KR20100009846A

KR20100009846A - Ｆｍｃｗ 레이다 시스템에서 주파수 선형성 향상 방법 및장치

Info

Publication number: KR20100009846A
Application number: KR1020080070659A
Authority: KR
Inventors: 김재환
Original assignee: 삼성탈레스 주식회사
Priority date: 2008-07-21
Filing date: 2008-07-21
Publication date: 2010-01-29

Abstract

본 발명은, FMCW(Frequency-modulated continuous wave) 레이다 시스템에서 주파수 선형성 향상 장치에 있어서, 외부 제어를 통해서 인가된 제1기준값을 사용하여 기준 주파수를 제1분해함으로써 제1분해값을 생성하는 직접 디지털 합성기와, 상기 제1분해값의 하모닉과 스퓨리어스 성분을 제거하여 출력하는 필터와, 상기 필터에서 출력하는 값에 외부 제어를 통해서 인가된 제2기준값을 사용하여 비교 주파수를 출력하는 제1분주기와, 상기 비교 주파수에 외부 제어를 통해서 인가된 제3기준값을 사용하여 전압 제어 발진기의 출력 신호를 출력하는 제2분주기를 포함하는 비선형 특성 보상기를 포함한다.

FMCW 레이다, VCO, linearity, DDS, PLL

Description

ＦＭＣＷ 레이다 시스템에서 주파수 선형성 향상 방법 및 장치{method and apparatus for improving linearity of FMCW(Frequency-modulated continuous wave) radar system}

본 발명은 FMCW(Frequency-modulated continuous wave) 레이다 시스템에서 주파수 선형성을 향상시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

FMCW 레이다 시스템은 구조가 단순하고, 소형화된 크기를 갖는다는 장점을 가지며, 따라서 군용 소형 레이다와, 민수 측정용 레이다 및 차량 충돌 방지 시스템에 널리 사용된다.

상기 FMCW 레이더 시스템에서 타겟(target)의 위치에 대한 추정 범위는 송신되는 RF(radio frequency) 신호의 주파수를 체계적으로 변경함으로써 측정된다. 통상적으로, 레이다 시스템은 송신된 신호의 주파수가 시간에 따라 선형적으로 변경되도록 배치한다. 이때, 송신된 타겟으로부터 복귀된 신호(즉, 반사되거나 수신된 신호) 사이의 주파수 차는 상기 타겟의 위치에 대한 추정 범위를 측정하는데 사용 될 수 있다. 상기 FMCW 레이다 시스템에서 제공되는, 상기 타겟에 대한 범위 정보에 대한 정확성은 주파수 스위프(sweep)의 선형성에 의존한다. FMCW 레이다 시스템의 주파수 스위프 선형성을 향상시키는 것은 상기FMCW 레이다 시스템의 성능을 향상시키는 중요한 요인으로 작용하게 되며, 따라서 상기 FMCW 레이다 시스템의 주파수 스위프 선형성을 향상시키는 방안에 대한 필요성이 대두된 바 있다.

본 발명은 FMCW 레이다 시스템에서 주파수 선형성 향상 방법 및 장치를 제안한다.

또한, 본 발명은 FMCW 레이다 시스템에서 전력 제어 발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator)의 비선형 특성을 보완하여 주파수 선형성을 향상시키는 방법 및 장치를 제안한다.

본 발명에서 제안하는 장치는; FMCW(Frequency-modulated continuous wave) 레이다 시스템에서 주파수 선형성 향상 장치에 있어서, 외부 제어를 통해서 인가된 제1기준값을 사용하여 기준 주파수를 제1분해함으로써 제1분해값을 생성하는 직접 디지털 합성기와, 상기 제1분해값의 하모닉과 스퓨리어스 성분을 제거하여 출력하는 필터와, 상기 필터에서 출력하는 값에 외부 제어를 통해서 인가된 제2기준값을 사용하여 비교 주파수를 출력하는 제1분주기와, 상기 비교 주파수에 외부 제어를 통해서 인가된 제3기준값을 사용하여 전압 제어 발진기의 출력 신호를 출력하는 제2분주기를 포함하는 비선형 특성 보상기를 포함한다.

