Statistical Study of Hardware Impairments Effect on mmWave 77 GHz FMCW Automotive Radar

In this paper, we analyze the effects of hardwareimpairments on 77GHz FMCW automotive radar performance.Joint in-phase/quadrature imbalance (IQI) and phase noise effects on frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar transceiverfront-end is modeled through statistical analysis of distortionand noise. We derive the signal to distortion plus noise ratio,constant false alarm rate, and range-Doppler sensitivity analysisfor both the joint and the individual effects of impairmentsand validate the formulations with simulations. The representedmodeling and analysis can be used in millimeter wave (mmWave) FMCW automotiveradar signal processing algorithms for optimum transceiverdesign

Short Range Signal Correction Method of Wideband FMCW Radar Considering Modulation Characteristic

학위논문 (석사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2021. 2. 남상욱.Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW) 레이다는 간단한 구조와 낮은 기저 대역의 대역폭으로 인하여 비용과 해상도에서 이점을 가지고 있다. 이로 인하여 기상, 차량용, 군용 그리고 영상화 레이다 분야에서 FMCW 레이다를 활용한 많은 연구가 이루어지고 있다. FMCW 레이다에서 송수신 신호를 광대역으로 쓰게 되면 거리 해상도가 좋아지는 장점이 있다. 하지만, FMCW 레이다의 신호 특성으로 인하여 시스템의 주파수 특성이 시간 영역으로 넘어와 신호에 변조를 만들게 되는데, 광대역 신호일수록, 짧은 chirp 시간을 가질수록 변조 효과가 커지게 된다. 또한, 목표물의 각도 특성을 얻기 위하여 대부분의 FMCW 레이다가 Multiple-Input-Multiple-Output(MIMO) 구조를 가지게 되는데, 이러한 구조는 송수신 안테나의 상호 결합 특성으로 인하여 근거리 목표물을 탐지하기 어렵게 만드는 단점이 있다. 본 논문에서는 광대역 및 근거리 특성 FMCW 레이다의 Ku-band 송수신기 제작을 통하여, 근거리 목표물에 대해, 신호 변조 효과와 안테나 상호 결합을 분석하여 보정을 진행하였다. 소개된 신호 보정 기법은 간단한 방식으로도 왜곡된 신호를 보정할 수 있는 방식이다. 또한, 변조에 의한 신호 왜곡 보정에 더하여, 안테나 상호 결합 응답을 제거하는 방식도 적용하였다. 이 방식은 안테나 상호 결합 응답에만 적용되는 것이 아니라, 고정 응답에 해당하는 clutter 응답 또한 제거하여, 목표물의 SNR을 높여주게 된다. 결과적으로, 목표물 신호의 변조 효과를 제거하여 스펙트럼 누설을 제거하여 주고 목표물의 거리와 크기에 대한 정보를 정확하게 해주는 효과를 가진다. 이 보정 기법은 신호 처리시, 복소수 영역인 해석적 신호를 이용하여 진행되기에, 전처리 과정에서 큰 부담 없이 수행할 수 있다는 장점이 있다. 마지막으로, 제안한 성능의 기법을 전형적인 레이다 목표물에 적용하여 1D-Fast Fourier Transform(FFT)를 통해, 주파수 영역에서 그 효과를 보였으며, 그 한계에 대해서 분석하였다.Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar has an advantage in terms of cost and resolution by simple structure and low bandwidth of baseband signal. Because of these, FMCW radar is widely studied in application of weather, military, vehicle, and Imaging radar. Wideband transmit signal of FMCW radar improves the distance resolution. But, due to the signal characteristic of FMCW radar, the frequency characteristics of the system are transferred to the time domain, and the signal is modulated. These effects are intensified with broadband signals and shorter chirp times. In addition, to get the angle estimation of target, most of FMCW radar have Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) structure. This structure has a drawback that makes it difficult to detect a short-range target due to the mutual coupling characteristics of the transmitting and receiving antennas. In this paper, through the fabrication of a Ku-band transceiver for a broadband and short-range characteristic FMCW radar, the signal modulation effect and antenna mutual coupling were analyzed and corrected for a short-range target. The proposed signal correction technique can correct the distortion in the signal in a simple way. Furthermore, a method of removing the antenna mutual coupling response was also applied. This method is not applied only to the antenna mutual coupling response, but also removes the clutter response corresponding to the fixed response, thereby