KR102317072B1 - 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법은, 입력된 기준 클럭을 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop)를 이용하여 체배하는 단계, 상기 체배된 기준 클럭을 지연고정루프(DLL, Delay Locked Loop)를 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해하는 단계, 상기 체배된 기준 클럭을 카운팅하여 입력 신호의 에지(Edge) 위치를 기록하는 단계, 상기 분해된 멀티 위상 클럭 중에서 상기 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 미세 에지 위치를 기록하는 단계, 및 상기 기록된 에지 위치 및 상기 기록된 미세 에지 위치를 이용하여 상기 입력 신호의 시작 신호 및 정지 신호 간의 비행시간(ToF, Time of Flight)의 시간 차이를 계산하는 단계를 포함한다.

Description

라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법 및 장치{Method and apparatus for time-to-digital conversion in LiDAR system}
본 발명은 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 라이다 시스템에서 위상고정루프와 지연고정루프를 혼용하여 전기 신호의 시간 차이 계산을 통해 디지털 값으로 출력함으로써, 정밀하게 거리를 측정할 수 있는, 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법 및 장치에 관한 것이다.
라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging)는 빛을 활용해 거리를 측정하고 물체를 감지하는 기술이다. 라이다는 레이저를 발사하여 산란되거나 반사되는 레이저가 돌아오는 시간과 강도, 주파수의 변화, 편광 상태의 변화 등으로부터 측정 대상물의 거리와 농도, 속도, 형상 등 물리적 성질을 측정하는 것을 말한다.
극초단파를 이용하여 대상물까지의 왕복 시간을 관측함으로써 거리를 구하는 레이더(RADAR: Radio Detection And Ranging)와 유사하지만, 전파를 이용하는 레이다와 달리 빛을 이용한다는 차이가 있으며, 이러한 점에서 '영상 레이더'라고 칭해지기도 한다.
라이다는 1930년대 기상 관측을 위해 처음 개발되었다가 레이저 기술이 등장한 1960년대 이르러서 본격적으로 활용되기 시작했다. 당시에는 주로 항공분야와 위성에 적용되었으나 이후 영역을 넓히며 지구환경, 탐사, 자동차, 로봇 등에 적용되었다. 라이다 장치는 위성이나 항공기에서 레이저 펄스를 방출하고, 대기중의 입자에 의해 후방 산란되는 펄스를 지상 관측소에서 수신하는 항공 라이다가 주류를 이루어왔으며, 이러한 항공 라이다는 바람 정보와 함께 먼지, 연기, 에어로졸, 구름 입자 등의 존재와 이동을 측정하고, 대기중의 먼지입자의 분포 또는 대기 오염도를 분석하는데 사용되어왔다.
최근에는 송신계와 수신계가 모두 지상에 설치되어 장애물 탐지, 지형 모델링, 대상물까지의 위치 획득 기능을 수행하는 지상 라이다도 감시정찰로봇, 전투로봇, 무인수상함, 무인헬기 등의 국방 분야나, 민수용 이동 로봇, 지능형자동차, 무인자동차 등의 민수용 분야에 대한 적용을 염두에 두고 활발히 연구가 이루어지고 있다.
한편, 라이다 시스템에서 시간-디지털 변환기(TDC, Time-to-Digital Converter TDC)를 살펴보기로 한다. 종래의 시간-디지털 변환기는 버니어 인버터 구조를 가진다. 버니어 인버터 구조는 인버터가 직렬로 연결되어 있으며, 한 개당 딜레이 정확도가 시간적 해상도를 의미한다. 종래의 시간-디지털 변환기는 시작 신호와 정지 신호의 상승 에지에서 딜레이 차이를 판단한다. 시작 신호 시점의 상승 에지 이후, 물체가 되돌아 오는 시간의 내부 카운터 값이 정지 시점에 활성화(active)되어 시작 신호부터 정지 신호까지의 카운터 개수가 실제 거리로 환산된다. 1의 설명과 같이 직렬 인버터 체인이 해상도가 된다.
종래 방식의 문제점을 살펴보면, 종래의 시간-디지털 변환기는 단일 채널로만 사용된다. 또한, 종래의 시간-디지털 변환기는 인버터 딜레이의 의존성이 높다. 공정 상승 및 하강 에지 편차를 고려하면 각 셀의 해상도가 불규칙하다. 종래의 시간-디지털 변환기는 검출 가능한 시간 범위가 좁다. 시작 신호 시점부터 정지 신호의 시점까지의 카운트 값이 측정가능 거리를 의미한다. 종래의 시간-디지털 변환기는 외부 환경 변화에 의존적이므로 안정적인 고분해능을 갖기 어렵다.
