EP2425273A1 - Verfahren und vorrichtung zur digitalen verarbeitung von ofdm-signalen für radaranwendungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur digitalen verarbeitung von ofdm-signalen für radaranwendungen

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Publication number
EP2425273A1
EP2425273A1 EP10730345A EP10730345A EP2425273A1 EP 2425273 A1 EP2425273 A1 EP 2425273A1 EP 10730345 A EP10730345 A EP 10730345A EP 10730345 A EP10730345 A EP 10730345A EP 2425273 A1 EP2425273 A1 EP 2425273A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
modulation symbols
ofdm
radar
determination
signals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10730345A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Sturm
Werner Wiesbeck
Thomas Zwick
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP2425273A1 publication Critical patent/EP2425273A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/26—Systems using multi-frequency codes
    • H04L27/2601—Multicarrier modulation systems
    • H04L27/2647—Arrangements specific to the receiver only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/325—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of coded signals, e.g. P.S.K. signals
    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G01S13/583—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems using transmission of continuous unmodulated waves, amplitude-, frequency-, or phase-modulated waves and based upon the Doppler effect resulting from movement of targets
    • G01S13/584—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems using transmission of continuous unmodulated waves, amplitude-, frequency-, or phase-modulated waves and based upon the Doppler effect resulting from movement of targets adapted for simultaneous range and velocity measurements

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the digital processing of OFDM signals, which are transmitted by a transmitting device with modulation symbols as information carrier, at least partially reflected at one or more objects and received by a receiving device, wherein the modulation symbols from the received OFDM Signals are extracted.
  • Radar cruise control collision prevention
  • radar technology offers the advantage over other sensor technologies of being able to determine both distances and speeds quickly and accurately, and radar sensors are resistant to external influences such as steam, rain or fog.
  • the present invention is concerned with the digital processing and use of OFDM signals (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) for an application in radar sensor technology.
  • OFDM signals Orthogonal Frequency Division Multiplexing
  • the generation of OFDM signals can only be done on a digital level. So far, the OFDM technique has been used primarily for the transmission of information or data, since the OFDM signal is composed of modulation symbols and thus specifically serves the purpose of transmitting information.
  • a use of the OFDM technology for radar applications has already been discussed. For example, A. Garmatyuk et al. , Proc.
  • the achievable dynamics are dependent on the autocorrelation properties of the transmission signal.
  • special codes such as M-sequences must be sent. Their properties then determine the dynamics.
  • the achievable dynamic is unpredictable, since it depends on the autocorrelation properties of the transmitted information. Reliable operation is therefore not possible.
  • the processing based on the cross correlation although the distance of objects, but not their speed can be determined.
  • the object of the present invention is to specify a method and a device for processing OFDM signals, which, with the simultaneous use of these signals for radar and for information transmission, enables reliable operation and, if required, also the determination of the speed of objects.
  • the transmitted modulation symbols which may also be referred to as data symbols, are first extracted from the received OFDM signals without prior channel equalization. These extracted modulation symbols or at least some of these modulation symbols are then normalized by a complex division to the respectively originally transmitted modulation symbol. Radar evaluation for distance determination and / or
  • Velocity determination of the objects on which the OFDM signals were reflected then takes place on the basis of the normalized modulation symbols.
  • the radar evaluation for distance determination and / or velocity determination of the objects comprises in particular the creation of a radar image from which the distance of the objects or the distance and speed of the objects can be derived.
  • the radar processing is completely independent of the transmitted information or the transmitted data. This is achieved by normalizing the modulation symbols extracted from the signal to the originally transmitted modulation symbols. No special codes are needed so that the OFDM radar signal modulates with arbitrary payload can be transmitted via the common OFDM signal. Due to the independence of the transmitted information, a very high dynamic can be achieved, which is limited only by the secondary maxima of the required Fourier transform and noise.
  • a particular advantage of the proposed method and the associated device is that the distance or distance of the objects can be determined independently of their speed. Distance and speed are not linked here. During speed determination, the integration time and thus the Doppler resolution or speed resolution can be adapted as required during operation. The computational effort required for the method is comparatively low, since no cross-correlations have to be calculated, as has hitherto been the case in the prior art.
  • the processing of the radar signals is carried out in the proposed method not with the aid of the baseband signals, but with the aid of the transmitted and received modulation symbols. These are picked up in the receiver before the optional equalization because they still contain the complete distortions that occur during the transmission, which ultimately contain the information about reflective objects.
  • Each received and selected modulation symbol is normalized by means of a complex division by the transmitted modulation symbol in amplitude and phase. This normalization makes the method completely independent of the transmitted modulation symbols.
  • the calculation of the radar image for distance determination is then carried out via an inverse Fourier transformation.
  • the evaluation of the Doppler information for determining the relative velocity of reflecting objects preferably takes place with the aid of a Fourier transformation via time-sequential OFDM symbols.
  • the duration of the OFDM symbols is suitably parameterized for this purpose. This processing is also based on the modulation symbols and not on the baseband signals.