본 발명은 FMCW레이다 시스템에서 직접 디지털 합성기(DDS: Direct Digital Synthesizer, 이하'DDS'라 칭하기로 한다) 와 위상 고정 루프(PLL: Phase-Locked Loop, 이하 'PLL'이라 칭하기로 한다)의 혼용 구조를 사용하여 VCO를 제어함으로써, FMCW 생성시 비선형 특성을 개선하여 FMCW 레이다 시스템의 주파수 선형성을 향상시킨다는 이점을 가진다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

도 1은 일반적인 FMCW 레이다 시스템의 RF(Radio Frequency)부 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 RF부는 전력 제어 발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator, 이하 'VCO'라 칭하기로 한다)(102)와, 증폭기(amplifier)(104)와, 밴드 패스 필터(BPF: Band Pass Filter, 이하 'BPF'라 칭하기로 한다)1(106)과, 커플러(Coupler)(108)와, 안테나의 계산기(Calculator)(110)와, 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier, 이하 'LNA'라 칭하기로 한다)(112)와, BPF2(114)와, 믹서(mixer)(116)와로우 패스 필터(LPF: Low Pass Filter, 이하 'LPF'라 칭하기로 한다)(118) 및 중간 주파수(IF: Intermediate Frequency, 이하 'IF'라 칭하기로 한다) 증폭기(120)를 포함한다.

한편, 상기 FMCW 레이다 시스템에서 신호 생성 및 처리 과정을 설명하면 다음과 같다.

상기 VCO(102)는 터닝(Tunning) 전압을 스위프(Sweep)하도록 제어하여 주파수를 발생시키고, 상기 스위프된 발생 주파수를 상기 증폭기(104)와 상기 BPF1(106)를 통과시켜 미리 설정되어 있는 레벨로 증폭한 후 고조파(Harmonics)를 제거한다.

이후, 고조파가 제거된 신호는 상기 커플러(108)로 직접 전달된다. 상기 커플러(108)는 상기 고조파가 제거된 신호의 다운 컨버젼(Down Conversion)에 필요한 로컬(Local) 신호를 공급한다. 상기 커플러(108)의 출력 신호는 상기 계산기(110)를 통한 후 타겟(target)을 향해서 안테나를 통해 방사된다.

한편, 타겟으로부터 반사되어 상기 안테나(110)를 통해 수신된 신호의 반사 신호는 상기 계산기(110)에서 수신경로로 분리되어 상기 LNA(112)로 전달된다. 상기 LNA(112)는 상기 반사 신호를 저잡음 증폭하고, 상기 BPF2(114)로 전달한다. 상기 BPF2(114)는 상기 저잡음 증폭된 반사 신호의 불요파를 제거하고, 상기 믹서(116)로 출력한다. 상기 믹서(116)는 상기 불요파가 제거된 반사 신호를 로컬 신호와 결합하여 상기 LPF(118)로 출력한다. 상기 로컬 신호와 결합된 반사 신호는 상기 LPF(118)와 상기 IF 증폭기(120)를 통함으로써 IF신호로 출력된다.

상기 FMCW 레이다 시스템은 타겟에게 연속적인 주파수를 가지는 신호를 방사하고, 상기 타겟으로부터 되돌아 오는 도플러 주파수(Doppler Frequency)를 탐지함으로써 상기 타겟에 대한 거리 및 속도를 측정한다. 따라서, 상기 FMCW 레이다 시스템은 연속적인 주파수의 발생이 필수적이며, 상기 연속적인 주파수는 상기 VCO(102)의 터닝 전압을 스위프 동작 영역 내, 즉 선형성이 보장되는 범위 내에서 계속적으로 변경시킴으로써 생성된다.