이와 같이, 라이다 시스템에 사용되는 종래의 시간-디지털 변환기는 단일 채널로만 사용된다는 점, 인버터 딜레이의 의존성이 높다는 점, 검출 가능한 시간 범위가 좁다는 점, 외부환경 변화에 의존적이므로 안정적인 고분해능을 갖기 어렵다는 점이 문제점이다.
본 발명의 실시예들은 위상고정루프와 지연고정루프를 혼용하여 전기 신호의 시간 차이 계산을 통해 디지털 값으로 출력함으로써, 정밀하게 거리를 측정할 수 있는, 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위의 환경에서도 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력된 기준 클럭을 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop)를 이용하여 체배하는 단계; 상기 체배된 기준 클럭을 지연고정루프(DLL, Delay Locked Loop)를 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해하는 단계; 상기 체배된 기준 클럭을 카운팅하여 입력 신호의 에지(Edge) 위치를 기록하는 단계; 상기 분해된 멀티 위상 클럭 중에서 상기 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 미세 에지 위치를 기록하는 단계; 및 상기 기록된 에지 위치 및 상기 기록된 미세 에지 위치를 이용하여 상기 입력 신호의 시작 신호 및 정지 신호 간의 비행시간(ToF, Time of Flight)의 시간 차이를 계산하는 단계를 포함하는, 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법이 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 입력된 기준 클럭을 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop)를 이용하여 체배하는 위상고정루프부; 상기 체배된 기준 클럭을 카운팅하여 입력 신호의 에지(Edge) 위치를 기록하는 카운팅부; 상기 체배된 기준 클럭을 지연고정루프(DLL, Delay Locked Loop)를 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해하고, 상기 분해된 멀티 위상 클럭 중에서 상기 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 미세 에지 위치를 기록하는 지연고정루프부; 및 상기 기록된 에지 위치 및 상기 기록된 미세 에지 위치를 이용하여 상기 입력 신호의 시작 신호 및 정지 신호 간의 비행시간(ToF, Time of Flight)의 시간 차이를 계산하는 제어부를 포함하는, 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치가 제공될 수 있다.
상기 에지 위치 및 상기 미세 에지 위치는, 상기 입력 신호의 상승 에지(Rising edge)와 하강 에지(Falling edge) 각각에 대해 기록될 수 있다.
상기 지연고정루프부는, 상기 체배된 기준 클럭을 제1 지연고정루프를 이용하여 제1 멀티 위상 클럭으로 분해하는 제1 지연고정루프부; 및 상기 분해된 제1 멀티 위상 클럭을 제2 지연고정루프를 이용하여 제2 멀티 위상 클럭으로 분해하는 제2 지연고정루프부를 포함할 수 있다.
상기 제1 지연고정루프부는 상기 분해된 제1 멀티 위상 클럭에서 카운팅부를 통해 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 제1 미세 에지 위치를 기록하고, 상기 제2 지연고정루프부는 상기 분해된 제2 멀티 위상 클럭에서 카운팅부를 통해 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 제2 미세 에지 위치를 기록할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 입력 신호가 다채널 입력 신호로 구성되는 경우, 상기 입력 신호의 정지 신호의 채널을 확장할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 입력 신호의 신호 세기를 확인하고, 상기 확인된 신호 세기를 이용하여 대상 물체를 구분하고, 상기 확인된 신호 세기를 이용하여 대상 물체와의 거리 오차를 보정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 대상 물체로 송신된 빛이 피사체에 의해 반사되는 경우, 펄스 폭과 트랜지션 시간 정보를 이용하여 상기 반사된 빛에 대응되는 노이즈 정보를 제거할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 실시예들은 멀티 위상을 이용하여 고분해능의 시간-디지털 변환기를 설계할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 위상고정루프 및 지연고정루프를 피드백 시스템으로서 사용함으로써, 외부 환경에 견고한 특성을 보여줄 수 있다. 예를 들면, 외부 환경에는 온도 및 전원전압의 변화, 제조공정의 변화 등이 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 지연고정루프를 채널 구성으로 하여 적은 면적을 이용한 채널의 확장이 용이하다.
