FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더는 간단하게 장애물의 거리와 속도를 검출할 수 있어 차량용 충돌 방지 시스템에 많이 사용된다. 본 연구에서 개발된 FMCW 차량 레이더 시스템의 신호처리 부는 DSP, FPGA, 고속 ADC 및 DAC 등을 활용한 유연한 구조로 설계 되어 다양한 알고리즘에 대하여 개선 방안을 적용, 평가할 수 있도록 설계되었다. 구현된 시스템은 기본 동작 성능이 설계 성능과 유사함을 확인하였으며, 실제 주행시험을 통하여 상용화에 필요한 몇가지 문제점을 분석하고 이에 대한 개선 방안을 제시하였다. 제기된 문제점을 분석하여 타겟들의 겹침으로 인한 새도우 효과(Shadow effect), VCO의 비선형 특성에 따른 비트주파수의 퍼짐, 차량 형상에 따른 비트주파수의 군집화로 구분하였으며 이에 대한 해결방안을 간단히 살펴보았다.
FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) 레이더는 간단하게 장애물의 거리와 속도를 검출할 수 있어 차량용 충돌 방지 시스템에 많이 사용된다. 본 연구에서 개발된 FMCW 차량 레이더 시스템의 신호처리 부는 DSP, FPGA, 고속 ADC 및 DAC 등을 활용한 유연한 구조로 설계 되어 다양한 알고리즘에 대하여 개선 방안을 적용, 평가할 수 있도록 설계되었다. 구현된 시스템은 기본 동작 성능이 설계 성능과 유사함을 확인하였으며, 실제 주행시험을 통하여 상용화에 필요한 몇가지 문제점을 분석하고 이에 대한 개선 방안을 제시하였다. 제기된 문제점을 분석하여 타겟들의 겹침으로 인한 새도우 효과(Shadow effect), VCO의 비선형 특성에 따른 비트주파수의 퍼짐, 차량 형상에 따른 비트주파수의 군집화로 구분하였으며 이에 대한 해결방안을 간단히 살펴보았다.
FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) Radar is very useful for vehicle collision warning system because of the simplicity. In this work, a signal processing part of FMCW vehicle radar system is implemented with flexibility using DSP, FPGA, ADC, and DAC so that the system could adopt lots of alg...
FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) Radar is very useful for vehicle collision warning system because of the simplicity. In this work, a signal processing part of FMCW vehicle radar system is implemented with flexibility using DSP, FPGA, ADC, and DAC so that the system could adopt lots of algorithm and could be improved through road test. It is shown that the system meets basic requirements as designed, and finds some problems in road test. We briefly discuss the problem which are caused by shadow effect from overlapped target and the distortion of beat frequency from the nonlinearity of VCO and the RCS of vehicle.
FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave) Radar is very useful for vehicle collision warning system because of the simplicity. In this work, a signal processing part of FMCW vehicle radar system is implemented with flexibility using DSP, FPGA, ADC, and DAC so that the system could adopt lots of algorithm and could be improved through road test. It is shown that the system meets basic requirements as designed, and finds some problems in road test. We briefly discuss the problem which are caused by shadow effect from overlapped target and the distortion of beat frequency from the nonlinearity of VCO and the RCS of vehicle.
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문제 정의
먼저 아날로그 처리부를 살펴보자. 수신신호는 FMCW 레이더의 비트주파수 신호이며 수MHz 이내에 존재한다.
본 연구에서는 주파수 체배방식의 VCO에 기반한 저가형 RF 부에 적합한 FMCW 레이 더 신호처 리 알고리즘을 검증하기 위한 유연한 구조의 신호 처리 부를 설 계 및 구현하였다. 구현된 77GHz FMCW 차량용 레이더 시스템은 주행시험에서 기본적인 설계 성능을 확인 할 수 있었다.
적용하기에 문제가 있다. 본 연구에서는 즉정된거리의 시간적 변화를 관찰하여 자차속도를 추정하였다. 즉 이동 중의 측정결과를 분석해보면 동일한 속도이면서 서로 다른 거리로 검출된 타겟은 대부분 정지물체라는 점 이 다.
본연구에서는저가형 RF부에 적합한FMCW레이더신호처리 알고리즘을 개발하기 위하여 유연한 구조의 신호 처리부를 설계 및 구현하였다. 주행시험을 통하여 설계 성능을 확인하고 몇 가지 문제점을 찾아내어 이에 대한원인 및 해결방안에 대하여 검토하였다.
제안 방법
VCO의 비 선형성을 보상하기 위해서 별도의 bypass 회로를 부가하여 loop 제어를 하거나 스펙트럼분석기로 측정하여 pre-distortiou하는 방법이 있다[9丄 그러나 레이더가 차량에 장착된 경우에는 온도, 열화 등에 의해서도 이 러 한 문제 점 이 지속적으로 발생될 수 있으므로 본 연구에서 는 추가 회로없이 VCO 보상 송신 파형을 사용하였다. 그림 7에 보인 VCO 보상 송신파형 은 진폭이 좁고 DC 가순차적으로증가하므로전압대별로동일타겟에 대한 비트주파수를 얻게된다.
