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문제 정의
- 본 논문에서는 77 GHz 대역 차량용 레이다 센서 간섭 신호 발생기를 설계 및 제작하였다. 기준신호 발생기는 상용 칩과 보드를 사용하였으며, 송신기는 65 nm CMOS 공정을 이용하여 제작한 칩을 사용하였다.
- 본 논문에서는 차량용 레이다 센서 간 간섭의 영향을 평가하는 데 사용할 수 있도록 77 GHz 대역의 다양한 변조방식 구현이 가능한 간섭 신호 발생기를 제시한다. 제작한 간섭기는 삼각파, 톱니파 및 임의 주파수 호핑 신호를 구현할 수 있도록 제작되었다.
제안 방법
- 마지막으로 77 GHz 대역 송신기의 최종 출력 신호를 관측하였다. DDS와 기준 신호 발생기의 출력 신호는 Tektronix사의 DSA 71254C 모델을 사용하여 관측하였으며, 77 GHz 송신기의 출력신호는 Keysight사의 11970W 고조파 믹서를 이용하여 하향 변환시킨 후 N9030A PXA신호분석기를 이용하여 스펙트럼을 관측하였다.
- 루프 필터는 3차 구조를 사용했으며, 주파수 합성기의 위상잡음 특성과 Lock time 간의 Trade-off를 고려하여 루프 대역폭을 100 kHz로 설정하고, 위상 마진은 60도로 설계하였다. 그리고 송신기와 PLL, DDS 보드에 다양한 바이어스를 인가하기 위하여 레귤레이터와 가변저항을 이용해 온-보드 형식으로 바이어스 회로를 구성하였다.
- 75 GHz의 기준신호를 생성할 수 있도록 해준다. 루프 필터는 3차 구조를 사용했으며, 주파수 합성기의 위상잡음 특성과 Lock time 간의 Trade-off를 고려하여 루프 대역폭을 100 kHz로 설정하고, 위상 마진은 60도로 설계하였다. 그리고 송신기와 PLL, DDS 보드에 다양한 바이어스를 인가하기 위하여 레귤레이터와 가변저항을 이용해 온-보드 형식으로 바이어스 회로를 구성하였다.
- 75 GHz 대역 주파수를 가지는 기준신호 발생기의 출력 신호를 관측하였다. 마지막으로 77 GHz 대역 송신기의 최종 출력 신호를 관측하였다. DDS와 기준 신호 발생기의 출력 신호는 Tektronix사의 DSA 71254C 모델을 사용하여 관측하였으며, 77 GHz 송신기의 출력신호는 Keysight사의 11970W 고조파 믹서를 이용하여 하향 변환시킨 후 N9030A PXA신호분석기를 이용하여 스펙트럼을 관측하였다.
- 송신기의 기준신호는 제어용 PC와 소프트웨어를 이용하여 생성 및 변조가 가능하며, 다양한 변조방식을 구현하기 위해 DDS를 사용하였다. 먼저, 변조된 신호를 확인하기 위하여 DDS에서 나오는 27.5 MHz 대역의 신호를 관측하였으며, 그 후 2.75 GHz 대역 주파수를 가지는 기준신호 발생기의 출력 신호를 관측하였다. 마지막으로 77 GHz 대역 송신기의 최종 출력 신호를 관측하였다.
- 본 논문의 간섭 신호 발생기 모듈은 하이브리드 방식으로 제작되었다. DDS, PLL, VCO(Voltage Controlled Oscillator)는 상용 칩과 보드를 사용하였으며, 송신기는 65 nm CMOS 공정을 이용해 설계한 회로를 사용하였다.
- 그림 5는 제작한 송신기 모듈이다. 알루미늄을 가공하여 도파관 및 하우징을 제작하였다. 도파관은 W-밴드용 WR10 규격을 사용하였으며, 도파관 입구에 송신기 칩을 부착하였다.
- 그림 1은 본 논문에서 개발한 77 GHz 차량용 레이다 센서 간섭 신호 발생기의 블록도이다. 제어용 PC를 이용해 DDS(Direct Digital Synthesizer) 보드에서 PLL(Phase Locked Loop)의 입력으로 들어갈 신호를 생성해준다. PLL은 이 신호를 받아 2.
대상 데이터
- 본 논문의 간섭 신호 발생기 모듈은 하이브리드 방식으로 제작되었다. DDS, PLL, VCO(Voltage Controlled Oscillator)는 상용 칩과 보드를 사용하였으며, 송신기는 65 nm CMOS 공정을 이용해 설계한 회로를 사용하였다. 그림 2는 구성된 간섭 신호 발생기 모듈이다.
- AD-9958 DDS 보드를 이용하여 PLL의 입력 신호를 생성하는데, 이때 프로그래밍이 가능한 MCU와 연결하여 PC로 제어할 수 있다. PLL은 ADF4158을 사용하였으며, VCO는 Crytek사의 CVCO55CC 칩을 사용하였다. PLL은 PC에 연결되며, 신호 파형은 Analog Devices사의 소프트웨어를 이용하여 SPI 인터페이스로 제어할 수 있다.
