KR20240074193A - 레이다 장치 및 그에 있어서의 신호처리 방법 - Google Patents

레이다 장치 및 그에 있어서의 신호처리 방법 Download PDF

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Abstract

예시적 실시예에 따르면, 복수의 수신 안테나를 구비하는 레이다 장치에서, 광대역 ADC의 대역폭이 허용하는 범위 내에서 ADC의 개수를 1개로까지 줄일 수 있으며, 이에 따라 ADC와 배선이 차지하는 칩 면적을 줄일 수 있고, 배선 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 한 번에 여러 채널의 수신신호를 샘플링 함으로써 개별 ADC간 동기가 어긋날 수 있는 문제를 방지할 수 있는 레이다 장치가 제공된다. 대역 제한된 각 수신신호가 주파수 축 상에서 다른 위치를 점유하도록, 하향 주파수 변환 시에 사용되는 각 국부발진신호 주파수가 옵셋 주파수만큼 (비트 주파수 신호 대역폭만큼) 다르게 설정된다. 하향 주파수변환된 각 수신신호들은 하나로 모아져 하나의 아날로그/디지털 변환기를 사용하여 디지털 변환되며, 디지털 도메인에서 신호처리 과정을 통해 각 신호대역이 분리되어 디지털 변환된 수신신호 데이터들을 얻게 된다.

Description

레이다 장치 및 그에 있어서의 신호처리 방법{Radar Apparatus and Signal Processing Method therein}
본 발명은 레이다 장치에 관한 것으로서, 특히, 연속파 신호를 사용하고 다수의 수신 안테나를 사용하는 레이다 장치에 관한 것이다. 아울러, 본 발명은 이와 같은 레이다 장치에서의 신호처리 방법에 관한 것이다.
주파수 변조 연속파(FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave) 레이다는 주파수 변조된 연속파 신호를 방사하여 타겟을 검출하는 레이다이다. 펄스 레이다에 비하여 소출력이어서 탐지 거리는 짧지만, 시스템 구성이 단순하기 때문에, 타겟의 존재, 타겟까지의 거리, 타겟의 속도, 타겟의 방향 내지 신호 도래각(Angle of Arrival) 등을 검출하기 위한 민간용 레이다로서 가장 널리 사용되고 있다고 할 수 있다.
도 1은 FMCW 신호와 다중 입력 다중 출력(MIMO) 안테나를 사용하는 종래의 FMCW MIMO 레이다의 블록도이다. 도 1에 도시된 레이다 장치는, 각각이 복수의 개별안테나로 구성된 송신 배열안테나와 수신 배열안테나를 구비한다. 각 수신 배열안테나를 구성하는 개별안테나에는 각각의 수신 RF 블록이 연결되어 있다. 각 수신 RF 블록에는 하향 주파수변환부가 연결되어 있다. 수신신호의 위상 검출을 위해 주파수 변환 전에 I/Q(In-phase/Quadrature phase) 경로가 분리되어야 하기 때문에, 각 RF 경로마다 2개의 하향 주파수변환부가 연결된다. 주파수변환부에 의해 기저대역 아날로그 신호 즉, 송수신 주파수의 차에 해당하는 비트 주파수(beat frequency) 신호)로 하향변환된 신호의 디지털화를 위해서 I/Q 경로별로 아날로그/디지털 변환기(ADC)가 사용된다.
결과적으로, 안테나 개수 내지 RF 경로 개수의 2배에 해당되는 ADC가 아날로그 기저대역신호의 디지털화에 사용되고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, FMCW MIMO 구조에서는 하향변환된 복수의 기저대역 신호들이 주파수축 상에서 동일 위치를 점유하고 있기 때문에, 각 신호 경로가 물리적으로 분리되고 각 신호 경로에 대하여 별도의 ADC를 사용된다.
그런데, FMCW MIMO 레이다의 가장 큰 장점이자 레이다의 대표적인 성능 지표 중 하나인 각도 해상도를 높이기 위해서는, 레이다에 사용되는 안테나 개수를 증가시켜야 하는데, 이와 같이 안테나 개수를 증가시키면 그에 따른 ADC 개수도 안테나 개수, 즉 수신 RF 경로 수의 2배로 늘어나게 된다. 일반적인 상용 FMCW MIMO 레이다에서는 다중 송수신 RF부, 주파수 하향변환부, 복수의 ADC까지 하나의 칩 내에 실장되기 때문에, 위와 같이 많은 수의 ADC를 사용하게 되면 ADC의 수에 비례하여 칩 면적 증가, 칩 내 배선 복잡도 증가, ADC간 동기가 어긋날 수 있는 등의 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예들은 복수의 수신 안테나를 구비하는 레이다 장치에서, 광대역 ADC의 대역폭이 허용하는 범위 내에서 ADC의 개수를 1개로까지 줄일 수 있으며, 이에 따라 ADC와 배선이 차지하는 칩 면적을 줄일 수 있고, 배선 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 한 번에 여러 채널의 수신신호를 샘플링 함으로써 개별 ADC간 동기가 어긋날 수 있는 문제를 방지할 수 있는 레이다 장치를 제공한다.
본 발명의 예시적 실시예들은 이와 같은 레이다 장치에서 복수의 안테나를 통해 수신되는 신호로부터 표적을 탐지하는 신호처리 방법을 제공한다.
예시적 실시예에 따른 레이다 장치에서는, 수신 배열안테나의 각 RF 경로로 부터 전달되는 대역 제한된 각 수신신호가 주파수 축 상에서 다른 위치를 점유하도록, 하향 주파수 변환 시에 사용되는 각 국부발진신호 주파수가 옵셋 주파수만큼 (비트 주파수 신호 대역폭만큼) 다르게 설정된다. 하향 주파수변환된 각 수신신호들은 하나로 모아져 하나의 아날로그/디지털 변환기를 사용하여 디지털 변환되며, 디지털 도메인에서 신호처리 과정을 통해 각 신호대역이 분리되어 디지털 변환된 수신신호 데이터들을 얻게 된다.
상기 옵셋 주파수는 상기 레이다 장치의 비트 주파수 신호 대역폭과 동일하게 설정될 수 있다. 여기서, 비트 주파수 신호 대역폭은 상기 레이다 장치에서 예상되는 최대 비트 주파수 신호 대역폭을 나타낼 수 있다. 또는 상기 옵셋 주파수는 상기 비트 주파수 신호 대역폭보다 크게 설정될 수 있다.
예시적 실시예의 일 측면에 따르면, 레이다 장치는 국부 발진기 신호를 토대로 알에프(RF) 송신 신호를 생성하고, 상기 RF 송신 신호에 상응한 송신 전파 신호를 방사하는 송신 안테나를 포함하는 송신 회로; 상기 송신 전파 신호가 타겟에서 반사된 후 진행한 각각의 수신 전파 신호를 복수의 안테나들을 통해 검출하고, 검출된 신호들을 증폭하여, n개(n은 2이상의 자연수)의 RF 수신 신호들을 획득하는 수신 회로; 상기 n개의 RF 수신 신호들 각각을 동위상(I) 채널과 직교위상(Q) 채널의 중간주파수(IF) 대역들로 대역 변환하되, 2n개의 IF 신호들이 소정의 옵셋 주파수만큼 차이나는 2n개의 주파수 대역들에 각각 배치되도록 대역 변환하는 주파수 하향변환 회로; 상기 2n개의 IF 신호들을 모은 단일 IF 신호를 아날로그/디지털 변환하여 단일의 디지털 신호 스트림을 생성하는 아날로그/디지털 변환기; 및 상기 디지털 신호 스트림을 처리하여 상기 타겟의 정보를 추출하는 디지털 신호처리 회로;를 구비한다.
상기 주파수 하향변환 회로는 상기 n개의 RF 수신 신호들 각각을 I 채널 IF 대역으로 주파수 대역을 변환하는 한편, 90도만큼 위상을 쉬프트한 후 상기 I 채널 IF 대역과 다른 Q 채널 IF 대역으로 주파수 대역을 변환하여 2개의 IF 대역으로 대역 변환하도록 구성될 수 있다.
