72 research outputs found
Cognitive Sub-Nyquist Hardware Prototype of a Collocated MIMO Radar
We present the design and hardware implementation of a radar prototype that
demonstrates the principle of a sub-Nyquist collocated multiple-input
multiple-output (MIMO) radar. The setup allows sampling in both spatial and
spectral domains at rates much lower than dictated by the Nyquist sampling
theorem. Our prototype realizes an X-band MIMO radar that can be configured to
have a maximum of 8 transmit and 10 receive antenna elements. We use frequency
division multiplexing (FDM) to achieve the orthogonality of MIMO waveforms and
apply the Xampling framework for signal recovery. The prototype also implements
a cognitive transmission scheme where each transmit waveform is restricted to
those pre-determined subbands of the full signal bandwidth that the receiver
samples and processes. Real-time experiments show reasonable recovery
performance while operating as a 4x5 thinned random array wherein the combined
spatial and spectral sampling factor reduction is 87.5% of that of a filled
8x10 array.Comment: 5 pages, Compressed Sensing Theory and its Applications to Radar,
Sonar and Remote Sensing (CoSeRa) 201
Sub-Nyquist Channel Estimation over IEEE 802.11ad Link
Nowadays, millimeter-wave communication centered at the 60 GHz radio
frequency band is increasingly the preferred technology for near-field
communication since it provides transmission bandwidth that is several GHz
wide. The IEEE 802.11ad standard has been developed for commercial wireless
local area networks in the 60 GHz transmission environment. Receivers designed
to process IEEE 802.11ad waveforms employ very high rate analog-to-digital
converters, and therefore, reducing the receiver sampling rate can be useful.
In this work, we study the problem of low-rate channel estimation over the IEEE
802.11ad 60 GHz communication link by harnessing sparsity in the channel
impulse response. In particular, we focus on single carrier modulation and
exploit the special structure of the 802.11ad waveform embedded in the channel
estimation field of its single carrier physical layer frame. We examine various
sub-Nyquist sampling methods for this problem and recover the channel using
compressed sensing techniques. Our numerical experiments show feasibility of
our procedures up to one-seventh of the Nyquist rates with minimal performance
deterioration.Comment: 5 pages, 5 figures, SampTA 2017 conferenc
Design and analysis of multi-element antenna systems and agile radiofrequency frontends for automotive applications
Vehicular connectivity serves as one of the major enabling technologies for
current applications like driver assistance, safety and infotainment as well as
upcoming features like highly automated vehicles - all of which having certain
quality of service requirements, e. g. datarate or reliability. This work focuses on
vehicular integration of multiple-input-multiple-output (MIMO) capable multielement
antenna systems and frequency-agile radio frequency (RF) front ends
to cover current and upcoming connectivity needs. It is divided in four major
parts. For each part, mostly physical layer effects are analyzed (any performance
lost on physical layer, cannot be compensated in higher layers), sensitivities are
identified and novel concepts are introduced based on the status-quo findings.Fahrzeugvernetzung dient als eine der wesentlichsten Befähigungstechnologien
für moderne Fahrerassistenzsysteme und zukünftig auch hochautomatisiertes
Fahren. Sowohl die heutigen als auch zukünftige Anwendungen haben besondere
Dienstgüteanforderungen, z.B. in Bezug auf die Datenrate oder Verlässlichkeit.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Integration von Mehrantennensystemen für
MIMO-Funkanwendungen (MIMO: engl. Multiple Input Multiple Output) sowie
von frequenzagilen Hochfrequenzfrontends im Fahrzeugumfeld untersucht, um
so eine technische Grundlage für zukünftige Anforderungen an die automobile
Vernetzung anbieten zu können. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich
in vier Teile gliedern. Grundsätzlich konzentrieren sich die Untersuchungen vorrangig
auf die physikalische Ebene. Auf Basis des aktuellen Status Quo werden
Sensitivitäten herausgearbeitet, neue Konzepte hergeleitet und entwickelt
Compressive Sensing and Its Applications in Automotive Radar Systems
Die Entwicklung in Richtung zu autonomem Fahren verspricht, künftig einen sicheren
Verkehr ohne tödliche Unfälle zu ermöglichen, indem menschliche Fahrer vollständig
ersetzt werden. Dadurch entfällt der Faktor des menschlichen Fehlers, der aus
Müdigkeit, Unachtsamkeit oder Alkoholeinfluss resultiert. Um jedoch eine breite
Akzeptanz für autonome Fahrzeuge zu erreichen und es somit eines Tages vollständig
umzusetzen, sind noch eine Vielzahl von Herausforderungen zu lösen. Da in einem
autonomen Fahrzeug kein menschlicher Fahrer mehr in Notfällen eingreifen kann,
müssen sich autonome Fahrzeuge auf leistungsfähige und robuste Sensorsysteme
verlassen können, um in kritischen Situationen auch unter widrigen Bedingungen
angemessen reagieren zu können. Daher ist die Entwicklung von Sensorsystemen
erforderlich, die für Funktionalitäten jenseits der aktuellen advanced driver assistance
systems eingesetzt werden können. Dies resultiert in neuen Anforderungen, die erfüllt
werden müssen, um sichere und zuverlässige autonome Fahrzeuge zu realisieren, die
weder Fahrzeuginsassen noch Passanten gefährden. Radarsysteme gehören zu den
Schlüsselkomponenten unter der Vielzahl der verfügbaren Sensorsysteme, da sie im
Gegensatz zu visuellen Sensoren von widrigen Wetter- und Umgebungsbedingungen
kaum beeinträchtigt werden. Darüber hinaus liefern Radarsysteme zusätzliche
Umgebungsinformationen wie Abstand, Winkel und relative Geschwindigkeit zwischen
Sensor und reflektierenden Zielen. Die vorliegende Dissertation deckt im Wesentlichen
zwei Hauptaspekte der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Radarsysteme
im Automobilbereich ab. Ein Aspekt ist die Steigerung der Effizienz und Robustheit
der Signalerfassung und -verarbeitung für die Radarperzeption. Der andere Aspekt ist
die Beschleunigung der Validierung und Verifizierung von automated cyber-physical
systems, die parallel zum Automatisierungsgrad auch eine höhere Komplexität
aufweisen.