increasing the SNR of the target. As a result, it has the effect of removing the spectral leakage by removing the modulation effect of the target signal and correcting information about the distance and magnitude of the target. This correction technique is advantageous in that it can be performed without a large burden in the pre-processing process because it is processed using an analytic signal that is a complex domain. Finally, the proposed technique was applied to a typical radar target, and the effect was shown in the frequency domain through 1D-Fast Fourier Transform (FFT), and its limitations were analyzed.목 차 제 1 장 서 론 1 제 2 장 FMCW 레이다의 기본 원리 3 제 1 절 FMCW 레이다의 신호 모델 3 제 2 절 안테나 상호 결합 6 제 3 절 위상 잡음 9 제 3 장 FMCW 레이다 시스템 하드웨어 12 제 1 절 FMCW 레이다의 Ku-band 송수신기 구조 12 제 1 절 FMCW 레이다의 Ku-band 송수신기 제작 18 제 2 절 FMCW 레이다의 측정 25 제 4 장 FMCW 레이다 시스템 신호 보정 35 제 1 절 FMCW 레이다의 신호 분석 35 제 2 절 FMCW 레이다의 신호 보정 38 제 3 절 FMCW 레이다의 신호 보정 한계 45 제 5 장 결론 47 참고문헌 47 Abstract 49 표 목차 [표 1] Ku-band 송수신기의 이론적인 성능 수치 17 [표 2] 제작한 Ku-band 송수신기 성능 19 그림 목차 [그림 1] FMCW 레이다 동작 원리 3 [그림 2] FMCW 레이다의 각도 정보 4 [그림 3] FMCW 레이다의 상호 결합 및 목표물에 의한 신호 6 [그림 4] 안테나 상호결합 응답 7 [그림 5] FMCW 레이다의 위상 잡음의 역 상관 요소 11 [그림 6] FMCW 레이다의 수신기(좌) 및 송신기(우) 모델 12 [그림 7] FMCW 레이다의 송수신기 제작 과정 13 [그림 8] 사용한 FMCW 레이다 신호의 공기중 감쇠 정도 14 [그림 9] FMCW 레이다의 DSP단에 쓰인 ADC의 성능 15 [그림 10] DSP의 ADC와 수신기의 dynamic range 비교 16 [그림 11] FMCW 레이다 Ku-band 수신기(좌) 및 송신기(우) 블록 다이어그램 16 [그림 12] 기저 대역 집중 정수 소자를 통한 HPF 응답 17 [그림 13] 제작한 Ku-band 송수신기 18 [그림 14] TDM-MIMO control 19 [그림 15] 제작한 Ku-band 송신기(우) 및 수신기(좌) 사진 20 [그림 16] PCB stack up 구조 20 [그림 17] DC 보드의 블록 다이어그램 및 부하 상태 21 [그림 18] 제작한 DC 보드 사진 22 [그림 19] 제작한 송수신기 및 DC 보드에 사용된 부품들 24 [그림 20] Guard 시간에 의한 변조 효과 25 [그림 21] Cascaded system 모델 26 [그림 22] Ku-band 수신기의 잡음 지수 26 [그림 23] SA를 이용한 잡음 지수 측정 방법 사진 26 [그림 24] 측정한 Ku-band 수신기의 잡음 지수 27 [그림 25] ADC와 수신기의 잡음 측정 결과 28 [그림 26] P1dB 측정 방식 28 [그림 27] 제작한 Ku-band 송신기의 P1dB 측정 데이터 29 [그림 28] 제작한 Ku-band 수신기의 P1dB 측정 데이터 29 [그림 29] IP3 측정 방식 29 [그림 30] IP3의 이상적인 교차 지점 30 [그림 31] 계산된 FMCW 레이다의 목표물에 대한 응답 31 [그림 32] FMCW 레이다의 측정 환경 31 [그림 33] FMCW 레이다 측정의 블록 다이어그램 32 [그림 34] FMCW 레이다 측정에서 사용한 목표물 32 [그림 35] Metal plate의 각도에 따른 RCS 33 [그림 36] Trihedral corner reflector의 각도에 따른 RCS 등고선 33 [그림 37] Metal plate 목표물에 대한 비트 신호 34 [그림 38] Trihedral corner reflector(side=3.5cm) 목표물에 대한 비트 신호 34 [그림 39] Trihedral corner reflector (side=6cm) 목표물에 대한 비트 신호 34 [그림 40] Bandpass filter의 군지연 및 크기 응답 36 [그림 41] FMCW 시스템의 실제 채널 응답 36 [그림 42] 비트 신호의 포락선 및 위상 38 [그림 43] 고정 응답과 목표물 응답 39 [그림 44] FMCW 레이다 시스템의 변조 데이터 보정 순서도 40 [그림 45] 변조 데이터 측정 환경 41 [그림 46] 기준 목표물에 대한 고정 응답 뺄셈 보정 결과 42 [그림 47] 원하는 목표물에 대한 고정 응답 뺄셈 보정 결과 42 [그림 48] 원하는 목표물에 대한 크기 위상 보정 결과 43 [그림 49] 원하는 목표물에 대한 크기 위상 보정 결과2 44 [그림 50] 정적 고정 응답 제거 효과 45 [그림 51] 단일 주파수 측정을 통한 고정 응답 제거 한계 확인 46Maste

Modeling and analysis of the effects of PLL phase noise on FMCW radar performance

The phase noise of a phase-locked loop (PLL) has a great impact on the performance of frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar. To examine the effects of the phase noise on FMCW radar performance, a model of an FMCW radar with a noisy PLL is developed. A filter-based technique for modeling the PLL phase noise is described. The radar model shows that PLL in-band phase noise affects the spatial resolution of the FMCW radar, whereas PLL out-of-band phase noise limits the maximum range. Finally, we propose a set of design constraints for PLL based on the model simulation results