KR101207718B1 - 주파수변조연속파 레이더 시스템 - Google Patents

주파수변조연속파 레이더 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변조신호발생부에서 발생된 송신신호의 주파수를 변조하여 출력하는 발진기, 상기 발진기로부터 출력된 주파수 변조된 송신신호를 외부로 방사하는 송신 안테나, 복수의 수신 안테나들 중 하나를 선택하여 선택된 수신 안테나를 통하여 수신된 신호를 출력하는 스위치, 상기 발진기에 의해 주파수 변조된 송신신호의 일부와, 상기 스위치로부터 출력된 신호를 입력받아 중간주파수 대역의 비트신호를 발생시키는 주파수혼합기, 상기 주파수혼합기로부터 출력된 신호 중 특정 대역의 주파수를 지닌 신호를 통과시키는 AA 필터 및 상기 스위치의 스위칭 주파수보다 큰 샘플링 주파수에 따라 샘플링을 수행하여 상기 AA 필터로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC를 포함한다.

Description

주파수변조연속파 레이더 시스템{Frequency Modulated Continuous Wave Radar System}
본 발명은 주파수변조연속파 레이더 시스템에 관한 것이다.
일반적인 위상 배열 변환자를 사용한 주파수변조연속파(Frequency Modulated Continuous Wave Radar System, 이하, FMCW) 레이더 시스템은 변조된 신호를 송신한 후 수신 신호를 복조 및 집속하여 반사체의 거리, 속도, 각도 정보를 추출한다. 이 때 각도 정보의 해상도는 수신 안테나의 구경이 클수록 높아지나, 수신 안테나의 구경이 클수록 다수의 채널이 필요하므로 위상 배열 변환자를 사용한 FMCW 레이더 시스템은 높은 하드웨어 복잡도를 가지게 된다.
수신 채널의 복잡도를 줄이기 위한 한 방법으로 스위치를 사용한 FMCW 레이더 시스템이 제안되었다. 이 방법은 다수의 수신 안테나를 스위치를 사용하여 연결한 후, 시간 다중화 방법을 사용하여 각 수신 안테나의 데이터를 순차적으로 수신하는 방법이다. 따라서 스위치를 사용한 FMCW 레이더 시스템은 한 채널의 하드웨어를 사용하여 구현 가능하다.
스위치를 사용한 FMCW 레이더 시스템의 경우 한 채널의 신호가 통과하는 아날로그 시스템의 총 지연시간은 스위칭 주기보다 짧아야 한다. 하지만 FMCW 레이더 시스템에 포함된 ADC(analog to digital converter)를 위한 Anti-Aliasing 필터(이하, AA 필터)의 지연 시간은 AA 필터의 차단 주파수의 역수에 비례하므로 다채널 수신시 AA 필터의 지연 시간이 스위칭 주기 보다 길어져 채널간 신호가 섞이게 된다.
채널간 간섭 문제를 해결하기 위하여 높은 차단 주파수를 갖는 AA 필터를 사용하는 방법이 제안되었지만 ADC의 샘플링(sampling) 과정에서 신호 대역 외의 잡음 신호가 신호 대역으로 들어오므로 신호대 잡음비가 낮아지는 단점이 있다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, AA 필터의 지연 시간을 줄이면서도 채널간 간섭 문제를 해결할 수 있는 FMCW 레이더 시스템을 제공하기 위한 것이다.
일 측면에서, 본 발명은 변조신호발생부에서 발생된 송신신호의 주파수를 변조하여 출력하는 발진기, 상기 발진기로부터 출력된 주파수 변조된 송신신호를 외부로 방사하는 송신 안테나, 복수의 수신 안테나들 중 하나를 선택하여 선택된 수신 안테나를 통하여 수신된 신호를 출력하는 스위치, 상기 발진기에 의해 주파수 변조된 송신신호의 일부와, 상기 스위치로부터 출력된 신호를 입력받아 중간주파수 대역의 비트신호를 발생시키는 주파수혼합기, 상기 주파수혼합기로부터 출력된 신호 중 특정 대역의 주파수를 지닌 신호를 통과시키는 AA 필터 및 상기 스위치의 스위칭 주파수보다 큰 샘플링 주파수에 따라 샘플링을 수행하여 상기 AA 필터로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC를 포함한다.
상기 AA 필터의 차단주파수는 (fs-fw)/2R일 수 있다.(fs 는 샘플링 주파수, fw는 스위칭 주파수, R는 수신 안테나의 개수)
상기 AA 필터의 지연 시간은 다음의 수학식을 만족할 수 있다.
τa > 1/(αfw -fw/2R) = 2R/(2αR-1)fw
이 때 τa는 AA 필터의 지연 시간, α는 1 이상의 실수, fw 는 스위칭 주파수, R는 수신 안테나의 개수이다.
