5 research outputs found

    Fractional-N PLL Synthesizer for FMCW Signal Generator with Dual-Mode Modulation Pattern

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    Radar signal generator is a critical component in radar system as it determines the best achievable resolution. Single chip Fractional-N PLL synthesizer with built-in VCO and sweep modulator become more popular as Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) signal generator due to the simplicity and overall cost reduction. This paper presents a realization process and experimental result of dual-mode modulation pattern FMCW signal generator using HMC769LP6CE PLL. The PLL is controlled by ATMega328 microcontroller and Altera EPM240T100C5 CPLD to operate in two difference mode: 1-way sweep mode and 2-way sweep mode. The PLL is programmed with four different sweep bandwidth from 6.75–54 MHz for different range and resolution radar purpose. The performance of FMCW signal generator is measured using the output of passband signal spectrum. The experimental results indicate that the PLL-VCO with 2-way sweep mode has clearer frequency passband compared to 1-way sweep mode

    ON FUNDAMENTAL OPERATING PRINCIPLES AND RANGE-DOPPLER ESTIMATION IN MONOLITHIC FREQUENCY-MODULATED CONTINUOUS-WAVE RADAR SENSORS

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    The diverse application areas of emerging monolithic noncontactradar sensors that are able to measure object’s distance and velocity is expected to grow in the near future to scales that are now nearly inconceivable. A classical concept of frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar, tailored to operate in the millimeter-wave (mm-wave) band, is well-suited to be implemented in the baseline CMOS or BiCMOS process technologies. High volume production could radically cut the cost and decrease the form factorof such sensing devices thus enabling their omnipresence in virtually every field. This introductory paper explains the key concepts of mm-wave sensing starting from a chirp as an essential signal in linear FMCW radars. It further sketches the fundamental operating principles and block structure of contemporary fully integrated homodyne FMCW radars. Crucial radar parameters like the maximum unambiguously measurable distance and speed, as well as rangeand velocity resolutions are specified and derived. The importance of both beat tones in the intermediate frequency (IF) signal and the phase in resolving small spatial perturbations and obtaining the 2-D range-Doppler plot is pointed out. Radar system-level trade-offs and chirp/frame design strategies are explained. Finally, the nonideal and second-order effects are commented and the examples of practical FMCW transmitter and receiver implementations are summarized

