KR102412453B1 - 레이더 시스템에서의 고장 검출 - Google Patents

레이더 시스템에서의 고장 검출 Download PDF

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Abstract

설명된 예들에서, 레이더 시스템은 복소 기저 대역을 포함하는 수신 채널(104); 및 복소 기저 대역의 대역 내(I) 채널로부터 제1 디지털 중간 주파수(IF) 샘플들을 수신하고 복소 기저 대역의 쿼드러처(Q) 채널로부터 대응하는 제2 디지털 IF 샘플들을 수신하기 위해 수신 채널(104)에 결합된 프로세서(106)를 포함한다. 프로세서(106)는 제1 디지털 IF 샘플들 및 제2 디지털 IF 샘플들에 기초하여 적어도 하나의 고장 메트릭을 계산하기 위한 명령어들을 실행하도록 구성된다.

Description

레이더 시스템에서의 고장 검출
본 발명은 일반적으로 레이더 시스템들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 레이더 시스템들에서의 고장 검출에 관한 것이다.
인간의 조작 오류를 줄이기 위해 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)으로 지칭되는 안전 시스템들의 새로운 클래스가 자동차에 도입되었다. 이 시스템들은 밀리미터파 자동차 레이더들을 주로 기반으로 하는 스마트 센서들을 통해 가능해진다. 후방-뷰 외장 카메라들, 전자 안정성 제어 및 시각 기반 보행자 검출 시스템들과 같은 기능을 제공할 수 있는 이러한 보조 시스템들의 확산은 마이크로 컨트롤러 및 센서 기술들의 향상으로 부분적으로 가능하게 되었다. 강화된 임베디드 레이더 기반 솔루션들은 ADAS 설계자들에게 보완적인 안전 기능들을 가능하게 하고 있다.
자동차 레이더 시스템에서, 차량 주위의 장애물들 검출, 및 검출된 물체들의 차량에 대한 속도를 검출하기 위해 하나 이상의 레이더 센서가 사용될 수 있다. 레이더 시스템의 처리 유닛은, 예를 들어, 충돌을 피하기 위해 또는 부수적인 손상을 줄이기 위해, 레이더 센서들에 의해 생성된 신호들에 기초하여 필요한 적절한 동작을 결정할 수 있다. 현재의 자동차 레이더 시스템들은 차량 주위의 물체들 및 장애물들 검출, 임의의 검출된 물체들 및 장애물들의 차량에 대한 위치 검출, 및 임의의 검출된 물체들 및 장애물들의 차량에 대한 속도 검출을 할 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛을 통해, 레이더 시스템은 차량 운전자에게 잠재적인 위험에 대해 경고하거나, 위험한 상황에서 차량을 제어함으로써 충돌을 방지하거나, 차량의 부분적인 제어를 인수하거나, 운전자가 차량을 주차하는 것을 보조할 수 있다.
자동차 레이더 시스템들은 "도로 차량들 - 기능적 안전"이라는 제목의 국제 표준 26262의 기능적 안전 규격들을 충족해야 한다. ISO 26262는 기능적 안전을 전기/전자 시스템들의 오작동에 의해 야기되는 불합리한 위험의 부재로 정의한다. 자동차 레이더에서의 기능적 안전은 레이더의 구성 요소들의 고장으로 인한 인간들에 대한 피해의 방지다. 자동차 레이더의 경우, 레이더는 약 100 밀리초(ms)의 내결함성 시간 간격 내에서 적절하게 기능하는 것으로 알려져 있어야 한다. 따라서, 차량이 작동하는 동안, 저하된 신호-대-잡음비(SNR) 또는 장애물들의 존재 또는 위치의 잘못된 검출을 야기하는 레이더의 어떤 부분에서의 고장도 검출되어야 하고, 약 100ms 이내에 적절한 응답이 수행되어야 한다.
설명된 예들에서, 레이더 시스템은 복소 기저 대역을 포함하는 수신 채널, 및 복소 기저 대역의 대역 내(I) 채널로부터 제1 복수의 디지털 중간 주파수(IF) 샘플들을 수신하고 복소 기저 대역의 쿼드러처(Q) 채널로부터 대응하는 제2 복수의 디지털 IF 샘플들을 수신하기 위해 수신 채널에 결합된 프로세서를 포함한다. 프로세서는 제1 복수의 디지털 IF 샘플들 및 제2 복수의 디지털 IF 샘플들에 기초하여 적어도 하나의 고장 메트릭(failure metric)을 계산하기 위한 명령어들을 실행하도록 구성된다.
적어도 하나의 예에서, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법은 레이더 시스템의 수신 채널의 복소 기저 대역의 대역 내(I) 채널로부터 제1 복수의 디지털 중간 주파수(IF) 샘플들을 수신하고 복소 기저 대역의 쿼드러처(Q) 채널로부터 대응하는 제2 복수의 디지털 IF 샘플들을 수신하는 단계, 제1 복수의 디지털 IF 샘플들 및 제2 복수의 디지털 IF 샘플들에 기초하여 적어도 하나의 고장 메트릭을 계산하는 단계, 및 적어도 하나의 고장 메트릭에 기초하여 고장이 발생했는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
도 1은 수신 채널에서 복소 기저 대역을 갖는 예시적인 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 시스템의 블록도이다.
도 2는 FMCW 레이더 시스템의 복소 기저 대역에서의 고장 검출을 위한 방법의 흐름도이다.