상기 주파수 하향변환 회로는 상기 2n개의 IF 대역들이 소정의 옵셋 주파수만큼 순차적으로 주파수 대역이 차이나게 주파수 대역을 변환하도록 구성될 수 있다.
상기 수신 회로는 각각이 상기 송신 전파 신호가 타겟에서 반사된 후 진행한 각각의 수신 전파 신호를 받아들이고 전기적인 신호로 변환하여, n개의 RF 수신 신호들 중 어느 하나를 출력하는 복수의 수신안테나들; 및 각각이 상기 n개의 RF 수신 신호들 중 대응하는 어느 하나를 증폭하는 복수의 저잡음 증폭기들;을 구비할 수 있다.
상기 주파수 하향변환 회로는 상기 국부 발진기 신호의 국부 발진 주파수에 상기 옵셋 주파수를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가지는 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 생성하되, 상기 국부 발진기 신호와 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 포함한 2n개의 발진 신호들 중 연이어진 2개의 발진 신호마다 90도만큼 위상이 서로 다르도록 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 생성하여, 상기 2n개의 발진 신호들을 출력하는 다중-주파수 국부 신호 발생 회로; 및 상기 n개의 RF 수신 신호들 각각에 상기 2n개의 발진 신호들 중 연이어진 2개의 발진 신호를 믹싱하여, 상기 2n개의 IF 신호들을 생성하는 주파수 변환 회로;를 구비할 수 있다.
상기 주파수 하향변환 회로는 상기 n개의 RF 수신 신호들 각각에 상기 국부 발진기 신호와 상기 국부 발진기 신호로부터 위상이 90도만큼 쉬프트된 위상-쉬프트 국부 발진기 신호를 믹싱함으로써, 2n개의 공통 IF 대역 신호들을 생성하는 제1 주파수 변환 회로; 상기 옵셋 주파수로부터 상기 옵셋 주파수를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가진 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 생성하는 다중-주파수 국부 신호 발생 회로; 및 상기 제1 주파수 변환 회로로부터의 상기 2n개의 공통 IF 대역 신호들 중 두 번째 이후의 공통 IF 대역 신호들 각각에 상기 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 각각 믹싱하여, (2n-1)개의 IF 신호들을 생성하는 제2 주파수 변환 회로;를 구비할 수 있다.
예시적 실시예의 다른 측면에 따르면, 레이다 장치에서의 신호처리 방법이 제공된다. 신호처리 방법은 레이다 장치의 송신 전파 신호에 따른 수신 전파 신호를 복수의 안테나들을 사용하여 검출하여 n개의 RF 수신 신호들을 획득하는 단계; 상기 n개의 RF 수신 신호들 각각을 동위상(I) 채널과 직교위상(Q) 채널의 중간주파수(IF) 대역들로 대역 변환하되, 2n개의 IF 신호들이 소정의 옵셋 주파수만큼 차이나는 2n개의 주파수 대역들에 각각 배치되도록 대역 변환하는 단계; 상기 2n개의 IF 신호들을 단일 IF 신호로 모으고, 상기 단일 IF 신호를 아날로그/디지털 변환하여 단일의 디지털 신호 스트림을 생성하는 단계; 및 상기 디지털 신호 스트림을 처리하여 상기 타겟의 정보를 추출하는 단계;를 포함한다.
상기 RF 수신 신호들을 대역 변환하는 단계는 상기 n개의 RF 수신 신호들 각각을 I 채널 IF 대역으로 주파수 대역을 변환하는 한편, 90도만큼 위상을 쉬프트한 후 상기 I 채널 IF 대역과 다른 Q 채널 IF 대역으로 주파수 대역을 변환하여 2개의 IF 대역으로 대역 변환하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 RF 수신 신호들을 대역 변환하는 단계는 상기 2n개의 IF 대역들이 소정의 옵셋 주파수만큼 순차적으로 주파수 대역이 차이나도록 대역 변환하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 RF 수신 신호들을 대역 변환하는 단계는 상기 송신 전파 신호의 생성에 사용된 국부 발진기 신호의 국부 발진 주파수에 상기 옵셋 주파수를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가지는 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 생성하되, 상기 국부 발진기 신호와 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 포함한 2n개의 발진 신호들 중 연이어진 2개의 발진 신호마다 90도만큼 위상이 서로 다르도록 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 생성하는 단계; 및 상기 n개의 RF 수신 신호들 각각에 상기 2n개의 발진 신호들 중 연이어진 2개의 발진 신호를 믹싱하여, 상기 2n개의 IF 신호들을 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 RF 수신 신호들을 대역 변환하는 단계는 상기 n개의 RF 수신 신호들 각각에 상기 송신 전파 신호의 생성에 사용된 상기 국부 발진기 신호와 상기 국부 발진기 신호로부터 위상이 90도만큼 쉬프트된 위상-쉬프트 국부 발진기 신호를 믹싱함으로써, 2n개의 공통 IF 대역 신호들을 생성하는 단계; 및 상기 2n개의 공통 IF 대역 신호들의 주파수 대역들이 상기 옵셋 주파수만큼 차이나는 2n개의 주파수 대역들에 각각 배치되도록 대역을 재변환하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 대역을 재변환하는 단계는 상기 옵셋 주파수로부터 상기 옵셋 주파수를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가진 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 생성하는 단계; 및 상기 제1 주파수 변환 회로로부터의 상기 2n개의 공통 IF 대역 신호들 중 두 번째 이후의 공통 IF 대역 신호들 각각에 상기 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 각각 믹싱하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예들에 따르면, 대역 제한된 각 수신신호의 하향 주파수 변환 시에 사용되는 각 국부발진신호 주파수가 수신신호마다 다르게 설정되며, 하향 주파수변환된 각 수신신호들은 하나로 모아져 적은 수의 ADC를 사용하여 디지털 변환되고, 디지털 도메인에서의 신호처리 과정을 통해 각 신호대역이 분리되어 디지털 변환된 수신신호 데이터들을 얻을 수 있게 된다.
광대역 ADC의 대역폭이 허용하는 범위 내에서 ADC의 개수를 1개로 줄일 수 있게 된다. 이에 따라, ADC와 배선이 차지하는 칩 면적을 줄일 수 있고, 배선 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 한 번에 여러 채널의 수신신호를 샘플링 함으로써 개별 ADC간 동기가 어긋날 수 있는 문제를 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 주파수-변조 연속파(FMCW) 다중 입력 다중 출력(MIMO) 레이다 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 FMCW MIMO 레이다 장치에서 각 수신 채널의 기저대역 대역폭과 전력 스펙트럼 밀도를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이다 장치의 블록도이다.
도 4는 RF 송신 신호의 일 예를 보여주는 파형도이다.
도 5는 도 4에 도시된 주파수 하향변환 회로의 상세 블록도이다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 다중-주파수 국부 신호 발생부의 상세 블록도이다.
도 7은 IF 대역으로 하향변환된 신호들의 주파수 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 8은 FMCW MIMO 레이다의 송수신 주파수 관계도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이다 장치의 블록도이다.
도 10은 도 9에 도시된 주파수 하향변환 회로의 상세 블록도이다.
도 11은 도 9 및 도 10에 도시된 다중-주파수 국부 신호 발생부의 상세 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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 서수가 다양한 구성요소들을 설명하는 데 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.
본 출원의 실시예들에서, "A 및 B 중에서 적어도 하나"는 "A 또는 B 중에서 적어도 하나" 또는 "A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 적어도 하나"를 의미할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시예들에서, "A 및 B 중에서 하나 이상"은 "A 또는 B 중에서 하나 이상" 또는 "A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 하나 이상"을 의미할 수 있다.
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.