Nach der Analyse zahlreicher möglicher Compressive Sensing Methoden, die im
Bereich Fahrzeugradarsysteme angewendet werden können, wird ein rauschmoduliertes
gepulstes Radarsystem vorgestellt, das kommerzielle Fahrzeugradarsysteme in
seiner Robustheit gegenüber Rauschen übertrifft. Die Nachteile anderer gepulster
Radarsysteme hinsichtlich des Signalerfassungsaufwands und der Laufzeit werden
durch die Verwendung eines Compressive Sensing-Signalerfassungs- und Rekonstruktionsverfahrens
in Kombination mit einer Rauschmodulation deutlich verringert.
Mit Compressive Sensing konnte der Aufwand für die Signalerfassung um 70% reduziert
werden, während gleichzeitig die Robustheit der Radarwahrnehmung auch für signal-to-noise-ratio-Pegel nahe oder unter Null erreicht wird. Mit einem validierten
Radarsensormodell wurde das Rauschradarsystem emuliert und mit einem
kommerziellen Fahrzeugradarsystem verglichen. Datengetriebene Wettermodelle
wurden entwickelt und während der Simulation angewendet, um die Radarleistung
unter widrigen Bedingungen zu bewerten. Während eine Besprühung mit Wasser die
Radomdämpfung um 10 dB erhöht und Spritzwasser sogar um 20 dB, ergibt sich die
eigentliche Begrenzung aus der Rauschzahl und Empfindlichkeit des Empfängers. Es
konnte bewiesen werden, dass das vorgeschlagene Compressive Sensing Rauschradarsystem
mit einer zusätzlichen Signaldämpfung von bis zu 60 dB umgehen kann
und damit eine hohe Robustheit in ungünstigen Umwelt- und Wetterbedingungen
aufweist.
Neben der Robustheit wird auch die Interferenz berücksichtigt. Zum einen wird
die erhöhte Störfestigkeit des Störradarsystems nachgewiesen. Auf der anderen
Seite werden die Auswirkungen auf bestehende Fahrzeugradarsysteme bewertet und
Strategien zur Minderung der Auswirkungen vorgestellt.
Die Struktur der Arbeit ist folgende. Nach der Einführung der Grundlagen
und Methoden für Fahrzeugradarsysteme werden die Theorie und Metriken hinter
Compressive Sensing gezeigt. Darüber hinaus werden weitere Aspekte wie Umgebungsbedingungen,
unterschiedliche Radararchitekturen und Interferenz erläutert.
Der Stand der Technik gibt einen Überblick über Compressive Sensing-Ansätze und
Implementierungen mit einem Fokus auf Radar. Darüber hinaus werden Aspekte
von Fahrzeug- und Rauschradarsystemen behandelt. Der Hauptteil beginnt mit
der Vorstellung verschiedener Ansätze zur Nutzung von Compressive Sensing für
Fahrzeugradarsysteme, die in der Lage sind, die Erfassung und Wahrnehmung von
Radarsignalen zu verbessern oder zu erweitern. Anschließend wird der Fokus auf
ein Rauschradarsystem gelegt, das mit Compressive Sensing eine effiziente Signalerfassung
und -rekonstruktion ermöglicht. Es wurde mit verschiedenen Compressive
Sensing-Metriken analysiert und in einer Proof-of-Concept-Simulation bewertet. Mit
einer Emulation des Rauschradarsystems wurde das Potential der Compressive Sensing
Signalerfassung und -verarbeitung in einem realistischeren Szenario demonstriert.
