KR20220025821A - 능동 귀환 중계기를 구비한 ofdm 레이더 센서 시스템 - Google Patents

능동 귀환 중계기를 구비한 ofdm 레이더 센서 시스템 Download PDF

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베네딕트 마인엑케
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 복수의 송/수신 유닛(12, 14)을 가진 OFDM 레이더 센서 시스템에 관한 것으로, 상기 송/수신 유닛 중 하나는 OFDM 레이더 센서(12)이고 상기 송/수신 유닛 중 다른 하나는 중계기(14)이며, 이 중계기는, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 생성되어 송신되고 중계기(14)에 의해 수신된 신호(22)를 상기 중계기(14)에 의해 수신된 신호(22)에 대해 직교하는 신호로 변조하고, 상기 변조된 신호(24)를 전송하도록 구성되며, OFDM 레이더 센서(12)는, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된 신호(20, 26) 중에서 변조된 신호(24)에 상응하는 성분(26)을 OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된 신호(20, 26)의 모노스태틱 성분(20)으로부터 분리하도록 구성되는, OFDM 레이더 센서 시스템.

Description

능동 귀환 중계기를 구비한 OFDM 레이더 센서 시스템
본 발명은 OFDM 레이더 센서 시스템에 관한 것이다.
복수의 반송 주파수를 이용한 디지털 변조 방식을 OFDM(orthogonal frequency division multiplex) 방식이라고 한다. 레이더 시스템을 위한 OFDM 방식의 사용에 대한 연구가 점차 늘어나고 있다. OFDM 방식에서 주파수 대역은 각각의 부반송파(sub-carrier)의 복수의 직교 부대역으로 분할되고(FDM, frequency division multiplexing), OFDM 심볼이 연속으로 차례로 송신된다. OFDM 심볼의 송신된 신호는 심볼의 변조 방식에 따라 변조된 상호 직교 부반송파 신호들(sub-carrier signals)로 구성되며, OFDM 심볼 기간 내에 동시에 송신된다. 이를 위해 부반송파 주파수는, 주파수 스펙트럼 내에서 부반송파의 최대값이 다른 부반송파의 부호 변환점에 놓이도록 선택된다.
수신된 신호에서 OFDM 심볼의 전파 시간에 기초하여 레이더 객체까지의 거리가 추정될 수 있는 한편, OFDM 심볼 시퀀스에 대해 도플러 효과의 결과로 도출되는 위상 거동에 기초하여 속도 추정이 수행될 수 있다. 복수의 레이더 객체는 송신된 OFDM 신호의 지연되고 도플러 편이된 에코(Doppler shifted echo)의 합을 유발한다. 심볼 기간(symbol period) 전 주기적 전치(prefix)에 의해 전파 시간이 상이한 중첩 레이더 에코가 후속 OFDM 심볼의 레이더 에코와 분리될 수 있다.
문헌 Design of Low-Power Active Tags for Operation with 77-81 GHz FMCW Radar" (MS Dadash, J. Hasch, P. Chevalier, A. Cathelin, N. Cahoon 및 SP Voinigescu 공저, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 65, no. 12, pp. 5377-5388, Dec. 2017)은 수신된 레이더 신호를 구형파 신호로 위상 변조하고 다시 전송하는 능동 트랜스폰더("active tag")에 대해 기술하고 있다. "active tag"는 반사된 신호를 기반으로 레이더 센서에 의해 인식될 수 있고, 이를 통해 "active tag"가 부착된 표적 물체를 식별할 수 있다.
본 발명의 과제는, 송/수신 유닛의 모노스태틱 및 바이스태틱 레이더 표적 응답이 평가될 수 있는, 복수의 송/수신 유닛을 구비한 신규 유형의 OFDM 레이더 센서 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 복수의 송/수신 유닛을 가진 OFDM 레이더 센서 시스템에 의해 해결되며, 상기 송/수신 유닛 중 하나는 OFDM 레이더 센서이고 상기 송/수신 유닛 중 다른 하나는 중계기이며, 상기 중계기는, OFDM 레이더 센서에 의해 생성되어 송신되고 중계기에 의해 수신된 신호를 상기 중계기에 의해 수신된 신호에 대해 직교하는 신호로 변조하고, 상기 변조된 신호를 전송하도록 구성되며, 상기 OFDM 레이더 센서는, OFDM 레이더 센서에 의해 수신된 신호 중에서 상기 변조된 신호에 대응되는 성분을 OFDM 레이더 센서에 의해 수신된 신호의 모노스태틱 성분으로부터 분리하도록 구성된다.
따라서 중계기는, OFDM 레이더 센서에 의해 생성되어 송신된 신호이자 중계기에 의해 수신된 신호를 변조하고 이 변조된 신호를 전송하도록 구성되며, 변조된 신호는 중계기에 의해 수신된 신호에 대해 직교한다. 달리 말하면, 중계기는, 수신된 신호로부터 상기 수신된 신호의 변조를 통해 변조된 신호를 생성하여 이 변조된 신호를 전송하도록 구성된다.
OFDM 레이더 센서에 의해 생성되어 송신되고 중계기에 의해 수신된 신호를 이하 중계기에 의해 수신된 신호라고도 지칭한다.
중계기를 트랜시버라고도 지칭할 수 있다.
여기서 모노스태틱 성분은, 중계기가 개재되지 않은 송/수신 경로에서 OFDM 레이더 센서에 의해 송신된 송신 신호의 레이더 에코로서 수신되는 수신 신호의 성분을 의미한다. 송/수신 경로에서 중계기가 통과하지 못한 모노스태틱 신호 성분은, OFDM 레이더 센서에서 출발하여 중계기가 포함된 송수신 경로를 통과하여 최종적으로 중계기에 의해 송신된 바이스태틱 신호 성분과 구별된다. 직교성으로 인해, OFDM 레이더 센서에 의해 수신된 신호의 모노스태틱 신호 성분과 바이스태틱 신호 성분은 서로 간섭하지 않는다.