본 발명의 실시예들은 카운터를 이용하여 동일한 분해능으로 먼거리의 신호에 대한 감지능력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 펄스의 상승 에지와 하강 에지를 모두 센싱하여 정밀도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 라이다 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치의 동작 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치의 상세 블록 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치에 의한 동작 타이밍도를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치에 의한 3 단계 TDC 동작 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 8은 라이다 시스템에서 발생하는 노이즈를 나타낸 도면이다.
도 9는 신호의 트랜지션 시간을 나타낸 도면이다.
도 10은 상승과 하강 에지 시간정보를 이용한 펄스폭 계산 동작을 나타낸 도면이다.
도 11은 거리 정보 검출 시간 내에 들어오는 펄스들의 에지 정보를 저장 동작을 나타낸 도면이다.
도 12는 샘플링 클럭의 상승 에지에 오는 신호를 하강 에지로 샘플링하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 라이다 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예가 적용되는 라이다 시스템은 자동차의 전, 후방 물체 감지를 위해 사용되는 라이다 센서 기술을 이용한다. 라이다 시스템은 빛을 이용해서 물체에 반사되어 되돌아오는 시간을 센싱하여 거리를 감지하는 기술을 이용한다.
라이다 시스템을 살펴보면, 자동차 분야에서 라이다 시스템은 물체와의 거리를 계산하는 목적으로 사용된다, 빛의 신호를 전기신호로 변환하여 시작과 끝을 인식하고, 시간적 차이를 계산하여 거리를 인지한다. 빛의 속도는 전파의 속도와 같으므로 물체에 반사되어 온 시간을 반으로 나누어 빛의 속도로 나누면 거리가 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 라이다 시스템 반도체(100)는 전기 신호를 입력받아 빛을 내는 송신부(110), 빛을 받아 전기신호를 내는 수신부(120), 전기신호를 입력받아 시간을 디지털 값으로 변환하는 시간-디지털 변환부(130), 및 전체 시스템을 총괄하는 MCU부(140)로 나눌 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 라이다 시스템에 사용되는 시간-디지털 변환 장치에 관한 것이다. 시간-디지털 변환 장치는 전기 신호의 시간 차이를 계산하여 디지털 값으로 출력하는 회로이다. 출력되는 디지털 값은 시간차 정보이며, 이를 전파의 속도로 계산하면 거리정보로 환산할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 정밀하게 거리를 측정할 수 있는 거리 측정 라이다의 시간-디지털 변환 장치를 제공하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치의 동작 원리를 나타낸 도면이다.
종래 기술에 대한 문제점을 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 일 실시예는 외부 환경의 변화에 안정적이고 정밀한 거리정보 감지가 가능토록 하고자 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치(200)는 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop) 및 지연고정루프(DLL, Delay Locked Loop)를 사용하여 외부 환경에 영향에 대해 안정적인 출력을 내는 클럭 신호를 생성한다. 그리고 시간-디지털 변환 장치(200)는 카운터를 이용해 먼 거리 감지가능, 멀티 위상을 이용해 고분해능의 정밀도를 같게 한다. 여기서, 위상고정루프 및 지연고정루프는 피드백 회로를 포함하고 있어 공정변화, 온도, 전압등의 외부환경에 안정적인 출력을 낼 수 있다.
본 발명의 기술적인 특징에 대해 살펴보기로 한다. 시간-디지털 변환 장치(200)는 전기 신호의 차이를 정밀하게 분석하여 높은 해상도로 출력을 내는 것이 중요하다. 일례로, 약 100ps의 시간에 대한 비트 수 표현이 가능하다면 1.5cm의 분해능을 가질 수 있다.
라이다 시스템의 시간-디지털 변환 장치(200)는 다채널의 시간 정보를 빠른 시간 내에 처리할 수 있어야 하며, 고분해능의 높은 해상도 성능을 요구한다. 본 발명의 일실시예에 따른 동작 및 특징은 다음과 같다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 기준주파수를 입력받는 위상고정루프(PLL)를 이용하여 주파수를 체배한다.
