FR3136134A1 - RadCom low-cost communication device, combining on-board radars and inter-vehicle communication. - Google Patents
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Abstract
Dispositif de communication bas coût RadCom, associant radars embarqués et communication inter-véhicules. La présente invention consiste en un dispositif de communication RadCom à bas coût associant des radars embarqués et des moyens de communication inter-véhicules plus communément appelés V2V. Le dispositif recourt à des standards utilisant une modulation d’ondes de type OFDM sur une bande de fréquence de 5 GHz (76 à 81 GHz), transformée en Stepped OFDM par la subdivision de ladite bande de fréquence en 39 canaux de 128 MHz, de manière à pouvoir recourir à des convertisseurs CAD/CDA beaucoup moins coûteux. Au lieu de recourir à des déphaseurs de Shiffman, ce dispositif utilise dix déphaseurs basés sur un coupleur directionnel à quatre ports et une capacité entre la tension d’alimentation des diodes Schottky et la masse et n’utilise qu’une sortie de FPGA (circuit intégré) réduisant ainsi la complexité et les coûts de réalisation. Figure pour l’abrégé: FIG 4RadCom low-cost communication device, combining on-board radars and inter-vehicle communication. The present invention consists of a low-cost RadCom communication device combining on-board radars and means of inter-vehicle communication more commonly called V2V. The device uses standards using OFDM type wave modulation on a frequency band of 5 GHz (76 to 81 GHz), transformed into Stepped OFDM by the subdivision of said frequency band into 39 channels of 128 MHz, of so that much less expensive CAD/CDA converters can be used. Instead of using Shiffman phase shifters, this device uses ten phase shifters based on a four-port directional coupler and a capacitance between the Schottky diode supply voltage and ground and uses only one FPGA output (circuit integrated) thus reducing complexity and production costs. Figure for abstract: FIG 4
Description
On sait que l’amélioration de la sécurité routière et l’orientation des technologies vers la conduite autonome des véhicules de transport, conduisent à recourir le plus souvent à une pluralité de radars embarqués pour détecter l’environnement immédiat des véhicules et apporter auxdits véhicules circulant sur les routes, une sécurité préventive ou primaire, c'est-à-dire un ensemble d’éléments liés au véhicule, aux usagers et à l’environnement pouvant éviter la survenue d’un accident.We know that the improvement of road safety and the orientation of technologies towards the autonomous driving of transport vehicles, lead to the use most often of a plurality of on-board radars to detect the immediate environment of the vehicles and provide said vehicles circulating on the roads, preventive or primary safety, that is to say a set of elements linked to the vehicle, users and the environment that can prevent the occurrence of an accident.
Le concept du véhicule autonome aujourd’hui recherché correspond à un véhicule automobile apte à circuler sur la voie publique sans intervention humaine en toutes situations. Il s’agit là d’une application typique de la robotique mobile présentant toutefois quelques nuances selon que l’on parle de véhicule totalement autonome, semi-autonome, ou à conduite automatisée par exemple en agglomération ou sur routes ouvertes ou encore à stationnement automatisé etc.The concept of the autonomous vehicle sought today corresponds to a motor vehicle capable of traveling on public roads without human intervention in all situations. This is a typical application of mobile robotics, however, with some nuances depending on whether we are talking about a fully autonomous, semi-autonomous or automated driving vehicle, for example in built-up areas or on open roads or even with automated parking. etc.
Un véhicule autonome est le plus souvent équipé de capteurs numériques tels que radars, lidars, caméras, etc. dont les données relevées sont traitées par des processeurs et des logiciels spécifiquement adaptés. Lesdits processeurs et logiciels reconstituent la situation routière 3D par reconnaissance de formes, par exemple limites de chaussées, de voies de circulation, de véhicules environnants, de panneaux ou d’obstacles divers et emploient des algorithmes d’intelligence artificielle pour agir en conséquence sur les commandes du véhicule.An autonomous vehicle is most often equipped with digital sensors such as radars, lidars, cameras, etc. whose data collected is processed by specifically adapted processors and software. Said processors and software reconstruct the 3D road situation by pattern recognition, for example roadway boundaries, traffic lanes, surrounding vehicles, signs or various obstacles and use artificial intelligence algorithms to act accordingly on the vehicle controls.