달리 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이다 장치의 블록도이다. 도 3에 도시된 레이다 장치는, 여러 경로의 반사 신호를 획득하기 위해 다중 입력 다중 출력(MIMO) 안테나를 사용하는 FMCW MIMO 레이다로서, 처프 신호 발생회로(10), 송신 알에프(RF) 회로(20), 송신 배열안테나들(22), 수신 배열안테나들(30a~30n)과, 수신 RF 회로(40), 주파수 하향변환 회로(50), 아날로그/디지털 변환 회로(80), 디지털 신호처리 회로(90)를 포함한다.
처프 신호 발생회로(10)는 램프 신호를 발생하는 램프 신호 발생기(12)와, 상기 램프 신호를 토대로 국부 발진기 신호(LO)를 생성하여 처프 신호로서 출력하는 국부 발진기(14)를 포함한다. 송신 RF 회로(20)는 위상 쉬프터들과, 상기 위상 쉬프터들에 대응하여 마련되는 전력 증폭기들을 포함한다. 위상 쉬프터들은 각 송신안테나에서 송신신호가 방사될 때 동일한 위상 조건에서 방사되도록 각 송신회로 간의 위상차를 보정해준다. 전력 증폭기들은 위상 보정된 신호를 증폭하여, 증폭된 RF 송신 신호()를 생성한다. 송신 안테나들(22)은 증폭된 RF 송신 신호들을 송신 전파 신호로서 방사한다.
이에 따라, 처프 신호 발생회로(10)와, 송신 RF 회로(20)와, 송신 안테나들(22)은 처프 신호를 발생하고, 처프 신호를 토대로 RF 송신 신호를 생성하며, 상기 RF 송신 신호에 상응한 송신 전파 신호를 방사하는 송신 회로를 구성하게 된다. 램프 신호 발생기(12)에 의해 발생되는 램프 신호는 일정한 주기마다 크기가 시간에 따라 증가하는 파형을 가진다. 국부 발진기 신호(LO) 내지 처프 신호는 램프 신호에 따라 주파수가 결정되는 신호이며, 따라서 일정한 주기마다 주파수가 점차적으로 증가하는 파형을 가진다. 이에 따라, RF 송신 신호()는 도 4에 도시된 바와 같이, 국부 발진기 신호(LO) 내지 처프 신호와 마찬가지로 일정한 주기마다 주파수가 점차적으로 증가하는 파형을 가진다.
수신 배열안테나들(30a~30n) 각각은 소정의 동작 주파수대역과 수신 빔 패턴을 가지고 있으며, 상기 동작 주파수대역 내에 있는 전파 신호를 감지하여 전기적 신호로 변환한다. 특히, 수신 배열안테나들(30a~30n)이 수신하는 수신 전파 신호에는 상기 송신 전파 신호가 타겟 및/또는 다른 반사체에서 반사된 후 전파되어 진행한 반사파 신호와 잡음이 포함되어 있게 된다. 송신 전파 신호가 타겟에서 반사된 후 진행하여 수신 배열안테나들(30a~30n)에 의해 검출되는 신호를 이하의 설명과 청구범위에서는 수신 전파 신호들이라고 칭하고, 수신 배열안테나들(30a~30n)에 의해 전기적 신호로 변환된 신호들을 수신 신호들(SR1(t)~SRn(t))로 칭하기로 한다. 각 수신 신호(SR1(t)~SRn(t))는 RF 송신 신호()에서 타겟과의 거리에 비례하여 시간적으로 지연되고 진폭이 감쇠된 신호로 모델링될 수 있다(예컨대, ). 수신 배열안테나들(30a~30n)의 개수는 송신 배열안테나들(22)와 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 수신 RF 회로(40)는 수신 배열안테나들(30a~30n)에 대응하여 마련되는 n개의 저잡음 증폭기들을 포함한다. 저잡음 증폭기들은 수신 배열안테나들(30a~30n)이 검출한 수신 신호들(SR1(t)~SRn(t))을 증폭하여 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input)을 출력한다.
주파수 하향변환 회로(50)는 n개의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input) 각각의 주파수 대역을 서로 다른 중간주파수(IF) 대역으로 변환한다. 특히, 주파수 하향변환 회로(50)는 각 RF 수신 신호(RF1,input~RFn,input)를 동위상(I)-채널 IF 대역으로 대역 변환함과 아울러, 해당 RF 수신 신호(RF1,input~RFn,input)를 90도만큼 위상을 쉬프트한 후 I 채널 IF 대역과 다른 Q 채널 IF 대역으로 대역 변환함으로써, 각 RF 수신 신호(RF1,input~RFn,input)를 2개의 IF 대역으로 대역 변환한다. 각 RF 수신 신호(RF1,input~RFn,input)를 2개의 IF 대역으로 대역 변환하고, n개의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input)을 서로 다른 IF 대역들로 대역 변환하게 됨에 따라, 주파수 하향변환 회로(50)는 n개의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input)을 2n개의 서로 다른 IF 대역들로 대역 변환하게 되고, 2n개의 IF 신호들을 출력하게 된다. 이때, 2n개의 IF 대역들은 일정한 옵셋 주파수(Δf)만큼 순차적으로 주파수 간격이 이격되어 있게 된다.
예시적인 실시예에 있어서, 주파수 하향변환 회로(50)는 다중-주파수 국부 신호 발생부(60)와 주파수 변환 회로(70)를 포함할 수 있다. 다중-주파수 국부 신호 발생부(60)는 국부 발진기 신호(LO)의 국부 발진 주파수(f1)에 상기 옵셋 주파수(Δf)를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가지는 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들(LO1,Q~LOn,Q)을 생성한다. 이때, 다중-주파수 국부 신호 발생부(60)는 상기 국부 발진기 신호와 동일 주파수를 가지는 신호(LO1,I)와 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들(LO1,Q~LOn,Q)을 포함한 2n개의 발진 신호들(LO1,I~LOn,Q) 중 연이어진 2개의 발진 신호로 구성되는 발진 신호 쌍마다 90도만큼 위상이 다르도록 상기 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 생성한다. 다중-주파수 국부 신호 발생부(60)는 상기 2n개의 발진 신호들(LO1,I~LOn,Q)을 주파수 변환 회로(70)에 출력할 수 있다. 주파수 변환 회로(70)는 n개의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input) 각각에 상기 2n개의 발진 신호들(LO1,I~LOn,Q) 중 연이어진 2개의 발진 신호를 각각 믹싱하여, 상기 2n개의 IF 신호들(SBB1,I~SBBn,Q)을 생성하게 된다.
예시적 실시예에 따르면, 주파수 대역이 상이한 2n개의 IF 신호들은 아날로그/디지털 변환 회로(80)의 입력 단자에서 하나의 신호로 모아질 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 아날로그/디지털 변환 회로(80)는 2n개의 IF 신호들을 모은 단일 IF 신호를 아날로그/디지털(A/D) 변환하여 단일의 디지털 신호 스트림을 생성한다. 예시적인 실시예에 따르면, 단일 IF 신호를 A/D 변환하는 A/D 변환 회로(80)는 단일의 A/D 변환기(ADC)에 의해 구현될 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 레이다 장치 중 적어도 일부를 반도체 집적회로로 구현하는 경우, ADC와 배선이 차지하는 칩 면적을 줄일 수 있고, 배선 복잡도를 감소시킬 수 있으며, ADC가 여러 개인 경우 발생할 수 있는 동기 문제를 방지할 수 있게 된다. 한편, 디지털 신호처리 회로(90)는 상기 디지털 신호 스트림을 처리하여 타겟의 정보를 추출할 수 있다. 이와 같은 디지털 신호처리 회로(90)는 필터링, 데시메이션, 그밖에 타겟 정보 추출을 위한 연산을 수행할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 주파수 하향변환 회로(50)의 상세 블록도이다. 앞에서 언급한 바와 같이, 주파수 하향변환 회로(50)는 다중-주파수 국부 신호 발생부(60)와 주파수 변환 회로(70)를 포함할 수 있다.