그리고 시간-디지털 변환 장치(200)는 체배된 클럭(multiplied clock)을 지연고정루프(DLL)를 이용하여 멀티 위상(multi-phase)으로 분해한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 체배된 클럭으로 카운팅하여 입력신호의 에지에 코어스 코드(Coarse code)를 저장한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 멀티 위상 중 입력신호의 에지가 위치하는 부분을 센싱하여 파인 코드(fine code)에 저장한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 시작 신호와 정지 신호를 모두 저장하여 시간 차이를 계산한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 다채널 구성 시 정지 신호의 채널을 확장하여 시스템을 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치(200)의 동작 원리를 구체적으로 살펴보기로 한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 기준 주파수를 입력받는 위상고정루프(PLL)를 이용하여 주파수를 체배한다. 여기서, 시간-디지털 변환 장치(200)는 고주파수를 생성하여 전체 해상도를 높이고, 상승 및 하강 에지를 모두 고려하기 위해 듀티비를 맞춘다.
그리고 시간-디지털 변환 장치(200)는 체배된 클럭을 지연고정루프(DLL)를 이용하여 멀티 위상으로 분해한다. 시간-디지털 변환 장치(200)는 해상도의 레벨을 코어스(Coarse)와 파인(Fine) 두 부분으로 나누어 위상을 형성한다.
이후, 시간-디지털 변환 장치(200)는 체배된 클럭으로 카운팅하여 입력신호의 에지에 코어스 코드를 저장한다. 여기서, 상승 및 하강 에지는 따로 저장된다.
그리고 시간-디지털 변환 장치(200)는 멀티 위상 중 입력신호의 에지가 위치하는 부분을 센싱하여 파인 코드에 저장한다. 여기서, 상승 및 하강 에지는 따로 저장된다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 시작과 정지의 신호를 모두 저장하여 차이를 계산한다. 여기서, 상승 에지로 측정된 ToF 와 하강 에지로 측정된 ToF 값을 비교하여 유효한 신호라고 판단되면 값을 적용한다. 반면, 해상도가 지정한 수치를 벗어나거나 이상이 있을시 사용자에게 정보를 전달한다. 또한, 시간-디지털 변환 장치(200)는 코어스 부분/ 파인 부분의 해상도를 내부 시스템이 알고 있기 때문에, 어느 부분에서 오차가 발생했는지 간접적으로 알 수 있다. 시간-디지털 변환 장치(200)는 이러한 수치를 누적하여 추후 해당 타이밍에서 들어오는 신호의 값을 보정에 사용할 수 있다.
한편, 다채널 구성 시 정지의 채널을 확장하여 시스템을 구성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치의 상세 블록 구성을 나타낸 도면이다.
CLK_25M은 TCXO로부터의 ILFM REFCLK을 나타낸다.
ILFM(Injection Locked Frequency Multiplier)은 PLL을 나타낸다. 출력 주파수(Out Frequency)는 25MHz × 25 = 625MHz가 된다.
카운터(Counter)는 ILFM_out (Coarse code, 13bit)을 카운팅한다.
TDC 1CH에는 ADDLL에 의해 생성된 미들 코드(Middle code), 파인 코드(Fine code)가 저장된다. 여기서, 미들(Middle) 8bit, 파인(Fine) 4bit이고, 각각 상승/하강 에지에 대해 저장된다.
시작(START) 신호는 프리드라이버(PreDriver)로부터의 시작 신호이다.
정지(STOP) 신호 0~3는 TIA로부터의 정지 신호이다.
TDC 제어부(TDC Controller)는 TDC 출력 코드를 합성하고, TDC 제어 신호를 생성한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치(200)는, 위상고정루프부(210), 카운팅부(220), 지연고정루프부(230) 및 제어부(240)를 포함한다. 그러나 도시된 구성요소 모두가 필수 구성요소인 것은 아니다. 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 시간-디지털 변환 장치(200)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성요소에 의해서도 시간-디지털 변환 장치(200)가 구현될 수 있다.
일례로, 시간-디지털 변환 장치(200)는 기준 클럭을 25배하여 빠른 주파수를 생성하고, 카운터를 이용해서 입력 펄스의 에지에 대한 계수를 저장한다. 여기서, 계수는 상승 및 하강 에지마다 저장된다(CNT_Rise/Fall).
시간-디지털 변환 장치(200)는 빠른 주파수를 8위상으로 구분하여 입력 펄스의 에지 위치를 기록한다. 여기서, 에지 위치는 최대 3번 상승 및 하강 에지마다 기록된다(Coare_Rise/Fall).
시간-디지털 변환 장치(200)는 8위상을 다시 4위상으로 구분하여 입력 펄스의 에지 위치를 기록한다. 여기서, 에지 위치는 최대 3번 상승 및 하강 에지마다 기록된다(Fine_Rise/Fall).