Les systèmes de communication coopérative sont plus généralement désignés par V2V pour les communications de véhicule à véhicule, V2I pour les communications de véhicule à infrastructure et I2V pour les communications des infrastructures vers le véhicule.Cooperative communication systems are more generally referred to as V2V for vehicle-to-vehicle communications, V2I for vehicle-to-infrastructure communications, and I2V for infrastructure-to-vehicle communications.
L’auteur du présent brevet participant activement à ces travaux a déjà déposé plusieurs brevets dans cet objectif et notamment un brevet concernant un dispositif de communications coopératives pour système de transport, associant radars embarqués et communications inter-véhicules V2V dit RadCom, brevet déposé sous le numéro FR 1902963 du 21/03/2019 et un brevet concernant un procédé pour optimiser les performances d’un réseau d’antennes déposé le 28/04/2021 sous le numéro FR 2104435.The author of this patent actively participating in this work has already filed several patents with this objective and in particular a patent concerning a cooperative communications device for a transport system, combining on-board radars and V2V inter-vehicle communications known as RadCom, patent filed under the number FR 1902963 of 03/21/2019 and a patent concerning a process for optimizing the performance of an antenna array filed on 04/28/2021 under number FR 2104435.
Les communications inter-véhicules V2V permettent l’échange de données entre les véhicules et ainsi d’appréhender les dangers. Elles agissent généralement selon trois standards courants tels que: 802.11p, Device-to-Device-PC5 du standard 3GPP Rel.13 et 14 couramment appelé 4G et 4G+ et Device-to-Device-PC5 du standard 3GPP Rel.15 et 16 couramment appelé 5G. Ces standards utilisent les formes d’ondes OFDM, FBMC etc. L’OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) est un procédé de codage de signaux numériques par répartition en fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses. Cette technique permet de lutter contre les canaux sélectifs en fréquence en permettant une égalisation de faible complexité. Ces canaux se manifestent notamment en présence de trajets multiples et sont d'autant plus pénalisants que le débit de transmission est élevé. Pour que les fréquences des sous-porteuses soient les plus proches possibles et ainsi transmettre le maximum d’informations sur une portion de fréquences donnée, l’OFDM utilise des sous-porteuses orthogonales. Ainsi, les signaux des différentes sous-porteuses se chevauchent mais grâce à l’orthogonalité n’interfèrent pas entre eux.V2V inter-vehicle communications allow the exchange of data between vehicles and thus to understand dangers. They generally operate according to three common standards such as: 802.11p, Device-to-Device-PC5 of the 3GPP Rel.13 and 14 standard commonly called 4G and 4G+ and Device-to-Device-PC5 of the 3GPP Rel.15 and 16 standard commonly called 5G. These standards use OFDM, FBMC etc. waveforms. OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) is a process for coding digital signals by orthogonal frequency division in the form of multiple subcarriers. This technique helps combat frequency-selective channels by allowing low-complexity equalization. These channels appear in particular in the presence of multiple paths and are all the more detrimental as the transmission rate is high. To ensure that the frequencies of the subcarriers are as close as possible and thus transmit the maximum amount of information over a given frequency portion, OFDM uses orthogonal subcarriers. Thus, the signals from the different subcarriers overlap but thanks to orthogonality do not interfere with each other.
En adoptant une modulation OFDM de l’onde émise, on assure un fonctionnement simultané radar (Détermination des distances et des vitesses des différentes cibles) et communications inter-véhicules. On assure également que les Radcom se trouvant dans une même zone ne s’affectent pas par leurs propres mutuelles interférences et ne soient affectés par des interférences produites par d’autres types de radars, par exemple les radars actuels FMCW.By adopting OFDM modulation of the transmitted wave, simultaneous radar operation (determination of distances and speeds of different targets) and inter-vehicle communications is ensured. It is also ensured that Radcoms located in the same area are not affected by their own mutual interference and are not affected by interference produced by other types of radars, for example current FMCW radars.
Les interférences émises par la puissance des autres radars n’affectent pas le réseau RadCom du présent brevet compte tenu de sa petite ouverture de faisceau (0,4°), les ondes émises par les autres radars ayant une probabilité nulle d’être détectées par l’antenne de balayage.The interference emitted by the power of other radars does not affect the RadCom network of this patent given its small beam opening (0.4°), the waves emitted by the other radars having a zero probability of being detected by the scanning antenna.