다음으로 도 2a~도2c를 참조하여 일반적인 FMCW 레이다 시스템에서 VCO의 주파수 특성에 대해서 설명하기로 한다. 도 2a~도2c는 일반적인 FMCW 레이다 시스템 에서 VCO의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.

도 2a는 상기 VCO(102)로 인가되는 터닝 전압의 주파수 특성을 나타낸다. 도 2a를 참조하면, 상기 VCO(102)로 인가되는 터닝 전압은 시간축과 전압축으로 일정한 기울기 즉, 선형적인 특성을 갖는다.

도 2b는 상기 VCO(102)로부터 출력되는 주파수의 특성을 나타낸다.

도 2b를 참조하면, 상기 VCO(120)는 비선형 소자이기 때문에, 비록 인가 전압이 선형적이라고 하여도 출력되는 주파수는 시간축으로 일정한 기울기가 생성되지 않는 비선형적 특성을 나타냄을 알 수 있다.

도 2c는 안테나로부터 방사되어 타겟을 맞고 되돌아 온 수신 신호의 주파수 특성을 나타낸다.

도 2c를 참조하면, Td시점은 안테나로부터 방사되어 타겟을 맞고 되돌아 온 수신 신호에 대한 지연 시간을 나타낸다. 즉, 타겟으로부터 수신된, 상기 Td시점부터의 수신 신호 역시 비선형적 특성을 갖는다.

상기한 바와 같은 비선형적 주파수 특성은 상기 믹서(116) 입력의 비선형 특성으로 인해 야기된다.

다음으로, 도 3a 내지 도 3b를 참조하여 일반적인 FMCW 레이다 시스템에서 믹서의 주파수 특성에 대해서 설명하기로 한다.

도 3a-도 3b는 일반적인 FMCW 레이다 시스템에서 믹서의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.

도 3a는 상기 믹서(116)의 입력 신호들의 주파수 특성을 도시한그래프이다.

도 3a를 참조하면, 상기 믹서(116)로는 송신 신호의 발생 과정에서 분기되는 로컬 신호(TX LO)와, 상기 안테나로부터 입력되는 반사 신호(RX)가 입력(A)된다. 이때, 상기 로컬 신호(TX LO)와 상기 반사 신호(RX)는 고정된 한 타겟으로부터 수신되는 신호이지만 믹싱(mixing) 과정에서 모두 비선형 주파수 특성을 갖게 된다.

도 3b는 상기 믹서(116)에서 출력되는 신호의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.

도 3b를 참조하면, 상기 로컬 신호와 상기 반사 신호 모두 비선형 주파수 특성을 가지기 때문에, 상기 로컬 신호와 반사 신호 서로간의 주파수 지연(fd)은 일정하게 유지되지 않고 변화하는 것처럼 검출된다. 이러한 검출 결과는 상기 타겟의 거리가 바뀐 것으로 잘못 해석되는 큰 오류를 발생시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 입출력 신호의 비선형 특성을 개선하기 위한 두 가지 방안은 하기와 같다.

첫 번째 방안은, FMCW 레이다 시스템에서 VCO의 주파수 특성을 룩 업 테이블(Look-Up Table)로 작성함으로써, 상기 룩 업 테이블을 바탕으로 해당 주파수 데이터에 대한 VCO의 동작을 디지털/아날로그(D/A: digital/analog) 컨버터(converter)를 사용함으로써 제어한다. 이 경우, 동일한 FMCW 레이다 시스템이라도 VCO 각각에 대해서 룩 업 테이블을 작성해야 하고, 주파수 분해능이 떨어지며 초기 설정(set up)시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

두 번째 방안은, FMCW 레이다 시스템에서 위상 고정 루프(PLL: Phase Looked Loop, 이하 'PLL'이라 칭하기로 한다) 을 사용하여VCO를 제어하는 방안이다. 이 경 우, 상기 VCO에서 주파수 변경 시 세밀한 분해능이 불가능하며, 주파수가 변경될 때마다 상기 PLL에 변경되는 주파수 데이터를 지속적으로 제공해야 하고, 이로 인한 주파수 출력에 잡음(Noise) 및 스퓨리어스(Spurious) 신호가 발생하는 단점이 있다.