시간-디지털 변환 장치(200)는 최종 데이터를 합하여 출력한다.
이하, 도 4의 시간-디지털 변환 장치(200)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
위상고정루프부(210)는 입력된 기준 클럭을 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop)를 이용하여 체배한다.
카운팅부(220)는 위상고정루프부(210)에서 체배된 기준 클럭을 카운팅하여 입력 신호의 에지(Edge) 위치를 기록한다.
지연고정루프부(230)는 위상고정루프부(210)에서 체배된 기준 클럭을 지연고정루프(DLL, Delay Locked Loop)를 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해하고, 그 분해된 멀티 위상 클럭 중에서 카운팅부(220)에서 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 미세 에지 위치를 기록한다.
제어부(240)는 카운팅부(220)에서 기록된 에지 위치 및 지연고정루프부(230)에서 기록된 미세 에지 위치를 이용하여 입력 신호의 시작 신호 및 정지 신호 간의 비행시간(ToF, Time of Flight)의 시간 차이를 계산한다.
실시예들에 따르면, 에지 위치 및 상기 미세 에지 위치는 입력 신호의 상승 에지(Rising edge)와 하강 에지(Falling edge) 각각에 대해 기록될 수 있다.
실시예들에 따르면, 지연고정루프부(230)는 체배된 기준 클럭을 제1 지연고정루프를 이용하여 제1 멀티 위상 클럭으로 분해하는 제1 지연고정루프부(231) 및 분해된 제1 멀티 위상 클럭을 제2 지연고정루프를 이용하여 제2 멀티 위상 클럭으로 분해하는 제2 지연고정루프부(232)를 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 지연고정루프부(231)는 상기 분해된 제1 멀티 위상 클럭에서 카운팅부(220)를 통해 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 제1 미세 에지 위치를 기록하고, 상기 제2 지연고정루프부(232)는 상기 분해된 제2 멀티 위상 클럭에서 카운팅부(220)를 통해 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 제2 미세 에지 위치를 기록할 수 있다.
실시예들에 따르면, 제어부(240)는 입력 신호가 다채널 입력 신호로 구성되는 경우, 입력 신호의 정지 신호의 채널을 확장할 수 있다.
실시예들에 따르면, 제어부(240)는 입력 신호의 신호 세기를 확인하고, 그 확인된 신호 세기를 이용하여 대상 물체를 구분하고, 그 확인된 신호 세기를 이용하여 대상 물체와의 거리 오차를 보정할 수 있다.
실시예들에 따르면, 제어부(240)는 대상 물체로 송신된 빛이 피사체에 의해 반사되는 경우, 펄스 폭과 트랜지션 시간 정보를 이용하여 상기 반사된 빛에 대응되는 노이즈 정보를 제거할 수 있다.
이와 같이, 시간-디지털 변환 장치(200)는 위상고정루프와 지연고정루프를 혼용하여 시간-디지털 변환 동작을 수행한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 지연고정루프의 멀티 위상을 이용하여 높은 분해능의 시간-디지털 변환 동작을 수행한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 위상고정루프의 출력을 카운팅하여 넓은 시간 영역의 범위를 갖는 시간-디지털 변환 동작을 수행한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 위상고정루프의 출력을 지연고정루프의 입력으로 사용하여 높은 분해능을 갖도록 시간-디지털 변환 동작을 수행한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 다채널을 구현하여 확장성을 높인 시간-디지털 변환 동작을 수행한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 입력 펄스의 상승 에지와 하강 에지를 모두 센싱하여 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치에 의한 동작 타이밍도를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, PLL과 DLL이 준비 상태가 되면, 제어부(240)가 SOC(START of Calculation)를 출력한다.
제어부(240)는 일정 시간 이후 EOC(End of Calculation) 신호를 출력한다.
제어부(240)는 SOC 이후 시작(START) 신호와 정지(STOP) 신호가 들어오면 각 에지의 데이터를 계산한다.
제어부(240)는 빠른 주파수(예컨대, 625MHz, 1.6ns)를 카운팅(counting)하여 입력 펄스의 에지가 들어오는 카운터(counter) 값을 각각 저장한다.
DLL에서 각 채널별로 입력 펄스의 3번(시작은 1번)에 대한 상승(rise)/하강(fall) 정보를 저장한다.