La modulation OFDM étant produite en numérique, il convient pour l’émettre de la convertir en un signal analogique et convertir les signaux analogiques reçus en signaux numériques. Ceci implique l’utilisation de convertisseurs CDA et CAD (Convertisseur Digital/Analogique à l’émission et Convertisseur Analogique/Digital à la réception).Since OFDM modulation is produced digitally, to transmit it it is necessary to convert it into an analog signal and convert the analog signals received into digital signals. This involves the use of CDA and CAD converters (Digital/Analogue Converter on transmission and Analogue/Digital Converter on reception).
En utilisant toute la bande de fréquence de 5GHz (76 à 81 GHz), on obtient une bonne résolution en distance mais on impose une fréquence d’échantillonnage des CDA/CAD élevée et supérieure à 2x5=10 giga- échantillons/s, ce qui implique un coût des CAD très élevé rendant le cout de RadCom incompatible avec l’automobile. Il est toutefois possible de conserver la même précision en distance en utilisant des CAD de basse fréquence d’échantillonnage à cout réduit en transformant l’OFDM en Stepped OFDM. Voir les figures 2 et 3.By using the entire 5GHz frequency band (76 to 81 GHz), we obtain good distance resolution but we impose a high CDA/CAD sampling frequency greater than 2x5=10 giga-samples/s, which implies a very high CAD cost making the cost of RadCom incompatible with the automobile. It is however possible to maintain the same distance precision by using low sampling frequency CADs at reduced cost by transforming OFDM into Stepped OFDM. See Figures 2 and 3.
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le dispositif de communication à bas coût RadCom utilise la modulation Stepped OFDM en subdivisant la bande de 5 GHz (76 à 81 GHz) en 39 canaux de 128 MHz, de telle manière que le déphasage de chaque canal est sensiblement réduit (considéré constant) et permet le recours à des convertisseurs conventionnels et donc de bas cout, afin de parvenir ainsi à la réalisation d’un ensemble RadCom à un coût compatible avec l’automobile. Voir la
Les déphaseurs analogiques généralement utilisés sont constitués d’une cellule de Shiffman associée à deux diodes varicap générant des capacités variables C1 et C2 sous l’action d’une seule tension de commande. Les deux lignes couplées sont caractérisées de manière habituelle par une longueur L de λ/4. Voir la
La phase au port 2 «Output port Z0» fonction du déphasage introduit par la cellule de Shiffman est :
The phase at port 2 “Output port Z0” depending on the phase shift introduced by the Shiffman cell is:
Pour que la réalisation des PCB soit à bas coût, certaines exigences doivent être appliquées, notamment :
- - La largeur des pistes doit être supérieure ou égale à 100µm.
- - La distance séparant deux pistes adjacentes doit être supérieure ou égale à 100µm.
- - The width of the tracks must be greater than or equal to 100µm.
- - The distance separating two adjacent tracks must be greater than or equal to 100µm.
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, les exigences ci-dessus ne pouvant pas être respectées par le déphaseur à base de cellule de Shiffman, le dispositif de communication à bas coût RadCom du présent brevet recourt à dix déphaseurs, chacun basé sur un coupleur directionnel à quatre ports, de manière à couvrir toute la plage de déphasage exigée (0° à 360°) et satisfaire ainsi les exigences des PCB bas coût. Voir la
L’antenne directive du dispositif étant composée de 112 fentes réparties par 8 sur 14 cercles, chaque fente est associée à un déphaseur dont la phase varie en fonction des variations des capacités des diodes Schottky associées et consécutivement de la tension appliquée à ces diodes. Pour balayer toute la zone horizontale (-45° à +45°) et toute la zone verticale (-10° à +10°) et couvrir les 11250 pixels, les tensions sont appliquées de façon indépendantes l’une de l’autre et leurs valeurs sont différentes. Il doit donc être fourni 112 tensions indépendantes qu’on doit aussi faire varier numériquement. Pour cela, la commande la plus courante utilise 112 CDAs (Convertisseur Digital Analogique). En supposant que ces 112 CDAs soient au minimum de 8 bits, il faudrait disposer d’au moins 896 (112x8) sorties FPGA dédiées. Cela ne pourrait donc pas être réalisé avec un seul FPGA de bas coût et conduirait à une réalisation complexe et coûteuse.The directive antenna of the device being composed of 112 slots distributed 8 over 14 circles, each slot is associated with a phase shifter whose phase varies according to variations in the capacities of the associated Schottky diodes and subsequently the voltage applied to these diodes. To scan the entire horizontal area (-45° to +45°) and the entire vertical area (-10° to +10°) and cover the 11250 pixels, the voltages are applied independently of each other and their values are different. It is therefore necessary to provide 112 independent voltages which must also be varied numerically. For this, the most common command uses 112 CDAs (Digital Analogue Converter). Assuming that these 112 CDAs are at least 8 bits, you would need at least 896 (112x8) dedicated FPGA outputs. This could therefore not be achieved with a single low-cost FPGA and would lead to a complex and expensive implementation.