직교성은 송신 신호의 OFDM 코딩과 관련된다. 특히, 직교 신호는 여기서 송신 신호 또는 중계기에 의해 수신된 신호의 OFDM 코딩과 관련하여 직교하는 신호를 의미한다. 특히, 2개의 신호, 예컨대 중계기에 의해 수신된 신호와 변조된 신호 중 하나에 포함된, 즉, 점유된 OFDM 부반송파가, 다른 신호에 포함된, 즉, 점유된 OFDM 부반송파에 각각 직교하는 경우, 상기 두 신호는 서로 직교한다. 직교성은 예를 들어 송신 신호 또는 레이더 에코의 주파수 대역 대신 다른 주파수 대역을 사용하거나 다른 주파수 범위를 사용하여 제공될 수 있다.
수신된 바이스태틱 신호 성분은 모노스태틱 신호 성분과 직교하기 때문에, OFDM 레이더 센서에서 모노스태틱 신호 성분과 신뢰성 있게 구별될 수 있다. 또한, 중계기가 변조된 신호를 능동적으로 전송함으로써, 예컨대 수동 신호 반사기에서 발생한 것과 같은, 귀환된 신호의 강한 감쇠를 방지할 수 있다. 특히, 송/수신 경로의 이중 통과로 인해 감소된 신호 강도를 완전히 또는 적어도 부분적으로 보상할 수 있다.
중계기는 "가상 OFDM 레이더 센서"에 상응하며, 관련 레이더 에코는 실제 OFDM 레이더 센서에서 평가된다. 평가뿐만 아니라 HF 주파수 대역으로의 변조 및 기저대역으로의 복조도 주 송/수신 유닛인 OFDM 레이더 센서에서만 발생한다. OFDM 레이더 센서에서 동시에 수신되는 모노스태틱 신호 성분과 변조된 신호에 상응하는 바이스태틱 신호 성분은 이들의 직교성을 토대로 별도로 평가될 수 있다. 분산형 OFDM 레이더 센서 시스템에서는 송/수신 유닛들이 서로 협력하는 것이 가능해지는데, 이때 송/수신 유닛들은 동시에 자율적이며, OFDM 레이더 센서 및 적어도 하나의 중계기를 포함한다. 중계기는 수신 및 재전송된 신호의 간단한 주파수 편이와 같은 변조만 수행하기 때문에, OFDM 레이더 센서에 의해 수신된 모든 신호는 OFDM 레이더 센서의 국부 발진기의 레이더 주파수에 기인하고, 그에 따라 송/수신 유닛의 레이더 에코의 정확한 평가가 가능해진다. 특히, 상이한 송/수신 유닛에서 유래하여 수신된 레이더 에코는 각각, 주어진 OFDM 심볼 기간 동안 동일한 OFDM 심볼에 기인하며, 그에 따라 OFDM 레이더 센서에서 레이더 에코의 진폭 및 위상 편이는 간섭성이며 중앙에서 정밀하게 결정될 수 있다. 직교 신호는 OFDM 레이더 센서에서의 평가 시 신호원(OFDM 레이더 센서 또는 중계기)의 명확한 지정을 가능케 한다. OFDM 레이더 센서에 대한 하나 이상의 중계기의 상대적 배치에 따라, OFDM 레이더 센서 시스템의 매우 넓은 가상 개구(virtual aperture)가 생성될 수 있다. OFDM 레이더 센서에만 국부 발진기를 사용함으로써 위상 잡음의 영향을 최소화할 수 있다. 따라서 레이더 표적의 개선된 위치 검출이 가능해진다. 특히, 2개의 상이한 센서 위치, 요컨대 실제 OFDM 레이더 센서 및 중계기의 위치에 상응하는 가상 센서 위치에서 평가가 가능해진다. 이는 50미터 또는 100미터 미만의 근거리에서 표적을 평가하는 데 특히 유리할 수 있다.
특히, 중계기는, OFDM 레이더 센서에 의해 송신된 송신 신호의, 중계기에 의해 수신된 레이더 에코를 변조하도록, 특히 레이더 에코에 대해 직교하는 신호로 변조하여 이 변조된 신호를 전송하도록 구성될 수 있다. 달리 말하면, 중계기는, OFDM 레이더 센서에 의해 송신된 송신 신호의, 레이더 표적으로부터 수신된 레이더 에코로부터 상기 수신된 레이더 에코의 변조를 통해 변조된 신호를 생성하여 이 변조된 신호를 전송하도록 구성될 수 있다. 특히, 변조된 신호는 동일한 송/수신 경로로 귀환될 수 있다.
바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다.
바람직하게는, 중계기에 의해 전송되는 신호는, 중계기에 의해 수신되어 미리 결정된 주파수 오프셋만큼 주파수 편이된 신호를 포함한다. 달리 말하면, 중계기에 의해 전송되는 신호에는, 중계기에 의해 수신되어 변조에 의해 미리 결정된 주파수 오프셋만큼 주파수 편이된 신호가 포함된다. 이로써, 중계기에 의해 생성되어 변조된 신호는, 중계기에 의해 수신된 신호의 상응하는 주파수 성분에 비해 미리 결정된 주파수 오프셋만큼 주파수 편이된 주파수 성분을 포함한다. 이 경우, 특히 바람직하게는, 각각의 중계기에서 간단한 회로기술 수단을 이용하여, OFDM 레이더 센서에서의 평가 시 신호원(OFDM 레이더 센서 또는 중계기)의 명확한 지정을 가능케 하는 직교 신호가 생성될 수 있다. 특히 중계기 내에 HF 발진기가 불필요하며, 비교적 간단하게 구성된 중계기가 사용될 수 있다. 이는 시스템의 견고성뿐만 아니라 제조 비용과 관련하여 특히 유리하다.