도 3은 예시적인 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 시스템의 블록도이다.
도 4는 도 3의 FMCW 레이더에서의 레이더 시스템-온-어-칩(SOC)의 실시예의 블록도이다.
도면들에서, 유사한 구성 요소들은 일관성을 위해 유사한 참조 번호들로 표시된다.
예시적인 실시예들은 레이더 시스템이 예를 들어 작동 차량에서, 사용되는 경우 레이더 시스템의 수신 채널(들)에서의 기능적 안전 모니터링을 제공한다. 더 구체적으로, 다양한 실시예들에서, 레이더 시스템에서의 각각의 복소 기저 대역 내의 구성 요소들의 성능은 각각의 복소 기저 대역의 I(in-band) 채널 및 Q(quadrature) 채널에서 생성된 신호들에 기초하여 하나 이상의 고장 메트릭을 계산함으로써 모니터링된다. 고장 메트릭들은 주 레이더 기능을 방해하지 않으면서 레이더 시스템의 정상 작동 중에 계산된다. 고장 메트릭들은 복소 기저 대역의 I 채널 및 Q 채널에서 수신된 신호들의 에너지 비, 복소 기저 대역의 I 채널 및 Q 채널에서 수신된 신호들 간의 교차 상관 관계, 및 이미지 대역에서의 스펙트럼 내용 중 하나 이상일 수 있다.
실시예들은 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더를 참조하여 여기에 설명된다. FMCW 레이더는, 하나 이상의 송신 안테나를 통해, 처프(chirp)로 지칭되는 무선 주파수(RF) 주파수 램프를 송신한다. 더 나아가서, 복수의 처프들은 프레임으로 지칭되는 단위로 송신될 수 있다. 송신된 처프들은 레이더의 시계(FOV)에 있는 임의의 물체들로부터 반사되고 하나 이상의 수신 안테나에 의해 수신된다. 각각의 수신 안테나에 대한 수신된 신호는 중간 주파수(IF) 신호로 하향 변환된 다음 디지털화된다. 전체 프레임에 대한 디지털화된 데이터가 수신된 후, 데이터는 FOV 내의 임의의 물체들을 검출하고, 검출된 물체들의 도착 범위, 속도 및 각도를 식별하도록 처리된다.
도 1은 수신 채널에서 복소 기저 대역을 갖는 예시적인 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 시스템의 블록도이다. 이 예에서, FMCW 레이더 시스템은 국부 발진기 생성기(LO Gen)(100), 송신 채널(102), 수신 채널(104) 및 디지털 신호 프로세서(DSP)(106)를 포함한다. LO 생성기(100)는 송신 채널(102)을 통한 송신을 위해 주파수 변조된 무선 주파수(RF) 신호를 생성하도록 구성된다. 송신 채널은 RF 신호를 수신하고 증폭하기 위해 LO 생성기(100)에 결합된 전력 증폭기(PA)(108), 및 송신을 위해 증폭된 신호를 수신하기 위해 PA에 결합된 송신 안테나(110)를 포함한다.
수신 채널(104)은 반사된 송신된 RF 신호를 수신하기 위한 수신 안테나(112), 수신된 RF 신호를 수신하고 증폭하기 위해 수신 안테나(112)에 결합된 저잡음 증폭기(LNA)(114), 및 증폭된 수신된 RF 신호를 수신하기 위해 LNA(114)에 결합된 복소 기저 대역을 포함한다. 복소 기저 대역은 I 채널 및 Q 채널을 포함한다. 각각의 채널은 신호를 수신하기 위해 LNA(114)에 결합된 혼합기(116, 118)를 포함한다. 각각의 혼합기(116, 118)는 또한 원래의 RF 신호를 수신하기 위해 LO 생성기(100)에 결합된다. 특히, I 채널의 혼합기(116)는 신호를 동상(in-phase)으로 수신하고, Q 채널의 혼합기(118)는 90도의 위상차의 신호를 수신한다. 혼합기들(116, 188)은 각각의 I 및 Q IF 신호들을 생성하기 위해 입력 신호들을 혼합한다. 각각의 혼합기(116, 188)는 LNA(114) 및 LO 생성기(100)로부터 수신된 입력들의 주파수 간의 차이와 동일한 주파수를 갖는 출력 신호를 생성하는 다운 컨버터로서 기능한다.
각각의 채널에서, 중간 주파수(IF) 증폭기(120, 122)는 각각의 IF 신호를 수신하기 위해 각각의 혼합기(116, 118)에 결합된다. 예를 들어, 각각의 IF 증폭기(120, 122)는 IF 신호를 필터링하기 위한 기저 대역 대역 통과 필터(baseband bandpass filter), 및 필터링된 IF 신호를 증폭하기 위한 가변 이득 증폭기(VGA)를 포함할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(124, 126)는 각각의 아날로그 I 및 Q IF 신호들을 수신하고 디지털 신호들로 변환하기 위해 각각의 IF 증폭기(120, 122)에 결합된다. 각각의 ADC(124, 126)는 또한 FMCW 레이더 신호 처리를 위하여 DSP(106)에 디지털 신호들을 제공하기 위해 디지털 신호 프로세서(DSP)(106)에 결합된다. DSP(106)는 또한 도 2의 고장 검출 방법의 실시예를 구현하는 명령어들을 실행하도록 프로그램될 수 있다. 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, DSP는 복소 기저 대역으로부터 수신된 샘플들을 사용하여 하나 이상의 고장 메트릭을 계산하는 데 사용될 수 있다. 다음으로, 고장 메트릭 또는 메트릭들은 복소 기저 대역에서 구성 요소들의, 고장들이 있다면 그러한 고장들을 검출하기 위해 사용될 수 있다.