다중-주파수 국부 신호 발생부(60)는 상기 옵셋 주파수(Δf)를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가지는 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들(LO1,Q~LOn,Q)을 생성한다. 즉, 국부 발진기 신호(LO)의 국부 발진 주파수(f1)와 동일한 발진 주파수를 가지는 제1 발진신호(LO1,I)의 주파수가 f1이라고 할 때, 제2 발진신호(LO1,Q)의 주파수는 f1+Δf가 되며, 제3 발진신호(LO2,I)의 주파수는 f1+2Δf가 되고, 제4 발진신호(LO2,Q)의 주파수는 f1+3Δf가 된다. 이와 같은 방식으로, (2n-1)-번째 발진신호(LOn,I)의 주파수는 f1+(2n-2)Δf가 되고, 2n번째 발진신호(LOn,Q)의 주파수는 f1+(2n-1)Δf가 된다.
이때, 국부 발진기 신호와 동일 주파수를 가지는 신호(LO1,I)와 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들(LO1,Q~LOn,Q)을 포함한 2n개의 발진 신호들(LO1,I~LOn,Q) 중에서, 연이어진 2개의 발진 신호로 구성되는 발진 신호 쌍마다 발진 신호들은 90도만큼 위상이 다르다. 즉, 발진 신호들(LO1,I, LO1,Q)로 구성된 제1 발진 신호 쌍에서, 발진 신호(LO1,I)와 발진신호(LO1,Q)는 위상이 90도만큼 서로 다르다. 또한, 발진 신호들(LO2,I, LO2,Q)로 구성된 제2 발진 신호 쌍에서, 발진 신호(LO2,I)와 발진신호(LO2,Q)는 위상이 90도만큼 서로 다르다. 마찬가지로, 발진 신호들(LOn,I, LOn,Q)로 구성된 n-번째 발진 신호 쌍에서, 발진 신호(LOn,I)와 발진신호(LOn,Q)는 위상이 90도만큼 서로 다르다.
주파수 변환 회로(70)는 2n개의 믹서(721,I~72n,Q)와, 2n개의 대역통과필터(741,I~74n,Q)를 포함할 수 있다. 각 믹서(721,I~72n,Q)는 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input) 중 대응하는 것과 발진 신호들(LO1,I~LOn,Q) 중 대응하는 것을 믹싱하여 해당 RF 수신 신호의 주파수 대역을 IF 대역으로 변환한다. 예를 들어, 제1 믹서 쌍의 두 믹서들(721,I~721,Q)은 제1 RF 수신 신호(RF1,input)에 제1 발진 신호 쌍의 발진 신호(LO1,I)와 발진신호(LO1,Q)을 각각 믹싱하여, 제1 RF 수신 신호(RF1,input)에 대한 I 채널 IF 신호(SBB1,I)와 Q 채널 IF 신호(SBB1,Q)를 각각 출력한다. 제2 믹서 쌍의 두 믹서들(722,I~722,Q)은 제2 RF 수신 신호(RF2,input)에 제2 발진 신호 쌍의 발진 신호(LO2,I)와 발진신호(LO2,Q)을 각각 믹싱하여, 제2 RF 수신 신호(RF2,input)에 대한 I 채널 IF 신호(SBB2,I)와 Q 채널 IF 신호(SBB2,Q)를 각각 출력한다. 마찬가지로, n-번째 믹서 쌍의 두 믹서들(72n,I~72n,Q)은 n-번째 RF 수신 신호(RFn,input)에 n-번째 발진 신호 쌍의 발진 신호(LOn,I)와 발진신호(LOn,Q)을 각각 믹싱하여, n-번째 RF 수신 신호(RFn,input)에 대한 I 채널 IF 신호(SBBn,I)와 Q 채널 IF 신호(SBBn,Q)를 각각 출력한다. 2n개의 대역통과필터들(741,I~74n,Q) 각각은 2n개의 믹서(721,I~72n,Q)에서 각각 출력되는 IF 신호(SBB1,Q~SBBn,Q)를 대역통과필터링하여 불필요한 신호 성분을 제거한다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 다중-주파수 국부 신호 발생부(60)의 상세 블록도이다. 도시된 실시예에 있어서, 다중-주파수 국부 신호 발생부(60)는 발진기(61)와, (2n-1)개의 믹서들(621,Q,622,I~62n,Q)과, (2n-1)개의 대역통과필터들(641,Q,642,I~64n,Q)과, n개의 위상 쉬프터들(681~68n)을 구비할 수 있다. 또한, 다중-주파수 국부 신호 발생부(60)는 상기 (2n-1)개의 대역통과필터들(641,Q,642,I~64n,Q)의 출력단에 접속되는 (2n-1)개의 증폭기(661,Q, 662,I~66n,Q)을 추가적으로 구비할 수 있다.
발진기(61)는 옵셋 주파수(Δf)의 주파수를 갖는 고정주파수 신호를 발생한다. 국부 발진기 신호와 동일 주파수(f1)를 가지는 신호는 제1 발진 신호 쌍의 제1 발진신호(LO1,I)로서 그대로 출력될 수 있다. 믹서(621,Q)는 발진신호(LO1,I)에 고정주파수 신호를 믹싱하여 주파수 대역을 옵셋 주파수(Δf)만큼 천이시켜 f1+Δf를 중심으로 한 IF 대역으로 천이시킬 수 있다. 대역통과필터(641,Q)는 믹서(621,Q)의 출력 신호를 대역통과필터링하여 불필요한 주파수 대역의 신호 성분을 제거한다. 증폭기(661,Q)는 대역통과필터(641,Q)의 출력 신호를 증폭하여, 믹서(621,Q) 및/또는 대역통과필터(641,Q)에서의 신호 감쇠를 보완할 수 있다. 위상 쉬프터(681)는 증폭기(661,Q)의 출력 신호에 대하여 90도만큼 위상을 쉬프트하여, 제1 발진 신호 쌍의 제2 발진신호(LO1,Q)로서 출력될 수 있다.
믹서(622,I)는 발진신호(LO1,I)에 고정주파수 신호를 믹싱하여 주파수 대역을 옵셋 주파수(Δf)만큼 천이시켜 f1+2Δf를 중심으로 한 대역으로 천이시킬 수 있다. 대역통과필터(642,I)는 믹서(622,I)의 출력 신호를 대역통과필터링하고, 증폭기(662,I)는 대역통과필터(642,I)의 출력 신호를 증폭할 수 있다. 증폭기(662,I)의 출력 신호는 제2 발진 신호 쌍의 제1 발진신호(LO2,I)로서 출력될 수 있다. 믹서(621,Q)는 발진신호(LO2,I)에 고정주파수 신호를 믹싱하여 주파수 대역을 옵셋 주파수(Δf)만큼 천이시켜 f1+3Δf를 중심으로 한 대역으로 천이시킬 수 있다. 대역통과필터(642,Q)는 믹서(622,Q)의 출력 신호를 대역통과필터링하고, 증폭기(662,Q)는 대역통과필터(642,Q)의 출력 신호를 증폭할 수 있다. 증폭기(662,Q)의 출력 신호는 제2 발진 신호 쌍의 제2 발진신호(LO2,Q)로서 출력될 수 있다.
이와 같이, 직렬연결된 믹서, 대역통과필터, 및 증폭기의 조합에 의해 옵셋 주파수(Δf)만큼 추가적으로 주파수가 증가된 발진 신호가 생성될 수 있다. 그리고, 각 발진 신호 쌍마다 제2 발진 신호, 즉 Q 채널의 발진 신호에 대해서는 위상 쉬프터에 의한 90도만큼의 위상 쉬프트가 이루어질 수 있다. 이에 따라 2n개의 발진 신호들(LO1,I~LOn,Q)이 생성될 수 있다.
도 7은 IF 대역으로 하향변환된 신호들의 주파수 스펙트럼을 보여주는 도면이다. 예시적 실시예에 따르면, 대역 제한된 복수의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input)은, 순차적으로 인접하게 배치되어 있는 복수의 IF 대역들로 대역 변환된다. 각 IF 대역으로 대역 변환된 신호들은 도 2의 종래 예에서와 같이 동일 주파수 대역을 점유하는 것이 아니라 주파수 축 상에서 다른 위치를 점유하기 때문에, 서로 영향을 미치지 않으면서 하나의 IF 대역 내지 기저대역 신호로 모아져서 처리될 수 있게 된다. 즉, 주파수 대역이 상이한 2n개의 IF 신호들은 아날로그/디지털 변환 회로(80)의 입력 단자에서 하나의 신호로 모아져서, 단일의 ADC에 의해 단일의 디지털 신호 스트림으로 변환될 수 있다.
