우진, 이종훈, "차량용 FMCW 레이더 신호처리부 개발 및 주행시험," 한국해양정보통신학회논문지, 제 14권 제 7호, 2010년, pp.1565-1571.
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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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