  • the discrete Fourier transforms or inverse Fourier transformations carried out to determine the distance and / or velocity in each case, all transmitted modulation symbols of an OFDM symbol or a sequence of OFDM symbols or only a few of these modulation symbols can be used.
  • both distance and speed of the objects at which the OFDM signals were reflected are preferably determined.
  • the method and the associated device can also be operated so that only the distance or only the speed is determined from the received OFDM signals.
  • the proposed device for carrying out the method comprises, in a known manner, a receiving antenna with which OFDM signals can be received, a mixing device for mixing down the received signals, an analog-to-digital converter for the digitization of the signals and a processing unit.
  • processing device which extracts the modulation symbols from these signals, normalizes them to the transmitted modulation symbols and carries out a radar evaluation on the basis of these normalized modulation symbols for determining the distance and / or speed of the objects at which the signals were reflected.
  • the device can be designed like a conventional receiver for OFDM signals, wherein only the processing unit is designed for the implementation of the proposed method, ie, extracts the modulation symbols without prior channel equalization and performs the radar evaluation for distance determination and / or velocity determination on the basis of these modulation symbols, in particular the corresponding radar or Doppler images calculated.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the
  • FIG. 2 is a comparison of a radar image of classical processing with a radar image obtained according to the proposed method
  • 3 is a schematic representation for determining the speed; 4 shows a schematic illustration for determining the distance;
  • Fig. 6 is a schematic representation of a
  • Fig. 7 is a schematic representation of an OFDM receiver.
  • Em OFDM signal is described in the time domain as follows:
  • I describes the modulation symbols to be transmitted, which already consist of the binary information to be transmitted by means of discrete
  • Phase modulation (eg PSK: phase shift keying) were generated.
  • the index n indicates the total number of N OFDM subtransagers, ⁇ indicates the time-sequential OFDM symbols and ⁇ n represents the orthogonal OFDM subtransagers with:
  • the structure of the OFDM transmission signal from individual modulation symbols can also be illustrated by means of a matrix, as shown in FIG. Each cell of the matrix contains a modulation symbol, each column of the matrix represents an OFDM symbol.
  • N- x (0 ⁇ I (n) t ⁇ p (j2 ⁇ f n t), O ⁇ t ⁇ T (4)
  • the OFDM signal is decoded, the individual received modulation symbols I r are directly after the discrete Fourier transform in
  • OFDM receiver and used for processing before the channel equalization.
  • the standardization is done by a complex division:
  • the radar image in the distance direction is obtained by a mverse discrete Fourier transform of the normalized modulation symbols
  • Secondary maxima are here exclusively caused by the Fourier transformation. Secondary maxima due to poor autocorrelation properties can not occur due to the principle of modulation-symbol-based processing.
  • the realization of the Doppler processing or the determination of the speed is likewise carried out on the basis of the modulation symbols standardized according to equation (5). In this case, however, temporally successive modulation symbols are considered.
  • the evaluation takes place in each case via a defined frame of M OFDM symbols.
  • the Doppler spectrum is calculated using a discrete Fourier transform
  • v is the discrete frequency variable
  • the two above method variants for determining the distance and for determining the speed are combined into a two-dimensional method which enables independent processing of distance and speed.
  • the entire processing takes place at this Processing method based on the received signal xn three steps:
  • 1st step normalization by complex division
  • the received modulation symbols are normalized before the channel equalization by means of the transmitted modulation symbols according to equation (5) by a complex division.
  • Time axis is replaced by a Doppler axis, which represents the Doppler shift. This is illustrated in FIG.
  • an inverse discrete Fourier transform in the frequency direction is calculated in the result matrix of step 2 for each OFDM symbol within a frame of the length M.
  • the result is a matrix containing a two-dimensional radar image with the dimensions of distance and doubling displacement.
  • the third process is illustrated in FIG. 4.
  • Steps 2 and 3 can be reversed in order.
  • both steps can be summarized and represented by a two-dimensional discrete Fourier transform or a two-dimensional discrete inverse Fourier transform with subsequent mirroring of the matrix to be replaced.
  • FIG. 5 shows an example result from FIG
  • FIG. 6 shows an example of a transmission device for transmitting the OFDM radar signals.
  • the input bits 1, which represent the information to be transmitted, are first converted in a digital modulator 2, in the present example by means of PSK, into complex modulation symbols, ie into modulation symbols having a complex value (I, Q).
  • a serial-to-parallel converter 3 With the aid of a serial-to-parallel converter 3, a serial-parallel conversion of the data stream is performed.
  • the serial data stream is divided into m N parallel parallel data sequences which are assigned to N sub-carriers.
  • a digital time-discrete OFDM signal is formed with the aid of an inverse discrete Fast Founer Transform (IFFT) for the respective OFDM symbol-forming, currently parallel applied modulation symbols, which is subsequently converted into a parallel-serial converter 5 is serialized.
  • IFFT inverse discrete Fast Founer Transform
  • the digital signal stream is converted into a digital-to-analog converter 7 in an analog transmission signal a low-pass filter 8 and a mixing unit 9 is emitted on a high-frequency carrier as a radar signal via the transmitting antenna 10.