    Design of a Dual Band Local Positioning System

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    This work presents a robust dual band local positioning system (LPS) working in the 2.4GHz and 5.8GHz industrial science medical (ISM) bands. Position measurement is based on the frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar approach, which uses radio frequency (RF) chirp signals for propagation time and therefore distance measurements. Contrary to state of the art LPS, the presented system uses data from both bands to improve accuracy, precision and robustness. A complete system prototype is designed consisting of base stations and tags encapsulating most of the RF and analogue signal processing in custom integrated circuits. This design approach allows to reduce size and power consumption compared to a hybrid system using off-the-shelf components. Key components are implemented using concepts, which support operation in multiple frequency bands, namely, the receiver consisting of a low noise amplifier (LNA), mixer, frequency synthesizer with a wide band voltage-controlled oscillator (VCO) having broadband chirp generation capabilities and a dual band power amplifier. System imperfections occurring in FMCW radar systems are modelled. Effects neglected in literature such as compression, intermodulation, the influence of automatic gain control, blockers and spurious emissions are modeled. The results are used to derive a specification set for the circuit design. Position estimation from measured distances is done using an enhanced version of the grid search algorithm, which makes use of data from multiple frequency bands. The algorithm is designed to be easily and efficiently implemented in embedded systems. Measurements show a coverage range of the system of at least 245m. Ranging accuracy in an outdoor scenario can be as low as 8.2cm. Comparative dual band position measurements prove an effective outlier filtering in indoor and outdoor scenarios compared to single band results, yielding in a large gain of accuracy. Positioning accuracy in an indoor scenario with an area of 276m² can be improved from 1.27m at 2.4GHz and 1.86m at 5.8GHz to only 0.38m in the dual band case, corresponding to an improvement by at least a factor of 3.3. In a large outdoor scenario of 4.8 km², accuracy improves from 1.88m at 2.4GHz and 5.93m at 5.8GHz to 0.68m with dual band processing, which is a factor of at least 2.8.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines robusten lokalen Positionierungssystems (LPS), welches in den lizenzfreien Frequenzbereichen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke (industrial, scientific, medical, ISM) bei 2,4GHz und 5,8GHz arbeitet. Die Positionsbestimmung beruht auf dem Prinzip des frequenzmodulierten Dauerstrichradars (frequency modulated continuous wave, FMCW-Radar), welches hochfrequente Rampensignale für Laufzeitmessungen und damit Abstandsmessungen benutzt. Im Gegensatz zu aktuellen Arbeiten auf diesem Gebiet benutzt das vorgestellte System Daten aus beiden Frequenzbändern zur Erhöhung der Genauigkeit und Präzision sowie Verbesserung der Robustheit. Ein Prototyp des kompletten Systems bestehend aus Basisstationen und mobilen Stationen wurde entworfen. Fast die gesamte analoge hochfrequente Signalverarbeitungskette wurde als anwendungsspezifische integrierte Schaltung realisiert. Verglichen mit Systemen aus Standardkomponenten erlaubt dieser Ansatz die Miniaturisierung der Systemkomponenten und die Einsparung von Leistung. Schlüsselkomponenten wurden mit Konzepten für mehrbandige oder breitbandige Schaltungen entworfen. Dabei wurden Sender und Empfänger bestehend aus rauscharmem Verstärker, Mischer und Frequenzsynthesizer mit breitbandiger Frequenzrampenfunktion implementiert. Außerdem wurde ein Leistungsverstärker für die gleichzeitige Nutzung der beiden definierten Frequenzbänder entworfen. Um Spezifikationen für den Schaltungsentwurf zu erhalten, wurden in der Fachliteratur vernachlässigte Nichtidealitäten von FMCW-Radarsystemen modelliert. Dazu gehören Signalverzerrungen durch Kompression oder Intermodulation, der Einfluss der automatischen Verstärkungseinstellung sowie schmalbandige Störer und Nebenschwingungen. Die Ergebnisse der Modellierung wurden benutzt, um eine Spezifikation für den Schaltungsentwurf zu erhalten. Die Schätzung der Position aus gemessenen Abständen wurde über eine erweiterte Version des Gittersuchalgorithmus erreicht. Dieser nutzt die Abstandsmessdaten aus beiden Frequenzbändern. Der Algorithmus ist so entworfen, dass er effizient in einem eingebetteten System implementiert werden kann. Messungen zeigen eine maximale Reichweite des Systems von mindestens 245m. Die Genauigkeit von Abstandsmessungen im Freiland beträgt 8,2cm. Positionsmessungen wurden unter Verwendung beider Einzelbänder durchgeführt und mit den Ergebnissen des Zweiband-Gittersuchalgorithmus verglichen. Damit konnte eine starke Verbesserung der Positionsgenauigkeit erreicht werden. Die Genauigkeit in einem Innenraum mit einer Grundfläche von 276m² kann verbessert werden von 1,27m bei 2,4GHz und 1,86m bei 5,8GHz zu nur 0,38m im Zweibandverfahren. Das entspricht einer Verbesserung um einen Faktor von mindestens 3,3. In einem größeren Außenszenario mit einer Fläche von 4,8 km² verbessert sich die Genauigkeit um einen Faktor von mindestens 2,8 von 1,88m bei 2,4GHz und 5,93m bei 5,8GHz auf 0,68m bei Nutzung von Daten aus beiden Frequenzbändern

    Frequency synthesizer for integrated FMCW radar sensors in the millimeter-wave band

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    Primene prenosivih beskontaktnih radarskih senzora kratkog dometa, koji daju informacije o prisustvu, položaju i relativnoj brzini, prakticno su neprebrojive. Ovi radarski sistemi ne samo da imaju potencijal da poboljšaju kvalitet usluga u mnogim oblastima, vec se ocekuje da budu pokretac mnogih inovativnih rešenja ubuduce...Applications of portable short-range noncontact radar sensors, which provide information on presence, position, and relative speed, are virtually countless. These radar systems not only have the potential to improve the service quality in numerous existing fields, but are also expected to be the driving force for many novel applications in the near future..
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