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, une capacité est placée entre la tension d’alimentation des diodes Schottky et la masse. Cela permet de charger cette capacité à la tension souhaitée et de la maintenir le temps de la durée d’un pixel. L’objectif de cette action est de fournir des images (Distance/vitesse) au rythme de 25 images/seconde, considérant 11250 pixels par image, la durée d’un pixel est de 3,56µs = (1/25 : 11250). Voir la
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, les cercles sont désignés de C1 à C14 en partant du plus petit diamètre au plus grand et les tensions à fournir associées aux fentes d’un cercle C1 de D1_C1 à C1 de D8_C1. Voir la
On considère alors 14 multiplexeurs analogiques à 8 sorties connectés à des capacités C et dont les entrées sont des tensions analogiques fournies par des CDA 8 bits. Chaque multiplexeur est dédié à un cercle de fente. Il fournit en 8 coups d’horloge CLK les 8 tensions alimentant les diodes Schottky associées aux 8 déphaseurs / fentes.We then consider 14 analog multiplexers with 8 outputs connected to capacitors C and whose inputs are analog voltages supplied by 8-bit CDAs. Each multiplexer is dedicated to a slot circle. In 8 CLK clock strokes, it provides the 8 voltages supplying the Schottky diodes associated with the 8 phase shifters/slots.
La fréquence de l’horloge CLK est ajustée de manière à ce que les capacités C aient le temps de se charger aux bonnes valeurs et de maintenir les charges le temps de la durée du pixel 3,56µs. L’actualisation des tensions des 112 capacités se fait selon un temps équivalent à 1 microseconde soit environ un tiers du temps alloué à un pixel (3.55us = 1/11250pixels x 25), ce qui implique un temps de charge unitaire de chaque bande de 14 capacités de 125ns (1us/8) puisque les capacités vont être chargées par groupes de 14 en 8 cycles. Ces capacités devront ensuite maintenir la tension sur le reste de la durée du pixel soit 2.55us. Toutefois, la durée d’un pixel pourra être plus longue si par exemple, la stratégie d’analyse de l’image radar se concentre sur quelques pixels pendant des temps plus longs. Voir la
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le nombre de sorties de FPGA étant limité (112 = 14 x 8), le dispositif de communication à bas coût RadCom recourt à un seul FPGA (circuit intégré) dans une réalisation plus simple et moins couteuse. La complexité est donc réduite de 112 à 14 comme si on avait que 14 fentes au lieu de 112.According to the preferred embodiment of the invention, the number of FPGA outputs being limited (112 = 14 x 8), the low-cost communication device RadCom uses a single FPGA (integrated circuit) in a simpler and less expensive. The complexity is therefore reduced from 112 to 14 as if we only had 14 slots instead of 112.
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le circulateur du dispositif de communication à bas coût RadCom est conçu à base d’un coupleur en anneau de circonférence égale à 6λ/4 (λ=longueur d’onde) comportant quatre ports d’impédance caractéristique égale à 50 ohms. Voir la
Le port C est connecté à l’émetteur, le port A au déphaseur, le port B au récepteur et le port D est chargé par une résistance de 50 ohms.Port C is connected to the transmitter, port A to the phase shifter, port B to the receiver and port D is loaded by a 50 ohm resistor.