따라서 본 발명에서는 상기한 비선형 특성을 개선하기 위한 두 가지 방안에서 발생하는 단점을 보완하여 FMCW 레이다 시스템의 입출력에 대한 주파수 특성을 선형적으로 동작 가능하게 하는 비선형 특성 보상기를 제안하며, 이를 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 FMCW 레이다 시스템의 구성도이다.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 FMCW 레이다 시스템은, 기존의 FMCW 레이다 시스템과는 달리 RF부에 비선형 특성 보상기(400)를 추가적으로 포함한다. 즉, 상기 RF부는 VCO(402)와, 증폭기(404)와, BPF1(406)과, 커플러(408)와, 안테나의 계산기(410)와, LNA(412)와, BPF2(414)와, 믹서(416)와 LPF(418) 및 IF 증폭기(420)를 포함한다. 상기한 비선형 특성 보상기(400) 외의 구성들은 도 1과 모두 동일하게 동작하므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

상기 비선형 특성 보상기(400)는 기준 클락(reference clock) 발생기(400a)와, DDS(Direct Digital Synthesizer)(400b)와, LPF(400c)와 PLL(400d)을 포함한다. 상기 DDS(400a)는 N/(2

) 의 분주값을 갖고 있어 PLL(400b)만 사용할 때보다 VCO 제어시 훨씬 세밀한 주파수 분해능을 가진다.

구체적으로, 상기 기준 클락 발생기(400a)는 높은 안정도와 낮은 위상 잡음을 가진 OCXO(Oven Controlled Crystal Ocsillator)로 상기 DDS(400b)로 기준 주파수(Fclk)를 공급한다. 32 bit의 누산기(accumultar)를 구비하고 있는 상기 DDS(400b)는 외부 제어를 통해서 인가된 M을 사용하여 비교 주파수(Fdds)를 하기 <수학식 1>과 같이 계산한다. 상기 M은 주파수 분해를 위해서 사용되는 분주 기준값이다.

Fdds = Fclk M/() = M Fclk /()

일 예로, 상기 Fclk 가 10MHz 이면 Fdds 출력은 10MHz / (

) = 0.0023283064365387Hz 의 주파수 분해능을 가지게 된다. 또한 하기 <표1>과 같이 M 값을 [M',(M+1)', ... ,M+99)'] 순으로 순차적으로 외부제어를 통해 변화시킬 때, 정해진 대역 내에서 아주 세밀한 간격을 갖는 100개의 주파수 생성이 가능하다.

[표 1]

상기 DDS(400b)의 출력주파수 Fdds는 LPF(400c)를 통해서 하모닉(Harmonic)과 스퓨리어스(Spurious) 성분이 제거된 후, 상기 PLL(400d)로 입력되어 상기 PLL(400d)의 기준주파수로 사용된다.

상기PLL(400d) 내부에 있는 비교값 분주기(R)와 피드백 분주기(N) 각각의 주파수 분해능을 위한 분주 기준값 R과 N 역시 외부제어를 통해 설정된다. 상기 PLL(400d)은 상기 VCO(402)와 폐-피드백 루프(Closed Feedback Loop)를 형성하고, 주파수와 위상동기가 유지되면 주파수 체배기와 같은 동작을 하게 된다. 즉, 상기 PLL(400d) 내부의 위상 비교기(Phase Detector)에서 상기 DDS(400b)의 출력 주파수 Fdds와 비교 주파수(Fcomp(Fcomparison))를 사용하여 하기 <수학식 2>와 같은 상기 VCO(402)의 출력값을 계산한다.

Fcomp = Fdds / R

Fvco = Fcomp

N

하기 <표 2>는 R, N 값이 각각 고정값(R=1, N=1000000)으로 프로그램을 경우, 계산된 상기 VCO(402)의 출력신호 Fvco의 일 예이다.