도 2는 FMCW 레이더 시스템의 복소 기저 대역을 사용하는 고장 검출을 위한 방법의 흐름도이다. 방법은 단일 수신 채널에 있는 단일 복소 기저 대역을 가정하여 설명된다. 각각 복소 기저 대역을 갖고 있는, 다중 수신기들을 갖는 레이더 시스템들에 대해, 이 방법은 각각의 복소 기저 대역에 대해 수행될 수 있다. 처음에, 처프들의 프레임에 대한 디지털 I 및 Q IF 샘플들은 복소 기저 대역의 I 및 Q 채널들로부터 수신된다(200). I 채널로부터의 신호 및 Q 채널로부터의 신호의 DC(직류) 오프셋들이 그 다음 계산된다(202). 각각의 DC 오프셋들은 각각의 채널로부터의 샘플들의 평균으로서 계산 될 수 있다.
에너지 비율 고장 메트릭(
Figure 112019011071307-pct00001
)이 그 다음 계산된다(204). 에너지 비율 고장 메트릭은 I 채널 및 Q 채널에서 수신된 신호들의 에너지 비율이다. 기댓값은 이 고장 메트릭이 1(unity)에 가까워야 한다는 것이다. 일부 고장들은 이 고장 메트릭이 1과 크게 다른지 여부를 검사함으로써 검출될 수 있다. 고장 메트릭은
Figure 112019011071307-pct00002
에 의해 계산될 수 있다. 이 때
Figure 112019011071307-pct00003
는 기댓값, 즉, 각각의 I 또는 Q 채널로부터의 샘플들의 평균 제곱 에너지를 나타낸다. 예를 들어,
Figure 112019011071307-pct00004
는 n을 I 샘플들의 수라고 했을 때
Figure 112019011071307-pct00005
에 의해 계산된다.
Figure 112019011071307-pct00006
도 유사하게 계산된다. 구체적으로 도시되지는 않았지만, 각각의 DC 오프셋은 이 고장 메트릭이 계산되기 전에 각각의 샘플로부터 감산된다.
교차 상관 고장 메트릭(
Figure 112019011071307-pct00007
) 또한 계산된다(206). 교차 상관 고장 메트릭은 I 및 Q 채널들에서 수신된 신호들 간의 교차 상관 관계를 측정한다. 기댓값은 이 고장 메트릭이 0에 가까워야 한다는 것이다. 일부 고장들은 이 고장 메트릭이 0과 크게 다른지 여부를 검사함으로써 검출될 수 있다. 고장 메트릭은
Figure 112019011071307-pct00008
에 의해 계산될 수 있다. 이 때
Figure 112019011071307-pct00009
및
Figure 112019011071307-pct00010
는 전술한 바와 같이 계산되고,
Figure 112019011071307-pct00011
는 n이 I 샘플 및 Q 샘플들의 수라고 했을 때
Figure 112019011071307-pct00012
에 의해 계산된다. 구체적으로 도시되지는 않았지만, 각각의 DC 오프셋은 이 고장 메트릭이 계산되기 전에 각각의 샘플로부터 감산된다.
이미지 대역 스펙트럼 내용 고장 메트릭(
Figure 112019011071307-pct00013
) 또한 계산된다(208). "이미지 대역"이라는 용어는 실제 비트 주파수(대역 내) 스펙트럼의 미러 주파수 스펙트럼을 나타낸다. 기능적 FMCW 레이더에서, 검출된 물체들에 대응되는 피크들은 스펙트럼의 한쪽에만 존재해야 한다. 일부 고장들은 이미지 대역에서의 초과 내용을 검사함으로써 검출할 수 있다. 더 구체적으로, 구성 요소 고장이 없는 경우, 이미지 대역 스펙트럼은 열 잡음만을 포함해야 한다. 따라서, 이미지 대역에서의 과도하거나 예상치 못한(의사) 신호 내용, 즉, 열 잡음을 나타내지 않는 신호 내용을 검사함으로써 일부 고장들이 검출될 수 있다. 이 고장 메트릭의 값은 의사 내용(spurious content)이 이미지 대역에 존재하는지 여부를 나타내기 위해 설정된다.
예를 들어, 고장 메트릭은 수신 채널의 열 또는 전체 잡음 레벨에 대한 이미지 대역 내의 에너지 비율로서 계산될 수 있다. 이 고장 메트릭을 계산하기 위해 임의의 적절한 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 고장 메트릭은 I+jQ 샘플 데이터의 복소 고속 퓨리에 변환(FFT)을 계산하고 이미지 대역 빈들, 즉, 음의 FFT 빈들을 열 잡음 에너지 임계치와 비교함으로써 계산될 수 있다. 이미지 대역 빈들 중 어느 하나가 임계치를 초과하면 이미지 대역 내의 의사 내용이 표시되고 그에 따라
Figure 112019011071307-pct00014
의 값이 설정된다. 일부 실시예들에서, 고장 메트릭은 이미지 대역 내용만을 추출하기 위해 필터를 통해 복소 I+jQ 데이터를 통과시킴으로써 계산될 수 있고, 필터링된 샘플들(이미지 대역 신호를 보유하는)의 에너지가 메트릭으로서 사용된다. 후자의 경우, 필터링된 샘플들은 이미지 대역 내의 과도하거나 예상치 못한 신호 내용을 검출하기 위해 열 잡음 에너지 임계치와 비교된다.