  • a transmitting device is known to those skilled in the field of OFDM radar technology or OFDM information transmission technology.
  • FIG. 1 An example of a receiving device, which may also be arranged in the same device as the transmitting device, is shown schematically in FIG.
  • the radar signal reflected by the objects is received via the receiving antenna 11, mixed down again in a mixing unit 12 ms baseband and converted after passing through a low-pass filter 13 in an analog-to-digital converter 14 into a digital signal.
  • a mixing unit 12 ms baseband
  • an analog-to-digital converter 14 into a digital signal.
  • OFDM radar is typically the same high-frequency oscillator for controlling the mixing unit 9 in the transmitter and the Mixing unit 12 used in the receiver.
  • the cyclic prefix (unit 15) is removed and the digital signal is parallelized in a serial-to-parallel converter 16 according to the number of subtransagers to subject the individual channels to a discrete Fast Fourier Transform (FFT unit 17) and to convert again into a serial signal in a parallel-to-serial converter 18.
  • FFT unit 17 discrete Fast Fourier Transform
  • the serial signal is fed to a channel equalization unit 20 in which the samples of the individual channels are equalized.
  • an extraction of the modulation symbols 21 and a demodulator 22 a conversion of the modulation symbols in the transmitted data bits, which are then available as output bits 23 in an extraction unit 21.
  • the receiving device of the device proposed here comprises, alternatively or in addition to the channel equalization unit 20, the extraction unit 21 and the demodulator 22, a processing unit 19 which extracts the modulation symbols without prior channel equalization, normalizes the transmitted modulation symbols and calculates the speeds and / or distances of the objects or the corresponding radar images on the basis of the normalized modulation symbols fürkelt.
  • an analog-to-digital converter 14 and FFT or IFFT processors are required, which are accessed by the processing unit 19.
  • the method can be carried out, for example, in the ISM band at 24 GHz, since a signal bandwidth of approximately 100 MHz can be used license-free worldwide.
  • the wavelength should be smaller than the reflective structures.
  • the carrier frequency must not be too high, otherwise the propagation steam is too high and thus only an application over small distances is possible.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur digitalen Verarbeitung von OFDM-Signalen, die von einer Sendeeinrichtung mit Modulationssymbolen als Informationsträger ausgesendet, an einem oder mehreren Objekten zumindest teilweise reflektiert und von einer Empfangseinrichtung empfangen werden. Ohne vorangehende Kanalentzerrung werden die Modulationssymbole aus den empfangenen OFDM-Signalen extrahiert und die extrahierten Modulationssymbole durch eine komplexe Division auf das jeweilige gesendete Modulationssymbol normiert. Die Radarauswertung zur Entfernungsbestimmung und/oder Geschwindigkeitsbestimmung der Objekte erfolgt dann auf Basis der normierten Modulationssymbole. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung lassen sich zum einen sowohl Entfernung als auch Geschwindigkeit der Objekte unabhängig voneinander bestimmen. Zum anderen arbeitet das Verfahren sehr zuverlässig, da es nicht durch die übertragene Information beeinflusst wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur digitalen Verarbeitung von QFDM-Signalen für Radaranwendungen
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur digitalen Verarbeitung von OFDM-Signalen, die von einer Sendeeinrichtung mit Modulationssymbolen als Informationsträger gesendet, an einem oder mehreren Objekten zumindest teilweise reflektiert und von einer Empfangseinrichtung empfangen werden, wobei die Modulationssymbole aus den empfangenen OFDM-Signalen extrahiert werden.
Für Radar-Sensoren gibt es neben militärischen Anwendungen auch zahlreiche zivile Anwendungen, bspw. im Bereich der intelligenten Fahrassistenzsysteme
(Radar-Tempomat , Kollisionsverhinderung) oder bei der Überwachung von Produktionsprozessen. Die Radar- Technologie bietet gegenüber anderen Sensortechnologien den Vorteil, dass mit ihr sowohl Distanzen als auch Geschwindigkeiten schnell und präzise bestimmt werden können und Radar-Sensoren gegenüber äußeren Einflüssen, wie Dampfen, Regen oder Nebel, resistent sind.