Les ports A et B sont séparés l’un de l’autre d’une longueur de λ/4. Le port D est séparé du port B d’une longueur de 3λ/4 et du port C d’une longueur de λ/4.Ports A and B are separated from each other by a length of λ/4. Port D is separated from port B by a length of 3λ/4 and from port C by a length of λ/4.
Lorsque le premier port C est excité par une onde (émission), elle se divise en deux ondes. Une se propage dans le sens trigonométrique et l’autre dans le sens contraire. Ces ondes se trouvent en phase au port A (Déphaseur / Antenne) et en opposition de phase au port D (lié à la résistance) et B (Récepteur). Par conséquent à l’émission, le port C est couplé au port A et isolé des ports B et D.When the first port C is excited by a wave (transmission), it divides into two waves. One propagates in the trigonometric direction and the other in the opposite direction. These waves are in phase at port A (Phase shifter / Antenna) and in opposition to phase at port D (linked to the resistance) and B (Receiver). Consequently, on transmission, port C is coupled to port A and isolated from ports B and D.
Si le port A est excité (Réception de l’écho radar), le même raisonnement que précédemment montre que ce port est couplé au port B et isolé des ports C et D.If port A is excited (Reception of the radar echo), the same reasoning as above shows that this port is coupled to port B and isolated from ports C and D.
La résistance connectée au port D consomme très peu d’énergie. Elle est nécessaire pour assurer l’adaptation d’impédance pour les fréquences non continues. Une de ses extrémités est donc reliée à la masse. Voir la
Classiquement et vu qu’on utilise des PCB multicouches pour connecter la résistance à la masse, on est amené à recourir à des trous métallisés traversant les multicouches, lesquels ne peuvent que perturber les signaux utiles dans la bande 76 à 81 GHz et amènent à concevoir des solutions complexes pour contrecarrer les perturbations.Conventionally and given that multilayer PCBs are used to connect the resistance to ground, we have to resort to metallized holes passing through the multilayers, which can only disrupt the useful signals in the 76 to 81 GHz band and lead to design complex solutions to counteract disruptions.
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le dispositif de communication à bas coût RadCom présente une capacité planaire connectée à la résistance du port D du circulateur et non connectée à la masse. Cette résistance agit comme un court-circuit en alternatif sans amener de perturbations. Voir la
Le recours à un coupleur en anneau 4 ports offre une réponse large bande 5 GHz (76 à 81 GHz), une perte de retour négligeable à tous les ports, une grande isolation entre les ports et un layout (largeur des pistes) permettant la réalisation des PCB bas coût. L’utilisation d’une capacité planaire évite les perturbations.The use of a 4-port ring coupler provides 5 GHz wideband response (76 to 81 GHz), negligible return loss at all ports, high isolation between ports and a layout (track width) allowing low cost PCBs. Using planar capacitance avoids disruptions.
L’alimentation des diodes Schottky d’un déphaseur propage aux autres déphaseurs à travers les différents circulateurs, ce qui fausse toutes les tensions d’alimentation et induit un résultat du pointage de l’antenne différent de celui qui est planifié. En plaçant une capacité entre le circulateur et le déphaseur cela semble devoir résoudre le problème. Cette capacité dite trois doigts transmet les signaux utiles sans les atténuer dans la bande 76 à 81 GHz et elle ne transmet pas le continu (tension d’alimentation).Toutefois, celle-ci ne satisfait pas les exigences de réalisation. Voir la
Selon le mode de réalisation préféré de l’invention, le dispositif de communication à bas coût RadCom est réalisé en utilisant des PCB multicouches, lesquels induisent des capacités situées entre les différentes couches. On conçoit ainsi la capacité d’isolation utilisant 2 couches de PCB adjacentes, nommée capacité multicouches ou bien sandwich. Voir la
Les dessins annexés illustrent l’invention:The accompanying drawings illustrate the invention:
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---|---|
FR3136134A1 true FR3136134A1 (en) | 2023-12-01 |
Family
ID=84362677
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR2205153A Pending FR3136134A1 (en) | 2022-05-30 | 2022-05-30 | RadCom low-cost communication device, combining on-board radars and inter-vehicle communication. |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR3136134A1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2104435A5 (en) | 1970-08-17 | 1972-04-14 | Commw Of Australia | |
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-
2022
- 2022-05-30 FR FR2205153A patent/FR3136134A1/en active Pending
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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