예를 들어, 열 잡음 에너지 임계치의 값은, 어떤 고장도 없을 때, 무작위 열 잡음을 포함하는 샘플이 임계치를 초과할 아주 작은 기회만 존재하도록 경험적으로 또는 확률 분석 계산들을 사용하여 결정될 수 있다. 수신 채널의 예상 열 잡음 레벨은, 생산 테스트들에 기반한 것과 같이, 기능 작동 중에 ADC 출력 샘플들을 관찰하거나, 수신 채널이 꺼진 송신 채널(TX)과 함께 작동하거나 수신 채널(RX)이 내부 TX-대-RX 루프백 테스트 모드에서 작동하는 작동의 특수 교정 모드들을 사용하여 결정될 수 있다.
일부 실시예들에서, 스펙트럼 내용 고장 메트릭은 이미지 대역 내의 서브 대역들에서 계산될 수 있고, 따라서 이미지 대역 내의 임의의 의사 내용(스파이크들)이 더 정확하게 검출될 수 있게 한다. 따라서, 각각의 서브 대역에서의 열 잡음이 더 작을 것이고 그러므로 의사 내용이 더 쉽게 검출될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 각각의 서브 대역 내의 열 잡음의 양이 변할 수 있기 때문에 각각의 서브 대역에 대해 다른 열 잡음 임계치가 필요할 수 있다. 각각의 서브 대역에서의 예상 열 잡음 레벨도 전체 이미지 대역에 대해 전술한 바와 같이 결정될 수 있다.
다른 레이더, 예를 들면, 다가오는 차량의 레이더로부터의 간섭은 또한 이미지 대역 스펙트럼 내용 고장 메트릭을 사용할 때 고장 검출을 유발할 수 있다. 이는 응용에 따라 바람직하거나 바람직하지 않을 수 있다. 간섭의 존재가 고장 고장의 검출로서 취급된다면, 이미지 대역 스펙트럼 내용 고장 메트릭은 수정 없이 사용될 수 있다. 그러나, 수신 체인 회로에서의 영구적인 고장만이 고장의 검출로서 취급된다면, 다른 레이더로부터의 간섭의 존재가 의심될 때마다 이미지 대역 스펙트럼 내용 메트릭은 조건부로 무시되어야 한다. 다른 레이더로부터의 그러한 간섭은 전형적으로 과도 현상이며, 처프에 있는 단지 몇 개의 샘플들에만 영향을 미친다. 예를 들어, 간섭의 존재는 I 및 Q 샘플들이 수신된 시간 영역에서 일시적인 스파이크로서 검출될 수 있다. 또한, 예를 들어, 시간 영역 샘플들에서의 일시적인 스파이크는 I 또는 Q 시간 영역 샘플들의 제곱 평균 제곱근(이차 평균으로도 지칭)의 함수로서 결정될 수 있다. 만약 간섭이 검출되면, 이미지 대역 스펙트럼 내용 고장 메트릭은 무시될 수 있다. 예를 들어, 메트릭 계산이 의사 내용을 나타냈다고 하더라도, 고장 메트릭
Figure 112019011071307-pct00015
은 의사 내용을 나타내지 않도록 설정될 수 있다.
다른 레이더로부터의 간섭은 마찬가지로 I 채널 및 Q 채널 모두에 영향을 주어야 한다. 일부 실시예들에서, 간섭이 시간 영역 샘플들에서 검출되면, I 채널 및 Q 채널 각각의 임시 스파이크에 대응하는 시간 영역 샘플들이 스파이크 검출 임계치와 비교될 수 있다. 하나의 채널이 스파이크를 보이고 다른 채널이 스파이크를 보이지 않는다면, 예를 들어, 간섭이 검출되었다는 사실에도 불구하고 고장 메트릭
Figure 112019011071307-pct00016
이 의사 내용을 나타내도록 설정될 수 있는 것과 같이, 복소 기저 대역의 고장이 나타날 수 있다. 예를 들어, 스파이크 검출 임계치의 값은, 어떤 고장도 없을 때, 샘플이 임계치를 초과할 아주 작은 기회만 존재하도록 경험적으로 또는 확률 분석 계산들을 사용하여 결정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 고장 메트릭들이 계산된 후에, 고장 메트릭들은 복소 기저 대역에서 고장이 발생했는지 여부를 결정하는 데 사용된다(210). 예를 들어, 에너지 비율 고장 메트릭(
Figure 112019011071307-pct00017
)은 메트릭이 1에 충분히 근접한지를 결정하기 위해 임계치와 비교될 수 있다. 유사하게, 교차 상관 고장 메트릭(
Figure 112019011071307-pct00018
)은 메트릭이 0에 충분히 근접한지를 결정하기 위해 임계치와 비교될 수 있다. 예를 들어, 각각의 임계치는, 어떤 고장도 없을 때, 대응하는 메트릭이 임계치를 초과할 작은 기회만 존재하도록 경험적으로 또는 확률 분석 계산들을 사용하여 결정될 수 있다. 또한, 이미지 대역 스펙트럼 내용 고장 메트릭(
Figure 112019011071307-pct00019
)의 값은 의사 내용이 이미지 대역에서 검출되었는지를 보기 위해 검사될 수 있다. 이들 고장 메트릭들 중 어느 하나가 고장을 나타내면, 레이더 시스템의 고장이 발생한 것이다.