Stand der Technik
Im Bereich der Radar-Technologie existieren unterschiedliche klassische Verfahren und Hardwarekonzepte, bei denen die Signalverarbeitung zu einem großen Teil analog in elektronischen Schaltkreisen erfolgt. Beispiele hierfür sind Chirp-Radar, Puls-Radar oder FMCW-Radar (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave) . Diese Verfahren sind weitgehend ausgereizt und optimiert. Durch die mittlerweile verfugbare Leistungsfähigkeit im Bereich der digitalen Signalverarbeitung eroffnen sich vollständig neue Möglichkeiten sowohl hinsichtlich der Formung neuartiger Sendesignale als auch hinsichtlich der Anwendung komplexer Prozessie- rungsalgorithmen im Empfanger. Die Leistungsfähigkeit zukunftiger Radar-Sensoren wird daher hauptsachlich durch die eingesetzten Signalformen und digitalen Prozessierungsverfahren bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der digitalen Verarbeitung und Nutzung von OFDM-Signalen (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex) für eine Anwendung in der Radarsensorik. Die Generierung von OFDM-Signalen kann hierbei ausschließlich auf digitaler Ebene erfolgen. Bisher wurde die OFDM-Technik in erster Linie für die Informations- bzw. Datenuber- tragung genutzt, da das OFDM-Signal aus Modulationssymbolen zusammengesetzt ist und somit gezielt der Informationsübertragung dient. Auch eine Nutzung der OFDM-Technik für Radar-Anwendungen wurde bereits diskutiert. So zeigen bspw. A. Garmatyuk et al . , „Feasibility study of a multi-carrier dual-use imaging radar and communication System", in Proc. 37th European Microwave Conference, Seiten 1473 bis 1476, Oktober 2007, ein OFDM-Radarsystem, das gleichzeitig zur Informationsübertragung genutzt werden kann. Bei dieser Implementierung von OFDM-Radar wird für die Verarbeitung der OFDM-Radarsignale im Empfanger eine Kreuzkorrelation des empfangenen Signals mit dem gesendeten Signal durchgeführt. Bezeichnet x(t) das gesendete und y(t) das empfangene Basisbandsignal, dann kann dieser Vorgang mit folgender Gleichung mathematisch beschrieben werden:
Durch diese Verarbeitung ist die erzielbare Dynamik jedoch von den Autokorrelations-Eigenschaften des Sendesignals abhangig. Um eine hohe Dynamik erzielen zu können, müssen spezielle Codes wie bspw. M- Sequenzen gesendet werden. Deren Eigenschaften bestimmen dann die Dynamik. Soll das System jedoch zur simultanen Informationsübertragung genutzt werden, so ist die erzielbare Dynamik nicht vorhersehbar, da sie von den Autokorrelations-Eigenschaften der übertragenen Information abhängt. Ein zuverlässiger Betrieb ist somit nicht möglich. Weiterhin kann mit der Verarbeitung auf Basis der Kreuzkorrelation zwar die Distanz von Objekten, nicht jedoch deren Geschwindigkeit bestimmt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verarbeitung von OFDM-Signalen anzugeben, das bei einer gleichzeitigen Nutzung dieser Signale für Radar und zur Informationsübertragung einen zuverlässigen Betrieb sowie bei Bedarf auch die Bestimmung der Geschwindigkeit von Objekten ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhangigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausfuhrungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur digitalen Verarbeitung von OFDM-Signalen werden die übertragenen Modulationssymbole, die auch als Datensymbole bezeichnet werden können, zunächst ohne vorangehende Kanalentzerrung aus den empfangenen OFDM-Signalen extrahiert. Diese extrahierten Modulationssymbole oder zumindest einige dieser Modulationssymbole werden dann durch eine komplexe Division auf das jeweils ursprunglich gesendete Modulationssymbol normiert. Die Radarauswertung zur Entfernungsbestimmung und/oder
Geschwindigkeitsbestimmung der Objekte, an denen die OFDM-Signale reflektiert wurden, erfolgt dann auf Basis der normierten Modulationssymbole. Die Radarauswertung zur Entfernungsbestimmung und/oder Geschwindigkeits- bestimmung der Objekte umfasst dabei insbesondere die Erstellung eines Radar-Bildes, aus dem die Entfernung der Objekte oder die Entfernung und Geschwindigkeit der Objekte ableitbar ist.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der weiter unten angeführten Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens wird die Radar-Prozessierung vollkommen unabhängig von der gesendeten Information bzw. den gesendeten Daten. Dies wird durch die Normierung -der aus dem Signal extrahierten Modulationssymbole auf die ursprunglich gesendeten Modulationssymbole erreicht. Es werden keine speziellen Codes benotigt, so dass das OFDM-Radarsignal mit beliebigen Nutzdaten moduliert werden kann, die über das gemeinsame OFDM-Signal übertragen werden sollen. Durch die Unabhängigkeit von der übertragenen Information kann eine sehr hohe Dynamik erzielt werden, die nur durch die Nebenmaxima der erforderlichen Fourier-Transformation und Rauschen begrenzt ist. Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung besteht darin, dass die Entfernung bzw. Distanz der Objekte unabhängig von deren Geschwindigkeit bestimmt werden kann. Distanz und Geschwindigkeit sind hier nicht miteinander verkoppelt. Bei der Geschwindigkeitsbestimmung kann die Integrationsdauer und damit die Doppler-Auflosung bzw. Geschwindigkeitsauflosung im laufenden Betrieb beliebig adaptiert werden. Der für das Verfahren benotigte Rechenaufwand ist vergleichsweise niedrig, da keine Kreuzkorrelationen berechnet werden müssen, wie dies bisher im Stand der Technik der Fall ist.
