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문제 정의
- 본 논문에서는 이러한 요구조건을 만족시키며 제안된 알고리즘을 효과적으로 적용 할 수 있는 하드웨어 구조를 제안한다.
제안 방법
- 본 논문에서는 각 영역(원거리, 중거리, 근거리) 별로 주파수 스펙트럼을 구하는 방법을 달리 함으로써, 인접한 거리 일수록 타겟의 검출된 거리와 속도의 오차를 향상시킬 수 있는 신호처리 하드웨어 구조를 제안하였다.
- 저장된 비트 신호의 샘플 데이터는 각각 원거리-영역, 중거리-영역, 근거리-영역을 위한 주파수 프로파일을 계산한다.
- 제안된 구조는 저역 필터(Low Path Filter), 다운 샘플러(Down Sampler), FFT, 윈도우(Window)와 같이 4개의 블록으로 나누어진다.
- 따라서 중거리-영역 내의 차량을 검출하기 위해서는 ADC 샘플링 주파수를 fs/2로 낮출 수 있다. 하지만 실제적으로 레이더 신호처리부가 동작하는 도중에 ADC 샘플링 주파수를 바꾸는 것은 하드웨어 구현상 제한이 많으므로, 제안된 방법에서는 디인터리빙 방법을 이용해 샘플링 주파수를 반으로 줄인다. 이때 비트 신호 샘플 개수가 Ns/2로 줄기 때문에 이를 그대로 FFT 하면 주파수 오차 ΔfMR는 (fs/2)/(Ns/2)=ΔfLR로 원거리-영역의 경우와 비교하여 변화 없다.
대상 데이터
- 10은 근거리-영역, 중거리-영역, 원거리-영역에서 여러개의 타겟이 인접하게 위치한 경우의 거리 프로파일 결과를 보여주고 있다. 근거리-영역에서의 타겟과 거리는 35m, 36.2m, 36.8m이고, 중거리-영역에서의 타겟은 99.5m, 100m에 위치하고 있으며, 원거리-영역에서는 222m, 223m에 두 개의 타겟이 인접하게 있는 예제이다. 여기서 x축은 거리이며 y축은 PSD를 나타낸다.
- 본 논문에서는 제안된 하드웨어 아키텍처를 동작 모델(Behavioral Model)로 검증을 위해 Matlab을 이용하여 시뮬레이션하였다. 중심 주파수 는 76.5 GHz이고, 대역폭 B는 200MHz이며, PRI 는 1ms이다. 측정 최대 거리를 300m로 한정하였으며, 이 경우 최대 거리 비트 주파수는 800KHz이며, 따라서 ADC 샘플링 주파수를 2MHz로 선택하였다.
- 5 GHz이고, 대역폭 B는 200MHz이며, PRI 는 1ms이다. 측정 최대 거리를 300m로 한정하였으며, 이 경우 최대 거리 비트 주파수는 800KHz이며, 따라서 ADC 샘플링 주파수를 2MHz로 선택하였다. 상승 및 하강 첩 주기 T구간 동안 샘플링된 데이터의 수는 1000개이므로 FFT 포인트는 1024로 선택하여 시뮬레이션 하였다.
이론/모형
- 이때 비트 신호 샘플 개수가 Ns/2로 줄기 때문에 이를 그대로 FFT 하면 주파수 오차 ΔfMR는 (fs/2)/(Ns/2)=ΔfLR로 원거리-영역의 경우와 비교하여 변화 없다. 따라서 제안된 방법에서는 비트 주파수의 오차를 향상시키기 위해 제로 패딩(Zero-padding) FFT를 이용하여 주파수 영역에서 인터포레이션을 적용한다. 제로 패딩은 낮은 샘플링 주파수로 인해 이산 영역의 주파수 스펙트럼이 빈약할 때 유용한 방법이다9) 따라서 식 (6)과 같이 원거리-영역에 비해 주파수 오차를 반으로 향상시킬 수 있다.
- 본 논문에서는 제안된 하드웨어 아키텍처를 동작 모델(Behavioral Model)로 검증을 위해 Matlab을 이용하여 시뮬레이션하였다. 중심 주파수 는 76.
성능/효과
- 7) FMCW 레이더의 응용분야에 따라 원하는 최대 측정 거리와 최대 속도가 정해지고, 이에 상응하는 frmax와 fdmax에 의해 fbmax = frmax + fdmax로 결정된다.
- 먼저 근거리-영역에서는 일반적인 FFT 방법으로는 35.2m 단일 타겟으로 검지되는데 반해, 제안된 방법을 적용한 경우에는 35m, 35.9m 37m의 3개 타겟이 검출되는 걸 알 수 있다.
- 또한 점선은 일반적인 방법이며, 실선은 제안된 방법의 결과이다. 이 시뮬레이션에서도 제안된 방법의 속도 오차가 훨씬 향상되었음을 확인할 수 있다.
- 또한 점선은 일반적인 방법이며, 실선은 제안된 방법의 결과이다. 일반적인 방법에 비해, 제안된 방법에서는 가까운 거리일수록 검출 거리 오차가 줄어듦을 알 수 있다.
- 저역필터, FFT 블록, 윈도우로 구성되는 일반적인 레이더 신호처리부 구조에 비해, 제안된 구조는 다운샘플러, 저역필터, FFT 블록, 윈도우가 각각 2개씩 더 추가되었다. 하지만 다운 샘플러와 윈도우는 하드-와이어(Hard Wired) 구조로 구현 가능하기 때문에 지연시간은 거의 없고, 3개의 LPF와 FFT 블록은 동일하게 Ns개 샘플을 병렬로 연산하므로 한 개의 FFT가 있을 때와 연산속도는 동일하다.
- 제안된 구조에서 다운 샘플러와 윈도우는 단순한 하드 와이어 방법으로 구현이 가능하고, 기존과 비교하여 FFT 블록 2개가 추가되는 비교적 간단한 구조를 가진다. 이들 3개의 FFT 블록은 병렬로 동시에 동작하여 실시간성 처리도 만족시킬 수 있다.
- 중거리-영역 역시 일반적인 방법에서는 99.7m의 단일 타겟이 검출되지만, 제안된 방법에서는 99.7m와 100.4m의 2개 타겟이 검출되는걸 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 기존의 FMCW 레이더 신호처리부의 FFT 블록 대신 제안된 하드웨어 구조를 적용하여, 가까운 거리 일수록 에러가 향상된 주파수 프로파일을 얻음으로서 타겟의 검출 거리 및 속도의 정밀도를 향상시킬 수 있을 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.