전술한 방법은 레이더 시스템의 정상 동작 중에 실행된다. 레이더 시스템의 복소 기저 대역(들)이 올바르게 작동한다고 가정하면, 고장 메트릭들은 (고장 메트릭들이 검출하도록 설계된 유형들의) 고장이 없음을 확인한다. 또한, 고장 메트릭들은 다양한 정상 동작 조건들에 견고하다. 예를 들어, 레이더 시스템의 FOV에 어떤 물체도 없는 경우, 수신된 신호는 열 잡음일 것이고, 이는 올바르게 작동하는 레이더 시스템의 경우(임의의 IQ 불일치를 보상한 후)
Figure 112019011071307-pct00020
및
Figure 112019011071307-pct00021
을 만족할 것이고
Figure 112019011071307-pct00022
은 의사 스펙트럼 내용을 보이지 않을 것이다. 다른 예에서, 하나 이상의 물체가 레이더 시스템의 FOV에 있다면, 수신된 신호는 복소 기저 대역 스펙트럼의 한쪽에 있어야 하는 물체 또는 물체들에 대응되는 비트 주파수 톤(들)을 포함할 것이다. 올바르게 작동하는 레이더 시스템은(임의의 IQ 불일치를 보상한 후)
Figure 112019011071307-pct00023
및
Figure 112019011071307-pct00024
을 만족할 것이고,
Figure 112019011071307-pct00025
은 의사 스펙트럼 내용을 보이지 않을 것이다.
표 1 내지 표 4는 4개의 예시적인 시나리오들에서 4개의 예시적인 고장 사례들에서의 고장 메트릭들을 사용한 모의 결과들을 도시한다. 표 1은
Figure 112019011071307-pct00026
에 대해 2dB의 임계치를 사용하여 I 채널에서 이득 감소(고장)가 3dB 발생할 때 각각의 고장 메트릭에 대한 모의 고장 검출 결과들을 도시한다. 표 2는 Q 채널에서 위상 변화(고장)가 10도 발생할 때 각각의 고장 메트릭에 대한 모의 고장 검출 결과들을 도시한다. 표 3은 열 잡음 레벨과 유사한 레벨에서 채널로부터 잡음만 나오도록 Q 채널이 고장난 경우의 각각의 고장 메트릭에 대한 모의 고장 검출 결과들을 도시한다. 표 4는 I 채널 전체 전력(신호+잡음)과 유사한 레벨에서 채널로부터 잡음만 나오도록 Q 채널이 고장난 경우의 모의 고장 검출 결과들을 도시한다.
표 1
Figure 112019011071307-pct00027
표 2
Figure 112019011071307-pct00028
표 3
Figure 112019011071307-pct00029
표 4
Figure 112019011071307-pct00030
도 3은 차량에서의 정상 동작 동안 레이더 시스템의 수신 채널들의 복소 기저 대역들을 사용하여 고장 검출을 수행하도록 구성된 예시적인 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 시스템(300)의 블록도이다. 예시적인 FMCW 레이더 시스템(300)은 레이더 시스템-온-어-칩(SOC)(302), 처리 유닛(304), 및 네트워크 인터페이스(306)를 포함한다. 레이더 SOC(302)의 예시적인 아키텍처는 도 4를 참조하여 설명된다.
레이더 SOC(302)는 고속 직렬 인터페이스를 통해 처리 유닛(304)에 결합된다. 다른 실시예에서, 처리 유닛(304)은 레이더 SOC(302) 내에 통합될 수 있다. 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 레이더 SOC(302)는 고속 직렬 인터페이스를 통해 처리 유닛(304)에 제공되는 한 쌍의 디지털 I 및 Q IF 신호들(대안적으로 디처프드 신호들, 비트 신호들 또는 원시 레이더 신호들로 지칭됨)을 생성하는 복소 기저 대역을 각각 가지는 복수의 수신 채널들을 포함한다.
처리 유닛(304)은 임의의 검출된 물체들의 거리, 속도 및 각도를 결정하기 위해 수신된 레이더 신호들을 처리하는 것과 같은 레이더 신호 처리를 수행하는 기능을 포함한다. 처리 유닛(304)은 또한 물체들을 추적하고 이동 속도 및 방향을 결정하는 것과 같이 검출된 물체들에 관한 정보의 사후 처리를 수행하는 기능을 포함할 수 있다. 또한, 처리 유닛(304)은 각각의 쌍의 디지털 I 및 Q IF 신호들을 사용하여 고장 검출을 수행하는 기능을 포함한다. 보다 구체적으로, 처리 유닛(304)은 전술한 바와 같이, 복소 기저 대역에서 생성된 디지털 I 및 Q IF 신호들에 기초하여 레이더 SOC(302)에 있는 각각의 복소 기저 대역에 대해 도 2의 방법의 실시예에 따라 하나 이상의 메트릭을 계산하는 기능을 포함한다. 또한, 처리 유닛(304)은 계산된 메트릭(들)에 기초하여 네트워크 인터페이스(106)를 통해 차량의 조작자에게 레이더 고장이 나타나게 하는 기능을 포함한다.