본 논문의 구성은 n장에서 FMCW 레이더를 간단히 소개하고, HI장에서 신호처리부의 설계 및 구현 방안을 제시하였다. IV장에서는 실제 주행시험에서 얻은 결과를 통하여 문제 점을 찾아내고, 해결 방안에 대하여 논의하였다.
Phased array 안테나를 사용하는 경우에는 방위각 정보로 부터 새도우 여부를 판별할 수 있으며 다음 연구로 기 획 중에 있다!:8]. 본 연구에서는 tradd理단에서 타겟마다 사라진 타겟에 대하여 timer로 life-time을 설 정 하는 방식 을 사용하고 있다.
차량 형상에 의해 나타난다. 본 연구에서는 차량의 길이를 고려하여 1.5m 이내의 군집 타겟을 단일로 처리하고 tracking에서 타겟의 겹침 및 분리 문제를 후처리한다.
다중 chirp으로 사용하는 것이 보편적 이다. 본 연구에서는 타겟 수를 줄이기 위하여 근거리와 원거리로 구간을 나누는 방법을 추가로 적 용하였다. 즉 pai血g이 각 구간별로 처리되어 타겟 수가 절반으로 줄어들며 최종판정은 (거리, 속도) 정보에 따라 전 구간에서 통합적으로 이루어 진다[6].
송신신호는 VCO에 입 력되는 전압신호로써 작은 오차가 RF 부에서 급격히 체배되므로 고속 DAC인 Mbit, 125Msps의 AD9764를 사용하였다. 송신파형의 정확도와 유연성을 높이기 위하여 DAC 출력을 IVpp로 설정하고 출력단에 가변형 level shift 회 로를 Trim DAC로 구성 하였다. 따라서 송신파형은 DC=0-3V에서 IVpp의 변화폭으로 설정 이 가능하여 이는 16bit DAC와 동일한 성능이 다.
구현된 77GHz FMCW 차량용 레이더 시스템은 주행시험에서 기본적인 설계 성능을 확인 할 수 있었다. 실제 주행 시험에서는 몇가지 문제점을 확인하고 이에 대한 원인을 분석하고 해결 방안을 검토하였다. 제시된 문제점은 근거리 타겟으로 인해 후방 타겟이 새도우(Shadow) 효과로 사라지는 현상, 거리와 속도 해상도를 높은 수준으로 유지하면서 pairing하기 위한 multi chirp 송신파형, 단일 타겟에서도 다수의 비트주파수 발생하여 군집화 되는 현상 등이 있다.
5 GHz, B=300MHz이며 체배방식으로 구현되어 있다. 이를 위한 신호처리부는 우선 기본적인 성능확인을 위하여 0.5m의 거 리 분해 능, 5KrMi의 속도 분해능을 갖도록설계하였디..
주행시험을 통하여 설계 성능을 확인하고 몇 가지 문제점을 찾아내어 이에 대한원인 및 해결방안에 대하여 검토하였다. 제시된 문제점은 근거리 타겟으로 인해 후방 타겟이 새도우 (Shadow) 효과로 사라지 는 현 상, VCO의 비선 형성 및 차량의 형상에 따른 단일 타겟에서 비트 주파수 군 집 화 되는 현상, 자차 속도의 측정 방법 및 거리 속도 측정을 위 한 pairing 문제 등이 있었다. 현재는 제기된 문제의 원인을 파악하고' 이 에 대 한 해결 방안을 적용하여 시험 중에 있다.
실제 주행 시험에서는 몇가지 문제점을 확인하고 이에 대한 원인을 분석하고 해결 방안을 검토하였다. 제시된 문제점은 근거리 타겟으로 인해 후방 타겟이 새도우(Shadow) 효과로 사라지는 현상, 거리와 속도 해상도를 높은 수준으로 유지하면서 pairing하기 위한 multi chirp 송신파형, 단일 타겟에서도 다수의 비트주파수 발생하여 군집화 되는 현상 등이 있다.
신호처리부의 기능은 그림 3과 같다. 제시된 파라미터 를 만족하고 다양한 기 능을 시 험할 수 있도록 주요 부분을 FPGA와DSP로 구현하였다’
설계 및 구현하였다. 주행시험을 통하여 설계 성능을 확인하고 몇 가지 문제점을 찾아내어 이에 대한원인 및 해결방안에 대하여 검토하였다. 제시된 문제점은 근거리 타겟으로 인해 후방 타겟이 새도우 (Shadow) 효과로 사라지 는 현 상, VCO의 비선 형성 및 차량의 형상에 따른 단일 타겟에서 비트 주파수 군 집 화 되는 현상, 자차 속도의 측정 방법 및 거리 속도 측정을 위 한 pairing 문제 등이 있었다.