제어부(240)는 최종 데이터를 합하여 출력한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치에 의한 3 단계 TDC 동작 타이밍을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 시간-디지털 변환 장치(200)는 저전력(Low Power), 고 분해능(High Resolution)의 3-스텝(Step) 시간-디지털 변환(TDC)을 통해 시작(Start)-정지(Stop) 사이의 시간을 감지한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 PLL/카운터를 통해 1차 코어스(Coarse) 에지를 감지한다. 그리고 시간-디지털 변환 장치(200)는 C-ADDLL를 통해 2차 미들(Middle) 에지를 감지한다. 시간-디지털 변환 장치(200)는 F-ADDLL를 통해 3차 파인(Fine) 에지를 감지한다.
도 8은 라이다 시스템에서 발생하는 노이즈를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예는 도 8에 도시된 라이다 시스템에서 발생하는 노이즈(walk error)를 개선할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 입력신호의 트랜지션 시간(transition time)이 길 때 에지의 위치를 정확히 판단하지 못하는 경우에 상승 데이터와 하강 데이터의 중간값을 데이터 사용하여 보정할 수 있다.
한편, 라이다 시스템의 거리 검출 에러 신호 처리 방법을 살펴보기로 한다.
도 9는 신호의 트랜지션 시간을 나타낸 도면이다.
라이다의 TOF는 신호 증폭기와 TDC에서 에지의 시간 데이터를 출력한다.
일반적인 라이다에서는 거리 및 반사 정도에 따라 수신 신호의 상승/하강, 펄스폭(Pulse width)이 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치(200)는 신호의 세기를 파악하여 물체정보를 구분하고 거리오차를 보정할 수 있다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 신호 증폭단에서는 특정 임계점을 기준으로 신호를 증폭한다. 시간-디지털 변환 장치(200)는 동일 신호에 대해 임계점 전압을 다르게 하여 시간 정보를 추출한다. 두 시간정보의 차이를 비교하면 신호의 트랜지션(transition) 시간을 알 수 있다. 시간-디지털 변환 장치(200)는 트랜지션 정보를 이용하여 신호의 세기를 감지한다.
빛이 강하면 신호의 트랜지션이 빠르고, 약하면 트랜지션이 느리다. 동일 거리에서 빛 세기의 강약은 물체의 상태를 파악하는데 사용할 수 있다. 예를 들어 빛의 반사 정도가 다른 흰색과 검은색의 경계를 구분할 때 사용 가능하다. 이동 중인 차량의 전방 바닥 노면은 흰색 차선과 검정색 차로로 되어있다. 같은 거리정보라고 해도 반사정도가 다르므로 거리감지와 동시에 차선 구분이 가능해진다.
또 예를 들면, 메탈로 된 차량과 옷을 입은 사람의 빛 반사 정도는 다르다. 하여 위험을 감지할 때 차량과 사람을 구분하여 판단하면, 인명사고를 피할 수 있다.
도 10은 상승과 하강 에지 시간정보를 이용한 펄스폭 계산 동작을 나타낸 도면이다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 상승과 하강 에지 시간정보를 이용하면 펄스폭을 계산할 수 있다.
거리에 따라 빛의 세기가 다르게 되돌아오고 펄스폭이 달라진다. 시간-디지털 변환 장치(200)는 펄스폭 정보를 이용해서 거리정보의 오차를 보정할 수 있다. 시간-디지털 변환 장치(200)는 수신되는 펄스폭 정보를 미리 만들어놓은 룩업 테이블(lookup table)과 비교하여 최종 거리정보 보정에 사용할 수 있다.
도 11은 거리 정보 검출 시간 내에 들어오는 펄스들의 에지 정보를 저장 동작을 나타낸 도면이다.
실 상황에서 빛은 먼지나 눈, 비 등의 피사체에 의해 반사되기도 한다. 이러한 노이즈 상황에서 실제 물체와 노이즈를 구분하는 방법을 제시한다.
라이다에서 거리정보를 검출하는 시간은 LD로 빛을 송신해서 되돌아오는 시간까지이다. 200m 거리를 검출하기 위해서는 약 1.5us 시간 동안 검출이 가능해야 한다.
1.5us 시간 동안 입력되는 TOF 펄스는 물체에 대한 정보와 노이즈에 대한 정보를 포함하고 있다.