본 발명의 FMCW 레이더 시스템은 상기 ADC에 연결된 데시메이션 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 데시메이션 필터는 fw/2R의 차단 주파수를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 오버 샘플링 방법을 사용하여 AA 필터의 차단 주파수와 샘플링 주파수를 높임으로써 잡음 신호가 신호대역 안에 겹치지 않으면서 채널간 간섭 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템을 나타낸다.
도 2 및 도 3은 AA 필터의 지연시간의 영향을 설명하기 위한 것이다.
도 4는 AA 필터의 차단 주파수의 설정에 따른 영향을 설명하기 위한 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 ADC의 동작을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템의 신호처리과정을 나타낸다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
FMCW 레이더 시스템은 정현파와 같은 연속파를 송수신한다. 순수한 정현파로는 거리 측정 능력이 매우 부족하므로 FMCW 레이더 시스템은 송신신호의 주파수를 변조함으로써 타겟 물체와의 거리 및 상대 속도를 파악한다.
FMCW 레이더 시스템은 타겟 물체로부터의 반사 에코와 송신신호의 주파수의 일부를 혼합하여 비트 주파수(beat frequency)를 계측함으로써 타겟 물체와 레이더 간의 거리 및 상대속도를 계측한다.
이와 같은 FMCW 레이더 시스템은 최근 차량에 설치되어 타겟 차량과의 거리 및 타겟 차량의 상대 속도를 검출함으로써 차간 거리를 자동적으로 유지하거나 설정된 속도로 차량이 자동적으로 운행되는 동작 등에 적용되고 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템은 발진기(120), 송신 안테나(Tx), 스위치(130), 주파수혼합기(140), AA 필터(150) 및 ADC(160)를 포함한다.
발진기(120)는 변조신호발생부(110)에서 발생된 송신신호의 주파수를 변조하여 출력한다. 본 발명의 실시예에서 변조신호발생부(110)는 위상동기루프(phase looked loop) 회로를 포함할 수 있다. 또한 본 발명의 실시예에서 발진기(120)는 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator)일 수 있다.
송신 안테나(Tx)는 발진기(120)로부터 출력된 주파수 변조된 송신신호를 외부로 방사한다.
스위치(130)는 복수의 수신 안테나들(Rx) 중 하나를 선택하여 선택된 수신 안테나를 통하여 수신된 신호를 출력한다.
주파수혼합기(140)는 발진기(120)에 의해 주파수 변조된 송신신호의 일부와, 스위치로부터 출력된 신호를 입력받아 중간주파수 대역의 비트신호를 발생시킨다. 이 때 발진기(120)로부터 입력되는 신호는 국부발진신호로 이용된다.
AA 필터(150)는 주파수혼합기(140)로부터 출력된 신호 중 특정 대역의 주파수를 지닌 신호를 통과시킨다.
ADC(160)는 AA 필터(150)로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하여 신호처리부(미도시)로 출력한다. 이 때 ADC(160)는 스위칭 주파수(fw) 보다 큰 샘플링 주파수(fs)에 따라 수신신호에 대한 샘플링을 수행한다.
신호처리부는 ADC(160)로부터 출력된 디지털신호로부터 비트신호의 주파수를 검출하고 디지털화된 비트신호의 크기를 비교 및 분석하여 자차와 타겟 차량과의 거리 및 타겟 차량의 상대속도를 계산한다.
스위치(130)에 의하여 선택된 각 채널의 신호는 주파수혼합기(140)와 AA 필터(150)를 통과하여 ADC(160)에 도착한다. 따라서 도 2와 같이 한 번의 스위칭으로 한 채널의 신호가 수신되며, 이 때 각 채널의 샘플링 주파수 fch는 다음의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
fch = fs/R
이 때 R(R≥1)은 수신 채널 수이며, fs는 ADC(160)의 샘플링 주파수로 FMCW 레이더 시스템의 스위칭 주파수 fw와 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭 직전에 ADC(160)에 의하여 샘플링이 이루어질 경우, 채널간 간섭이 없으려면 각 채널에서 수신된 신호가 ADC(160)에 도달하는 시간은 다음의 수학식 2와 같이 시스템의 전체 지연시간 보다 짧아야 한다.
[수학식 2]
τw + τm + τa < 1/fw
여기서 τw는 스위치(130)의 지연시간이며, τm은 주파수혼합기(140)의 지연시간, 그리고 τa는 AA 필터(150)의 지연시간이다.
일반적으로 AA 필터(150)의 지연시간은 AA 필터(150)의 차단 주파수의 역수보다 크며, anti-aliasing을 위한 차단 주파수 값은 나이퀴스트 샘플링 (Nyquist sampling) 이론에 의하여 ADC(160)의 샘플링 주파수의 1/2보다 작아야 한다. 따라서 τa는 다음의 수학식 3과 같은 제약을 갖는다.
[수학식 3]
τa > 1/(fs/2R) = 2R/fs
따라서 AA 필터(150)의 차단 주파수를 나이퀴스트 샘플링 이론에 의하여 신호 대역 이외의 잡음을 차단하도록 설정할 경우, 다음의 수학식 4와 같이 되어 앞서 설명한 수학식 2를 만족하지 않는다.