- 본 논문에서는 77 GHz 대역 차량용 레이다 센서 간섭 신호 발생기를 설계 및 제작하였다. 기준신호 발생기는 상용 칩과 보드를 사용하였으며, 송신기는 65 nm CMOS 공정을 이용하여 제작한 칩을 사용하였다. 낮은 주파수 대역의 기준신호를 사용하고, 송신기의 출력 신호를 급전기를 통해 직접 도파관으로 전달하기 때문에 비교적 저렴하고 간단한 구조로 모듈을 제작할 수 있었다.
- 본 논문에서는 28 체배 기반의 송신기를 사용하기 때문에 2.75 GHz 대역의 낮은 주파수의 기준신호를 사용할 수 있다. 따라서 기준신호 전달을 위해 비용이 큰 고주파 케이블이나 커넥터를 사용할 필요가 없으며, FR-4 기판의 전송선을 사용할 수 있기 때문에 저렴한 비용으로 모듈 제작이 가능하다.
- 75 GHz의 기준신호가 입력되며, 송신기에서 생성한 77 GHz 대역의 간섭 신호는 혼 안테나를 통해 방사된다. 본 연구에서는 QuinStar사의 25 dBi 고이득 혼 안테나(QWH-WPRR00)를 사용하였다. 기준신호는 외부 PC를 이용하여 DDS를 제어함으로써 다양한 변조방식을 구현할 수 있다.
- 75 GHz 대역의 기준신호를 생성해 주며, 송신기는 이 기준신호를 받아 77 GHz 대역의 신호를 생성 및 방사한다. 사용된 송신기는 주파수 체배기 기반구조이며, 외부 기준신호를 이용하여 송신 신호를 생성한다. 이때 변조된 기준신호를 이용하면 삼각파형, 톱니파형, 임의 주파수 호핑과 같은 다양한 주파수 변조방식을 구현할 수 있다.
이론/모형
- 알루미늄을 가공하여 도파관 및 하우징을 제작하였다. 도파관은 W-밴드용 WR10 규격을 사용하였으며, 도파관 입구에 송신기 칩을 부착하였다. 바이어스신호 및 기준신호는 FR-4 기판과 본딩 와이어를 통하여 송신기 칩에 전달된다.
- 송신기는 변조된 기준신호를 28체배하여 77 GHz 대역의 변조된 출력 신호를 생성한다. 송신기의 기준신호는 제어용 PC와 소프트웨어를 이용하여 생성 및 변조가 가능하며, 다양한 변조방식을 구현하기 위해 DDS를 사용하였다. 먼저, 변조된 신호를 확인하기 위하여 DDS에서 나오는 27.
성능/효과
- 그림 9(a)는 1 msec마다 20 MHz의 대역폭 내에서 주파수 상승과 하강을 반복하도록 설정한 결과이다. 7 msec 동안 신호를 측정한 결과, 설정한 대역폭 내에서 정상적으로 동작하는 것을 알 수 있었다. 그림 9(b)는 그림 9(a)와 같은 삼각파형을 스윕 시간은 2.
- 5 MHz 사이의 범위에서 4 msec마다 출력 신호의 주파수가 임의로 변하도록 설정하였다. 그림에서 알 수 있듯이, 200 msec 동안 출력 신호의 주파수를 관측한결과, 설정한 주파수 범위 내에서 지속적으로 주파수가 호핑하는 것을 확인할 수 있었다.
- 6 GHz에서 77 GHz 범위 내에서 주파수가 연속적으로 변화하는 것을 확인할 수 있었으며, 기준신호의 주파수가 28체배 된 신호가 정상적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발한 차량용 레이다 간섭 신호 발생기는 77 GHz 대역에서 다양한 변조 방식의 신호 발생이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 75 GHz로 50 MHz의 대역폭을 갖는 삼각파형으로 설정하였을 때, 77 GHz 송신기의 출력으로 나오는 신호의 스펙트럼을 나타낸 것이다. 스펙트럼 분석기를 이용하여 주파수 도메인에서 관측한 결과, 75.6 GHz에서 77 GHz 범위 내에서 주파수가 연속적으로 변화하는 것을 확인할 수 있었으며, 기준신호의 주파수가 28체배 된 신호가 정상적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발한 차량용 레이다 간섭 신호 발생기는 77 GHz 대역에서 다양한 변조 방식의 신호 발생이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 마찬가지로 설정 주파수 범위 내에서 정상적으로 파형이 생성되는 것을 알 수 있었다. 이렇게 변조된 기준신호의 관측을 통하여 주파수 스윕 시간과 대역폭을 조절함에 따라 다양한 형태의 삼각 파형 발생이 가능함을 확인할 수 있었다. 이 뿐만 아니라 MCU와 PC를 통해 DDS를 제어함으로써 단일주파수, 단일삼각파, 연속삼각파, 단일톱니파, 연속톱니파 그리고 임의 주파수 호핑 등의 다양한 신호 변조가 가능하다.
후속연구
- 간섭 신호 발생기는 삼각파, 톱니파형 외에도 임의 주파수 호핑을 구현할 수 있다. 향후에는 본 연구에서 개발된 모듈을 이용하여 실제 차량 레이다 간 간섭 신호가 레이다 센싱에 미치는 영향을 평가할 수 있을 것으로 생각되며, 실측치와 시뮬레이션 계산치의 비교 분석을 통해 간섭 신호 모델링 및 경감 기술 개발이 기대된다.
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