Die Verarbeitung der Radarsignale wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht mit Hilfe der Basisbandsignale durchgeführt, sondern mit Hilfe der gesendeten und empfangenen Modulationssymbole. Diese werden dazu im Empfanger noch vor der optionalen Entzerrung abgegriffen, da sie an diesen Stellen noch die voll- standigen bei der Übertragung auftretenden Verzerrungen enthalten, die letztendlich die Information über reflektierende Objekte beinhalten. Jedes empfangene und ausgewählte Modulationssymbol wird mit Hilfe einer komplexen Division durch das gesendete Modulationssymbol in Amplitude und Phase normiert. Diese Normierung macht das Verfahren vollständig unabhängig von den gesendeten Modulationssymbolen. Die Berechnung des Radar-Bildes zur Entfernungsbestimmung erfolgt anschließend über eine inverse Fourier-Transformation .
Die Auswertung der Doppler-Information zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeit reflektierender Objekte erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Fourier-Transformation über zeitlich aufeinander folgende OFDM-Symbole . Die Dauer der OFDM-Symbole wird dazu geeignet parametrisiert . Diese Prozessierung basiert ebenfalls auf den Modulationssymbolen und nicht auf den Basisbandsignalen.
Für die zur Bestimmung der Entfernung und/oder Geschwindigkeit durchgeführten diskreten Fourier- Transformationen bzw. inversen Fourier-Transformationen können beim vorliegenden Verfahren jeweils alle übertragenen Modulationssymbole eines OFDM-Symbols bzw. einer Folge von OFDM-Symbolen oder auch nur einige dieser Modulationssymbole herangezogen werden. Bei der Auswertung selbst werden vorzugsweise sowohl Distanz als auch Geschwindigkeit der Objekte bestimmt, an denen die OFDM-Signale reflektiert wurden. Selbstverständlich lassen sich das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung jedoch auch so betreiben, dass nur die Distanz oder nur die Geschwindigkeit aus den empfangenen OFDM- Signalen bestimmt wird.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens umfasst in bekannter Weise eine Empfangsantenne, mit der OFDM-Signale empfangen werden können, eine Mischeinrichtung zum Heruntermischen der empfangenen Signale, einen Analog-Digital-Wandler für die Digitalisierung der Signale sowie eine Verar- beitungseinrichtung, die aus diesen Signalen die Modulationssymbole extrahiert, auf die gesendeten Modulationssymbole normiert und auf Basis dieser normierten Modulationssymbole eine Radarauswertung zur Bestimmung der Distanz und/oder Geschwindigkeit der Objekte durchfuhrt, an denen die Signale reflektiert wurden. Die Vorrichtung kann dabei ausgestaltet sein wie ein herkömmlicher Empfanger für OFDM-Signale, wobei lediglich die Verarbeitungseinheit für die Durchfuhrung des vorgeschlagenen Verfahrens ausgebildet ist, d. h. die Modulationssymbole ohne vorangehende Kanalentzerrung extrahiert und auf Basis dieser Modulationssymbole die Radarauswertung zur Entfernungsbestimmung und/oder Geschwindigkeitsbestimmung durchfuhrt, insbesondere die entsprechenden Radar- bzw. Dopplerbilder berechnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausfuh- rungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals naher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des
Aufbaus eines OFDM-Sendesignals; Fig. 2 ein Vergleich eines Radar-Bildes aus klassischer Prozessierung mit einem Radar-Bild das gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erhalten wurde;
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Bestimmung der Geschwindigkeit; Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Bestimmung der Distanz;
Fig. 5 ein Beispiel eines prozessierten Radar- Bildes; Fig. 6 eine schematische Darstellung eines
OFDM-Senders; und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines OFDM-Empfangers .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die gesamte Verarbeitung bei der Durchfuhrung des vorgeschlagenen Verfahrens wird im Folgenden anhand eines Ausfuhrungsbeispiels detailliert beschrieben. Dabei werden auch Beispielergebnisse gezeigt, die mit Hilfe einer Computer-Simulation berechnet wurden.
Em OFDM-Signal wird im Zeitbereich folgendermaßen beschrieben:
*« = ∑ Σ I<jM + n)ψn(t-μT) (2)
/1=0 n=0
Dabei beschreibt I die zu übertragenden Modulationssymbole, die aus der zu übertragenden binaren Information bereits mittels diskreter
Phasenmodulation (z. B. PSK: Phase Shift Keying) erzeugt wurden. Der Index n indiziert die insgesamt N OFDM-Subtrager, μ indiziert die zeitlich aufeinander folgenden OFDM-Symbole und ψn repräsentiert die orthogonalen OFDM-Subtrager mit:
wobei für den Abstand der Subtrager zur Wahrung der Orthogonalitat Δf=l/T gelten muss. Dabei bezeichnet T die OFDM-Symboldauer.
Der Aufbau des OFDM-Sendesignals aus einzelnen Modulations-Symbolen kann auch mit Hilfe einer Matrix veranschaulicht werden, wie sie in Figur 1 dargestellt ist. Jede Zelle der Matrix enthält ein Modulationssymbol, jede Spalte der Matrix stellt jeweils ein OFDM- Symbol dar.