바람직하게 중계기는, OFDM 레이더 센서에 의해 생성되어 송신되고 중계기에 의해 수신된 신호를 미리 결정된 주파수 오프셋만큼 주파수 편이시켜 상기 중계기에 의해 수신된 신호에 대해 직교하는 신호로 변조하도록 구성된다. 따라서 직교성은 주파수 오프셋만큼의 편이에 의해 구현된다. 이로써 상기 과제는 복수의 송/수신 유닛을 가진 OFDM 레이더 센서 시스템에 의해 해결되며, 상기 송/수신 유닛 중 하나는 OFDM 레이더 센서이고 상기 송/수신 유닛 중 다른 하나는 중계기이며, 상기 중계기는, OFDM 레이더 센서에 의해 생성되어 송신되고 중계기에 의해 수신된 신호를 미리 결정된 주파수 오프셋만큼 주파수 편이시켜 상기 중계기에 의해 수신된 신호에 대해 직교하는 신호로 변조하고, 상기 변조된 신호를 전송하도록 구성되며, 상기 OFDM 레이더 센서는, OFDM 레이더 센서에 의해 수신된 신호 중에서 상기 변조된 신호에 대응되는 성분을 OFDM 레이더 센서에 의해 수신된 신호의 모노스태틱 성분으로부터 분리하도록 구성된다.
미리 결정된 주파수 오프셋만큼의 주파수 편이에 의한 변조는, 변조된 신호에 대응하는 수신 신호 성분에 대한 실제 OFDM 레이더 센서에서의 평가가 모노스태틱 수신 신호의 평가와 동일한 방식으로 수행될 수 있다는 특별한 장점이 있다. 바람직하게는, 중계기의 위치에 "가상 레이더 센서"가 제공되더라도, OFDM 레이더 센서 시스템에서의 신호 처리를 위한 노력이 최소화될 수 있다. 이 경우, 직교 변조를 통해 모노스태틱 신호 성분과 바이스태틱 신호 성분을 분리할 수 있다.
미리 결정된 주파수 오프셋만큼의 주파수 편이는 바람직하게 I/Q 신호의 위상 편이를 통해 수행되며, 상기 위상 편이는 조화 진동(harmonic oscillation)에 따라 미리 결정된 주파수 오프셋에 상응하는 주파수로 변동한다. 이러한 방식으로 I/Q 신호의 복소 주파수 변환이 수행될 수 있으며, 이때 바람직하지 않은 제2 측파대가 발생하지 않는다. 또는, 위상 변조 또는 진폭 변조와 같은 다른 유형의 변조도 고려될 수 있다.
바람직하게 중계기는, 이 중계기에 의해 수신된 신호를 미리 정해진 주파수 간격만큼 주파수 편이시키기 위한 변조기를 구비하며, 상기 변조기는, 중계기에 의해 수신된 신호로부터 기준 레이더 주파수를 기준으로 서로 90°씩 위상 편이된 I/Q 신호 성분을 제공하도록 구성된 I/Q 스플리터와; 부호를 지닌 개별 I/Q 신호 성분을 미리 정해진 주파수 간격에 상응하는 주파수를 가진 변조 신호의 I/Q 변조 신호 성분과 곱하도록 구성된 체배기(multiplier)와; 상기 체배기의 출력 신호 성분이 결합되는 출력;을 갖는다. 변조 신호는 바람직하게 조화 진동에 상응한다. 출력에는 중계기에 의해 수신된 신호에 대해 직교하는 신호가 제공된다. 변조기는, 변조 주파수의 바람직하지 않은 고조파가 발생하지 않는 조건에서 상기 변조 주파수에 상응하는 주파수 간격만큼의 실제 주파수 편이를 수행할 수 있으며, 그럼에도 회로 기술상 간단한 중계기의 구성이 가능하다. 따라서, 특히 중계기 내에 HF 발진기가 불필요하며, HF 발진기 신호가 공급될 필요가 없다. 송/수신 유닛들 간에 신호 연결 라인을 통해 동기화 신호를 전송할 필요가 없는 시스템이 구현될 수 있다는 점도 바람직하다. 또한, 예를 들어 I/Q 스플리터가 수동 네트워크, 예를 들어 RLC 네트워크 또는 특히 LC 네트워크로서 구성될 수 있는 점이 바람직하다. 이로써, 전술한 변조기는 회로 기술적으로 비교적 간단한 구조임에도, 중계기에 의해 수신된 신호에 포함된 OFDM 심볼로부터 그에 직교하는, 이후 중계기에 의해 전송될 OFDM 심볼을 생성하는 것을 가능케 한다. 또 다른 장점은, 중계기에 의해 매우 강건한 시스템을 제공할 수 있다는 점이다. 또한, OFDM 레이더 센서에서 수신된 신호의 모노스태틱 성분과 바이스태틱 성분의 분리된 평가가 가능함에 따라 시스템 성능이 향상된다.
기준 레이더 주파수는 예를 들어 레이더 센서의 OFDM 심볼의 기준 주파수 또는 주 반송파 주파수일 수 있고, OFDM 레이더 센서의 국부 HF 발진기의 주파수에 상응할 수 있다.
결합은 바람직하게 선형 결합(linear combination)이고, 특히 가산 또는 감산일 수 있다. 출력은 예를 들어 체배기의 출력 신호 성분이 합산되는 합산 출력일 수 있다. I/Q 변조 신호 성분의 부호에 따라, 체배기의 출력 신호 성분이 감산되는 차동 출력도 사용될 수 있다. 출력 신호 성분의 결합은 위상의 유지 하에 수행된다.
한 바람직한 실시예에서, 미리 결정된 주파수 오프셋은, 변조된 신호 내에서 중계기에 의해 수신된 신호에 포함된 OFDM 부반송파가 상기 주파수 오프셋만큼 편이된 상응하는 OFDM 부반송파에 대해 직교하는 주파수 오프셋이다. 이는, 주파수 오프셋(Δf0)이 심볼 기간(T)의 역수의 1배 또는 수배의 정수 배수와 같으며, 이때 Δf0 = k/T이고, k는 0이 아닌 정수인 조건이 충족되는 경우이다. 특히, 주파수 오프셋(Δf0)은 OFDM 주파수 방식의 부반송파 간격(Δf)의 정수배일 수 있다: Δf0 = kΔf. 그 대안으로 또는 그와 동시에, 주파수 오프셋(Δf0)은 OFDM 레이더 센서에 의해 송신된 송신 신호 또는 중계기에 의해 수신된 신호의 대역폭보다 클 수 있다. 변조된 신호는 바람직하게 중계기에 의해 수신된 신호에 비해 언급한 주파수 오프셋만큼 편이된다.