[수학식 4]
τw + τm + 2R/fs > 1/fw
즉, AA 필터(150)의 차단 주파수에 따라 AA 필터(150)가 신호 대역 외의 잡음을 제거할 경우, AA 필터(150)의 지연 시간이 증가되어 도 3과 같이 수신된 신호가 스위칭 시점 이후에 ADC(160)에 도달하므로 채널간 신호가 섞이게 된다.
AA 필터(150)의 시간지연을 줄이기 위하여 AA 필터(150)의 차단 주파수가 높게 설정된 경우, ADC(160)의 샘플링 주파수는 스위치(130)의 스위칭 주파수와 동일하므로 샘플링시 도 4의 (a) 및 (b)와 같이 차단되지 않은 잡음이 신호 대역으로 들어오므로 신호대 잡음비가 낮아지게 된다.
이에 따라 본 발명의 실시예에 FMCW 레이더 시스템의 경우, AA 필터(150)의 차단 주파수를 높이기 위하여 도 5와 같이 ADC(160)는 스위칭 주파수(fw) 보다 큰 샘플링 주파수(fs)에 따라 수신신호에 대한 샘플링을 수행한다.
이 때 AA 필터(150)는 ADC(160)의 샘플링시 잡음이 신호 영역으로 침입하지만 않으면 되므로 도 7의 (a)처럼 AA 필터(150)의 차단 주파수를 나이퀴스트 샘플링 이론에 의한 fs/2보다 큰 (fs-fw)/2R으로 설정할 수 있다. 따라서 샘플링 주파수 fs가 스위칭 주파수 fw보다 α(α≥1) 배 높게 설정될 경우 AA 필터(150)의 지연 시간은 다음의 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
τa > 1/(αfw -fw/2R) = 2R/(2αR-1)fw
즉, AA 필터(150)의 지연 시간은, 수학식 3의 지연 시간에 비하여 (2αR-1)배 만큼 감소하므로 도 6과 같이 k개의 유효 샘플이 획득된다. 이와 같이 ADC(160)가 스위칭 주파수(fw) 보다 큰 샘플링 주파수(fs)에 따라 수신신호에 대한 샘플링을 수행함으로써 AA 필터(150)의 차단 주파수가 높게 설정될 필요없이 AA 필터(150)의 지연 시간이 감소될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템은, 도 6에 도시된 바와 같이, 1회의 스위칭 과정에서 k 개의 유효 샘플을 사용하여 신호 대 잡음비가 저하되지 않은 각 채널의 샘플을 얻기 위하여 도 1과 같이 ADC(160)에 연결된 데시메이션 필터(decimation filter)(170)를 더 포함할 수 있다.
이 때 데시메이션 필터(170)는 신호 대역만 통과해야 하므로 도 7의 (c)와 같이 fw/2R의 차단 주파수를 가져야 하며, 데시메이션율(decimation rate)은 αR이다. 데시메이션 필터(170)의 출력은 도 7의 (d)와 같으며, 도 7의 (d)의 파형은 각 채널의 신호를 fw/R의 주파수로 병렬 샘플링한 결과와 같다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이더 시스템은 신호 대 잡음비 저하 없이 한 채널의 하드웨어만 사용하여 구현이 가능함을 알 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 변조신호발생부에서 발생된 송신신호의 주파수를 변조하여 출력하는 발진기;
    상기 발진기로부터 출력된 주파수 변조된 송신신호를 외부로 방사하는 송신 안테나;
    복수의 수신 안테나들 중 하나를 선택하여 선택된 수신 안테나를 통하여 수신된 신호를 출력하는 스위치;
    상기 발진기에 의해 주파수 변조된 송신신호의 일부와, 상기 스위치로부터 출력된 신호를 입력받아 중간주파수 대역의 비트신호를 발생시키는 주파수혼합기;
    상기 주파수혼합기로부터 출력된 신호 중 특정 대역의 주파수를 지닌 신호를 통과시키는 AA 필터; 및
    상기 스위치의 스위칭 주파수보다 큰 샘플링 주파수에 따라 샘플링을 수행하여 상기 AA 필터로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC
    를 포함하고,
    상기 AA 필터의 차단주파수는 (fs-fw)/2R인 것을 특징으로 하는 FMCW 레이더 시스템.
    (fs 는 샘플링 주파수, fw는 스위칭 주파수, R는 수신 안테나의 개수)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 AA 필터의 지연 시간은 다음의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이더 시스템.
    τa > 1/(αfw -fw/2R) = 2R/(2αR-1)fw
    τa는 AA 필터의 지연 시간, α는 1 이상의 실수, fw 는 스위칭 주파수, R는 수신 안테나의 개수
  4. 제1항에 있어서,
    상기 ADC에 연결된 데시메이션 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이더 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 데시메이션 필터는 fw/2R의 차단 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 FMCW 레이더 시스템.
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