상기한 바와 같이 VCO의 출력값은 DDS의 세밀한 주파수 분해를 적용한 후, 상기 PLL을 통해서 상기 분해된 주파수를 체배시켜 출력 신호를 발생함으로써, 수십 Hz 간격의 세밀한 분해능을 가질 수 있어 FMCW 레이다 신호 발생원으로 사용 시 상당히 선형성이 개선되는 장점이 갖는다.

다음으로 도 5a-도 5b를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 믹서(416)의 주파수 특성에 대해서 설명하기로 한다.

도 5a-도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 믹서(416)의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.

도 5a를 참조하면, 상기 믹서(416)로는 상기 송신 신호의 발생 과정에서 분기되는 로컬 신호(TX LO)와, 상기 안테나로부터 입력되는 반사신호가 입력된다. 이때, 상기 로컬 신호(TX LO)는 상기 비선형 특성 보상기(400)을 통해서 선형성이 개선되어 선형적 특성을 갖게 되고, 안테나로부터 타겟으로 방사된 후, 상기 타겟으로부터 반사되어 수신되는 시간인 Fd만큼 지연된 반사 신호(RX) 역시 선형적 특성을 갖는다.

도 5b는 상기 믹서(116)의 출력 신호들의 주파수 특성을 도시한 그래프이다.

도 5b를 참조하면, 상기 로컬 신호와 상기 반사 신호 모두 선형적 주파수 특성으로 인해 서로 간의 주파수 지연(fd)은 일정하게 유지되지 않고 변화하는 것처럼 검출된다.

상기한 바와 같이 상기 DDS(400b)가 일정한 주파수 범위 내에서 초기에 한번의 기준 주파수의 입력만으로 세밀한 주파수 분해능을 공급함으로써, FMCW 레이다 시스템의 출력 신호를 선형성을 개선할 수 있게 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 FMCW 레이다 시스템에서 RF부의 구성도.

도 2a~c는 일반적인 FMCW 레이다 시스템에서 VCO의 주파수 특성을 보여주는 그래프.

도 3a,b는 일반적인 FMCW 레이다 시스템에서 믹서의 주파수 특성을 보여주는 그래프.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른FMCW 레이다 시스템의 구성도.

도 5a,b는 본 발명의 실시 예에 따른 믹서(416)의 주파수 특성을 보여주는 그래프.

Claims

FMCW(Frequency-modulated continuous wave) 레이다 시스템에서 주파수 선형성 향상 장치에 있어서,

외부 제어를 통해서 인가된 제1기준값을 사용하여 기준 주파수를 제1분해함으로써 제1분해값을 생성하는 직접 디지털 합성기와,

상기 제1분해값의 하모닉과 스퓨리어스 성분을 제거하여 출력하는 필터와,

상기 필터에서 출력하는 값에 외부 제어를 통해서 인가된 제2기준값을 사용하여 비교 주파수를 출력하는 제1분주기와,

상기 비교 주파수에 외부 제어를 통해서 인가된 제3기준값을 사용하여 전압 제어 발진기의 출력 신호를 출력하는 제2분주기를 포함하는 비선형 특성 보상기를 포함하는 FMCW 레이다 시스템의 주파수 선형성 향상 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1분해값과, 상기 비교 주파수 및 상기 전압 제어 발진기의 출력 신호는 하기 수학식과 같이 계산됨을 특징으로 하는 FMCW 레이다 시스템의 주파수 선형성 향상 장치.

<수학식>

Fdds = Fclk
M/(2
) = M
Fclk /(2
)

Fcomp = Fdds / R

Fvco = Fcomp
N

여기서, Fdds는 상기 제1분해값을 나타내고, Fcomp는 상기 비교 주파수를 나타내고, Fvco 는 상기 전압 제어 발진기의 출력 주파수를 나타내고, Fclk는 상기 기준 주파수를 나타내고, M은 상기 제1기준값을 나타내고, R은 상기 제2기준값을 나타내고, N은 상기 제3기준값을 나타냄.