도 3 내지 도 7에 도시된 레이다 장치는 다음과 같이 동작한다.
처프 신호 발생회로(10)에 의해 발생된 처프 신호는 송신 RF 회로(20)에 의해 위상이 보정된 후, 송신 배열안테나들(22)을 통해 송신 전파 신호로서 자유 공간으로 방사된다. 여기서, 송신 배열안테나들(22) 각각이 RF 송신 신호를 방사하지만, 본 명세서에는 설명의 편의상 그 중 하나의 안테나를 통해 방사되는 RF 송신 신호 만을 고려한다. 방사된 송신 전파 신호는 타겟에 의해 반사된 후 수신 배열안테나들(30a~30n)에 의해 검출될 수 있다.
수신 배열안테나들(30a~30n)에 의해 수신 전파 신호로부터 전기적 신호로 변환된 수신 신호들(SR1(t)~SRn(t)) 각각은 주파수 하향변환 회로(50)에 의해 I 채널 신호와 Q 채널 신호를 포함하는 1쌍의 IF 신호들로 대역 변환될 수 있다. 그리고, 상이한 수신 신호들(SR1(t)~SRn(t))은 상이한 주파수의 IF 대역으로 대역 변환될 수 있다. 이에 따라, n개의 수신 배열안테나들(30a~30n)을 통해 각각 획득된 n개의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input)은 서로 다른 2n개의 IF 대역들로 대역 변환된다. 그리고, 2n개의 IF 대역들은 일정한 옵셋 주파수(Δf)만큼 순차적으로 주파수 간격이 이격되어 있게 된다. 2n개의 IF 신호들은 하나의 신호로 모아져서 A/D 변환 회로(80)에 의해 디지털 비트스트림으로 변환되고, 디지털 영역에서 분석된다.
일반적인 FMCW 레이다는, 도 1에 도시된 바와 같이, 신호 송신 시에 사용한 국부 발진기 신호(LO)를 사용하여 수신 RF 신호를 기저 대역으로 변환한다. 이에 따라 송수신 신호의 주파수 차에 해당하는 비트 주파수(beat frequency) 신호가 기저대역으로 변환된 후 ADC로 입력된다. 일반적으로 FMCW 레이다 칩을 설계할 때, 이 비트주파수는 수십 MHz 이내에서 동작하도록 설계된다.
이에 반하여, 현재의 ADC 기술은 샘플링 속도 측면에서 초당 수 기가샘플(수 Gsps)의 속도를 구현할 수 있는 수준이다. 이와 같은 실제 A/D 변환 속도와 구현가능한 변환 속도 간의 차이를 감안하여, 예시적 실시예에 있어서는, 복수의 IF 신호를 주파수 영역에서 구분 가능하게 하나의 신호로 모으고, 하나로 모아진 IF 신호를 높은 ADC 샘플링 속도를 가진 단일의 ADC에 의해 디지털 신호로 변환하고, 디지털 영역에서 분석하여 타겟 관련 데이터를 도출하게 된다.
여기서, 하나로 모아져서 ADC에 의해 디지털 신호로 변환되는 신호는, 기저대역 신호라고 할 수도 있고 IF 대역 신호라고 할 수도 있다. 즉, 주파수가 주기적으로 일정한 대역폭에 걸쳐서 시간적으로 증가하는 레이다 신호의 특성상, 그리고 하향 대역 변환된 신호가 송수신 신호의 주파수 차이만큼의 주파수 값을 갖는 비트 주파수 신호라는 점을 고려하면, 단순한 기저대역 신호라기보다 IF 신호라고 하는 것이 나을 수 있다. 특히, 예시적 실시예에 따르면, 복수의 신호들이 일정한 옵셋 주파수(Δf)만큼 순차적으로 이격된 대역에 존재하게 되므로, 주파수 대역의 위치만을 고려하면 IF 신호라고 할 수 있다. 그렇지만, IF 신호가 더 이상 낮은 주파수 대역으로 하향변환되지 않고, 그대로 사용된다는 점에서 기저대역 신호라고 할 수도 있다. 이러한 점을 감안하여, 본 명세서에서는 A/D 변환 대상이 되는 신호에 대하여 '기저대역 신호'와 'IF 대역 신호' 내지 'IF 신호'라는 표현을 혼용하여 사용하기로 한다.
한편, 하나의 ADC에서 모아 처리할 수 있는 기저대역 내지 IF 대역의 신호의 개수는, 기저대역 신호를 기저대역 신호의 대역폭에 해당하는 최대 비트 주파수의 2배로 샘플링한다고 가정하면, 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.
그런데, 각 RF 수신 신호가 주파수 하향변환 회로(50)에서 I 채널 신호와 Q 채널 신호로 나뉘어 처리되므로, 하나의 ADC가 처리할 수 있는 RF 수신 신호 개수는 수학식 2에 의해 결정될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, IF 신호들이 간섭 없이 구분될 수 있는 범위 내에서, 즉 수학식 1과 2에 의해 허용되는 범위 내에서 여러, 수신 RF 경로에 대하여 하향 주파수변환된 IF 신호들을 하나로 모아서 단일 ADC에 의해 디지털 신호로 변환한다. 만약 ADC의 변환 속도에 비하여 RF 신호 경로의 숫자가 많은 경우에는, IF 신호들을 둘 이상의 그룹으로 그룹화하여, 각 그룹에 대하여 별도의 ADC를 사용할 수도 있다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 주파수 하향 변환 과정을 보다 구체적으로 설명한다.
도 8은 도 3에 도시된 FMCW MIMO 레이다의 송수신 주파수 관계도이다. 처프 신호와 RF 송신 신호는 일정한 주기()의 주기마다 주파수가 에서 까지 의 기울기로 상승하기를 반복한다. 송신 신호의 방사 후에, 의 지연 시간 후에 수신 신호가 탐지되는데, 여기서 d는 레이다 장치에서 타겟까지의 거리를 나타내고, c는 자유공간에서 전파의 전파 속도 즉, 광속을 나타낸다. 임의의 시점에서 송신 신호의 주파수와 수신 신호의 주파수의 차이는 비트 주파수가 된다.
어느 한 안테나에서 송신되는 송신 신호 는 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
한편, 채널별 수신신호의 하향 주파수변환에 사용하는 발진 신호는 국부 발진기 신호(LO)의 국부 발진 주파수(f1)에 옵셋 주파수(Δf)를 복수번 더한 크기를 가지게 된다. 구체적으로 m번째 경로의 I채널용 발진 신호 는 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
송신 신호 가 k번째 타겟에 반사되어 m번째 수신안테나에 수신되고 저잡음 증폭기에 증폭된 m번째 RF 수신 신호(RFm,input)가 발진 신호 ()에 의해 대역 변환될 수 있다. 대역 변환된 I 채널 IF 신호 는 수학식 5로써 표현될 수 있다.
이 IF 신호 를 대역통과필터링 또는 저역통과필터링시키면, 불필요한 신호성분, 즉 성분이 제거되고, 다음과 같은 기저대역 성분만 남게 된다.
위 식에서 보는 바와 같이, 대역 변환시 믹싱을 위한 발진 신호로 주파수가 인 신호를 사용하면 기저대역 내지 IF대역 신호의 주파수 대역이 주파수 축 상에서 만큼 이동하게 된다. 이러한 과정을 통해 각 수신 채널별로 주파수 변환에 사용하는 발진 신호의 주파수를 만큼 차이 나게 해주면, 각 IF 신호가 점유하는 주파수 대역의 위치만 변경시키고 다른 파라미터의 변화 없이 주파수 축 상에서 신호를 모을 수 있다.