Die Entwicklung und Validierung des zugrunde liegenden Sensormodells wird ebenso
dokumentiert wie die Entwicklung der datengetriebenen Wettermodelle. Nach der
Betrachtung von Interferenz und der Koexistenz des Rauschradars mit kommerziellen
Radarsystemen schließt ein letztes Kapitel mit Schlussfolgerungen und einem
Ausblick die Arbeit ab.Developments towards autonomous driving promise to lead to safer traffic, where fatal
accidents can be avoided after making human drivers obsolete and hence removing
the factor of human error. However, to ensure the acceptance of automated driving
and make it a reality one day, still a huge amount of challenges need to be solved.
With having no human supervisors, automated vehicles have to rely on capable and
robust sensor systems to ensure adequate reactions in critical situations, even during
adverse conditions. Therefore, the development of sensor systems is required that
can be applied for functionalities beyond current advanced driver assistance systems.
New requirements need to be met in order to realize safe and reliable automated
vehicles that do not harm passersby.
Radar systems belong to the key components among the variety of sensor systems.
Other than visual sensors, radar is less vulnerable towards adverse weather and
environment conditions. In addition, radar provides complementary environment
information such as target distance, angular position or relative velocity, too. The
thesis ad hand covers basically two main aspects of research and development in the
field of automotive radar systems. One aspect is to increase efficiency and robustness
in signal acquisition and processing for radar perception. The other aspect is to
accelerate validation and verification of automated cyber-physical systems that
feature more complexity along with the level of automation.
After analyzing a variety of possible Compressive Sensing methods for automotive
radar systems, a noise modulated pulsed radar system is suggested in the thesis at
hand, which outperforms commercial automotive radar systems in its robustness
towards noise. Compared to other pulsed radar systems, their drawbacks regarding
signal acquisition effort and computation run time are resolved by using noise modulation
for implementing a Compressive Sensing signal acquisition and reconstruction
method. Using Compressive Sensing, the effort in signal acquisition was reduced by
70%, while obtaining a radar perception robustness even for signal-to-noise-ratio
levels close to or below zero. With a validated radar sensor model the noise radar
was emulated and compared to a commercial automotive radar system. Data-driven
weather models were developed and applied during simulation to evaluate radar performance
in adverse conditions. While water sprinkles increase radome attenuation
by 10 dB and splash water even by 20 dB, the actual limitation comes from noise
figure and sensitivity of the receiver. The additional signal attenuation that can be
handled by the proposed compressive sensing noise radar system proved to be even up to 60 dB, which ensures a high robustness of the receiver during adverse weather
and environment conditions.
Besides robustness, interference is also considered. On the one hand the increased
robustness towards interference of the noise radar system is demonstrated. On
the other hand, the impact on existing automotive radar systems is evaluated and
strategies to mitigate the impact are presented.
The structure of the thesis is the following. After introducing basic principles
and methods for automotive radar systems, the theory and metrics of Compressive
Sensing is presented. Furthermore some particular aspects are highlighted such as
environmental conditions, different radar architectures and interference. The state of
the art provides an overview on Compressive Sensing approaches and implementations
with focus on radar. In addition, it covers automotive radar and noise radar related
aspects. The main part starts with presenting different approaches on making use
of Compressive Sensing for automotive radar systems, that are capable of either
improving or extending radar signal acquisition and perception. Afterwards the focus
is put on a noise radar system that uses Compressive Sensing for an efficient signal
acquisition and reconstruction. It was analyzed using different Compressive Sensing
metrics and evaluated in a proof-of-concept simulation. With an emulation of the
noise radar system the feasibility of the Compressive Sensing signal acquisition and
processing was demonstrated in a more realistic scenario. The development and
validation of the underlying sensor model is documented as well as the development
of the data-driven weather models. After considering interference and co-existence
with commercial radar systems, a final chapter with conclusions and an outlook
completes the work
Ultra-Wideband Secure Communications and Direct RF Sampling Transceivers
Larger wireless device bandwidth results in new capabilities in terms of higher data rates and security. The 5G evolution is focus on exploiting larger bandwidths for higher though-puts. Interference and co-existence issues can also be addressed by the larger bandwidth in the 5G and 6G evolution. This dissertation introduces of a novel Ultra-wideband (UWB) Code Division Multiple Access (CDMA) technique to exploit the largest bandwidth available in the upcoming wireless connectivity scenarios. The dissertation addresses interference immunity, secure communication at the physical layer and longer distance communication due to increased receiver sensitivity. The dissertation presents the design, workflow, simulations, hardware prototypes and experimental measurements to demonstrate the benefits of wideband Code-Division-Multiple-Access. Specifically, a description of each of the hardware and software stages is presented along with simulations of different scenarios using a test-bench and open-field measurements. The measurements provided experimental validation carried out to demonstrate the interference mitigation capabilities. In addition, Direct RF sampling techniques are employed to handle the larger bandwidth and avoid analog components. Additionally, a transmit and receive chain is designed and implemented at 28 GHz to provide a proof-of-concept for future 5G applications. The proposed wideband transceiver is also used to demonstrate higher accuracy direction finding, as much as 10 times improvement
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