차량용 능동안전 시스템은 전방충돌방지, 차선이탈 경보, 차선변경 지원 등이 있으며 소형차에 도입될 정도로 대중화되고 있다. 대표적인 능동안전 시스템인 FMCW 레이더는 가격 경쟁력과 성능개선을 위해 전방과 측면용 레이더의 통합과 위상배열이나 다중 안테나의 적용이 연구되고 있다. 본 논문에서는 이러한 차량용 FMCW레이더 시스템의 신호처리부를 저가의 DSP로 구현하기 위한 효율적인 방안들을 제안한다. PWM기반의 아날로그 변환, 계산량을 줄이는 근사화 기법, 효율적인 벡터연산 등을 제안하고 구현하였다. 구현된 신호처리 보드는 1.4ms의 펄스 반복간격에서 1024길이의 FFT 처리가 실시간 성능을 보였다. 실제 도로 실험에서 10Hz의 갱신율로 실시간 동작과 성능을 확인하였다.
차량용 능동안전 시스템은 전방충돌방지, 차선이탈 경보, 차선변경 지원 등이 있으며 소형차에 도입될 정도로 대중화되고 있다. 대표적인 능동안전 시스템인 FMCW 레이더는 가격 경쟁력과 성능개선을 위해 전방과 측면용 레이더의 통합과 위상배열이나 다중 안테나의 적용이 연구되고 있다. 본 논문에서는 이러한 차량용 FMCW레이더 시스템의 신호처리부를 저가의 DSP로 구현하기 위한 효율적인 방안들을 제안한다. PWM기반의 아날로그 변환, 계산량을 줄이는 근사화 기법, 효율적인 벡터연산 등을 제안하고 구현하였다. 구현된 신호처리 보드는 1.4ms의 펄스 반복간격에서 1024길이의 FFT 처리가 실시간 성능을 보였다. 실제 도로 실험에서 10Hz의 갱신율로 실시간 동작과 성능을 확인하였다.
Active driving safety systems for vehicle, such as the front collision avoidance, lane departure warning, and lane change assistance, have been popular to be adopted to the compact car. For improving performance and competitive cost, FMCW radar has been researched to adopt a phased array or a multi-...
Active driving safety systems for vehicle, such as the front collision avoidance, lane departure warning, and lane change assistance, have been popular to be adopted to the compact car. For improving performance and competitive cost, FMCW radar has been researched to adopt a phased array or a multi-beam antenna, and to integrate the front and the side radar. In this paper we propose several efficient methods to implement the signal processing module of FMCW radar system using low cost DSP. The pulse width modulation (PWM) based analog conversion, the approximation of time-eating functions, and the adoption of vector-based computation, etc, are proposed and implemented. The implemented signal processing board shows the real-time performance of 1.4ms pulse repetition interval (PRI) with 1024pt-FFT. In real road we verify the radar performance under real-time constraints of 10Hz update time.
Active driving safety systems for vehicle, such as the front collision avoidance, lane departure warning, and lane change assistance, have been popular to be adopted to the compact car. For improving performance and competitive cost, FMCW radar has been researched to adopt a phased array or a multi-beam antenna, and to integrate the front and the side radar. In this paper we propose several efficient methods to implement the signal processing module of FMCW radar system using low cost DSP. The pulse width modulation (PWM) based analog conversion, the approximation of time-eating functions, and the adoption of vector-based computation, etc, are proposed and implemented. The implemented signal processing board shows the real-time performance of 1.4ms pulse repetition interval (PRI) with 1024pt-FFT. In real road we verify the radar performance under real-time constraints of 10Hz update time.
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문제 정의
마지막으로 근사화를 살펴보자. 복소 신호의 크기를 구하는 과정은 sqrt()함수가 사용되므로 많은 시간이 소요된다.
본 논문에서는 DAC를 사용하지 않고 PWM 신호를 아날로그로 변환하는 방식을 검증하고 구조를 제안한다.
본 논문에서는 이러한 차량용 FMCW레이더 시스템의 신호처리부를 효율적으로 구현하기 위한 몇가지 방안을 제안하였다. 성능 요구사항을 분석하여 TI사의 저가 프로세서인 F28335를 선정하고 PWM 기반의 DAC를 적용하였으며 근사화 기법과 최적화된 다차원 벡터 연산 방안을 제시하였다.
본 논문에서는 차량용 FMCW레이더 신호처리부의 효율적인 구현 방안을 몇가지 제안하고자 한다.
가설 설정
그림 3의 송신파형의 주기가 1ms로 가정하면 기본주파수는 1KHz가 되어 푸리에 계수를 200차까지 통과하는 저역통과 필터가 되어 문제가 없을 것이다.
제안 방법
77GHz 레이더를 100MHz 대역폭, 8개의 수신 안테나를 가정하여 원거리 모드에서 150m까지 1m이하의 거리 분해능과 5Km/s의 속도 정밀도를, 60m의 근거리 모드에서는 0.2m, 1Km/s를 목표로 하였다.