바람직하게는, OFDM 레이더 센서에 의해 생성되고 송신된 신호가 주파수 스펙트럼 내에 점유되지 않은 OFDM 부반송파를 가지며, 이 경우 중계기는, 중계기에 의해 수신된 신호 내에서 점유된 OFDM 부반송파로부터, 중계기에 의해 수신된 신호 내에서 점유되지 않은 OFDM 부반송파의 주파수 범위에 상응하는 주파수 범위 내에 놓인, 주파수 편이된 OFDM 부반송파를 생성하도록 구성된다.
점유된 부반송파의 반송파 간격을 예를 들어 두 배로 늘림으로써, 점유된 부반송파들 사이의 갭 내로 중계기에 의해 전송된 신호의 합성에 의해 생성된 부반송파가 전송될 수 있다. 예를 들어, 변조된 신호에서는, (주파수 공간 내에서 또는 더 정확하게는 OFDM 반송파 스펙트럼 내에서) OFDM 레이더 센서에 의해 생성 및 송신되어 중계기에 의해 수신된 신호 내에서 점유된 부반송파와 중첩되는 부반송파가 점유된다. 다시 말해, 변조된 신호에서는, 중계기에 의해 수신된 신호의 점유된 부반송파들 사이에 있는 부반송파가 점유된다.
한 바람직한 실시예에서, OFDM 레이더 센서에 의해 송신된 송신 신호는 OFDM 주파수 방식의 매 n번째 부반송파만을 점유하고, 여기서 n은 1보다 큰 자연수이며, 변조된 신호는 중계기에 의해 수신된 신호에 비해 OFDM 주파수 방식의 부반송파 간격(Δf)의 (m + pn)배에 상응하는 주파수 오프셋(Δf0)만큼 편이되며, 여기서 m은 n보다 작은 자연수이고 p는 정수이다. 다시 말해, OFDM 심볼의 점유된 2개의 부반송파 사이의 주파수 간격은 nΔf이고, 중계기에서 생성된 주파수 오프셋은 Δf0 = (m + pn)Δf이다.
바람직하게 p = 0이다. 다시 말해, 주파수 오프셋은 부반송파 간격의 m배이며, 여기서 m은 n보다 작은 자연수이다. OFDM 레이더 센서에 의해 송신 신호에 이용된 부반송파와 중계기에 의해 변조 신호에 이용된 부반송파의 이러한 중첩을 통해, 송신 신호의 주파수 범위가 변조된 신호의 주파수 범위와 최대로 중첩될 수 있음으로써, 모노스태틱 수신 신호 성분과 바이스태틱 수신 신호 성분의 개별 송/수신 경로의 신호 전송 속성은 최대한 유사하다. 따라서, 일례로 OFDM 레이더 센서로부터 송신된 송신 신호를 위해 매 두 번째 부반송파만 할당될 수 있고(n = 2), 중계기는 수신된 신호를 하나의 부반송파 간격만큼 변위(변조)시켜 다시 전송할 수 있다(Δf0 = +/-Δf).
전술한 유형의 복수의 중계기를 포함하는 확장 시스템에서는, n>2인 경우 (n-1)개의 중계기의 직교 변조 신호가 모노스태틱 신호 성분과 중첩될 수 있으며, 그럼에도 OFDM 레이더 센서에서 분리될 수 있다.
바람직하게는, 수신된 신호의 주파수 범위의 분리된 평가를 통해, 수신된 신호의 모노스태틱 성분으로부터 수신된 신호의 변조된 신호에 상응하는 성분이 분리된다. 이를 통해, 송신된 각각의 OFDM 심볼에 대해 수신된 신호의 주파수 스펙트럼의 대응 부분에 대한 분리된 평가를 간단한 방식으로 수행할 수 있다. 주파수 스펙트럼에서 신호 성분의 분리는 매우 간단하게 수행할 수 있다.
바람직하게, OFDM 레이더 센서는, 수신 신호의 하나 이상의 제1 주파수 범위 내에서 모노스태틱 레이더 에코에 상응하는 OFDM 심볼을 검출하고, 수신 신호의 하나 이상의 또 다른 제2 주파수 범위 내에서 중계기에 의해 변조된 신호의 바이스태틱 레이더 에코에 상응하는 OFDM 심볼의 레이더 에코를 검출하도록 구성된다. 그럼으로써, 상기 주파수 범위에 근거하여 OFDM 심볼이 중계기에서 유래하는 변조된 신호로서 인식되고, 모노스태틱 신호와 구별된다.
중계기가, OFDM 레이더 센서에 의해 송신되고 중계기에 의해 수신된 신호를 미리 결정된 주파수 오프셋만큼 주파수 편이시켜 상기 중계기에 의해 수신된 신호에 대해 직교하는 신호로 변조하면, 하나 이상의 제2 주파수 범위는 수신된 신호의 하나 이상의 제1 주파수 범위를 상기 주파수 오프셋만큼 편이시킨 것에 상응한다. 제1 주파수 범위 내의 부반송파 주파수는 모노스태틱 레이더 응답의 OFDM 심볼로 평가되고, 제2의 다른 주파수 범위 내 부반송파 주파수는 바이스태틱 레이더 응답의 주파수 편이된 OFDM 심볼로 평가된다.
하나 이상의 제1 주파수 범위는 바람직하게 송신 신호의 점유된 OFDM 부반송파에 상응하는 주파수를 포함한다. 하나 이상의 제2 주파수 범위는 바람직하게 송신 신호의 점유된 OFDM 부반송파에 대해 직교하는 주파수를 포함한다.
예를 들어, OFDM 레이더 센서는, 송신 신호의 점유된 OFDM 부반송파에 상응하는 주파수를 포함하는 수신 신호의 제1 주파수 범위를, 송신 신호의 점유된 OFDM 부반송파에 대해 직교하는 주파수를 포함하는 수신 신호의 또 다른 제2 주파수 범위와 분리하도록 구성될 수 있다. 따라서, OFDM 레이더 센서가 수신한 신호의 주파수 스펙트럼 내에서 제1 주파수 범위가 제2 주파수 범위와 분리되고, 각각의 포함된 OFDM 부반송파의 주파수 대역들이 개별적으로 평가될 수 있다.