처리 유닛(304)은 레이더 데이터를 사용하는 애플리케이션의 처리 스루풋을 위해 필요한 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 처리 유닛(304)은 디지털 신호 프로세서(DSP), 마이크로컨트롤러(MCU), DSP 및 MCU 처리 모두를 결합한 SOC, 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 및 DSP를 포함할 수 있다.
처리 유닛(304)은 필요에 따라 네트워크 인터페이스(306)를 통해 차량의 하나 이상의 전자 제어 유닛에 제어 정보를 제공할 수 있다. 전자 제어 유닛(ECU)은 차량의 하나 이상의 전기 시스템 또는 서브 시스템을 제어하는, 차량의 임의의 임베디드 시스템에 대한 일반적인 용어다. ECU의 예시 유형들은 전자/엔진 제어 모듈(ECM), 파워 트레인 제어 모듈(PCM), 송신 제어 모듈(TCM), 브레이크 제어 모듈(BCM 또는 EBCM), 중앙 제어 모듈(CCM), 중앙 타이밍 모듈(CTM), 일반 전자 모듈(GEM), 바디 제어 모듈(BCM) 및 서스펜션 제어 모듈(SCM)을 포함한다.
네트워크 인터페이스(306)는 제어기 영역 네트워크(CAN) 프로토콜, 플렉스레이(FlexRay) 프로토콜 또는 이더넷 프로토콜과 같은 임의의 적절한 프로토콜을 구현할 수 있다.
도 4는 예시적인 레이더 SOC(302)의 블록도이다. 레이더 SOC(302)는 FMCW 신호들을 송신하기 위한 복수의 송신 채널들(404) 및 반사된 송신 신호들을 수신하기 위한 복수의 수신 채널들(402)을 포함할 수 있다. 송신 채널들(404)은 동일하고, 송신된 신호 및 안테나를 증폭하기 위한 전력 증폭기(405, 407)를 포함한다. 수신 채널은 적절한 수신기 및 안테나를 포함한다. 또한, 각각의 수신 채널들(402)은 동일하고, 복소 기저 대역에 결합된 수신된 신호를 증폭하기 위한 저잡음 증폭기(LNA)(406, 408)를 포함한다.
각각의 복소 기저 대역은 SOC(302) 내의 송신 생성 회로에 의해 생성된 신호와 수신된 신호를 혼합하여 아날로그 I 및 Q IF 신호들을 생성하기 위한 쿼드러처 혼합기(410, 412), 각각의 아날로그 I 및 Q IF 신호들 신호를 필터링하기 위한 한 쌍의 기저 대역 대역 통과 필터들(414, 416), 각각의 필터링된 아날로그 I 및 Q IF 신호들을 증폭하기 위한 한 쌍의 가변 이득 증폭기들(415, 417), 및 각각의 아날로그 I 및 Q IF 신호들을 디지털 I 및 Q IF 신호들로 변환하기 위한 한 쌍의 아날로그-디지털 컨버터들(418, 420)을 포함한다. 쿼드러처 혼합기(410)는 양자 모두 무선 주파수(RF) 신호들인 송신 생성 회로 및 저잡음 증폭기로부터 수신된 입력들의 주파수간의 차이와 동일한 주파수를 갖는 출력 신호들을 생성하는 다운 컨버터로서 기능한다. 수신 채널의 대역 통과 필터, VGA 및 ADC는 함께 기저 대역 체인 또는 기저 대역 필터 체인이라고 지칭될 수 있다. 또한, 대역 통과 필터 및 VGA는 함께 IF 증폭기로 지칭될 수 있다.
수신 채널들(402)은 디지털 I 및 Q IF 신호들을 DFE(422)에 제공하기 위해 디지털 프런트 엔드(DFE) 구성 요소(422)에 결합된다. DFE(422)는 데이터 전송 속도를 감소시키기 위해 디지털 I 및 Q IF 신호들에 대해 데시메이션 필터링을 수행하는 기능을 포함할 수 있다. DFE(422)는 또한, 예를 들어, 인터-RX 이득 불균형 비이상성, 인터-RX 위상 불균형 비이상성 등과 같은 수신 채널들에서의 비이상성들의 디지털 보상과 같은 디지털 IF 신호들에 대한 다른 동작들을 수행할 수 있다. DFE(422)는 데시메이션된 디지털 I 및 Q IF 신호들을 처리 유닛(306)에 전달하기 위해 고속 직렬 인터페이스(I/F)(424)에 결합된다.
직렬 주변장치 인터페이스(SPI)(426)는 처리 유닛(306)과 통신하기 위한 인터페이스를 제공한다. 예를 들어, 처리 유닛(306)은 제어 정보(처프들의 타이밍 및 주파수, 출력 전력 레벨, 및 모니터링 기능들의 트리거링과 같은 것)를 제어 모듈(428)에 전송하기 위해 SPI(426)를 사용할 수 있다.
제어 모듈(428)은 레이더 SOC(302)의 동작을 제어하는 기능을 포함한다. 예를 들어, 제어 모듈(428)은 DFE(422)의 출력 샘플들을 저장하는 버퍼, 버퍼 내용들의 스펙트럼 정보를 계산하기 위한 FFT(고속 퓨리에 변환) 엔진, 및 레이더 SOC(302)의 작동을 제어하기 위해 펌웨어를 실행하는 MCU를 포함할 수 있다.