송신 신호 가 k번째 타겟에 반사되어 m번째 수신안테나에 수신되고 저잡음 증폭기에 증폭된 m번째 RF 수신 신호(RFm,input)는 발진 신호 ()에 의해 대역 변환될 수 있다. 이때, m번째 경로의 Q채널 믹싱을 위한 발진 신호 는 다음 수학식 7로써 표현될 수 있다. 그리고, 대역 변환된 Q 채널 IF 신호 는 수학식 8에 의해 표현될 수 있다.
이 IF 신호 를 대역통과필터링 또는 저역통과필터링시키면, 불필요한 신호성분, 즉 성분이 제거되고, 다음과 같은 기저대역 성분만 남게 된다.
위 식에서 보는 바와 같이, 대역 변환시 믹싱을 위한 발진 신호로 주파수가 인 신호를 사용하면 Q채널에 대해서도 기저대역 내지 IF대역 신호의 주파수 대역이 주파수 축 상에서 만큼 이동하게 된다. 이러한 과정을 통해 각 수신 채널별로 주파수 변환에 사용하는 발진 신호의 주파수를 Δf만큼 차이 나게 해주면, 각 IF 신호가 점유하는 주파수 대역의 위치만 변경시키고 다른 파라미터의 변화 없이 주파수 축 상에서 신호를 모을 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이다 장치의 블록도이다. 도 3과 관련하여 설명한 실시예에서는 복수의 RF 수신 신호들을 곧바로 복수의 IF 대역들로 대역 변환되는 것과 달리, 본 실시예에 따르면 복수의 RF 수신 신호들이 동일한 IF 대역으로 1차 대역 변환된 후, 각기 다른 IF 대역들로 2차 대역 변환된다. 본 실시예에 따른, 레이다 장치는 처프 신호 발생회로(10), 송신 알에프(RF) 회로(20), 송신 배열안테나들(22), 수신 배열안테나들(30a~30n)과, 수신 RF 회로(40), 주파수 하향변환 회로(150), 아날로그/디지털 변환 회로(80), 디지털 신호처리 회로(90)를 포함한다. 주파수 하향변환 회로(150)를 제외한 나머지 구성들은 도 3의 실시예와 유사하므로 이들에 대한 설명은 편의상 생략하기로 한다.
본 실시예에 있어서도, 주파수 하향변환 회로(150)는 n개의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input) 각각의 주파수 대역을 서로 다른 중간주파수(IF) 대역으로 변환한다. 특히, 주파수 하향변환 회로(150)는 각 RF 수신 신호(RF1,input~RFn,input)를 I 채널 IF 대역으로 대역 변환함과 아울러, 해당 RF 수신 신호(RF1,input~RFn,input)를 90도만큼 위상을 쉬프트한 후 I 채널 IF 대역과 다른 Q 채널 IF 대역으로 대역 변환함으로써, 각 RF 수신 신호(RF1,input~RFn,input)를 2개의 IF 대역으로 대역 변환한다. 각 RF 수신 신호(RF1,input~RFn,input)를 2개의 IF 대역으로 대역 변환하고, n개의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input)을 서로 다른 IF 대역들로 대역 변환하게 됨에 따라, 주파수 하향변환 회로(150)는 n개의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input)을 2n개의 서로 다른 IF 대역들로 대역 변환하게 되고, 2n개의 IF 신호들을 출력하게 된다. 이때, 2n개의 IF 대역들은 일정한 옵셋 주파수(Δf)만큼 순차적으로 주파수 간격이 이격되어 있게 된다.
도 9의 실시예에 있어서, 주파수 하향변환 회로(150)는 제1 주파수 변환 회로(160), 다중-주파수 국부 신호 발생 회로(170), 및 제2 주파수 변환 회로(180)를 포함할 수 있다. 제1 주파수 변환 회로(160)는 상기 n개의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input) 각각에 국부 발진기 신호(LOI)와 국부 발진기 신호로부터 위상이 90도만큼 쉬프트된 위상-쉬프트 국부 발진기 신호(LOQ)를 믹싱함으로써, 2n개의 공통 IF 대역 신호들(SIF1,I~SIFn,Q)을 생성한다. 이에 따라, 복수의 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input)로부터 생성되는 2n개의 공통 IF 대역 신호들(SIF1,I~SIFn,Q)은 동일한 IF 대역에 있게 된다. 다중-주파수 국부 신호 발생 회로(170)는 상기 옵셋 주파수(Δf)로부터 상기 옵셋 주파수(Δf)를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가진 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 생성한다. 제2 주파수 변환 회로(180)는 상기 제1 주파수 변환 회로(160)로부터의 상기 2n개의 공통 IF 대역 신호들(SIF1,I~SIFn,Q) 중 첫 번째 공통 IF 대역 신호(SIF1,I)는 그대로 출력하고, 두 번째 이후의 IF 신호들(SIF1,Q~SIFn,Q) 각각에 상기 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 각각 믹싱하여, (2n-1)개의 IF 신호들(SBB1,I~SBBn,Q)을 생성한다. 이에 따라, 동일한 IF 대역에 있던 2n개의 공통 IF 대역 신호들(SIF1,I~SIFn,Q)은 서로 다른 대역의 IF 신호들(SBB1,I~SBBn,Q)로 대역 변환된다.
도 10은 도 9에 도시된 주파수 하향변환 회로(150)의 상세 블록도이다.
제1 주파수 변환 회로(160)는 위상 쉬프터(162)와, 2n개의 믹서(1621,I~164n,Q)와, 2n개의 대역통과필터(1661,I~166n,Q)를 포함할 수 있다. 위상 쉬프터(162)는 송신 회로, 즉 처프 신호 발생회로(10)로부터의 국부 발진기 신호(LO)를 90도만큼 위상을 쉬프트시켜서, 위상-쉬프트 국부 발진기 신호(LOQ)를 생성한다. 믹서들(1641,I~164n,Q)은 RF 수신 신호들(RF1,input~RFn,input) 중 어느 하나를 받아들이고, 수신된 RF 수신 신호에 국부 발진기 신호(LO) 또는 위상-쉬프트 국부 발진기 신호(LOQ) 중 하나를 믹싱하여 RF 수신 신호의 주파수 대역을 공통 IF 대역 신호(SIFI, SIFQ)를 생성한다. 이때, 믹서들(1641,I~164n,Q)은 둘씩 쌍을 이루어 동일한 RF 수신 신호를 받아들인다. 그리고, 믹서들(1641,I~164n,Q)에는 국부 발진기 신호(LO) 또는 위상-쉬프트 국부 발진기 신호(LOQ)가 교대로 인가된다.
예를 들어, 믹서(1641,I)은 RF 수신 신호(RF1,input)를 받아들이고, 국부 발진기 신호(LOI)를 믹싱함으로써, 공통 IF 대역 신호(SIF1,I)를 생성한다. 믹서(1641,I)은 RF 수신 신호(RF1,input)에 국부 발진기 신호(LOI)를 믹싱함으로써 공통 IF 대역 신호(SIF1,I)를 생성하며, 믹서(1641,Q)는 RF 수신 신호(RF1,input)에 위상-쉬프트 국부 발진기 신호(LOQ)를 믹싱함으로써 공통 IF 대역 신호(SIF1,Q)를 생성한다. 믹서(1642,I)은 RF 수신 신호(RF2,input)에 국부 발진기 신호(LOI)를 믹싱함으로써 공통 IF 대역 신호(SIF2,I)를 생성하며, 믹서(1642,Q)는 RF 수신 신호(RF2,input)에 위상-쉬프트 국부 발진기 신호(LOQ)를 믹싱함으로써 공통 IF 대역 신호(SIF2,Q)를 생성한다. 이러한 방식으로, 믹서(164n,I)은 RF 수신 신호(RFn,input)에 국부 발진기 신호(LOI)를 믹싱함으로써, 공통 IF 대역 신호(SIFn,I)를 생성하며, 믹서(164n,Q)는 RF 수신 신호(RFn,input)에 위상-쉬프트 국부 발진기 신호(LOQ)를 믹싱함으로써, 공통 IF 대역 신호(SIFn,Q)를 생성한다.