Zur einfacheren Diskussion der Vorgehensweise für die Normierung der Modulationssymbole und die Bestimmung der Distanz bzw. eines Radar-Bildes auf Basis der Modulationssymbole wird nun ausschließlich das erste OFDM-Symbol mit μ=0 betrachtet. Das Zeitsignal dieses OFDM-Symbols kann ausgedruckt werden als:
N-\ x(0 = ∑ I(n)tπp(j2πfnt) , O≤t≤T ( 4 )
Im Empfanger wird das OFDM-Signal decodiert, die einzelnen empfangenen Modulationssymbole Ir werden direkt nach der diskreten Fourier-Transformation im
OFDM-Empfanger und noch vor der Kanalentzerrung für die Prozessierung verwendet. Die Normierung erfolgt durch eine komplexe Division:
(5) Das Radar-Bild in Entfernungsrichtung wird durch eine mverse diskrete Fourier-Transformation der normierten Modulationssymbole gewonnen
h(k) = IDFT({IdM})^~^Iώv(n)cxp^jψnky k = 0, ,N-\ (6)
Dabei bezeichnet k die diskrete Zeitvariable. Die Eindeutigkeit ist auf die Distanz dmax=Tco/2 begrenzt, die Dynamik lediglich durch die Nebenmaxima der Fourier-Transformation.
Mit Hilfe eines Simulationsmodells wurde die Funktionsfahigkeit der Modulationssymbol-basierten Prozessierung verifiziert sowie ihre Leistungsfähigkeit mit dem klassischen Ansatz der Kreuzkorrelation gemäß Gleichung (1) verglichen. Die in Figur 2 dargestellten Bilder zeigen eine Radar-Simulation für ein Punktziel in 30 m Distanz. Das linke Bild zeigt das Ergebnis der klassischen Prozessierung, das rechte Bild das Ergebnis der Modulationssymbol-basierten Prozessierung gemäß Gleichung (5) und (6) . Aus der Figur ist deutlich ersichtlich, dass bei der klassischen Prozessierung wesentlich höhere Nebenmaxima auftreten als bei der Prozessierung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren.
Diese Nebenmaxima resultieren aus den Autokorrelations- Eigenschaften der Zufallsdaten, mit denen das Signal moduliert wurde, und können nicht durch geeignete Techniken wie z.B. eine Fensterung reduziert werden. Der Dynamikbereich ist dadurch stark begrenzt, was die Objektdetektion m Szenarien mit vielen Objekten praktisch unmöglich macht. Bei der Modulationssymbol- basierten Prozessierung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren können die Nebenmaxima mit Hilfe einer Fensterung auf ein konstant sehr niedriges Niveau gebracht werden. Für das Resultat im rechten Bild der Figur 2 wurde ein Hamming-Fenster verwendet. Die
Nebenmaxima sind hier ausschließlich durch die Fourier- Transformation verursacht. Nebenmaxima aufgrund schlechter Autokorrelations-Eigenschaften können bei der Modulationssymbol-basierten Prozessierung prinzip- bedingt nicht auftreten.
Die Realisierung der Doppler-Prozessierung bzw. die Bestimmung der Geschwindigkeit erfolgt ebenfalls basierend auf den nach Gleichung (5) normierten Modulationssymbolen. In diesem Fall werden allerdings zeitlich aufeinander folgende Modulationssymbole betrachtet. Die Auswertung erfolgt jeweils über einen definierten Rahmen aus M OFDM-Symbolen. Für einen beliebigen OFDM-Subtrager n wird das Doppler-Spektrum mit Hilfe einer diskreten Fourier-Transformation berechnet
wobei v die diskrete Frequenzvariable ist.
Vorzugsweise werden die beiden obigen Verfahrensvarianten zur Bestimmung der Entfernung und zur Bestimmung der Geschwindigkeit zu einem zweidimen- sionalen Verfahren kombiniert, das eine unabhängige Prozessierung von Distanz und Geschwindigkeit ermöglicht. Die gesamte Prozessierung erfolgt bei diesem Prozessierungsverfahren ausgehend von dem empfangenen Signal xn drei Schritten:
1. Schritt: Normierung durch komplexe Division Die empfangenen Modulationssymbole werden noch vor der Kanalentzerrung mit Hilfe der gesendeten Modulationssymbole gemäß Gleichung (5) durch eine komplexe Division normiert.
2. Schritt: Fourier-Transformation in Zeitrichtung
Zur Bestimmung der Geschwindigkeit wird in der normierten Modulationssymbolmatrix für jeden OFDM- Subtrager innerhalb eines Rahmens der Lange M eine diskrete Fourier-Transformation in Zeitrichtung berechnet. Das Ergebnis ist eine Matrix, bei der die
Zeitachse durch eine Doppler-Achse ersetzt ist, die die Dopplerverschiebung repräsentiert. Dies ist in Figur 3 veranschaulicht .