분리된 주파수 범위들에서, 예를 들어, 송신 신호의 OFDM 심볼들의 레이더 에코 또는 중계기에 포함된 OFDM 심볼들의 변조된 신호의 레이더 에코가 각각 별도로 결정될 수 있다. 다시 말해, 송신 신호의 OFDM 심볼의, 제1 주파수 범위에 포함된 레이더 에코를 검출할 수 있고, 중계기의 변조 신호에 포함된 OFDM 심볼의, 제2 주파수 범위에 포함된 레이더 에코를 검출할 수 있다.
바람직하게, OFDM 레이더 센서는, 변조된 신호에 상응하는 수신 신호 성분을 평가할 때, 레이더 표적의 거리와 상대 반경 속도를 추정하기 위해, OFDM 레이더 센서와 중계기 사이의 송/수신 경로를 두 번 통과함으로써 도출되는 2배의 신호 전파 시간 및 2배의 도플러 편이를 고려하도록 구성된다. OFDM 레이더 센서와 중계기 사이의 송/수신 경로의 길이는 두 구성요소의 설치 위치에 따라 동일한 레이더 객체에 대한 모노스태틱 레이더 에코의 전파 시간 또는 거리의 약 2배이다. 예를 들어, OFDM 레이더 센서는, 제1 주파수 위치에서 모노스태틱 신호 성분의 주파수 스펙트럼에서 검출된 레이더 에코를, 상응하는 제2 주파수 위치에서 변조된 신호에 상응하는 수신 신호 성분의 주파수 스펙트럼에서 검출되는 레이더 에코에 할당하도록 구성되며, 이때, 제1 주파수 위치는 레이더 에코의 단일 도플러 편이에 해당하고, 제2 주파수 위치는 동일한 레이더 표적의 레이더 에코의 2배의 도플러 편이에 상응한다. 그에 상응하게, OFDM 레이더 센서는, 수신된 신호의 모노스태틱 성분에서 검출된 레이더 에코의 지연으로서, 센서와 레이더 표적 사이의 레이더 에코의 단일 신호 전파 시간에 상응하는 지연을, 동일한 레이더 표적에 대해 수신된 신호의 모노스태틱 성분에서 검출된 레이더 에코의 지연으로서, 센서와, 레이더 표적과, 중계기 사이의 송/수신 경로를 두 번 통과하는 것에 상응하는 지연에 할당하도록 구성될 수 있다.
이로써, 바이스태틱 레이더 에코에 대한 레이더 객체의 거리 및 속도의 추정 시, OFDM 레이더 센서와 중계기 사이의 송/수신 경로가 두 번 통과된 점이 고려된다.
OFDM 레이더 센서 시스템은 바람직하게 자동차용 OFDM 레이더 센서 시스템이다. 복수의 송/수신 유닛은 바람직하게는 자동차 상에서 따로 떨어진 위치들에 배치하기 위한 송/수신 유닛이다. 본 발명의 과제는 나아가 OFDM 레이더 센서 시스템을 구비한 자동차에 의해 해결된다.
하기에서는 도면을 참고로 실시예들을 더 상세히 설명한다.
도 1은 OFDM 레이더 센서 및 중계기를 가진 OFDM 레이더 센서 시스템이 장착된 자동차의 개략도이다.
도 2는 중계기의 개략도이다.
도 3은 OFDM 심볼의 부분 스펙트럼이다.
도 4는 OFDM 심볼의 신호 프로파일의 개략도이다.
도 5는 OFDM 심볼의 레이더 에코의 개략도이다.
도 6은 OFDM 레이더 센서의 개략적 구조도이다.
도 7은 중계기의 변조기의 기본 회로도이다.
도 8은 중계기의 또 다른 한 실시예의 개략도이다.
도 9는 또 다른 한 실시예에 따른 OFDM 심볼의 레이더 에코의 개략도이다.
도 10은 또 다른 한 실시예에 따른 OFDM 심볼의 부분 스펙트럼이다.
도 1에 도시된 OFDM 레이더 센서 시스템은 자동차(10)에 설치되어 있으며, 이 자동차(10)에서 예컨대 차량 전면에 서로 횡방향 간격(B)을 두고 설치된 OFDM 레이더 센서(12)와 능동 중계기(14) 형태의 송/수신 유닛을 포함한다. OFDM 레이더 센서(12)는 송신 신호(16)를 생성하여 송신하고, 이 송신 신호는 레이더 표적(18)에 의해 반사되거나 산란되어 OFDM 레이더 센서(12)에 의해 레이더 에코(20)로서 수신된다. 반사된 송신 신호(16)는 또한 중계기(14)에 의해 레이더 에코(22)로서 수신된다.
중계기(14)는 OFDM 레이더 센서(12)에 의해 생성되고 송신되어 중계기(14)에 의해 레이더 에코(22)로서 수신된 신호를 증폭하고, 이를 레이더 에코(22)에 직교하는 신호(24)로 변조하며, 변조된 신호는 중계기(14)에 의해 송신된다. 중계기에 의해 송신된 신호(24)는 레이더 표적(18)에 의해 다시 반사되어 변조된 레이더 에코(26)로서 OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된다. 따라서, OFDM 레이더 센서(12)의 수신 신호는 레이더 표적(18)의 직접 레이더 에코(20)를 포함하는 모노스태틱 성분과, 변조된 레이더 에코(26)를 포함함에 따라 변조된 신호(24)에 상응하는 바이스태틱 성분을 포함한다.
OFDM 레이더 센서(12)는 예를 들어, 신호(20)가 레이더 표적(18)으로부터 수신되는 각도(
Figure pct00001
1)를 추정하는 데 이용할 수 있는 각도 분해 OFDM 레이더 센서일 수 있다. 중계기(14)는 예를 들어, 고도 방향 및 방위각 방향으로 비교적 넓은 시야(field of view)를 갖는 송신 또는 수신 안테나(들)를 구비한 트랜시버일 수 있다. 중계기(14)의 가시 범위는 예를 들어 주어진 거리 범위에 대한 OFDM 레이더 센서(12)의 가시 범위에 상응할 수 있다. 이에 의해, 도 1에 도시된 바와 같이, 중계기(14)로 반사된 신호(22)는 동일한 송/수신 경로 상에서 레이더 표적(18)에서 다시 반사되어 OFDM 레이더 센서(12)로 귀환될 수 있다. 레이더 에코(22)가 중계기에 의해 수신되는 각도(
Figure pct00002
2)는 각도(
Figure pct00003
1)와 상이할 수 있으며, 그에 따라 편심 레이더 표적(18)도 모노스태틱 및 바이스태틱 레이더 에코(20, 26)를 전송한다.