차량용 FMCW 레이더 시스템의 주요 기능인 파형발생기(Waveform Generator), FFT, DOA에 대한 구현 방안을 살펴보도록 하겠다.
8개의 수신 안테나와 2개의 송신 신호를 연결할 수 있도록 설계했으며 다기능 보드로 활용하기 위하여 저가의 FPGA을 추가하였다.
fPWM에서 1/10의 이득을 갖도록 차단 주파수를 fPWM/10인 200KHz로 설계하고 4단으로 직렬 연결하여 -80dB의 감쇄를 얻었다.
본 논문에서는 차량용 FMCW레이더 신호처리부의 효율적인 구현 방안을 몇가지 제안하고자 한다. 대부분의 다중 안테나기법의 레이더는 고성능 DSP나 FPGA로 신호처리부를 구현하고 있으나 본 논문에서는 TI사의 F28시리즈와 같은 저가 프로세서로 구현하였다. 2장에서 FMCW 레이더의 기본적인 특징을 살펴보고 3장에서 신호처리부의 요구조건과 적정한 프로세서를 검토한 다음 저 성능 프로세서에 적합한 PWM(Pulse Width Modulation)기반의 DAC와 간략화 방안 등을 논의한다.
성능 요구사항을 분석하여 TI사의 저가 프로세서인 F28335를 선정하고 PWM 기반의 DAC를 적용하였으며 근사화 기법과 최적화된 다차원 벡터 연산 방안을 제시하였다. 보드로 구현하여 실험으로 실제 동작을 확인하였다.
성능 요구사항을 분석하여 TI사의 저가 프로세서인 F28335를 선정하고 PWM 기반의 DAC를 적용하였으며 근사화 기법과 최적화된 다차원 벡터 연산 방안을 제시하였다.
대상 데이터
다중배열 크기는 소요시간을 고려하여 FFT길이 512, 송신 2개, 수신 4개의 안테나를 갖는 2x4x512 배열로 결정하였다.
본 논문에서 사용한 TMS320F28335는 C2000 DSP 계열로 Control Suite라는 관련 라이브러리 모음을 제공하고 있다.
본 논문에서는 참고문헌 [8]에서 사용한 그림 5의 1차 RC 필터를 사용하였다.
본 연구에서는 DOA나 빔 포밍을 위해서는 추가적인 FFT가 요구되므로 거리 방향으로는 512pt FFT로 선택하였다.
위의 요구조건을 충족하면서 주변회로를 최소화하기 위해 마이크로프로세서 계열을 검토하여 TI사의 실시간 MCU계열인 TMS320F28335를 선택하였다. 주요 특징은 다음과 같다.
이론/모형
FMCW레이더 거리방향 신호처리로 각 타겟에 대한(거리, 속도) 쌍이 구해진 후에 각도를 추정하기 위해서 다음과 같은 일반적인 MUSIC 알고리즘을 적용하였다.
성능/효과
마지막으로 본 연구과정에서 TI사는 쿼드코어로 4배 이상의 성능을 갖춘 F2837xD 계열을 발표하였다.
후속연구
2ms이상으로 설정하면 실시간 동작이 가능할 것이다. 상용 FMCW 레이더 갱신율은 10Hz 수준이므로 충분히 실시간 활용이 가능할 것이다.
참고문헌 (9)
M. Skolnik, Introduction To Radar Systems, 3rd ed., New York, NY: McGraw-Hill, 2001.
Rohling, H. "Some radar topics: waveform design, range CFAR and target recognition," in Advances in Sensing with Security Applications, Netherlands, Springer, ch. 13, pp. 293-322, 2006.
S. Jeong, H. Yu, J. Lee, J Oh, and K. Lee, "A multi-beam and multi-range radar with FMCW and digital beam forming for automotive applications," Progress In Electromagnetics Research, Vol. 124, pp. 285-299, Mar. 2012.
M. Schoor and B. Yang, "High-resolution angle estimation for an automotive FMCW radar sensor," in Proceeding of International Radar Symposium (IRS), Cologne, Germany, pp. 1-5, Sept. 2007.
M. Schneider, "Automotive radar-status and trends," in Proceeding of German Microwave Conference (GeMiC 2005), Ulm, Germany, pp. 144-147, Apr. 2005.
A. Ossowska, Highly Resolved Synthetic Aperture Radar with Beam Steering, Germany, Ulm, KIT Scientific Publishing, ch. 2, pp. 11-39, 2014.
Texas Instruments Inc. (2011, October). Reference Guide: TMS320x2833x, 2823x High Resolution Pulse Width Modulator (HRPWM) [Internet]. Available: http://www.ti.com/lit/ug/sprug02b/sprug02b.pdf
A. Kay and A. Wu, Microcontroller PWM to 12bit analog out, Texas Instruments Inc., Dalas, TX, July 2013. Available: http://www.ti.com/lit/ug/tidu027/tidu027.pdf
R. G. Lyons, Understanding Digital Signal Processing, 3rd ed., NJ: Prentice Hall, ch. 13, pp. 671-846, 2011.
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