3. Schritt: Inverse Fourier-Transformation m Frequenzrichtung
Zur Bestimmung der Distanz wird in der Ergebnismatrix von Schritt 2 für jedes OFDM-Symbol innerhalb eines Rahmens der Lange M eine inverse diskrete Fourier-Transformation in Frequenzrichtung berechnet. Das Ergebnis ist eine Matrix, m der ein zweidimensionales Radar-Bild mit den Dimensionen Distanz und Doppierverschiebung enthalten ist. Der 3. Prozes- sierungsschπtt ist m der Figur 4 veranschaulicht.
Schritte 2 und 3 können in der Reihenfolge vertauscht werden. Alternativ können beide Schritte zusammengefasst und durch eine zweidimensionale diskrete Fourier-Transformation bzw. eine zweidimensionale diskrete inverse Fourier-Transformation mit anschließender Spiegelung der Matrix ersetzt werden.
Figur 5 zeigt ein Beispielergebnis aus der
Simulation für die Prozessierung von drei Punktzielen gleicher Reflektivität mit einem OFDM-Signal aus N=1024 Subtragern mit einem Abstand von Δf=90,909 kHz über eine Rahmendauer von M=128. Die simulierten Objekte besitzen dabei folgende Distanzen und Geschwindigkeiten:
Im prozessierten Radarbild sind alle drei Objekte eindeutig in Distanz und Geschwindigkeit abgebildet. Eine Verkopplung zwischen Distanz und Geschwindigkeit tritt nicht auf. Objekte in gleicher Distanz und Objekte mit gleicher Geschwindigkeit sind trennbar, wie aus der Figur 5 ersichtlich ist.
Figur 6 zeigt schließlich ein Beispiel für eine Sendeeinrichtung zur Aussendung der OFDM-Radarsignale . Die Eingangsbits 1, die die zu übertragende Information repräsentieren, werden zunächst in einem digitalen Modulator 2, im vorliegenden Beispiel mittels PSK, in komplexe Modulationssymbole umgesetzt, d.h. in Modulationssymbole mit einem komplexen Wert (I, Q) . Mit Hilfe eines Seriell-Parallel-Wandlers 3 wird eine Seriell-Parallel-Wandlung des Datenstroms durchgeführt. Hierbei wird der serielle Datenstrom jeweils m N parallele Datenfolgen aufgeteilt, die N Subtragern zugeordnet sind. In einer Fouriertransformations- Einheit 4 wird mit Hilfe einer inversen diskreten Fast- Founer-Transformation (IFFT) für die jeweils ein OFDM- Symbol bildenden, aktuell parallel anliegenden Modulationssymbole ein digitales zeitdiskretes OFDM-Signal gebildet, das anschließend in einem Parallel-Seriell- Wandler 5 serialisiert wird. Nach dem Hinzufugen eines zyklisch wiederholten Ausschnitts (Zyklisches Präfix bzw. Cyclic Prefix) des so erhaltenen Signals (Einheit 6) zur Verhinderung von Intersymbol-Interferenz wird der digitale Signalstrom in einem Digital-Analog- Wandler 7 in ein analoges Sendesignal gewandelt, das nach Passieren eines Tiefpassfilters 8 sowie einer Mischeinheit 9 auf einem hochfrequenten Trager als Radarsignal über die Sendeantenne 10 ausgesendet wird. Eine derartige Sendeeinrichtung ist dem Fachmann aus dem Bereich der OFDM-Radartechnik bzw. der OFDM- Informationsubertragungstechnik bekannt.
Ein Beispiel für eine Empfangseinrichtung, die auch im gleichen Gerat wie die Sendeeinrichtung angeordnet sein kann, ist in Figur 7 schematisch dargestellt. In dieser Empfangseinrichtung wird das von den Objekten reflektierte Radarsignal über die Empfangsantenne 11 empfangen, in einer Mischeinheit 12 wieder ms Basisband heruntergemischt und nach Passieren eines Tiefpassfilters 13 in einem Analog- Digital-Wandler 14 in ein digitales Signal gewandelt. Im Falle einer Anwendung für OFDM-Radar wird typischerweise derselbe hochfrequente Oszillator zur Ansteuerung der Mischeinheit 9 im Sender und der Mischeinheit 12 im Empfanger eingesetzt. Anschließend wird im Empfanger das zyklische Präfix (Einheit 15) entfernt und das digitale Signal in einem Seriell- Parallel-Wandler 16 entsprechend der Anzahl der Subtrager parallelisiert , um die einzelnen Kanäle einer diskreten Fast-Fourier-Transformation (FFT-Einheit 17) zu unterziehen und in einem Parallel-Seriell-Konverter 18 wieder in ein serielles Signal zu wandeln. In einer herkömmlichen Empfangseinrichtung wird das serielle Signal einer Kanalentzerrungseinheit 20 zugeführt, in der die Abtastwerte der einzelnen Kanäle entzerrt werden. Nach der Entzerrung erfolgt in einer Extrahierungseinheit 21 eine Detektion der Modulationssymbole und einem Demodulator 22 eine Umsetzung der Modulationssymbole in die übertragenen Datenbits, die dann als Ausgangsbits 23 zur Verfugung stehen.