프로그래머블 타이밍 엔진(432)은 제어 모듈(428)로부터 레이더 프레임 내의 처프들의 시퀀스에 대한 처프 파라미터 값들을 수신하고, 파라미터 값들에 기초하여 프레임 내의 처프들의 송신 및 수신을 제어하는 처프 제어 신호들을 생성하는 기능을 포함한다. 예를 들어, 처프 파라미터들은 레이더 시스템 아키텍처에 의해 정의되며, 어떤 송신기들이 인에이블되어야 할지를 나타내는 송신기 인에이블 파라미터, 처프 주파수 시작 값, 처프 주파수 슬로프, 처프 지속 시간, 송신 채널들이 언제 송신해야 하는지 및 추가 레이더 처리를 위해 DFE 출력 디지털이 언제 수집되어야 하는지에 대한 표시기들 등을 포함할 수 있다. 이러한 파라미터들 중 하나 이상의 파라미터는 프로그래머블할 수 있다.
무선 주파수 신시사이저(SYNTH)(430)는 타이밍 엔진(432)으로부터의 처프 제어 신호들에 기초하여 송신을 위한 FMCW 신호들을 생성하는 기능을 포함한다. 일부 실시예들에서, SYNTH(430)는 전압 제어 발진기(VCO)를 갖는 위상 동기 루프(PLL)를 포함한다.
클럭 배율기(440)는 송신 신호(LO 신호)의 주파수를 혼합기들(410, 412)의 LO 주파수로 증가시킨다. 클린-업 PLL(위상 동기 루프)(434)은 외부 저주파수 기준 클럭(도시되지 않음)의 신호의 주파수를 SYNTH(430)의 주파수로 증가시키고, 클럭 신호로부터 기준 클럭 위상 잡음을 필터링하도록 동작한다.
클럭 배율기(440), 신시사이저(430), 타이밍 생성기(432) 및 클린 업 PLL(434)은 송신 생성 회로의 예시이다. 송신 생성 회로는 클럭 배율기를 통해 무선 주파수(RF) 신호를 송신 채널들에 대한 입력으로서 생성하고 수신 채널들의 쿼드러처 혼합기들에 대한 입력으로서 생성한다. 송신 생성 회로의 출력은 LO(국부 발진기) 신호 또는 FMCW 신호로 지칭될 수 있다.
메트릭들이 프레임 레벨에서 계산되는 예시적인 실시예들이 여기에 설명된다. 일부 실시예들에서, 메트릭들은 프레임 내의 각각의 처프 또는 프레임 내의 처프들의 시퀀스에 대해 계산된다.
다른 예에서, 3개의 메트릭들이 모두 계산되는 실시예들이 여기에 설명된다. 일부 실시예들에서, 하나의 메트릭이 계산되거나 메트릭들 중 임의의 2개가 계산된다.
다른 예에서, 메트릭들의 계산 및 고장 결정이 레이더 SOC 외부의 프로세서에서 수행되는 실시예들이 여기에 설명된다. 일부 실시예들에서, 메트릭들의 계산은 레이더 SOC 상의 프로세서에 의해 수행되고, 그 결과들은 고장 결정을 위해 SOC 외부의 프로세서로 전달되며, 고장 표시가 SOC 외부의 프로세서로 전달됨과 함께 메트릭들의 계산 및 고장 결정 모두 SOC 상의 프로세서에 의해 수행된다.
다른 예에서, 복소 기저 대역 내의 하나 이상의 구성 요소는 여기에 설명된 구성 요소들과 다를 수 있다.
다른 예에서, 실시예들은 FMCW 레이더를 참조하여 여기에 설명되지만, 실시예들은 다른 유형의 레이더 변조에 대해서도 가능하다.
다른 예에서, 일부 실시예들은 레이더 시스템이 차량의 임베디드 레이더 시스템인 것으로 여기에 설명되지만, 실시예들은 감시 및 보안 응용들, 공장 또는 창고에서의 로봇의 기동, 및 산업용 유체 레벨 감지와 같은 임베디드 레이더 시스템들의 다른 응용들에 대해서도 가능하다.
이 설명에서, 방법 단계들은 순차적인 방식으로 도시 및/또는 설명될 수 있지만, 도면들에 도시된 및/또는 여기에 설명된 단계들 중 하나 이상은 동시에 수행될 수 있고, 결합될 수 있으며, 및/또는 다른 순서로 수행될 수 있다. 따라서, 실시예들은 도면들에 도시된 및/또는 여기에 설명된 단계들의 특정 순서에 제한되지 않는다.
여기에 설명된 방법들의 전부 또는 일부를 구현하는 소프트웨어 명령어들은 컴퓨터 판독 가능 매체에 초기에 저장되고 프로세서에 의해 로딩되어 실행될 수 있다. 일부 경우들에서, 소프트웨어 명령어들은 이동식 컴퓨터 판독 가능 매체를 통하는 것, 다른 디지털 시스템 상의 컴퓨터 판독 가능 매체로부터의 전송 경로를 통하는 것 등으로 배포될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예들은 판독 전용 메모리 디바이스들과 같은 쓰기가 불가능한 저장 매체, 디스크들, 플래시 메모리, 메모리와 같은 쓰기가 가능한 저장 매체, 또는 이들의 조합을 포함한다.