2n개의 대역통과필터들(1661,I~166n,Q) 각각은 2n개의 믹서(1641,I~164n,Q)의 출력 단자에 그 입력 단자들이 접속되어 있으며, 2n개의 믹서(1641,I~164n,Q)에서 출력되는 공통 IF 대역 신호들(SIF1,I~SIFn,Q)을 대역통과필터링하여 불필요한 신호 성분을 제거한다.
제2 주파수 변환 회로(180)는 (2n-1)개의 믹서(1821,Q~182n,Q)와, 2n개의 대역통과필터(1841,I~184n,Q)를 포함할 수 있다. 믹서(1821,Q)는 공통 IF 대역 신호(SIF1,Q)에 Δf의 주파수를 가지는 발진 신호를 믹싱함으로써 IF 신호(SBB1,Q)를 생성한다. 믹서(1822,I)은 공통 IF 대역 신호(SIF2,I)에 2Δf의 주파수를 가지는 발진 신호를 믹싱함으로써 IF 신호(SBB2,I)를 생성하고, 믹서(1822,Q)는 공통 IF 대역 신호(SIF2,Q)에 3Δf의 주파수를 가지는 발진 신호를 믹싱함으로써 IF 신호(SBB2,Q)를 생성한다. 이러한 방식으로, 믹서(182n,I)은 공통 IF 대역 신호(SIFn,I)에 (2n-2)Δf의 주파수를 가지는 발진 신호를 믹싱함으로써 IF 신호(SBBn,I)를 생성하고, 믹서(182n,Q)는 공통 IF 대역 신호(SIFn,Q)에 (2n-1)Δf의 주파수를 가지는 발진 신호를 믹싱함으로써 IF 신호(SBBn,Q)를 생성한다. 2n개의 대역통과필터들(1841,I~184n,Q) 각각은 2n개의 IF 신호들(SSB1,I~SSBn,Q)를 대역통과필터링하여 불필요한 신호 성분을 제거한다. 여기서, 별도의 믹싱 동작이 행해지지 않는 IF 신호(SBB1,I)를 필터링하는 첫 번째 대역통과필터(1841,I)는 생략될 수도 있다.
도 11은 도 9 및 도 10에 도시된 다중-주파수 국부 신호 발생부(170)의 상세 블록도이다. 도시된 실시예에 있어서, 다중-주파수 국부 신호 발생부(170)는 발진기(171)와, (2n-2)개의 믹서들(1722,I~172n,Q)과, (2n-2)개의 대역통과필터들(1742,I~174n,Q)과, (2n-2)개의 증폭기들(1762,I~176n,Q)을 구비할 수 있다.
발진기(171)는 옵셋 주파수(Δf)의 주파수를 갖는 고정주파수 신호를 발생한다. 믹서(1721,Q)는 Δf의 주파수를 갖는 고정주파수 신호에 분기된 고정주파수 신호를 믹싱하여 주파수 대역을 2Δf의 주파수를 갖는 발진 신호를 생성할 수 있다. 대역통과필터(1741,Q)는 믹서(1721,Q)의 출력 신호를 대역통과필터링하여 불필요한 주파수 대역의 신호 성분을 제거한다. 증폭기(1761,Q)는 대역통과필터(1741,Q)의 출력 신호를 증폭하여, 믹서(1721,Q) 및/또는 대역통과필터(1741,Q)에서의 신호 감쇠를 보완할 수 있다.
믹서(1722,I)는 증폭기(1761,Q)에서 출력되는 2Δf의 주파수를 갖는 발진 신호에 고정주파수 신호를 믹싱하여 3Δf의 주파수를 갖는 발진 신호를 생성할 수 있다. 대역통과필터(1742,I)는 믹서(1722,I)의 출력 신호를 대역통과필터링하고, 증폭기(1762,I)는 대역통과필터(1742,I)의 출력 신호를 증폭할 수 있다. 믹서(1722,Q)는 증폭기(1762,I)에서 출력되는 3Δf의 주파수를 갖는 발진 신호에 고정주파수 신호를 믹싱하여 4Δf의 주파수를 갖는 발진 신호를 생성할 수 있다. 대역통과필터(1742,Q)는 믹서(1722,Q)의 출력 신호를 대역통과필터링하고, 증폭기(1762,Q)는 대역통과필터(1742,Q)의 출력 신호를 증폭할 수 있다.
이와 같이, 직렬연결된 믹서, 대역통과필터, 및 증폭기의 조합으로 이루어지는 각 스테이지의 회로는 이전 스테이지의 회로에 비하여 옵셋 주파수(Δf)만큼 추가적으로 주파수가 증가된 발진 신호를 생성할 수 있다.
본 실시예에 따른 주파수 하향 변환 과정을 보다 구체적으로 설명한다.
m번째 경로의 RF 수신 신호에 대하여 제1 주파수 변환 회로(160)에서 출력되는 I채널 공통 IF 대역 신호 는 수학식 10으로 표현될 수 있다.
m번째 경로의 I채널 믹싱을 위한 발진 신호 는 다음 수학식 11로써 표현될 수 있다. 그리고, 대역 변환된 I 채널 IF 신호 는 수학식 12에 의해 표현될 수 있다.
대역통과필터(184m,I)에 의하여 성분을 제거하고 성분만을 추출하면, 제2 주파수 변환 회로(180)에서 출력되는 최종적인 IF 신호(SBBm,I)는 수학식 13으로 표현될 수 있다.
위 식에서 보는 바와 같이, 주파수가 인 국부 발진기 신호(LO)에 의해 1차적으로 공통 IF 대역으로 대역 변환한 다음, 주파수가 인 발진 신호에 의해 다시 주파수 대역을 2차적으로 상향 변환하면, IF 신호의 주파수 대역이 주파수 축 상에서 만큼 이동하게 된다. 이러한 과정을 통해 각 수신 채널별로 제2 주파수 변환 회로(180)에서 주파수 변환에 사용하는 발진 신호의 주파수를 Δf만큼 차이 나게 해주면, 각 IF 신호가 점유하는 주파수 대역의 위치만 변경시키고 다른 파라미터의 변화 없이 주파수 축 상에서 신호를 모을 수 있다.
m번째 경로의 O 채널에 대해서도 I채널과 동일한 방법으로 IF 신호 를 다음과 같이 계산할 수 있다.
m번째 경로의 RF 수신 신호에 대하여 제1 주파수 변환 회로(160)에서 출력되는 Q채널 공통 IF 대역 신호 는 수학식 14로 표현될 수 있다.
m번째 경로의 Q채널 믹싱을 위한 발진 신호 는 다음 수학식 15로써 표현될 수 있다. 그리고, 대역 변환된 Q채널 IF 신호 는 수학식 16에 의해 표현될 수 있다.
대역통과필터(184m,Q)에 의하여 성분을 제거하고 성분만을 추출하면, 제2 주파수 변환 회로(180)에서 출력되는 최종적인 IF 신호(SBBm,Q)는 수학식 17로 표현될 수 있다.
위 식에서 보는 바와 같이, Q 채널의 경우에도, 주파수가 인 국부 발진기 신호(LO)에 의해 1차적으로 공통 IF 대역으로 대역 변환한 다음, 주파수가 인 발진 신호에 의해 다시 주파수 대역을 2차적으로 상향 변환하면, IF 신호의 주파수 대역이 주파수 축 상에서 만큼 이동하게 된다. 이러한 과정을 통해 각 수신 채널별로 제2 주파수 변환 회로(180)에서 주파수 변환에 사용하는 발진 신호의 주파수를 Δf만큼 차이 나게 해주면, 각 IF 신호가 점유하는 주파수 대역의 위치만 변경시키고 다른 파라미터의 변화 없이 주파수 축 상에서 신호를 모을 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 디지털 신호처리 회로의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
상기 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
위에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 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.