도 2는 수신 안테나(28) 및 송신 안테나(30)를 가진 중계기(14)의 개략도이다. 도 2에는, 송신 신호(24)의 일부분의 방향이 도시되어 있으며, 이 방향으로부터 상기 신호(24)가 유래하여 레이더 표적(18)에서 다시 반사되어 OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된다.
중계기(14)는 적어도 하나의 증폭기, 본 실시예에서는 수신 증폭기(32) 및 송신 증폭기(34)를 포함한다. 또한, 중계기(14)는, 수신되어 변조된 형태로 재전송되는 신호의 주파수 편이를 위한 변조기(36)를 더 포함한다. 변조기(36)는 수신 신호(22)를, 상기 수신 신호(22)의 복소 주파수 위상의 편이에 상응하는, 미리 정해진 주파수 오프셋(Δf0)만큼 주파수 편이시키며, 이 경우 위상은 조화 진동에 따라 변한다. 위상 편이는 아래 도 7의 실시예에서 설명되는 바와 같이 I/Q 신호 성분의 진폭(I, Q)을 통해 제어된다.
도 3은 송신 신호(16)의 OFDM 심볼의 스펙트럼 일부분의 개략도이다. 주파수(f)에 대해 신호 진폭(A)이 도시되어 있다. 심볼 기간(T)의 OFDM 심볼을 갖는 OFDM 신호에서 OFDM 변조를 위해, 직교성 조건 "T = 1/Δf"를 충족하는 최소 주파수 간격(Δf)을 가진 부반송파가 이용될 수 있다. Δf의 부반송파 주파수 간격에서, 심볼 기간(T) 이내에 부반송파의 진동 주기의 수가 정확히 1개의 주기만큼 또는 그 배수만큼 상이함에 따라, 부반송파들은 서로 직교한다.
OFDM 레이더 센서(12)의 송신 신호(16)에서는, 하나의 OFDM 심볼에서 매 n번째 부반송파만 점유된다. 도 3에 도시된 실시예에서 n = 2이다. 도 3에는 도해를 간소화하기 위해, 주파수 f1 및 f2에서 OFDM 심볼의 2개의 점유된 부반송파만 도시되어 있다.
도 3에 도시된 신호(16)의 주파수 스펙트럼은, 도플러 편이를 무시한 조건에서, 중계기(14)에 의해 수신된 레이더 에코(22)의 주파수 스펙트럼에 상응한다. 상기 수신 신호(22)는 통상 시간상 지연된, 그리고 경우에 따라 도플러 편이된 레이더 에코의 중첩을 포함하며, 그 중 개별 레이더 에코(22)의 하나의 부분 스펙트럼만이 도 3에 도시되어 있다.
변조기(36)는, 최소 부반송파 간격(Δf)에 상응하는 주파수 오프셋(Δf0)만큼 신호(22)의 주파수 편이를 일으킨다. 증폭되어 중계기(14)에 의해 귀환된 신호(24)의 주파수 스펙트럼은 도 3에서 개략적으로 동일 진폭으로 파선으로 도시되어 있다. 주파수 편이로 인해 신호(22, 24)는 서로 직교한다. 변조된 레이더 에코의 점유된 부반송파는 도 3에 도시된 바와 같이 레이더 에코(22)로서 수신된 OFDM 심볼들의 갭 내에 있다.
도 4에는 시간(t)에 대한 송신 신호(16)의 OFDM 심볼의 신호 프로파일이 개략적으로 도시되어 있다. OFDM 변조 방식에 상응하게 신호의 점유된 개별 부반송파가 변조되며, 이때 예컨대 각각의 점유된 부반송파가 복소 진폭으로 변조된다.
도 5에는, 개별 부반송파가 위치하는 복수의 제1 주파수 범위(38)를 포함하며 OFDM 레이더 센서(12)의 수신 신호에 포함된 OFDM 심볼의 모노스태틱 레이더 에코(20); 및 제2 주파수 범위(40) 내에서 바이스태틱 레이더 에코(26)에 포함된 OFDM 심볼;이 개략적으로 도시되어 있다. OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된 모노스태틱 신호 성분(20)은 제1 주파수 범위(38) 내에 위치하며, 통상 시간상 지연되고 경우에 따라 도플러 편이된 레이더 에코의 중첩을 포함한다. 이와 대조적으로, 바이스태틱 수신 레이더 에코(26)는 추가로 주파수 간격(Δf0)만큼의 주파수 편이를 가지고, 그 밖에도 지연 및 경우에 따라 도플러 편이를 가지며, 상기 도플러 편이는 레이더 표적(18)을 통해 송/수신 경로가 두 번 통과된 것에 상응한다. 서로 상이한 주파수 범위(38, 40)로 인해 모노스태틱 신호 성분과 바이스태틱 신호 성분이 따로 처리될 수 있다.
도 6에는 송신 분기(42) 및 수신 분기(44)를 갖는 OFDM 레이더 센서(12)의 기본 회로도가 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 OFDM 심볼 단계에 대해 개별 부반송파에 대한 서브 심볼을 포함하는 변조 심볼(s)이 역 푸리에 변환을 통해 시간 영역에서 OFDM 심볼(x)로 변환된다. OFDM 심볼(x)은 이미 공지된 방식으로 심볼 길이(T)의 본질적인 OFDM 심볼 및 이 OFDM 심볼의 끝 섹션의 복사본인 주기적 전치(cyclic prefix)를 포함한다. OFDM 심볼(x)은 DA 변환기에 의해 아날로그 신호로 변환되며, 상기 아날로그 신호를 이용하여 I/Q 변조기(45)가 송신 신호(16)를 생성하기 위해 국부 발진기(LO)의 송신 주파수(f0)를 변조한다.