레이더 시스템들의 구성 요소들은 설명된 기능을 벗어나지 않으면서 다른 이름들로 지칭될 수 있고 및/또는 여기에 도시되지 않은 방식들로 결합될 수 있다. 이 설명에서, "결합"이라는 용어 및 그것의 파생어들은 간접, 직접, 광학 및/또는 무선 전기 접속을 의미한다. 예를 들어, 제1 디바이스가 제2 디바이스에 결합되면, 그 연결은 직접적인 전기 연결, 다른 디바이스들 및 연결들을 통한 간접적인 전기 연결, 광 전기 연결, 및/또는 무선 전기 연결을 통해 이루어질 수 있다.
설명된 실시예들에서 수정이 가능하고, 청구범위의 범주 내에서 다른 실시예들이 가능하다.

Claims (20)

  1. 레이더 시스템으로서,
    복소 기저 대역을 포함하는 수신 채널; 및
    상기 복소 기저 대역의 대역 내(I) 채널로부터 제1 복수의 디지털 중간 주파수(IF) 샘플들을 수신하고 상기 복소 기저 대역의 쿼드러처(Q) 채널로부터 대응하는 제2 복수의 디지털 IF 샘플들을 수신하기 위해 상기 수신 채널에 결합된 프로세서 - 상기 프로세서는 상기 레이더 시스템에서 기능적 안전 고장(functional safety failure)을 검출하기 위해 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들 및 상기 제2 복수의 디지털 IF 샘플들에 기초하여 적어도 하나의 고장 메트릭(failure metric)을 계산하기 위한 명령어들을 실행하도록 구성됨 -
    를 포함하는 레이더 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭은 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들 및 상기 제2 복수의 디지털 IF 샘플들 내의 에너지의 비율로서 계산되는, 레이더 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭은 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들과 상기 제2 복수의 디지털 IF 샘플들 간의 교차 상관 관계의 측정값(measure)으로서 계산되는, 레이더 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭은 열 잡음을 초과하는 이미지 대역에서의 신호 내용을 검사함으로써 계산되는, 레이더 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 열 잡음을 초과하는 상기 이미지 대역에서의 신호 내용은 I+jQ 샘플 데이터의 복소 고속 퓨리에 변환의 음의 빈들(negative bins)을 비교함으로써 검출되는, 레이더 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭은 열 잡음을 초과하는 신호 내용에 대한 상기 이미지 대역의 서브 대역들을 검사함으로써 계산되는, 레이더 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭은 다른 레이더로부터의 간섭이 검출되는 경우에 사용되지 않는, 레이더 시스템.
  8. 제4항에 있어서, 다른 레이더로부터의 간섭이 검출되는 경우, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭은 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들에서 검출된 간섭 및 상기 제2 복수의 디지털 IF 샘플들에서 검출된 간섭의 비교로서 재계산되는, 레이더 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들 및 상기 제2 복수의 IF 샘플들은 처프들(chirps)의 프레임, 프레임 내의 단일 처프, 및 프레임 내의 처프들의 시퀀스로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나에 대응하는, 레이더 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 레이더 시스템은 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 시스템인, 레이더 시스템.
  11. 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법으로서,
    상기 레이더 시스템의 수신 채널의 복소 기저 대역의 대역 내(I) 채널로부터 제1 복수의 디지털 중간 주파수(IF) 샘플들을 수신하고 상기 복소 기저 대역의 쿼드러처(Q) 채널로부터 대응하는 제2 복수의 디지털 IF 샘플들을 수신하는 단계;
    상기 레이더 시스템에서 기능적 안전 고장을 검출하기 위해 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들 및 상기 제2 복수의 디지털 IF 샘플들에 기초하여 적어도 하나의 고장 메트릭을 계산하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 고장 메트릭에 기초하여 고장이 발생했는지 여부를 결정하는 단계
    를 포함하는 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 적어도 하나의 고장 메트릭을 계산하는 단계는 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들 및 상기 제2 복수의 디지털 IF 샘플들에서의 에너지 비율을 계산하는 단계를 포함하는, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭을 계산하는 단계는 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들 및 상기 제2 복수의 디지털 IF 샘플들 간의 교차 상관 관계의 측정값을 계산하는 단계를 포함하는, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭을 계산하는 단계는 열 잡음을 초과하는 이미지 대역에서의 신호 내용을 검사하는 단계를 포함하는, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서, 열 잡음을 초과하는 상기 이미지 대역 내의 신호 내용은 I+jQ 샘플 데이터의 복소 고속 퓨리에 변환의 음의 빈들을 비교함으로써 검출되는, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭을 계산하는 단계는 열 잡음을 초과하는 신호 내용에 대한 상기 이미지 대역의 서브 대역들을 검사하는 단계를 포함하는, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 고장이 발생했는지 여부를 결정하는 단계는 다른 레이더로부터의 간섭이 검출될 때 상기 적어도 하나의 고장 메트릭을 무시하는 단계를 포함하는, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고장 메트릭을 계산하는 단계는 다른 레이더로부터의 간섭이 검출된 경우 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들에서 검출된 간섭 및 상기 제2 복수의 디지털 IF 샘플들에서 검출된 간섭의 비교로서 상기 적어도 하나의 고장 메트릭을 재계산하는 단계를 포함하는, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기 제1 복수의 디지털 IF 샘플들 및 상기 제2 복수의 IF 샘플들은 처프들의 프레임, 프레임 내의 단일 처프, 및 프레임 내의 처프들의 시퀀스로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나에 대응하는, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.
  20. 제11항에 있어서, 상기 레이더 시스템은 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 시스템인, 레이더 시스템에서의 고장 검출을 위한 방법.

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