대상 데이터
FPGA부는 송수신 데 이 터 속도가 낮으므로 고속 소자 대 신 범 용 Altera Cyclone III EPC3C40 을 사용 하 였 다. 주요 기능은 송신파형을 위한 임의파형 발생, 수신부의 ADC값을 일시 저장하기 위한FIFO, 수신신호 크기를 조정 하는 AGC (Automatic Gain Control), 수신 Level 보 정 을 수행한다.
58Km/h 가장 좋다. 그러나 본 연구에서느: RF부에서 DC 제거회로 때문에 lOKHz이하가차단되므로 충분한 비트주파수를 갖도록 fs-3MHz, N=4096, T=1.37ms 설정하여 사용하였다. 여 러 논문에서 는 송신파형을 다중 cWrp으로 설정 하여 pairing을 용이하게 하고, 거리 및 속도를 개선하는 방안을 제시하고 있다!:6丄
수신신호는 FMCW 레이더의 비트주파수 신호이며 수MHz 이내에 존재한다. 따라서 수신부 ADC는 12bit, 20Msps인 analog device사의 AD9235로 구현하였다. 송신신호는 VCO에 입 력되는 전압신호로써 작은 오차가 RF 부에서 급격히 체배되므로 고속 DAC인 Mbit, 125Msps의 AD9764를 사용하였다.
본 논문에서 사용된 FMCW 레이더의 RF는 fc=76.5 GHz, B=300MHz이며 체배방식으로 구현되어 있다. 이를 위한 신호처리부는 우선 기본적인 성능확인을 위하여 0.
따라서 수신부 ADC는 12bit, 20Msps인 analog device사의 AD9235로 구현하였다. 송신신호는 VCO에 입 력되는 전압신호로써 작은 오차가 RF 부에서 급격히 체배되므로 고속 DAC인 Mbit, 125Msps의 AD9764를 사용하였다. 송신파형의 정확도와 유연성을 높이기 위하여 DAC 출력을 IVpp로 설정하고 출력단에 가변형 level shift 회 로를 Trim DAC로 구성 하였다.
이론/모형
DSP부는 다양한 알고리즘을 C언어나 Natlab등과 연동하여 프로그래밍 할 수 있도록 초고속 DSP인 TI TMS320C6455 L2GHz를 사용하였다. 적용된 주요 기능은 가변 길이의 FFT, 정지물체와 이동물체를 구분하기 위 한 MTI(Movmg Target Indicator), 클러 터 영 향을 제 거하기 위 한 CFAR(Constant False Alarm Rate) 둥과 같은 핵심 기능이다[句, [7].
성능/효과
계 및 구현하였다. 구현된 77GHz FMCW 차량용 레이더 시스템은 주행시험에서 기본적인 설계 성능을 확인 할 수 있었다. 실제 주행 시험에서는 몇가지 문제점을 확인하고 이에 대한 원인을 분석하고 해결 방안을 검토하였다.
후속연구
이들에 대한 구체적인 해결 방안과 이론적인 모델링 및 실험결과는 향후 연구과제로 계속 진행 중에 있으며 본 논문에서는 실험을 통하여 적용된 해결방안에 대하여 간단히 설명하겠다.
현재는 제기된 문제의 원인을 파악하고' 이 에 대 한 해결 방안을 적용하여 시험 중에 있다. 최종적인 알고리즘은 별도의 논문에서 제시할 예정이다.
참고문헌 (9)
P. E. Ross, "Top Ten Tech Cars-2010", IEEE Spectrum, Apr., 2010, pp 28-58.
오우진, "FMCW방식의 자동차 레이더 신호처리부 설계 및 구현" 전자공학회논문지 제41권 TC편 제 12호, 2004.12, pp. 67-74
현유진, 오우진, 이종훈, "77GH 차량용 레이더 신호 처리부 구현", 대한전자공학회 하계종합학술대회, 2009
W. Chang, L. Huan, L. Yubai, "A Practical FMCW Radar Signal Processing Method and Its System Implementation", in Int. Conf. ITS Telecomm., 2006, pp. 1195-1199
H Rohling, M. Meinecke, "Waveform Design Principles for Automotive Radar Systems" in CIE Int. Radar Conf., 2001, pp. 1-4.
H. Rohling and R. Mende, "OS CFAR performance in a 77 GHz radar sensor for car application", CIE International Conference of Radar, Oct. 1996.
K. Cheng and H. Su, "Multi-target Signal Processing in FMCW Radar System with Antenna Array", Radar Conf., 2008 Radar'08, IEEE, pp. 1-5
J. Fuchs, K. Ward, M. Tulin, and R, York, "Simple Techniques to Correct for VCO Nonlinearities in Short Range FMCW Radars", IEEE lnt. Microwave Symposium Digest (San Francisco), vol. 2, pp. 1175-1178
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