수신 분기(44)에서는 신호 성분(20, 26)을 포함하는 수신 신호가 I/Q 복조기(46)에서 국부 발진기(LO)의 레이더 주파수로 복조되고, AD 변환기에 의해 디지털화되며, FFT를 이용하여 푸리에 변환이 수행된다. 푸리에 변환 시, 수신 신호(20, 26)에 포함된 부반송파는 주파수 스펙트럼 내 분리된 주파수 위치들에 매핑된다.
그런 다음, 주파수 스펙트럼의 제1 주파수 범위(38)와 주파수 스펙트럼의 제2 주파수 범위(40)는 서로 분리된 처리 분기에서 따로 추가 처리된다. 모노스태틱 레이더 에코에 상응하는 제1 주파수 범위(38)에 대해, 송신된 OFDM 신호(s)에 의한 수신 신호의 복소 스펙트럼 분할이 수행된다. 이를 수신 신호 성분의 정규화라고 할 수 있다. 상기 처리는 OFDM 레이더 측정의 연속적인 OFDM 심볼(s)에 대해 수행된다. 따라서 OFDM 심볼(s)의 시퀀스 및 부반송파에 상응하게 2차원 스펙트럼(E1) 내에서 전파 시간 및 도플러 편이에 의해 생성된 복소 지수의 합계가 획득된다.
이와 대조적으로, 중계기(14)의 변조 신호에 상응하는, 제2 주파수 범위(40)의 신호 성분은 추가로, 중계기(14)가 송신 신호를 변조한 주파수 간격(Δf0)만큼의 주파수 편이의 형태로 복조된다. OFDM 심볼(s)의 시퀀스에 의한 복소 스펙트럼 분할을 이용한 추가 처리는 모노스태틱 신호의 처리에 상응하며, 2차원 스펙트럼(E2)이 획득된다.
각각의 검출 장치(47)가 주파수 범위(38, 40)에 대한 2개의 개별 처리 분기에서 획득된 2D 스펙트럼(E1, E2)을 평가하고, 상기 스펙트럼(E1, E2)의 피크에 기초하여 레이더 객체를 검출한다. 평가 장치(48)는 검출된 레이더 객체를 평가한다. 이때, 제2 주파수 범위(40)의 신호에 기반하여 레이더 에코의 2배의 도플러 편이에 상응하는 주파수 위치에서 검출된 레이더 객체는, 제1 주파수 범위(38)의 신호에 기반하여 단일 도플러 편이에 상응하는 주파수 위치에서 검출된 레이더 객체와 관련된다. 이와 유사한 방식으로, 2배의 전파 시간을 갖는 제2 주파수 범위(40)의 신호에 기반하여 검출된 객체는 단일 전파 시간을 갖는 제1 주파수 범위(38)의 신호에 기반하여 검출된 상응하는 객체에 할당된다.
도 7에는 변조기(36)의 기본 회로도가 개략적으로 도시되어 있다. 변조기(36)의 입력(49)은, 변조기(36)의 입력 신호를 동위상 신호(in-phase signal)와 직교 신호로 분할하는 I/Q 스플리터(50)에 연결된다. 다시 말해서, I/Q 스플리터(50)는 도 7에서 상단의 제1 신호 분기에서 0°의 위상 편이를 갖는 입력 신호를 제공하고, 도 7에서 하단의 제2 신호 분기에서 90°의 위상 편이를 갖는 입력 신호를 제공한다. I/Q 스플리터(50)는 이미 공지된 방식으로 수동 LC 네트워크에 의해 구성된다. 상단 및 하단 신호 분기는 각각 하나의 체배기(52 또는 54)를 포함하며, 이들 체배기는 도 7에서 조정 가능한 진폭을 갖는 증폭기 및 신호의 가능한 부호 변경을 나타내는 기호로 도시되어 있다. 체배기(52, 54)는 추가 입력 변수로서 변조 신호의 I/Q 성분을 얻는다. 변조 신호는 주파수 오프셋(Δf0)에 상응하는 주파수를 갖는 조화 진동이며, 예컨대 I = sin(27πt Δf0)이고, Q = cos(2πt Δf0)이다. 체배기(52, 54)의 출력은 변조기(36)의 출력(56)에서 합산 요소(58)에 의해 정확한 위상으로 합산된다. 이로써 변조기(36)에 의해 입력 신호의 위상 편이가 수행되며, 복소 위상 편이 벡터는 주파수(Δf0)로 순환(회전)한다.
전술한 실시예들은 본 발명을 예시적으로 설명하기 위해 제시된 것이며 변형될 수 있다.
따라서, 예를 들어 도 2에 도시된 중계기(14) 대신, 도 8에 도시된 중계기(14')가 사용될 수 있다. 중계기(14')는, 방향성 결합기(42) 및 입력 증폭기(32) 및/또는 출력 증폭기(34)를 통해 변조기(36)에 연결된 공통 송/수신 안테나(60)가 제공된다는 점에서 도 2의 실시예와 상이하다. 방향성 결합기(62)는 3개의 입력/출력 단자를 포함한다. 방향성 결합기(62)는 안테나(60)로부터 수신된 신호를 증폭기(32)를 통해 변조기(36)에 결합한다. 변조기(36) 또는 증폭기(34)의 출력 신호는 송신을 위해 안테나(60)의 방향으로 결합된다.
도 9에는 또 다른 한 실시예에 따른, 도 5에 상응하는 도면이 도시되어 있다. 이 실시예에서는, 중계기(14)의 변조기(36)에 의해 야기된 주파수 편이(Δf0)가 OFDM 심볼의 점유 대역폭에 대응하거나 이보다 더 크다. OFDM 레이더 센서(12)의 송신 신호의 OFDM 심볼의 경우, 본 실시예에서는 함께 제1 주파수 범위(38)에 포함된 직접 연속하는 부반송파가 점유된다. 바이스태틱 방식으로 수신된 레이더 에코는, 제1 주파수 범위(38)에 비해 주파수 오프셋(Δf0)만큼 편이된 제2 주파수 범위(40)에 포함된다. OFDM 심볼을 위해 q개의 연속하는 부반송파를 사용할 경우, 본 실시예에서 주파수 간격은 qΔf이고, 여기서 Δf는 2개의 연속하는 부반송파 사이의 간격이다.