Die Empfangseinrichtung der hier vorgeschlagenen Vorrichtung weist alternativ oder zusätzlich zur Kanalentzerrungseinheit 20, der Extrahierungseinheit 21 und dem Demodulator 22 eine Verarbeitungseinheit 19 auf, die die Modulationssymbole ohne vorangehende Kanalentzerrung extrahiert, auf die gesendeten Modulationssymbole normiert und die Berechnung der Geschwindigkeiten und/oder Distanzen der Objekte bzw. der entsprechenden Radar-Bilder auf Basis der normierten Modulationssymbole durchfuhrt.
Für die Realisierung einer derartigen Empfangs- einrichtung sind als Hardwarekomponenten neben der I/Q- Mischeinheit 12 ein Analog-Digital-Wandler 14 sowie FFT- bzw. IFFT-Prozessoren erforderlich, auf die die Verarbeitungseinheit 19 zugreift. Das Verfahren lasst sich bspw. im ISM-Band bei 24 GHz durchfuhren, da hier weltweit eine Signalbandbreite von ungefähr 100 MHz lizenzfrei genutzt werden kann. Grundsätzlich gilt bei der Wahl der Tragerfrequenz, dass die Wellenlange kleiner als die reflektierenden Strukturen sein sollte. Gleichzeitig darf die Tragerfrequenz auch nicht zu hoch sein, da sonst die Ausbreitungsdampfung zu hoch und damit nur eine Anwendung über geringe Distanzen möglich ist.
Bezugs zeichenliste
I Eingangsbits 2 Modulator
3 Seriell-Parallel-Wandler
4 Fouriertransformations-Einheit
5 Parallel-Seriell-Wandler
6 Einheit zum Hinzufugen eines Präfix 7 Digital-Analog-Wandler
8 Tiefpassfilter
9 Mischeinheit
10 Sendeantenne
II Empfangsantenne 12 Mischeinheit
13 Tiefpassfilter
14 Analog-Digital-Wandler
15 Einheit zum Entfernen des Präfix
16 Seriell-Parallel-Wandler 17 FFT-Einheit
18 Parallel-Seriell-Wandler
19 Verarbeitungseinheit
20 Kanalentzerrungseinheit
21 Extrahierungseinheit 22 Demodulator
23 Ausgangsbits

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur digitalen Verarbeitung von OFDM- Signalen, die von einer Sendeeinrichtung mit Modulationssymbolen als Informationsträger gesendet, an einem oder mehreren Objekten zumindest teilweise reflektiert und von einer Empfangseinrichtung empfangen werden, bei dem
- die Modulationssymbole ohne vorangehende Kanalentzerrung aus den empfangenen OFDM-Signalen extrahiert werden,
- einige oder alle extrahierten Modulationssymbole durch eine komplexe Division auf das jeweilige gesendete Modulationssymbol normiert werden, und
- eine Radarauswertung zur Entfernungsbestimmung und/oder Geschwindigkeitsbestimmung der Objekte auf Basis der normierten Modulationssymbole erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Entfernungsbestimmung über eine mverse Fouriertransformation der normierten Modulationssymbole zumindest eines OFDM-Symbols der empfangenen OFDM-Signale erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Geschwindigkeitsbestimmung durch Auswertung einer Phasenverschiebung zeitlich aufeinander folgender Modulationssymbole zumindest eines Subtragers der OFDM-Signale erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Auswertung der Phasenverschiebung mit Hilfe einer Fouriertransformation der normierten Modulationssymbole erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Entfernungsbestimmung und die Geschwindigkeitsbestimmung simultan über eine zweidimensionale inverse bzw. normale Fourier- transformation der normierten Modulationssymbole erfolgen.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für die Entfernungsbestimmung eine inverse Fouriertransformation der normierten Modulationssymbole mehrerer Subtrager zeitlich aufeinander folgender OFDM-Symbole durchgeführt wird und die daraus erhaltenen Daten anschließend einer Fouriertransformation für die Geschwindigkeitsbestimmung unterworfen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für die Geschwindigkeitsbestimmung eine Fouriertransformation der normierten Modulations- symbole mehrerer Subtrager zeitlich aufeinander folgender OFDM-Symbole durchgeführt wird und die daraus erhaltenen Daten anschließend einer mversen Fouriertransformation für die Entfernungsbestimmung unterworfen werden.
8. Vorrichtung zur digitalen Verarbeitung von OFDM- Signalen, die von einer Sendeeinrichtung mit Modulationssymbolen als Informationsträger gesendet, und an einem oder mehreren Objekten zumindest teilweise reflektiert werden, mit
- einer Empfangsantenne (11) für den Empfang der OFDM-Signale, - einer Mischeinrichtung (12) zum Heruntermischen der empfangenen Signale,
- einem Analog-Digital-Wandler (14) für die Digitalisierung der Signale und
- einer Verarbeitungseinrichtung (19), die die Modulationssymbole ohne vorangehende Kanalentzerrung extrahiert und auf Basis dieser Modulationssymbole eine Radarauswertung zur Entfernungsbestimmung und/oder Geschwindigkeitsbestimmung durchfuhrt, insbesondere Radar- bzw. Dopplerbilder berechnet.
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