만약, 1회만 시간정보를 저장한다면 실제 물체보다 노이즈 물체가 가까이 있을 경우 실제 물체와의 거리를 판단하지 못하는 문제가 발생한다.
이를 해결하기 위해, 시간-디지털 변환 장치(200)는 거리 정보 검출 시간 내에 들어오는 펄스들의 에지 정보를 모두 저장하고, 펄스폭과 트랜지션 시간 정보를 이용하여 노이즈를 제거할 수 있다.
도 12는 샘플링 클럭의 상승 에지에 오는 신호를 하강 에지로 샘플링하는 동작을 나타낸 도면이다.
라이다 시스템에서 TOF 펄스의 에지는 내부 샘플링 클럭과 무관하게 비동기(Asynchronous) 신호로 입력된다.
카운터를 사용하는 TDC는 일정한 주기를 갖는 샘플링 클럭을 사용하는데, 샘플링 타이밍 에지에 걸려 입력되는 TOF 펄스는 정확한 카운터 결과를 출력하지 못 할 수 있다.
이는 카운터 1비트 오류(counter 1bit error)를 유발할 수 있으며, 라이다 거리감지 시 20cm이상의 오차를 발생한다.
본 발명의 실시예는, DLL을 이용하여 멀티 위상을 이용하는 TDC에서 입력 펄스를 재타이밍(Retiming)하는 방법을 이용한다.
시간-디지털 변환 장치(200)는 샘플링 클럭을 이용하여 입력펄스를 재타이밍(retiming)할 때, 샘플링 클럭의 상승 에지에 오는 신호는 하강 에지로 샘플링하는 구조를 이용한다.
예를 들어 도 12와 같이, 붉은색의 위치(301)에서는 3/8 or 4/1 의 값을 가져야만 한다.
만약 카운터 값을 3으로 인식했는데, 멀티 위상값을 1로 인식했다면 3/1의 결과를 갖게 된다.
반대로 4/8 의 결과를 가질 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치(200)는 8위상 멀티 위상의 ‘1’또는 ‘8’의 위치에 입력 에지가 들어오면, 샘플링 클럭(sampling clock)의 하강으로 카운터 값을 저장한다. 그 후 ‘1’의 값이면 그 카운터 값을 유지하고, 시간-디지털 변환 장치(200)는 ‘8’의 값이면 카운터 값에서 1을 뺀 값을 저장한다.
이러한 준안전성 샘플링(metastability sampling) 오류를 방지하는 방법을 이용하면 거리감지 오차를 해결 할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법에 대한 흐름도이다.
단계 S101에서, 시간-디지털 변환 장치(200)는 입력된 기준 클럭을 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop)를 이용하여 체배한다.
단계 S102에서, 시간-디지털 변환 장치(200)는 위상고정루프부(210)에서 체배된 기준 클럭을 지연고정루프(DLL, Delay Locked Loop)를 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해한다.
단계 S103에서, 시간-디지털 변환 장치(200)는 위상고정루프부(210)에서 체배된 기준 클럭을 카운팅하여 입력 신호의 에지(Edge) 위치를 기록한다.
단계 S104에서, 시간-디지털 변환 장치(200)는 분해된 멀티 위상 클럭 중에서 카운팅부(220)에서 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 미세 에지 위치를 기록한다.
단계 S105에서, 시간-디지털 변환 장치(200)는 카운팅부(220)에서 기록된 에지 위치 및 지연고정루프부(230)에서 기록된 미세 에지 위치를 이용하여 입력 신호의 시작 신호 및 정지 신호 간의 비행시간(ToF, Time of Flight)의 시간 차이를 계산한다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 멀티 위상을 이용하여 고분해능의 시간-디지털 변환 장치(200) 및 방법을 제공할 수 있다. 예를 들면, 시간-디지털 변환 장치(200)는 50ps의 고분해능 성능을 가지며, 이는 0.75cm의 고정밀 거리감지 성능을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 사용되는 위상고정루프(PLL) 및 지연고정루프(DLL)는 피드백 시스템으로서 외부환경에 견고한 특성을 보여준다. 여기서, 외부 환경에는 온도 및 전원전압의 변화, 제조공정의 변화 등이 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치(200)는 위상고정루프(PLL)를 공통으로 사용하고 지연고정루프(DLL)를 채널로 구성하여 적은 면적을 이용한 채널의 확장이 용이하다. 이는 시스템 단가를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치(200)는 카운터를 이용하여 동일한 분해능으로 먼거리의 신호에 대한 감지능력을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 약 1.62us까지 검출 가능하고, 거리로는 약 246m이다. 이는 측정 범위를 코어스/파인 두 개로 나눔으로써, 1초당 50m 이상을 이동하는 차량의 원거리 측정을 위해, 카운터의 값을 많이 증가시키지 않아도 되는 장점을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시간-디지털 변환 장치(200)는 펄스의 상승 에지와 하강 에지를 모두 센싱하여 정밀도를 높일 수 있다. 라이다 시스템에서 발생하는 노이즈(walk error)를 개선할 수 있다. 입력 신호의 트랜지션 시간이 길 때 에지의 위치를 정확히 판단하지 못하는 경우에 상승 데이터와 하강 데이터의 중간값을 데이터로 사용하여 보정가능하다.