Claims (16)

  1. 국부 발진기 신호를 토대로 알에프(RF) 송신 신호를 생성하고, 상기 RF 송신 신호에 상응한 송신 전파 신호를 방사하는 송신 안테나를 포함하는 송신 회로;
    상기 송신 전파 신호가 타겟에서 반사된 후 진행한 각각의 수신 전파 신호를 복수의 안테나들을 통해 검출하고, 검출된 신호들을 증폭하여, n개(n은 2이상의 자연수)의 RF 수신 신호들을 획득하는 수신 회로;
    상기 n개의 RF 수신 신호들 각각을 동위상(I) 채널과 직교위상(Q) 채널의 중간주파수(IF) 대역들로 대역 변환하되, 2n개의 IF 신호들이 소정의 옵셋 주파수만큼 차이나는 2n개의 주파수 대역들에 각각 배치되도록 대역 변환하는 주파수 하향변환 회로;
    상기 2n개의 IF 신호들을 모은 단일 IF 신호를 아날로그/디지털 변환하여 단일의 디지털 신호 스트림을 생성하는 아날로그/디지털 변환기; 및
    상기 디지털 신호 스트림을 처리하여 상기 타겟의 정보를 추출하는 디지털 신호처리 회로;를 구비하는,
    레이다 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 주파수 하향변환 회로가
    상기 n개의 RF 수신 신호들 각각을 I 채널 IF 대역으로 주파수 대역을 변환하는 한편, 90도만큼 위상을 쉬프트한 후 상기 I 채널 IF 대역과 다른 Q 채널 IF 대역으로 주파수 대역을 변환하여 2개의 IF 대역으로 대역 변환하도록 구성되는,
    레이다 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 주파수 하향변환 회로가
    상기 2n개의 IF 대역들이 소정의 옵셋 주파수만큼 순차적으로 주파수 대역이 차이나게 주파수 대역을 변환하도록 구성되는,
    레이다 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 옵셋 주파수가 상기 레이다 장치의 비트 주파수 신호 대역폭과 동일하게 설정되는,
    레이다 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 옵셋 주파수가 상기 레이다 장치의 비트 주파수 신호 대역폭보다 크게 설정되는,
    레이다 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 수신 회로가
    각각이 상기 송신 전파 신호가 타겟에서 반사된 후 진행한 각각의 수신 전파 신호를 받아들이고 전기적인 신호로 변환하여, n개의 RF 수신 신호들 중 어느 하나를 출력하는 복수의 수신안테나들; 및
    각각이 상기 n개의 RF 수신 신호들 중 대응하는 어느 하나를 증폭하는 복수의 저잡음 증폭기들;을 구비하는,
    레이다 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 주파수 하향변환 회로가
    상기 국부 발진기 신호의 국부 발진 주파수에 상기 옵셋 주파수를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가지는 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 생성하되, 상기 국부 발진기 신호와 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 포함한 2n개의 발진 신호들 중 연이어진 2개의 발진 신호마다 90도만큼 위상이 서로 다르도록 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 생성하여, 상기 2n개의 발진 신호들을 출력하는 다중-주파수 국부 신호 발생 회로; 및
    상기 n개의 RF 수신 신호들 각각에 상기 2n개의 발진 신호들 중 연이어진 2개의 발진 신호를 믹싱하여, 상기 2n개의 IF 신호들을 생성하는 주파수 변환 회로;를 구비하는,
    레이다 장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 주파수 하향변환 회로가
    상기 n개의 RF 수신 신호들 각각에 상기 국부 발진기 신호와 상기 국부 발진기 신호로부터 위상이 90도만큼 쉬프트된 위상-쉬프트 국부 발진기 신호를 믹싱함으로써, 2n개의 공통 IF 대역 신호들을 생성하는 제1 주파수 변환 회로;
    상기 옵셋 주파수로부터 상기 옵셋 주파수를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가진 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 생성하는 다중-주파수 국부 신호 발생 회로; 및
    상기 제1 주파수 변환 회로로부터의 상기 2n개의 공통 IF 대역 신호들 중 두 번째 이후의 공통 IF 대역 신호들 각각에 상기 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 각각 믹싱하여, (2n-1)개의 IF 신호들을 생성하는 제2 주파수 변환 회로;를 구비하는,
    레이다 장치.
  9. 레이다 장치의 송신 전파 신호에 따른 수신 전파 신호를 복수의 안테나들을 사용하여 검출하여 n개의 RF 수신 신호들을 획득하는 단계;
    상기 n개의 RF 수신 신호들 각각을 동위상(I) 채널과 직교위상(Q) 채널의 중간주파수(IF) 대역들로 대역 변환하되, 2n개의 IF 신호들이 소정의 옵셋 주파수만큼 차이나는 2n개의 주파수 대역들에 각각 배치되도록 대역 변환하는 단계;
    상기 2n개의 IF 신호들을 단일 IF 신호로 모으고, 상기 단일 IF 신호를 아날로그/디지털 변환하여 단일의 디지털 신호 스트림을 생성하는 단계; 및
    상기 디지털 신호 스트림을 처리하여 상기 타겟의 정보를 추출하는 단계;를 포함하는,
    레이다 장치에서의 신호처리 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 RF 수신 신호들을 대역 변환하는 단계가
    상기 n개의 RF 수신 신호들 각각을 I 채널 IF 대역으로 주파수 대역을 변환하는 한편, 90도만큼 위상을 쉬프트한 후 상기 I 채널 IF 대역과 다른 Q 채널 IF 대역으로 주파수 대역을 변환하여 2개의 IF 대역으로 대역 변환하는 단계;를 포함하는,
    신호처리 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 RF 수신 신호들을 대역 변환하는 단계가
    상기 2n개의 IF 대역들이 소정의 옵셋 주파수만큼 순차적으로 주파수 대역이 차이나도록 대역 변환하는 단계;를 포함하는,
    신호처리 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 옵셋 주파수가 상기 레이다 장치의 비트 주파수 신호 대역폭과 동일하게 설정되는,
    신호처리 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 옵셋 주파수가 상기 레이다 장치의 비트 주파수 신호 대역폭보다 크게 설정되는,
    신호처리 방법.
  14. 청구항 9에 있어서, 상기 RF 수신 신호들을 대역 변환하는 단계가
    상기 송신 전파 신호의 생성에 사용된 국부 발진기 신호의 국부 발진 주파수에 상기 옵셋 주파수를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가지는 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 생성하되, 상기 국부 발진기 신호와 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 포함한 2n개의 발진 신호들 중 연이어진 2개의 발진 신호마다 90도만큼 위상이 서로 다르도록 (2n-1)개의 조정된 발진 신호들을 생성하는 단계; 및
    상기 n개의 RF 수신 신호들 각각에 상기 2n개의 발진 신호들 중 연이어진 2개의 발진 신호를 믹싱하여, 상기 2n개의 IF 신호들을 생성하는 단계;를 포함하는
    신호처리 방법.
  15. 청구항 9에 있어서, 상기 RF 수신 신호들을 대역 변환하는 단계가
    상기 n개의 RF 수신 신호들 각각에 상기 송신 전파 신호의 생성에 사용된 상기 국부 발진기 신호와 상기 국부 발진기 신호로부터 위상이 90도만큼 쉬프트된 위상-쉬프트 국부 발진기 신호를 믹싱함으로써, 2n개의 공통 IF 대역 신호들을 생성하는 단계; 및
    상기 2n개의 공통 IF 대역 신호들의 주파수 대역들이 상기 옵셋 주파수만큼 차이나는 2n개의 주파수 대역들에 각각 배치되도록 대역을 재변환하는 단계;를 포함하는,
    신호처리 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 대역을 재변환하는 단계가
    상기 옵셋 주파수로부터 상기 옵셋 주파수를 순차적으로 더한 주파수를 각각 가진 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 주파수 변환 회로로부터의 상기 2n개의 공통 IF 대역 신호들 중 두 번째 이후의 공통 IF 대역 신호들 각각에 상기 (2n-1)개의 옵셋 발진 신호들을 각각 믹싱하는 단계;를 포함하는,
    신호처리 방법.
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