전술한 도 2 및 도 5의 실시예는 상응하는 방식으로 복수의 능동 중계기(14)를 갖는 OFDM 레이더 센서 시스템으로 일반화될 수 있다. 도 10에는 매 세 번째 부반송파만 점유된 송신 신호(16)의 추가 실시예의 OFDM 심볼의 일부가 도 3에 상응하는 도면으로 도시되어 있다. 추가 중계기(14)는 주파수 오프셋(2Δf0)에 의해, Δf0만큼 편이된 제1 중계기(14)의 신호에 직교하는 변조된 신호를 생성할 수 있다. 이 경우, OFDM 레이더 센서(12)는 상이한 중계기(14)로부터 유래하는 레이더 에코들을, 상응하는 주파수 범위 내에서의 그들의 위치에 기반하여 서로 그리고 모노스태틱 레이더 에코와 구별하고, 이들을 3개의 처리 분기에서 개별적으로 처리할 수 있다.

Claims (10)

  1. 복수의 송/수신 유닛(12, 14)을 가진 OFDM 레이더 센서 시스템으로서, 상기 송/수신 유닛 중 하나는 OFDM 레이더 센서(12)이고 상기 송/수신 유닛 중 다른 하나는 중계기(14)이며, 상기 중계기는, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 생성되어 송신되고 중계기(14)에 의해 수신된 신호(22)를 중계기(14)에 의해 수신된 신호(22)에 대해 직교하는 신호로 변조하고, 변조된 신호(24)를 전송하도록 구성되며, OFDM 레이더 센서(12)는, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된 신호(20, 26) 중에서 변조된 신호(24)에 상응하는 성분(26)을 OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된 신호(20, 26)의 모노스태틱 성분(20)으로부터 분리하도록 구성되는, OFDM 레이더 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 중계기(14)에 의해 전송되는 신호는, 중계기(14)에 의해 수신되어 미리 결정된 주파수 오프셋(Δf0)만큼 주파수 편이된 신호를 포함하는, OFDM 레이더 센서 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 미리 결정된 주파수 오프셋(Δf0)은, 변조된 신호(24) 내에서 중계기에 의해 수신된 신호(22)에 포함된 OFDM 부반송파가 상기 주파수 오프셋(Δf0)만큼 편이된 상응하는 OFDM 부반송파에 대해 직교하는 주파수 오프셋(Δf0)인, OFDM 레이더 센서 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중계기(14)는, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 생성되어 송신되고 중계기(14)에 의해 수신된 신호(22)를 미리 결정된 주파수 오프셋(Δf0)만큼 주파수 편이시켜 중계기(14)에 의해 수신된 신호(22)에 대해 직교하는 신호(24)로 변조하도록 구성되는, OFDM 레이더 센서 시스템.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 결정된 주파수 오프셋(Δf0)만큼의 주파수 편이는 I/Q 신호의 위상 편이를 통해 수행되며, 상기 위상 편이는 조화 진동(harmonic oscillation)에 따라 미리 결정된 주파수 오프셋(Δf0)에 상응하는 주파수로 변동하는, OFDM 레이더 센서 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 중계기(14)는 중계기(14)에 의해 수신된 신호(22)를 미리 정해진 주파수 간격(Δf0)만큼 주파수 편이시키기 위한 변조기(36)를 구비하며, 변조기(36)는:
    중계기(14)에 의해 수신된 신호(22)로부터 기준 레이더 주파수(f0)를 기준으로 서로 90°씩 위상 편이된 I/Q 신호 성분을 제공하도록 구성된 I/Q 스플리터(50)와;
    부호를 지닌 개별 I/Q 신호 성분을 미리 정해진 주파수 간격(Δf0)에 상응하는 주파수를 가진 변조 신호의 I/Q 변조 신호 성분과 곱하도록 구성된 체배기(52, 54)와;
    체배기(52, 54)의 출력 신호 성분이 결합되는 출력(56);을 구비하는, OFDM 레이더 센서 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 생성되고 송신된 신호(16)가 주파수 스펙트럼 내에 점유되지 않은 OFDM 부반송파를 가지며, 이 경우 중계기(14)는, 중계기(14)에 의해 수신된 신호 내에서 점유된 OFDM 부반송파로부터, 중계기(14)에 의해 수신된 신호 내에서 점유되지 않은 OFDM 부반송파의 주파수 범위에 상응하는 주파수 범위 내에 놓인, 주파수 편이된 OFDM 부반송파를 생성하도록 구성되는, OFDM 레이더 센서 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 송신된 송신 신호(16)는 매 n번째 부반송파만을 점유하고, 여기서 n은 1보다 큰 자연수이며, 변조된 신호(24)는 중계기(14)에 의해 수신된 신호(22)에 비해 부반송파 간격(Δf)의 (m + pn)배에 상응하는 주파수 오프셋(Δf0)만큼 편이되며, 여기서 m은 n보다 작은 자연수이고 p는 정수인, OFDM 레이더 센서 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된 신호(20, 26)의 모노스태틱 성분(20)으로부터 OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된 신호(20, 26)의, 변조된 신호(24)에 상응하는 성분(26)의 분리는, 수신된 신호(20, 26)의 주파수 범위(38, 40)의 분리된 평가를 통해 수행되는, OFDM 레이더 센서 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, OFDM 레이더 센서(12)는, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된 신호(20, 26)의 하나 이상의 제1 주파수 범위(38) 내에서 모노스태틱 레이더 에코(20)에 상응하는 OFDM 심볼(s)을 검출하고, OFDM 레이더 센서(12)에 의해 수신된 신호(20, 26)의 하나 이상의 또 다른 제2 주파수 범위(40) 내에서 중계기(14)에 의해 변조된 신호(24)의 바이스태틱 레이더 에코(26)에 상응하는 OFDM 심볼의 레이더 에코를 검출하도록 구성되는, OFDM 레이더 센서 시스템.
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