상술한 본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다.
이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 라이다 시스템
110: 송신부
120: 수신부
130: 시간-디지털 변환부
140: MCU부
200: 시간-디지털 변환 장치
210: 위상고정루프부
220: 카운팅부
230: 지연고정루프부
231: 제1 지연고정루프부
232: 제2 지연고정루프부
240: 제어부

Claims (8)

  1. 입력된 기준 클럭을 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop)를 이용하여 체배하는 단계;
    상기 체배된 기준 클럭을 지연고정루프(DLL, Delay Locked Loop)를 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해하는 단계;
    상기 체배된 기준 클럭을 카운팅하여 입력 신호의 에지(Edge) 위치를 기록하는 단계;
    상기 분해된 멀티 위상 클럭 중에서 상기 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 미세 에지 위치를 기록하는 단계; 및
    상기 기록된 에지 위치 및 상기 기록된 미세 에지 위치를 이용하여 상기 입력 신호의 시작 신호 및 정지 신호 간의 비행시간(ToF, Time of Flight)의 시간 차이를 계산하는 단계를 포함하는,
    라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 방법.
  2. 입력된 기준 클럭을 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop)를 이용하여 체배하는 위상고정루프부;
    상기 체배된 기준 클럭을 카운팅하여 입력 신호의 에지(Edge) 위치를 기록하는 카운팅부;
    상기 체배된 기준 클럭을 지연고정루프(DLL, Delay Locked Loop)를 이용하여 멀티 위상 클럭으로 분해하고, 상기 분해된 멀티 위상 클럭 중에서 상기 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 미세 에지 위치를 기록하는 지연고정루프부; 및
    상기 기록된 에지 위치 및 상기 기록된 미세 에지 위치를 이용하여 상기 입력 신호의 시작 신호 및 정지 신호 간의 비행시간(ToF, Time of Flight)의 시간 차이를 계산하는 제어부를 포함하는,
    라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에지 위치 및 상기 미세 에지 위치는,
    상기 입력 신호의 상승 에지(Rising edge)와 하강 에지(Falling edge) 각각에 대해 기록되는, 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지연고정루프부는,
    상기 체배된 기준 클럭을 제1 지연고정루프를 이용하여 제1 멀티 위상 클럭으로 분해하는 제1 지연고정루프부; 및
    상기 분해된 제1 멀티 위상 클럭을 제2 지연고정루프를 이용하여 제2 멀티 위상 클럭으로 분해하는 제2 지연고정루프부를 포함하는,
    라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 지연고정루프부는 상기 분해된 제1 멀티 위상 클럭에서 카운팅부를 통해 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 제1 미세 에지 위치를 기록하고,
    상기 제2 지연고정루프부는 상기 분해된 제2 멀티 위상 클럭에서 카운팅부를 통해 기록된 입력 신호의 에지 위치 부분을 센싱하여 제2 미세 에지 위치를 기록하는,
    라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 입력 신호가 다채널 입력 신호로 구성되는 경우, 상기 입력 신호의 정지 신호의 채널을 확장하는, 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 입력 신호의 신호 세기를 확인하고, 상기 확인된 신호 세기를 이용하여 대상 물체를 구분하고, 상기 확인된 신호 세기를 이용하여 대상 물체와의 거리 오차를 보정하는, 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    대상 물체로 송신된 빛이 피사체에 의해 반사되는 경우, 펄스 폭과 트랜지션 시간 정보를 이용하여 상기 반사된 빛에 대응되는 노이즈 정보를 제거하는, 라이다 시스템에서의 시간-디지털 변환 장치.
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